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从导热油的结焦机理看选择优质导热油的必要性

  导热油换热介质在作业过程会发生结焦现象,这是一个复杂的化学变化过程。其实任何品质的导热油产品在遭遇高温、高压和空气交换的条件下,都有发生劣化结焦的倾向性。从其结焦的过程分析,导热油在使用过程中首先会发生烃基分子链的断裂,这种化学性质的分子裂变往往受着介质的不饱和成分影响最深,精制程度越高的换热介质,其化学稳定性和热稳定性更高,反之则越低。如果较多的导热油介质成分发生类似的化学变化,会导致整体导热油组分的低沸物组分增加,导热油的挥发性增强,同时伴着换热系统内部饱和蒸汽压更高,换热系统的循环换热性能变弱。
  另外,导热油的裂化形成的烃链自由基成分会再次重组,这就是导热油产品的缩合现象。缩合是一个复杂的不可控的化学合成过程。这个过程首先产生的就是系统中的胶质成分,这是一种很难分解和处理的高沸物质,质量好的导热油能将胶质悬浮于油中,在循环过程中,可将部分胶质通过过滤器滤掉。如果导热油的溶解度达到过饱和状态,高沸物就会粘附在管内壁,即使有一小部分胶质附着在炉管内壁,就容易形成结焦。导热油在换热系统中结焦,一般分以下四个阶段。
  诱导阶段
  烷烃类导热油在导热油炉炉管金属表面受热作用下,主要发生二大类化学反应:一类是裂解反应,另一类是缩合反应。裂解反应,使烷烃类大分子分解为小分子,导热油理化指标表现为粘度、闪点变小。缩合反应使烃类大分子缩合成芳烃等更大分子,在这些化学反应中,其主要反应产物路线是:烷烃一稀烃一芳香烃一稠环芳烃一胶质一沥青质。
  由此可见,反应过程中的分子量是逐步增大的。如胶质分子量在600~1000间,沥青质分子量在700~40000间,这些大分子物质在导热油中自行分离出来,其分离出来的胶质和沥青质是粘糊状的,它在导热中起诱导因子作用,继续诱导导热反应。
  吸附阶段
  导热油经加热生成胶质和沥青质成分向炉管金属表面的迁移或被金属表面的吸附 吸附是导热油的沥青质发生在炉管金属表面上的表面现象,吸附可分为物理吸附与化学吸附。物理吸附多在较低温度时进行,化学吸附都在较高温度时进行。物理吸附是范德华引力作用的结果,没有电子偶的形成。它可以是单分子吸附,也可以是多分子吸附。但并不一定在第一层吸满以后才吸附第二层,也不一定在第二层吸满以后再吸附第三层,属于不规则吸附。可是化学吸附却只是单分子吸附,它在吸附过程中生成化合物。导热油中沥青质在炉管金属表面主要是物理吸附,而且吸附的厚度是不均匀的、很软粘糊状沥青质。当温度增加后,碳与钢可能会发生吸附生成化合物,此时就要影响炉管质量,使炉管发脆 。
  硬化阶段
  沥青质附着炉管壁上继续受热会硬化,生成结焦。结焦相对来说比较硬的,传热系数又很小,是非传热物质。它在金属表面增加一层结焦层后,起到隔热作用,故结焦在导热油炉使用中无一好处。在硬化阶段中,结焦的主要化学反应是脱氧反应。随着脱氢程度不同,生成结焦的形状也不同。主要分为三种: 一、海绵状焦,也称无定形焦,C/H比小;焦块疏松,硬度低,结焦中含油量大,在火中易燃烧,在炉管中易清除。 二、蜂窝状焦,也称同性焦,C/H比中等;焦块内部结构呈蜂窝状,硬度中等,结焦中含油量少,在火中不易燃烧,在炉管中清除困难 。三、针状焦,也称异性焦,C/H比高;焦块内的孔隙是均匀定向和呈细长椭圆形,破碎时焦块裂成针状的焦一片或玻璃状,硬度高,结焦中含油量极少,在火中不燃烧,在炉管中清焦很困难。
  脱落阶段
  脱落是吸附的可逆过程。在吸附过程中,沥青质被导热油炉的管壁金属表面吸附上去,同时也有沥青质在导热油炉的炉管金属表面脱落下来,这是方向相反的两个过程。在这两个过程进行到速度相等时,就建立起吸附平衡,吸附量达到最大值。流体力学理论认为,雷诺数R≤2230时。流体在管内呈层流状态:当雷诺数R≥4000时,流体在管内呈湍流状态。湍流状态下,焦在管壁表面的吸附速度较慢,脱落较多。实践证明,当管内导热油的流速达到(1.53)m/s时,就可以得到较薄的边界层,导热油在管内结焦较少,达到强化传热。不同的受热面的热负荷强度不同,管内导热油流速的要求也应不一样。《有机热载体炉安全技术监察规程》规定,对于辐射段管内流速不低于2.0 m/s;对于对流段管内流速不低于1.5 m/s,从而增加导热油滞流程度。减少传热边界层中滞流底层厚度:减少对流传热热阻,提高对流传热系数,起到机械防焦和强化导热油流体传热的目的。
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