В настоящее время Высокотемпературные Органические Теплоносители (ВОТ) широко применяются во многих отраслях промышленности для обеспечения теплообмена и нагрева вплоть до температур 4000С.
Основные характеристики наиболее широко применяемых ВОТ приведены в таблице:
Торговое название |
ТЛВ-330 |
Состав |
Высшие диалкилбензолы |
Диапазон рабочих темпера-тур |
-45 0С до +350 0С жидк |
кипения при 1 атм. |
355 0С |
плавления |
(-40-25) 0С |
вспышки |
195 0С |
самовос-пламе-нения |
400 0С |
Кинема-тическая вязкость сСт |
50 (30 0С) |
токсичность |
малая токсичность ПДК-30 мг/м3 |
Теплоём-кость Дж/(кг К) 20 0С |
1800 |
Теплоём-кость Дж/(кг К) 200 0С |
2850 |
Давление в системе ВОТ при Т макс,атм |
1 |
20 OC |
0,097 |
200 OC |
0,081 |
Температурная зависимость теплофизических параметров теплоносителя ТЛВ -330:
Температура 0С |
Вязкость сСт |
Плотность г/см3 |
Теплоёмкость КДж/кгК |
Теплопроводность Вт/мК |
0 |
150 |
0,865 |
1,70 |
0,099 |
20 |
100 |
0,853 |
1,78 |
0,097 |
40 |
40 |
0,842 |
1,86 |
0,095 |
60 |
14 |
0,832 |
1,94 |
0,093 |
80 |
7,5 |
0,820 |
2,05 |
0,091 |
100 |
6,5 |
0,810 |
2,13 |
0,090 |
120 |
5,0 |
0,798 |
2,18 |
0,088 |
140 |
4,0 |
0,788 |
2,26 |
0,086 |
160 |
2,0 |
0,776 |
2,34 |
0,084 |
180 |
1,4 |
0,765 |
2,42 |
0,082 |
200 |
1,0 |
0,755 |
2,5 |
0,081 |
220 |
0,75 |
0,740 |
2,56 |
0,079 |
240 |
0,60 |
0,732 |
2,64 |
0,077 |
260 |
0,45 |
0,722 |
2,71 |
0,075 |
280 |
0,30 |
0,712 |
2,79 |
0,073 |
300 |
0,20 |
0,701 |
2,86 |
0,071 |
В качестве ВОТ обычно используются термостабильные органические вещества, обладающие высокой температурой кипения и низкой вязкостью. Как правило, молекулы этих веществ содержат одно или несколько ароматических ядер с алкильными заместителями. Увеличение длины цепи алкильных заместителей обычно приводит к уменьшению термостабильности. Однако в некоторых случаях высшие алкилароматические соединения обладают достаточной устойчивостью при высоких температурах и успешно применяются в качестве ВОТ. Здесь следует упомянуть хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации диалкилбензолы - теплоноситель ТЛВ-330, высшие алкилнафталины - теплоноситель Термолан, алкилдифенилы - теплоноситель Алотерм.
Все ВОТ можно разделить на синтетические и минеральные. Синтетические теплоносители производятся на основе специально полученных с помощью химического синтеза термостойких веществ. Минеральные теплоносители - продукт вакуум-дистиляции нефтяных масел. Поэтому в минеральных маслах - теплоносителях, наряду с термостойкими, в значительных количествах присутствуют вещества с низкой термической устойчивостью, что приводит при эксплуатации к более быстрому, чем в случае синтетических ВОТ, ухудшению эксплутационных свойств. Главным недостатком минеральных масел является то, что при термодеструкции они разлагаются преимущественно с образованием смолообразных веществ, что приводит к увеличению вязкости, ухудшению теплообменных свойств и закоксовыванию поверхностей теплообменников. Эксплуатация этих масел при температурах выше 2000С требует полной замены раз в один-два года (из-за увеличения вязкости и ухудшения теплофизических параметров) и, вследствие отложения коксующих элементов, периодической замены теплообменной обвязки. Наиболее широко используется минеральное масло - теплоноситель АМТ-300. Поскольку минеральные масла в несколько раз дешевле синтетических, многие предприятия предпочитают их синтетическим, особенно при больших объёмах потребления и сравнительно невысоких температурах эксплуатации (2500С) и даже, в некоторых случаях, практикуют ежегодную полную замену ВОТ из-за резкого ухудшения эксплутационных свойств и закоксовывания теплообменной аппаратуры.
