Выберите теплообмена жидкостей для низкотемпературного применения

Рассмотрим такие факторы, как теплофизические свойства, токсичность, охраны окружающей среды, и экономики при выборе жидкости.

Бесчисленные операции в процессе химической промышленности (ИПЦ) требует передачи тепла. Один из способов получения низких температур процесс средних холодильных, где основной хладагент или сжиженный газ используется для охлаждения жидкого теплоносителя первого, а затем холодной жидкости теплообмена распространяется через этот процесс.

Среднее холодильного более эффективно, чем прямое охлаждение использованием сжиженного газа (например, жидкий азот) или механической холодильной использованием фторуглеродных основе хладагента. Преимущества средних холодильных включают в себя:

* Он использует примерно 75-80% меньше, основной хладагент

* Есть меньше хладагента поскольку существенно меньше труб охлаждения

* Меньше обращений услуг требуются

* Более стабильный процесс температура может быть сохранен.

Среднее хладагентов, таких как этилен и пропилен гликоль очень популярны теплообмена жидкостей (HTFS) в интервале температур 121 ° С до -40 ° C. гликолей, как правило, в воду для контроля замораживания последней точки и вязкости. Трихлорэтилен (TCE) был также широко использовались в прошлом, из-за своей низкой вязкости при низкой температуре и негорючесть. Гликолей и TCE недороги, но имеют ряд ограничений. Наиболее важным недостатком является то экологические проблемы, связанные с их использованием. Этиленгликоль и TCE считаются токсичными, так что они не могут быть использованы во многих процессах. Пропиленгликоль, хотя и не токсичен, имеет очень высокую вязкость при низких температурах, так что обычно используется при температурах выше -23 град о C. гликолей и со временем ухудшаться и формы гликолевая кислота, которая может способствовать коррозии металлов в системе.

В данной статье рассматривается несколько других низкотемпературных теплообменных жидкостей, в том числе ароматических соединений, Этан, силиконы, фреонов, и, естественно, полученных терпенов.

Требования к низкотемпературной HTFS

Низкотемпературная HTFS должен обладать определенными характеристиками:

* Низкой температурой застывания и низкую вязкость при низких температурах

* Высокая температура кипения при нормальном давлении

* Хорошие теплофизические свойства

* Хорошая термическая стабильность и низкую чувствительность к окислению в диапазоне температур приложения

* Высокая температура воспламенения и температура самовоспламенения

* Коррозии строительных материалов

* Бесплатно или за минимальную нормативно-правовые ограничения

* Экономичность.

Лучшие низкотемпературной HTF является недорогим и нетоксичные жидкости с отличной низкотемпературной теплофизические свойства и длительный срок службы. Низкотемпературной HTF должны низкой температурой замерзания (по крайней мере 20 ° С ниже минимальной рабочей температуры), чтобы избежать замораживания на теплообменных поверхностях. Он должен также иметь низкое давление пара и высокой температуры кипения, чтобы избежать необходимости оказать давление на системы при повышенных температурах. Высокая температура воспламенения и температура самовоспламенения желательны так, что жидкость менее восприимчивы к возгоранию. Кроме того, хорошие теплофизические свойства, необходимые для получения высоких коэффициентов теплоотдачи при сведении к минимуму накачки для перемещения жидкости по трубам при скорости потока.

Чтобы сравнить две жидкости, Баллард и Мэннинг (1), разработал параметр называется относительной эффективности теплообмена фактор (RHTEF):

Этот параметр учитывает четыре теплофизических свойств жидкости: теплопроводность (к), вязкость ([т), плотности (р) и теплоемкости (CP). Он сравнивает эти свойства жидкости, представляющие интерес с тех ссылкой жидкости, в данном случае TCE. В этой статье используются RHTEF сравнить некоторые из наиболее часто используемых низкотемпературной HTFS.

