一種新型的導熱油氧化安定性測試樣品池及裝置的製作方法
2023-12-06 15:50:56
本新型一般涉及導熱油，特別是本新型涉及導熱油的性能評價，更特別的，本新型涉及一種新型的導熱油氧化安定性測試樣品池及裝置。
背景技術：
在熱力學的概念中，熱量是指在體系與環境之間因溫度差而交換的能量，傳熱，就是熱量傳遞的過程。在傳熱過程中，熱量是從溫度較高的物料傳向溫度較低的物料，它包括了加熱和冷卻兩種形式。傳熱一般分為直接傳熱和間接傳熱兩種方式。所謂直接傳熱，就是將高溫(或低溫)熱源的熱量直接傳遞給物料，如明火加熱、電流加熱、太陽能加熱等；所謂間接傳熱，是將上述直接熱源的熱量傳遞給一個中間熱載體，然後由中間熱載體將熱量再傳遞給物料，間接傳熱常用的熱載體有水、蒸汽、導熱油等。
導熱油，又稱有機熱載體、熱傳導液或熱媒，是一種以液相或氣相進行熱量傳遞的物質，它作為間接傳熱系統中的熱載體，是一種優良的有機載熱介質。
導熱油傳熱有兩種方式：一種是液相傳熱方式，它的工作溫度低於導熱油操作壓力時的飽和溫度；另一種是氣相傳熱方式，它的工作溫度就是在導熱油的操作壓力下的飽和溫度，產生的飽和氣體作為傳熱介質。工業生產中，一般根據所需的工作溫度和控溫精度要求，選擇相應的氣相或液相導熱油。大部分導熱油為液相傳熱介質，少數導熱油為氣相傳熱介質。液相傳熱方式蒸汽壓低、安全性高、使用更為方便，但在傳熱過程中，由於它傳遞的是導熱介質的顯熱，傳熱中伴隨著導熱介質的溫度變化，也就產生了溫差；所以，相比之下，氣相傳熱方式能滿足更穩定的溫度，更適合控溫精度要求高、被加熱介質對溫度較敏感的情況。目前，氣相系統還不能完全被液相系統取代。
通常，導熱油按照其化學組成或製造原料的不同分為礦物型和合成型兩大類。
礦物型導熱油是以石油煉製過程中提取出的某段餾份為原料，經精製、調配功能添加劑等工藝製得，是烴類混合物，按組成有長碳鏈飽和烴、芳香烴、混合烴等類型，使用溫度一般為0℃-300℃。由於它的原料來源不同，且是在較寬餾程範圍獲取的產品，所以它是一個組分非常複雜的混合物，與合成型導熱油相比，其熱穩定性和抗氧化性較差，使用溫度較低。它僅能用於液相系統，不可用於氣相系統；另外，由於它在常溫下的粘度比較大，低溫下的流動性很差，所以也不能用於低溫冷卻系統。但它的來源豐富、生產工藝簡單，價格低廉，所以發展較快。礦物型導熱油一般不回收。
合成型導熱油是以石油化工或其它化工產品為原料，經有機合成製得。根據它的化學組成，有些是純度很高的單一成分的化學品，有些是幾種同分異構體的混合物或幾種化學性質相近的物質的混合物，使用溫度一般為-70℃-400℃。它的熱穩定性和抗氧化性好，使用溫度較高，可用於液相或氣相系統、高溫加熱和低溫冷卻系統。合成型導熱油使用壽命長，可回收，但製作工藝較複雜，價格高。
我國的合成型導熱油研究始於60年代末，蘇州溶劑廠已經能生產導熱油(聯苯—聯苯醚混合物)。礦物型導熱油的研究始於70年代，80年代初開始有一定規模的生產和使用導熱油，但當時的開發和應用面都很狹窄，合成型導熱油基本上是由進口項目帶入的，使用量相當小。80年代後期，導熱油的使用已逐步形成規模。隨著改革開放的不斷深入，不斷引進國外的先進技術，使我國的石化、化纖和化學工業飛速發展，對高溫加熱和低溫冷卻方面的需求越來越大，合成導熱油在系統加熱和冷卻上的優越性被國內廣泛認識，同時導熱油的應用技術也日趨成熟，使其應用領域不斷擴大，用量飛速增長。
