高效節能環保型聚四氟乙烯加熱器*

趙永鎬，趙煒，陳國龍

（溫州趙氟隆有限公司，浙江溫州325016）

專家論壇

高效節能環保型聚四氟乙烯加熱器*

趙永鎬，趙煒，陳國龍

（溫州趙氟隆有限公司，浙江溫州325016）

化工企業生產中使用的反應釜都是用鋼殼外壁上的夾套來加熱釜內介質，由于其熱傳遞過程長，熱阻大，而導致介質加熱速度慢，時間長，高溫上不去，熱效率低等結果。針對上述問題，發明了一種高效、節能與環保型的聚四氟乙烯加熱器，直接置于反應釜內加熱介質，改變了原有的生產模式，從而達到了顯著的節能、減排與增產的效果。

反應釜；加熱；高效；節能；減排

化工生產歸根結底就是將一種或多種原有物質加熱到所需溫度進行化學反應，以獲得新的產物，大多數的化學反應都是在反應釜內進行[1-2]，諸如制藥、農藥、染化、有機合成、精細化工以及各種中間體的生產等等。可見反應釜是化工企業中的重要生產裝備。多年來，國內外所用的反應釜，其加熱方法不外于以下兩種，一種是用鋼殼外壁上的夾套來加熱釜內的物料，另一種是用盤管（蛇管）放到釜內加熱介質。盤管一般都用銅、鋼或其它金屬制作，并固定在反應釜封頭上，懸掛在釜內介質中。夾套或盤管管子內的熱載體（加熱劑）一般都是用電熱棒加熱的高溫導熱油（或用高壓蒸汽）。在反應釜內反應的介質，基本上都帶有一定的腐蝕性，有的甚至相當歷害，于是，反應釜內壁與盤管外壁還需要用防腐材料襯里或包敷。如搪瓷、搪玻璃、塑料，涂料，甚至高級金屬或合金，如鈦、鋯等材料，（目前，性能最好的是用聚四氟乙烯（簡稱PTFE或F4）襯里的反應釜）。因而，現有的反應釜加熱情況存在著以下諸多問題：

（1）用夾套加熱釜內介質，熱傳遞的過程長，熱阻大，效果差，釜內介質的升溫速度慢，加熱時間長，生產發展受到抑制；

（2）熱源（加熱劑）與反應釜內介質的溫差大，釜內介質高溫上不去（很難達到200℃以上），致使許多高溫強腐蝕的生產無法進行；

（3）對于在化工生產中用得最普遍的搪瓷（或搪玻璃）反應釜不能用于較高溫度，冷熱交替，或驟冷驟熱條件尤甚，否則就會爆瓷；

（4）熱效率（熱利用率）低，一般僅為60%左右，熱損失大，因為它只有一面加熱，另一面在散熱；

（5）就盤管而言，除上述缺陷外，且加熱面積小，還存在體積大，重量重，安裝又不甚方便等等。

（6）用高溫導熱油作熱載體，揮發出的油煙相當歷害，嚴重污染了環境，影響了員工的身體健康。

1 新產品特點

作者認為，要解決上述問題，最根本的是要將熱傳遞的過程縮短，也就是說，要將電熱元件與被加熱的介質直接接觸，要達到上述要求，必需研制出一種能放在反應釜內直接加熱腐蝕性介質的加熱器。電熱元件（電熱絲或扁帶）為金屬材料，不能直接放在介質中通電加熱，需要有一種材料包敷絕緣它。這種材料除絕緣性能與介電性能好外，還需耐高溫，抗腐蝕，且加工性能也要滿足要求。作者對氟塑料性能及加工技術有充分的了解，發現在已知的所有材料中，只有聚四氟乙烯塑料能滿足以上要求。①它是當今世界最耐腐蝕的材料之一；②可在250～260℃高溫長期穩定使用（F4加工溫度為380℃），③絕緣性能與介電性能又極佳（其表面電阻高達1012Ω，介電常數為2.1（頻率6周/s至3 000兆周/s不會漏電）[3-4]，此外，它還不粘附其它任何物質，耐老化性能又很好，是獨一無二的制造加熱器的理想材料，作者將加熱器的電熱元件（電熱絲或扁帶），用特殊技術將其埋放到F4薄層（3～4 mm）內部[5-10]（絕對密封，不會氧化），制造出“圓筒薄壁整體型F4加熱器”與“多層立體裝配型F4加熱器”兩種新產品，可將它放到釜內腐蝕性介質中，直接加熱介質。F4在此既作為電熱元件的絕緣層，又作為熱載體，將電熱元件放出的熱傳遞給周圍的介質（這是熱傳遞的最短途徑）。