Помимо теплофизических свойств жидкости, должны также проявлять достаточную устойчивость к окислительной деструкции. Большинство органических жидкостей окисляются при высоких температурах в присутствии воздуха и может образовывать кислые и продуктов полимеризации в системе, которые могут инициировать коррозии и обрастания. Это может серьезно повлиять теплообмена эффективности системы.

Очень важные характеристики хорошей HTF является то, что он должен быть нетоксичен и экологически чистой. Идеальный кандидат должен уметь 1, которые могут быть классифицированы как пищевой, а также удовлетворить продуктами и лекарствами США (FDA) США и кафедра сельского хозяйства (USDA) критерии для "случайного контакта с пищевыми продуктами". Кроме того, его не следует ни пара вклад в парниковый эффект, ни к истощению озонового слоя.

Ни один из используемых в настоящее время HTFS удовлетворить все эти требования. Через несколько жидкостей удовлетворяют большинству критериев, но те, кто стоят очень дорого. Некоторые из используемых в настоящее время низких температур HTFS могут удовлетворить потребности многих приложений, как описано ниже.

Ароматические

Ароматические углеводороды, такие как диэтиловый бензола очень распространены низкотемпературные HTFS в диапазоне температур от -70 ° С до 260 градусов C. Их низкотемпературных характеристик теплообмена и тепловой устойчивости отлично.

Однако, эти алкилированные соединения бензола не могут быть классифицированы как нетоксичны. Они имеют сильный запах, который может вызвать раздражение персонала работе с ним, и очень мало ароматических соединений замерзания ниже -80 град C. Таким образом, ароматические HTFS используются выше -70 ° С в закрытых системах, в герметичном в химической промышленности и промышленных холодильного оборудования.

Этан

Парафины и изо-парафиновые углеводороды алифатические используются в некоторых низкотемпературных систем. Многие petroleumbased алифатических соединений удовлетворить FDA и USDA критерии для "случайного контакта с пищевыми продуктами". Эти жидкости не являются опасными побочными продуктами деградации, и большинство из них nondiscernible запаха и нетоксичны при контакте с кожей и проглатывании.

Однако даже при всех этих преимуществах, эти жидкости не очень распространены в низкотемпературных приложений из-за их высокой вязкости при низких температурах. Кроме того, термическая устойчивость алифатических соединений не так хорошо, как ароматических соединений.

Некоторые изо-парафины жидкости (с 12 до 14 углеводородов) может быть использован с -60 ° С до +150 град С. Эти жидкости предпочитали в пищевой промышленности и фармацевтической промышленности, где токсичность представляет собой серьезную проблему.

Silicones

Другой класс популярных низкотемпературной HTF является диметил полисилоксан, широко известный как силиконового масла. Поскольку речь идет о синтетических полимерных соединений, молекулярной массы и теплофизических свойств можно регулировать путем изменения длины цепи. Силиконовые жидкости могут быть использованы при низких температурах вплоть до -100 ° С и выше, чем 260 градусов C.

Эти жидкости имеют отличные срок службы в закрытых системах, в отсутствие кислорода. Кроме того, с существенно не имеет запаха и очень низкая токсичность, силиконовые жидкости, как известно, на рабочем месте среды.

Однако, низкое поверхностное натяжение, эти жидкости имеют тенденцию течь фитингов, хотя это и низкое поверхностное натяжение улучшает увлажнение. Силиконы правило, по цене выше, чем ароматические и алифатические основе HTFS. С силиконовой жидкости практически не токсичен, основные приложения рассматриваются в фармацевтической промышленности.

Фторуглероды

Фтористые соединения, такие как hydrofluoroethers и перфторуглеродов эфиры имеют определенные уникальные свойства, которые позволяют им успешно конкурировать в области низких температур рынке HTF. Во-первых, они являются негорючими и нетоксичны. Некоторые фторсодержащих соединений, разрушающих озоновый слой потенциальных нуля и другие благоприятные экологические свойства. Во-вторых, некоторые из этих жидкостей с низкой температурой застывания и низкую вязкость при низких температурах.