專家預計世界導熱油的需求將以每年3-5％的速度增加，亞洲的需求旺盛，預計年增長率超過35％。2000年以來，中國導熱油行業出現了一個非常大的飛躍，市場需求量幾乎增加了100倍，目前估計中國國內的導熱油需求量約保持在50,000-60,000噸的需求水平。
近年來隨著我國經濟建設的快速發展，傳熱方式的改變和先進生產工藝的需要，導熱油的應用範圍越來越廣。從市場的最新動態看，導熱油的工業應用範圍在不斷擴大，例如：使用溫度範圍的擴大，應用方式從以前單純的加熱、冷卻擴大到現在可以用於餘熱的回收，甚至可以直接用作化學溶劑。目前已被大量應用在紡織、化纖、印染、造紙、食品、建材、冶金、石油化工等行業中，並呈不斷快速發展趨勢。然而導熱油在高溫運行狀態下容易氧化或過熱而變質。已劣化的導熱油，如果不及時更換或處理，很容易在鍋爐受熱面上炭化結焦，造成傳熱系統的安全隱患，不僅影響傳熱，浪費燃料，而且易燒損爐管，導致爆管或產生裂縫引發洩漏，嚴重影響鍋爐的安全經濟運行。有的甚至引發火災等各種安全事故，造成重大人身傷害和財產損失。因此，加強導熱油的檢驗檢測，正確合理地選擇導熱油，提高應用技術水平，規範使用操作，防止有機熱載體鍋爐受熱面結焦積炭，對於確保導熱油鍋爐及傳熱系統的安全、節能運行具有十分重要的意義。
目前氧化安定性的評價方法主要依據GB23971-2009附錄C中描述的方法，該方法包括如下的操作步驟：
1、金屬棒處理。金屬棒用砂紙細磨至表面光亮，然後用濾紙擦亮，綢布磨光。將磨好擦亮的金屬棒，用丙酮、乙醇等有機溶劑清洗乾淨，後用綢布擦乾，放入乾燥器內，24h內使用。
2、測定試樣在熱試驗前40℃運動黏度，記作v1；測定試樣在熱試驗前的酸值，記作A1。
3、將G3型砂芯漏鬥放入恆溫乾燥箱恆重，其質量記作ml。
4、將180g試樣倒入400mL樣品池中，放入處理過金屬棒。
5、接通自然對流恆溫箱電源，從室溫開始加熱，試驗溫度175℃,加熱時間72h。
6、試樣冷卻後，將試樣經砂芯漏鬥過濾，必要時可連接真空抽濾裝置進行抽濾。過濾完成後將裝有沉渣的砂芯漏鬥在105℃～110℃下恆重，其質量記作m2。
7、測定加熱並過濾後的油的黏度，記作v2。
8、測定加熱並過濾後的油的酸值，記作A2。
試樣的總沉渣：X1＝m2－m1
試樣在熱試驗前後運動黏度變化率：
試樣在熱試驗前後酸值的增加：Z2＝A2－A1
該裝置測試導熱油氧化安定性存在如下缺點。
一、控溫方式。該設備溫度測量及控制熱電偶位於加熱浴體中心位置，其測量溫度為浴體溫度，盛有導熱油樣品的樣品杯置於加熱浴體內，浴體溫度到達設定溫度時，樣品尚未達到設定溫度，原設備無法測量樣品溫度。
二、氣體流量控制方式。該裝置為導熱油氧化安定性能評價，裝置的設計為自然對流條件下導熱油抗氧化的能力，將盛油敞口樣品杯，放入實驗箱中，在自然對流的條件下氧化，但作為導熱油氧化安定性能評價裝置，自然對流無統一設置條件，導致環境通風狀況對實驗結果產生很大的幹擾。
具體表現為：
1、原設備為圓形加熱浴體，同時可進行6組樣品的試驗，通風口為直徑30mm圓形孔，位於設備背部。加熱時，位於通風口附近的樣品由於氧氣充分，氧化程度較其他孔位深，數值偏高。同一樣品同一試驗箱內結果重複性差。
2、設備運行過程中，如實驗室無排風，加熱過程中不斷產生的油蒸汽布滿試驗箱上部，除通風口附近的2組樣品外，其它樣品不能充分與空氣接觸，不能滿足方法要求的自然對流條件，試驗結果不能夠真實的反應樣品的氧化安定性。
3、設備運行過程中，如實驗室無排風，試驗加熱過程中產生的油蒸汽不能即時排出，加熱產生的油蒸汽散布於室內，不利於實驗環境的安全及實驗人員的健康。