В случае синтетических ВОТ, при условии правильной эксплуатации, можно избежать закоксовывания и добиться многолетнего сохранения эксплутационных свойств при небольшой (3-5%) ежегодной подпитке системы. При температурах эксплуатации до 3300С хорошо зарекомендовали себя вышеупомянутые синтетические ВОТ - ТЛВ-330, АЛОТЕРМ, Термолан, термодеструкция, которых протекает в основном с выделением легколетучих продуктов, которые не трудно удалить из системы. Особый интерес вызывает факт меньшего смолообразования, ведущего к закоксовыванию теплообменников, по сравнению с другими ВОТ. При более высоких температурах применяются ВОТ на основе дифенил-дифенилоксидной смеси и терфенилов, к недостаткам которых относятся неприятный запах, токсичность и необходимость работы под давлением.
Различают в основном, два вида работы с ВОТ:
Первый - это непрерывный режим. Этот режим является щадящим. Отсутствие сильных перегревов на поверхности нагревателей (не более 500С) при рабочих температурах 200-3300С подогрев при низких температурах, то есть при условиях высокой вязкости и низкой теплопередачи, что способствует сильным локальным перегревам. Форсированный нагрев в этих случаях допустим. Здесь необходимы совершенно другие решения разогрева ВОТ, которые сводятся в основном к подбору ВОТ.
Второй - это периодический режим работы, который равносилен многократному пуску и остановке процесса. Особенностью этого режима является, что необходимо многократно производить нагрев ВОТ при низких температурах, то есть при условиях высокой вязкости и низкой теплопередачи, способствует сильным локальным перегревам. Форсированный нагрев в этих случаях недопустим. Здесь необходимы совершенно другие решения разогрева ВОТ, которые сводятся в основном к подбору ВОТ с наименьшей вязкостью, увеличению поверхности нагрева и скорости прокачки у поверхности теплонагревателей, строгая автоматическая регулировка подъема температуры, исключающая сильные локальные перегревы, использование двухконтурной схемы нагрева и охлаждения ВОТ и т.д. При всех режимах не допускается работа установки с ВОТ без азотной подушки (требуется азотное дыхание).
В общем случае, в ходе эксплуатации систем с ВОТ, наблюдается уменьшение температуры вспышки (Твсп) из-за появления низкокипящих углеводородов. Поэтому возможность удаления легколетучих продуктов должна быть предусмотрена при проектировании. Также, при длительной эксплуатации, в ходе термодеструкции появляются твердые частицы и смолы, увеличивается вязкость. Поэтому требуется постоянная фильтрация и вывод из системы коксующихся веществ. В противном случае они отлагаются не только на поверхности нагревателей, но и по всему контуру, из-за чего снижается теплопередача и мощность. При форсированной же мощности ухудшение теплообменных процессов происходит автоускоренно, и за короткое время установка закоксовывается, что приводит к необходимости замены нагревательных элементов и теплообменной аппаратуры.
В заключение отметим, что условия правильной эксплуатации, позволяющие свести к минимуму процессы термодеструкции и их последствия, и решающую роль. Во многих случаях конструктивное решение системы, обеспечивающее условия правильной эксплуатации, имеет гораздо больше значение, чем выбор какого-либо конкретного ВОТ. Поэтому проектирование установок, монтаж и пуск установок с ВОТ должен быть проведен только квалифицированными специалистами, имеющими многолетний опыт работы.