Тем не менее, эти жидкости очень дорого. Из-за крайне низкого поверхностного натяжения, утечки могут развиваться вокруг арматуры. Кроме того, фторуглеродов имеют гораздо меньшую температуру кипения, чем многие другие HTFS. Таким образом, эти соединения не подходят для применений, где и на низких и высоких температурах лучшего.

Типичные области применения фторуглеродных основе жидкостей в фармацевтической промышленности и полупроводниковой в диапазоне температур от -100 ° С до 150 градусов C.

D-лимонен

Другие низкотемпературной HTFS основаны на естественно, полученных терпенов, таких, как D-лимонен. Ссылка 2 описывает г-лимонен как наиболее предпочитаемый среди всех monocycloterpenes из-за его характерные свойства, такие как низкая вязкость при низких температурах. D-лимонен является основным компонентом масла цитрусовых фруктов и присутствует в следовых количествах в апельсиновом соке. Она оправилась в коммерческих количествах путем дистилляции оранжевый масло, полученное из цитрусовых корок. Потому что это вытекает из цитрусовых фруктов, D-лимонен считается безопасным и экологически HTF и, следовательно, его предпочитают во многих пищевых продуктов и фармацевтических процессов.

Тем не менее, температура плавления dlimonene составляет около -78 ° С, ниже этой температуры, она становится густой белый гель-подобные вещества, которые невозможно насоса. Таким образом, применение D-лимонен ограничивается выше -68 градусов по С. Кроме того, при температурах выше 50 ° С, D-лимонен окисляется быстро в присутствии воздуха, который вызывает окисления и полимеризации молекул. Из-за этого dlimonene не рекомендуется для использования выше 50 градусов C.

Терпены смесей

Использование эвтектических смесей monocycloterpenes в низкотемпературных приложений рассматривается в работе. 3. Эти новые экологически чистые HTFS имеют температуру плавления ниже -110 ° С и теплофизические свойства, сравнимые со многими другими HTFS. Так как эти новые HTFS биологически основе и получаемой из возобновляемых источников, они требуют меньше энергии, чем для производства других синтетических HTFS. С добавлением антиоксидантов и надлежащего использования инертных газов, таких как Новая Зеландия, эти жидкости могут быть использованы от -100 ° С до 150 ° С в различных областях применения.

Сравнение жидкостей

В таблице приведены некоторые свойства и RHTEFs наиболее часто используемых низкотемпературной HTFS. При -40 ° С, TCE имеет самый высокий RHTEF, за которыми следуют ароматы и терпенов. Тем не менее, TCE окружающей среды на свойства являются не более благоприятные, чем у других жидкостей. Ароматические углеводороды имеют некоторую степень токсичности, так много приложений, в пищевой и фармацевтической промышленности не предпочитают этих жидкостей. Таким образом, терпены, силиконовые масла, алифатических-углеводородной основе HTFS являются первым выбором в этих отраслях.

Цифра сопоставима вязкости несколько HTFS. Это свойство объясняется различиями в RHTEFs различных жидкостей при сверхнизких температурах. HTFS на основе алифатических углеводородов, значительно выше, чем в других вязкости жидкости при низких температурах. Таким образом, эти жидкости не может быть эффективно использована в приложениях ниже -60 градусов C.

