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0 引 言
油漆( 涂料) 是国民经济各部门不可缺少的配套材料, 广泛应用于各类建筑物、各种工业制品( 如飞机、火箭、人造卫星、汽车、船舶、机械电子和轻工家电等) 的装饰保护以及各类钢铁设施( 如码头、海洋石油钻井平台、石油化工装备、输送管道、输变电塔和桥梁等) 的防腐保护。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高, 涂料的应用范围不断扩大。涂料的消费水平已成为一个国家经济发展水平的重要标志之一。油漆( 涂料) 生产大多涉及树脂合成, 而醇酸树脂和聚酯都是油漆( 涂料) 工业中用量最大的合成树脂。醇酸树脂生产包括醇解和酯化( 脂肪酸法只有酯化)两个过程, 醇解温度在240ºc 以上, 酯化温度为180~230ºc ; 而聚酯生产工艺中酯化的温度也在250 ºc 以上, 因此选择何种加热方法是醇酸树脂和聚酯生产工艺设计中必须慎重考虑的问题之一。理想的加热方法应满足: 安全、经济、操作方便、加热均匀、热效率高、热交换条件好, 能满足工艺要求的升温和降温速度, 并能实现温度的调节和控制。加热方法还关系到生产周期长短、产品质量优劣、是否符合环境保护和国家能源政策, 应因地制宜、综合考虑。
1 树脂制备中主要的加热方法
日前国内外生产醇酸树脂和聚酯制备中的加热方法主要有两类, 一是直接加热法, 如炉灶法等, 二是间接加热法, 即用热能载体再加热反应釜的方法, 如各种电加热法、导热油加热法等。
1.1 炉灶法
炉灶法是将燃料燃烧的热能直接加热安装在炉膛内的反应釜, 所用燃料有煤、焦炭、柴油、煤气及天然气等。此法按炉灶构造分为固定灶和活动灶两种,均配置有鼓风机, 前者将灶固定于反应釜底部, 炉排上燃烧煤、焦炭进行加热; 后者在炉膛底地面上安装轨道, 炉灶放在轨道上, 用人力或机械装置将炉灶推进和拉出, 燃烧煤气及天燃气的只有炉膛而无灶, 只是安装有用不锈钢管钻有小孔喷嘴的燃烧盘管, 活动灶和燃烧气体的炉灶, 上部均装有用于冷却降温的喷水盘管, 用于调控反应各阶段温度。燃烧柴油的炉灶均用耐火砖砌成, 采用各种燃油器, 如转杯式燃油器、盘式燃油器等。
1.2 电加热法
电加热法是将电能转变为热能的加热方法, 常见的有工频电感加热、远红外电阻加热和电热棒等。
( 1) 工频电感加热: 在铁磁物质制造的反应釜中装有一组或几组感应线圈, 当感应线圈中通过工频交流电( 50Hz) 时, 在其周围形成的交变磁场作用下, 将在反应釜的铁壳中产生感应电流) ) ) 涡流, 工频电感加热利用涡流在铁壳中所产生的热量进行加热。
( 2) 电阻远红外加热: 电阻远红外加热是用不锈钢作电阻带, 当电流通过时将电能转变为热能, 此热能传导给反应釜一侧涂有远红外涂料的陶瓷碳化硅板, 激发远红外涂料中的金属氧化物原子, 可提高远红外辐射能, 而碳化硅板既以热传导又以远红外热辐射形式向反应釜加热。
( 3) 电热棒加热: 电热棒是管状加热器的俗称, 它是用金属管作外壳, 管中安装有合金电阻丝, 在空隙处充填有良好绝缘和导热性能的结晶氧化镁, 它只能浸入导热油等液体内使用, 导热油仅靠自然对流, 处在电热棒周围的导热油易局部过热, 分解炭化结焦,加之我国目前电力紧张、应用受到限制。现将以上几种电加热法的技术经济比较列表如下:
我国是发展中国家, 现阶段电力供需矛盾突出,同时又是石油进口大国, 因此采用电加热和燃烧轻柴油的加热技术是不可取的。
2 导热油加热法
随着现代工业的发展, 能源日趋紧张, 环境日渐恶化, 节能和环保愈来愈受到世界各国的重视。导热油加热炉作为我国推广的一种环保型节能装置, 它主要通过燃油方式供能, 以导热油为载热体, 闭路循环,连续供热, 具有均匀传递热量、准确控制温度及快速地对加热作出反应等特点。在涂料行业中, 为了加热均匀, 精确地调控温度和安全生产, 国内外涂料厂商,在醇酸树脂和聚酯生产中广泛采用导热油加热, 而导热油加热炉系统也得到了广泛的应用。图1 为典型的导热油加热系统工艺流程图, 其既有加热又有冷却功能。
2.1 导热油加热系统的工艺优化
2.1.1 导热油加热系统的工艺设计
导热油加热系统的工艺设计并不复杂, 在确定了工艺用热条件的连续性或间歇性、各用热设备( 反应釜) 的热负荷、加热温度等之后, 其主要供热设备, 如加热炉和循环油泵的参数就基本确定下来, 只要操作过程中注意控制加热炉的传热强度以降低导热油的裂解率, 同时控制循环油泵的流量以保证提供各用热设备所需的热量, 就可保证可靠、精确地为各用热设备( 反应釜) 供给热量。
2.1.2 导热油加热系统的整体优化
