传热介质的选择

传热介质概述及导热油选择范围

作者:Dominik Stephan 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:357 发布时间:2019-03-11
合成的、生物的或者矿物的的传热介质有着不同的使用条件,用户会在蒸汽和导热油之间做出选择,但哪种产品在温度控制方面性能最好?无论是油基的、合成的、熔盐的还是有机生物的,正确的化学性质都是至关重要的。
传热介质的选择

当需要控制流程工艺温度时,传热介质是必不可少的物质。这里需要合适的导热介质,而流程设备的规划设计师和使用者们可以选择的导热介质也是多种多样的。最简单的导热介质就是来自大自然天然产品的水或蒸汽,它与其他介质相比有很多优点,热容量大(几乎是其他介质的2倍),导热率高(相当于5倍),且是低粘度的不可燃介质,再就是它们的采购和使用成本也非常低廉。但是,汽相中的“湿冷”会迅速导致设备零部件和管道的锈蚀。当温度大于沸点时,冷却循环回路必须在超高压下运行,这就要求系统结构具有很好的耐压性能,并且整个流程受到全面的监控。

作为替代的解决方案,可以使用温度在-50℃~120℃的水-乙二醇混合液来防止结钙和腐蚀。在热泵、加热设备和机动车辆中使用的单乙二醇水溶液(俗称乙二醇)则不适合于大多数工业领域中使用,因为它的使用寿命短且为其他工作条件设计。而基于丙二醇(也称之为1.2-丙二醇)的现代化解决方案则完全不同,它主要用于毒性值要求低的应用场合(丙二醇是食品添加剂E 1520), 例如Fragols Zitrec F就是一种HT-1级食品认证的单丙二醇基水基混合液。

导热油的选择

另外,设备制造商也常将基于碳氢化合物的导热油作为热载体。例如,Fragols Fragoltherm就是在-110℃~200℃(Fragoltherm XT-9)及-15℃~25℃(Fragoltherm FG-35)的工作温度范围内的矿物质导热油。矿物质又常常被细分为石蜡基油(石蜡含量超过75%)、环烷基油(环烷烃超过70%)或者芳香族油(芳烃超过50%),虽然芳香族导热油最容易与氧产生化学反应,但是它的环形分子结构有着比石蜡基更好的热稳定性。因此,在选择导热油时要特别注意其耐热性、氧化稳定性、沸点和闪点。

但是对许多密封材料来讲,矿物质导热油具有一定的化学腐蚀性,并且在高温下容易发生火灾。因此,在寻找矿物质导热油的替代品时用户越来越多地使用了基于聚亚烷基二醇、聚丁烯或芳族烃的合成导热油。

这些流体中的液体能够以蒸汽的形态使用,这在大面积加热或者复杂结构的结构件中使用是非常有益的。最经典的是朗盛公司研发生产的、商品名为Diphyl的共晶联苯/二苯醚混合物。它不仅可以在高达257℃时仍然保持液体,而且还可以在高达400℃的汽相中使用。有着类似性能的替代品是苄基甲苯(例如Laudas Ultra 350)和二乙苯(例如Tulstars HTF 750),它们也适合于在低温(苄基甲苯为-30℃~360℃,二乙苯为-80℃~300℃)工况中使用。另一个重要优点是二乙苯在-60℃时的粘度仅为7.1 mm2/s,这就使它在冷却过程中非常适用。Sasol德国公司也在生产名为Marlotherm-Fluidem的合成导热油,这一品牌下不同的导热油可以在-90℃~360℃的温度范围内使用。

半有机热载体

在温度高达200℃时通常可以使用聚烃基乙二醇(大多数情况下是基于聚乙烯或聚丙烯)的导热油,例如Avokal-Heller公司的PEG。同样,聚丁烯也可在温度高达200℃的工况中使用,同时它也适合于在极端寒冷(低至-80℃)的工况中使用。根据美国食品药品监督管理局FDA的认证,这些导热油也可以在食品生产中使用。

导热油也有自己的使用限制条件,例如只能在温度350℃的范围以且没有压力的工况下使用。一旦最高温度超过400℃,这些导热油所产生的压力就升高到了11bar。另外,过高的热负荷也容易导致矿物质导热油的组成成分变质或者形成更低的燃点,这提高了火灾的风险。

半有机热载体是将2类热载体的长处集中到一起的组合方案。聚二甲基硅氧烷将SiO2的热稳定性和有机基团的优点结合到了一起。它即可在低温环境中使用(-100℃)也可以在高达400℃的高温环境中使用。例如Lauda公司研发生产的Kryo 95就是一种可以在-95℃~160℃范围内使用的这类热载体。但是聚二甲基硅氧烷只能用于液相,而且当温度达到400℃时会产生14bar的系统压力。

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替代解决方案

还有一种可以在无压力工况下、有着良好的热容量和耐高温的热载体替代解决方案,这就是盐溶液。例如Heat 11公司提供了2种或者3种熔点为142℃的盐的共晶熔融混合物,有着良好的导热性和抗分解性能。由于这种混合液可以在高达550℃的环境中实现非加压操作,因此熔盐设备可以设计成立式的二回锅炉或者三回锅炉。Lauda公司也提供了盐溶液的加热和冷却系统解决方案,就是将液态盐混合液从加热罐泵送到加热器,使其达到所需的温度。当关闭泵时,混合液会自动回流到加热罐中。这种方法可以防止盐溶液在系统凝固,并保证在120℃~550℃的温度范围内具有很高的操作使用安全性。

由于在温度调节控制领域中可持续发展的理念已经远远超出了单纯能源利用效率的范畴,因此Aqua-Concept公司、Du Pont Tate&Lyle公司与Bioamber公司合作开发了一种基于可再生原材料和可持续发展流程工艺技术的液态热载体。能够成为一种无毒的、不易燃烧的和可生物降解的防冻剂。当然,还有专门为冷却过程设计的导热介质,例如Clariants Antifriogen公司研发生产的乙二醇或甲酸钾基防冻剂,可防止热量回收过程出现结冻和腐蚀的情况。

温度范围

谨慎的选择

为冷却和加热过程选择导热介质是一项非常谨慎的抉择。除了导热介质的热传导性能和很高的化学稳定性之外,具体工况对导热介质的选择往往具有决定性的意义。

例如,在中等的工作温度情况下,价廉物美的矿物质导热介质就是标准的解决方案。当工作温度较高时,矿物油的性能、成分会受到影响,这就必须经常更换或者重新加油,这就会导致资金流失。在这种工况下,专家们建议使用最高温度至350℃(在一定压力下工作时温度可达400℃)的合成导热介质。这时,不仅要考虑到尽可能高的预热温度,也要考虑合成导热介质的使用寿命,这取决于其化学成分和工作模式,在高温环境中有着明显的差异。最后,水资源污染等级和危险品分类也起着非常重要的作用。