В приложениях ниже -70 ° С, пользователь должен выбрать между терпенов и силиконовой основе по цене жидкости и срока службы. Силиконовые жидкости, как правило, дороже, чем терпены, но они могут иметь долгую жизнь. Службы HTF зависит от таких факторов, как температура, воздействие кислорода (в воздухе) и влажность, наличие примесей, а также каталитической деградации на металлических поверхностях. Терпены имеют двойные связи, которые делают их чувствительными к окислению и полимеризации, а силиконы имеют стабильную структуру, и, как правило, устойчивы до 250 град С. При обычных условиях эксплуатации -70 ° С до +150 ° С, силикон может длиться 2:58 раз больше, чем терпенов. Тем не менее, при надлежащем антиоксиданты, жизни терпенов может быть продлен чтобы оно совпадало с силиконов. Поэтому при выборе между терпенов и силикона, следующие параметры должны быть рассмотрены:

* Температура процесса

* Инертного газа подушки в жидком расширительный бак

* Срок службы жидкости определяется заводом-изготовителем (температура, подушки инертных газов, а также антиоксидантные концентрации играть важную роль в определении этого)

* Жидкости стоимости.

Эти параметры в конечном счете, влияют на экономику жидкости в долгосрочной перспективе, и покупатель должны быть осведомлены о долгосрочных последствиях.

Переключение HTFS в существующем оборудовании

Изменение HTFS становится обычной практикой в ИПЦ растений из-за тенденции к замене токсичных жидкостей с использованием экологически чистых и безопасных жидкостей. Иногда, переключаясь на другую жидкость может обеспечить лучшую теплообмена эффективности и / или требуют меньше мощности накачки. При переключении HTFS в существующем оборудовании, следующие факторы должны быть приняты во внимание:

Ли существенные изменения в системе не требуется. Эти изменения могут быть в насосе размер, размер теплообменника, трубы конфигурации, или любого другого вспомогательного оборудования. Это будет зависеть от теплофизических свойств жидкостей.

Система очистки. Все жидкости, производители рекомендуют тщательной очистки системы при изменении HTF. В некоторых случаях новые жидкости не могут быть совместимы или смешивается со старой жидкости. Например, при переходе с водных жидкостей, таких как гликоль / вода или раствором хлористого кальция решение углеводородов или силиконовой основе жидкости, или наоборот, эта система должна быть очищена в соответствии с инструкциями производителя жидкости перед новой жидкости не взимается.

Контроль качества. После перехода на новую жидкость, репрезентативные образцы должны быть проанализированы каждые несколько месяцев. Для неполярных жидкостей, таких как углеводороды и силиконы, уровень влажности следует измерять время от времени. Если влажность превышает растворимость воды в HTF, то вода образует отдельную фазу, которая может иметь пагубные последствия для системы, поскольку она может замерзнуть при низких температурах.

В целом

Будь выбор низкотемпературной HTF для новой системы или в качестве замены жидкости в существующие системы, правильный выбор на основе факторов, обсуждаемых здесь может снизить общие затраты на процесс, в долгосрочной перспективе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баллард, Д. и WP Мэннинг, "Boost теплообмена системы." Химреагент Eng. Прогресс, 86 (11), с. 51-59, (ноябрь 1990).

2. Сюй, H., "процессов переноса тепла". У. С. Патент № 3597355 (1971).

3. Hsu, JT и DJ Loikits ", жидкости теплоносителя и процесса теплообмена", США Патент № 5847246 (1998).

SATISH C. Мохапатра, вице президент по инжинирингу Расширенный жидкости Technologies, Inc, Уайтхолл, PA (Телефон: (610) 262-3681, факс: (61o) 262-5256, E-почта: <A HREF = "Посылка : satishm@dynalene.com "> <satishm@dynalene.com />), которая производит и распространяет Dynalene теплообмена жидкостей. Он принимал участие во всех Dynalene технических достижений с 1993 года. В настоящее время он работает над созданием жидкостей для топливных элементов, солнечной энергии для обогрева, а также супермаркет средних холодильных приложений. Он получил BTech химического машиностроения в Индийский технологический институт, Kharagpur, MTech в биохимической инженерии из Индийского технологического института в Нью-Дели, кандидат химических наук инженерного Лихай Univ. Он является автором и соавтором ряда публикаций и патентов. Он является членом Аиш и АСУ.