4、實驗過程中，如打開試驗室通風設備，能較好地帶走產生的油蒸汽，但由於無法準確控制系統的通風量，導致與加熱油麵接觸的空氣流量不同，對結果產生較大的影響。
三、油蒸汽處理方式。該裝置為將盛油敞口樣品池，放入實驗箱中，在175℃下加熱72h，加熱過程中導熱油中輕組分有不同程度的揮發，對輕組分較多的產品其揮發能達未加熱樣品質量的一半之多。揮發的油蒸汽或粘附於試驗箱加熱內壁或揮發出試驗箱外，難以處理。
技術實現要素：
本新型針對目前導熱油氧化安定性測試中存在的問題，提出如下的解決方案，設計了一種新型的樣品池，即，帶有球形空氣分布器的樣品池，如附圖1所示，該樣品池包括樣品池本體6，用於盛待測試的油品，用於定量通入空氣的進氣管1，該進氣管位於密封樣品池的樣品池蓋3之上，並穿過樣品池蓋3與球形空氣分布器7連通，樣品池本體6上部的樣品池蓋3與樣品池本體6為磨口4連接，樣品池的磨口4處，相對樣品池部分，成約10-15度的傾角，以增加磨口的密封性，同時在樣品池蓋3上還設置有溫度傳感器探測部5，所述的探測部上部為敞開口，下部埠密封，用於放置溫度探測器，出氣管2設置於樣品池蓋3上，用於排出由球形空氣分布器進入樣品內部後排出的空氣，球形空氣分布器7一端與空氣進氣管1連通，另一端設置的位置要儘量靠近樣品池底部，但不能與樣品池底部接觸。
所述的球形空氣分布器7上均勻地分布有細微的氣孔，氣孔的直徑約1mm或略小一些。圖1中示意的空氣分布器為球形。
本新型的帶有球形空氣分布器的樣品池，一個優選的實施方案是，在出氣管2之後，連接一個冷凝系統(圖中未示出)，用以收集從出氣管中帶出的油蒸汽，減少對外排放，實現環境友好。
採用本新型的帶有球形空氣分布器的樣品池，由於溫度探測點位於實際待測的油品中，真實反映了油品在實際測定溫度下的氧化安定性，避免了由於溫度測量不準產生的測定誤差。
其二，由於採用了本新型的帶有球形空氣分布器的樣品池，空氣流動處於連續密閉的體系中，與待測的油品本體實現充分連續接觸，並且可以定量調節，因此，避免了外界試驗室通風狀況對待測油品表面流動空氣的影響。另外，由於可以定量調節進入球形空氣分布器中空氣的流量，能夠實現更精準地控制氧化測定條件，實現更加精準地測定結果和平行度。
第三，由於採取了密閉的測定體系，從球形空氣分布器中帶出來的空氣及油蒸汽經冷凝進入了回收裝置中，極大地改善了測試裝置房間的空氣品質，有利於實驗環境的安全及實驗人員的健康。
本新型的另一方面涉及導熱油氧化安定性測試裝置，所述的裝置包括箱體12，箱體包括保溫層10，加熱浴體9，用於加熱帶有球形空氣分布器的樣品池，加熱超溫控制傳感器11，還包括壓力調節控制系統，氣體流量調節控制系統，和溫度調節控制系統，在圖2中未示出，在圖3中給出了示意圖。
本新型的又一方面涉及改進的導熱油氧化安定性測試方法，改進後的測試步驟，包括：
1、金屬棒處理。金屬棒用砂紙細磨至表面光亮，然後用濾紙擦亮，綢布磨光。將磨好擦亮的金屬棒，用丙酮、乙醇等有機溶劑清洗乾淨，後用綢布擦乾，放入乾燥器內，24h內使用。
2、測定試樣在熱試驗前40℃運動黏度，記作v1；測定試樣在熱試驗前的酸值，記作A1。
3、將快速定量濾紙置於布式漏鬥中，並放入恆溫乾燥箱恆重，濾紙質量記作ml。
4、將180g樣品倒入容積約400mL的帶有球形空氣分布器的樣品池中，測試中放入處理過的金屬棒，將帶有溫度傳感器探測部、球形空氣分布器進氣口及出氣口的樣品池蓋，蓋在樣品池上，注意球形空氣分布器不能接觸到樣品池底部，然後將樣品池放入加熱浴體內。