导热油加热系统一般由导热油加热炉、供热管网、用热设备( 反应釜) 组成, 通过循环油泵将热能经供热管网输送至各热设备( 反应釜) , 并构成一闭路循环系统, 从而达到提高热能利用率、降低运行费用和减少环境污染的目的, 最终得到整体设计的优化。
2.1.3 膨胀槽单元的优化设计
虽然在选定了主要供热设备后, 导热油加热系统的工艺过程已基本确定, 并通过将工艺过程与能量回收, 从而达到整体设计的优化, 但要保证该系统长期稳定、高效、安全地为各用热设备供热, 还需对膨胀槽单元进行优化设计。使用导热油的液相供热系统, 其膨胀槽的单元设计是整个系统成功运行的一个重要因素, 设计合理的膨胀槽单元能解决供热系统从开车到正常操作过程中的许多问题, 如低沸物及空气的排除, 导热油的氧化和热能的损失等。
2.1.4 膨胀槽的容积计算
容积计算应考虑当整个系统充满导热油时, 在环境温度下膨胀槽内导热油装填到25% , 而在正常操作温度下膨胀槽的液位达到75% 。这样的容积将保证系统开车时对循环油泵吸入侧施加一定的静压强,避免油泵出现汽蚀; 而且在正常操作时使槽内留有最低限度的气相空间, 保证低沸物、水蒸气及空气的有效排除。
2.1.5 膨胀槽的降液管设计
降液管设计必须允许导热油以系统全流量通过,同时还要限制高温导热油将热量带入膨胀槽, 液相循环管及旁路小流量管的设计可满足上述要求。首先,将液相循环管管径设计成与主管线一致, 保证在开车或排气操作时系统全流量通过膨胀槽, 从而有效地排除系统内的低沸物和空气; 其次, 将旁路热虹吸管管径设计成全流量管径的1/ 3 左右, 既满足在正常操作时系统与膨胀槽连通, 又可限制系统向膨胀槽传热, 以保证槽内较低的温度, 防止导热油氧化, 并减少热损失。
2.1.6 膨胀槽的惰性气体保护
有机载热体暴露于空气中易发生氧化, 同时大气中的氧气及二氧化碳将使系统内的热力管道及其设备受到腐蚀, 生成大量的固体不溶物, 并引起严重的结垢, 导致系统传热效率低, 使系统机械部件的密封功能遭到破坏。不溶物的形成速率取决于导热油暴露在空气中的时间和温度, 膨胀槽内导热油的温度可通过三分之一热虹吸管来控制, 而采用闭式膨胀槽加惰性气体( 氮气) 覆盖系统可使导热油免遭湿空气侵蚀, 将导热油的氧化程度降至最低, 为了连续地向膨胀槽提供氮气, 其进出口可采用调压阀控制, 并保持尽可能低的密封压力( 微正压) , 减少氮气用量。
2.1.7 膨胀槽的安全控制
2.1.7 膨胀槽的安全控制
除了操作上的控制外, 膨胀槽单元还应设置适当的安全控制。首先, 作为调压阀失控的安全装置, 膨胀槽上应装设安全阀, 其排放点要远离着火源和对人身造成伤害的区域; 其次, 膨胀槽宜设置低液位关断和高液位报警系统, 当导热油出现事故泄漏时( 低液位) , 能关断加热炉和循环油泵, 并提醒操作者检查是否有工艺介质漏入系统( 高液位) 。
3 导热油加热系统的综合评价
1) 由于导热油作为传热介质最大的优势是在较低的操作压力下可获得较高的操作温度, 在几乎常压的条件下, 可以获得很高的操作温度。即可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求, 提高了系统和设备的可靠性。
2) 可以在更宽的温度范围内满足不同温度加热、冷却的工艺需求, 或在同一个系统中用同一种导热油同时实现高温加热和低温冷却的工艺要求。即可以降低系统和操作的复杂性。
3) 导热油供热系统采用闭路循环, 不存在排放热损失, 其供热管网散热损失更少。
4) 导热油不易造成系统的腐蚀和结垢, 无需进行预处理, 省略了水处理系统和设备, 提高了系统热效率, 减少了设备和管线的维护工作量。即可以减少加热系统的初投资和操作费用, 其节水节电的经济价值相当可观。
4 结 论
我国是发展中国家, 现阶段电力供需矛盾突出,同时又是石油进口大国, 采用新工艺、新技术、新设备、新材料成为节能降耗和保护环境的必要手段, 而采用导热油加热法具有传热均匀, 输送方便, 可在较低压力下得到较高的温度, 设备相对简单, 投资不高,操作控制容易, 利于提高树脂质量, 热效率较高, 节能效果显著, 较明火加热安全, 经济效益十分显著。导热油炉加热法对于大中型涂料厂及专业树脂生产厂家, 醇酸树脂、聚酯树脂产量大, 具有多种规格的反应釜, 采用导热油加热法具有加热和冷却系统的加热流程, 利于反应各阶段温度的调控和提高产品质量。随着过程系统工程学的发展, 化工节能技术的热点已由单个设备的节能转移到系统节能。以导热油为载热体的加热工艺是目前国内较为先进的加热技术, 它能将工艺过程、能量回收系统作为一个有机结合的整体来看待, 如果能对用能过程进行热力和技术经济的综合分析, 使整体设计最优化, 必将带来更好的经济效益和社会效益。