5、將對應溫度傳感器放入樣品池蓋上的溫度傳感器探測部，進氣口與箱體氣體流量調節控制系統連接，出氣口與箱體氣體回收管路連接。
6、打開空氣瓶，氣體分壓0.5MPa，調節控制板流量計至空氣流量為50mL/min，穩定約5min後，開始加熱，設置加熱溫度為175℃。
7、根據溫度調節控制系統顯示，記錄樣品溫度，待樣品池樣品溫度達到175℃，開始計時，樣品加熱時間為72h。
8、停止加熱，待樣品冷卻後，將試樣經帶有濾紙的布式漏鬥過濾，必要時可連接真空抽濾裝置進行抽濾。過濾完成後將裝有沉渣的漏鬥在105℃～110℃下恆重，濾紙質量記作m2。
9、測定加熱並過濾後樣品的黏度，記作v2。
10、測定加熱並過濾後樣品的酸值，記作A2。
試樣的總沉渣：X1＝m2－m1
試樣在熱試驗前後運動黏度變化率：
試樣在熱試驗前後酸值的增值：Z2＝A2－A1
附圖說明
附圖1，是帶有球形空氣分布器的樣品池，其中1表示進氣管，2表示出氣管，3表示樣品池蓋，4表示磨砂連接口，5表示溫度傳感器探測部，6表示樣品池本體，7表示球形空氣分布器。
附圖2，是試驗裝置的剖面圖，其中8表示箱體通氣口，9表示加熱浴體，10表示保溫層，11表示超溫控制傳感器，12表示箱體，13表示箱體底座；
附圖3，控制板的示意圖，其中14表示進氣壓力指示計，15表示流量計，16表示進氣壓力調節閥，17表示氣體流量調節閥，18表示溫度指示器。
具體實施方式
實施例1
不開啟實驗室系統通風設備的情況下，按照本新型描述的改進的方法，在帶有球形空氣分布器7的樣品池本體6中加入180g導熱油L-QB300，加入處理好的金屬棒，蓋上樣品池蓋3，注意調整球形空氣分布器7位置，將帶有球形空氣分布器7的樣品池本體6放入浴體內，將對應溫度傳感器放入樣品池蓋3上溫度傳感器探測部5內，接通空氣，空氣流量調節至50mL/min，出氣管2連接箱體出氣管氣路，穩定約5min後，開始加熱，油溫至175℃時開始計時，加熱時間72h，關閉電源停止加熱，關閉空氣，待油溫降至室溫，取出油樣過濾，測定粘度及酸值，計算粘度變化率及酸值增長。
實施例2
打開實驗室通風設備的情況下，按照本新型描述的改進的方法，實驗過程同實施例1
實施例3
同一樣品，1-6號孔位，同時按照實施例1，進行6組平行性試驗。
對比例1
不開啟實驗室系統通風設備的情況下，按照GB23971-2009附錄C中描述的方法，在燒杯中加入180g導熱油L-QB300，加入處理好的金屬棒，將燒杯放入浴體內，開始加熱，浴體溫度至175℃時開始計時，加熱時間72h，關閉電源停止加熱，關閉空氣，待油溫降至室溫，取出油樣過濾，測定粘度及酸值，計算粘度變化率及酸值增長。
對比例2
在打開實驗室通風設備的情況下，按照GB23971-2009附錄C中描述的方法，在燒杯中加入180g導熱油L-QB300，加入處理好的金屬棒，將燒杯放入浴體內，開始加熱，浴體溫度至175℃時開始計時，加熱時間72h，關閉電源停止加熱，關閉空氣，待油溫降至室溫，取出油樣過濾，測定粘度及酸值，計算粘度變化率及酸值增長。
對比例3
同一樣品，1-6號孔位，同時按照對比例1，進行6組平行性試驗。
上述實驗數據總結在如下表1中。
表1實施例和對比例的試驗數據
通過上述實施例1-3和對比例1-3的比較，清楚可見，本新型成功地解決了現有技術中存在的問題。採用本新型的測試裝置獲得的檢測結果不受外界環境影響，重複性、平行性良好。同時可收集試驗過程產生的蒸汽，能夠有效地防止油蒸汽進入空氣中，極大地改善了測試裝置環境的空氣品質，有利於實驗環境的安全及實驗人員的健康。