作者查閱了大量國內外有關的專利及技術資料，均未發現有與本專利產品相似的產品結構及其加工技術[11-18]。現將新產品的優異性能歸納于下：

（1）熱傳遞的過程最短，而且是多面加熱，熱損失最小，熱效率（利用率）很高，達90%以上；

（2）介質升溫高，電熱元件最高設計溫度為250℃，而介質可加熱到245℃，兩者相差僅5℃左右（而夾套或盤管加熱至少在40～50℃以上，相差甚遠），使許多高溫（245℃以下）強腐蝕的生產得以順利進行；

（3）介質升溫快，加熱時間短，使企業大幅增產超值；

（4）不產生任何腐蝕產物，不粘附其它任何物質，也不會污染釜內介質，長期運轉，也不增加熱阻，永保良好的加熱效果。

（5）電熱元件產生的熱，直接傳遞給周圍介質，不需要高溫導熱油作熱載體，這就消除了高溫油揮發造成的環境污染。

（6）安裝使用方便，不易損壞，使用壽命長，能達到顯著的節能、環保與增產效果。

特別要提到的是，搪瓷反應釜在化工生產中用得十分普遍，因為它能耐一般介質的腐蝕，且價格又較低廉，但它的缺點是，使用溫度不高，否則會爆瓷。因為現有的夾套反應釜，熱是由外向內傳（用紅外線加熱的反應釜也如此），搪瓷受到的溫度要比釜內介質溫度高得多。本加熱器是放在釜內介質中加熱，熱是由內向外傳，釜壁上搪瓷的溫度要比反應釜內介質的溫度要低好幾十度，因而，搪瓷釜就可在高溫（200℃左右）反應條件下安全操作而不會爆瓷。

2 結構型式

2.1 圓筒薄壁整體型F4加熱器

它是將電熱元件埋在整個筒體的F4薄壁內，如圖1所示，筒體上端F4翻邊，懸掛在反應釜筒體法蘭上，如圖2所示，F4翻邊中的電熱元件4由此引出與電源連接。筒壁上開有通透槽（或圓孔）9，便于介質流通，此結構因面積所限，F4層中不能放太多的電熱元件，因而功率較小，其優點是結構簡單，安裝較方便。

2.2 多層立體裝配型F4加熱器

此結構如圖3所示，它是先將電熱元件（電熱絲或扁帶）埋放在F4層中，加工成厚約3 mm，寬約30 mm的F4電熱帶，然后將此帶盤插在由F4各部件裝配而成的框架內的每層F4連接鏈5上，成為“多層立體裝配型F4加熱器”。每層為一個電熱單元，層數越多，功率越大。其功率可大到200 kW以上，加熱快，升溫高，此加熱器在釜內的固定方法是擺放在反應釜下底上的支撐架9上。

每層的電熱帶由上頂板6與釜壁之間的間隙穿出，直至反應釜筒體上法蘭面引出與電源連接。

每臺加熱器都帶有一臺電控裝置（配電柜）自動控制電熱帶的溫度與釜內介質的溫度，并能隨時觀察到釜內介質的升、降溫情況，以及安全使用控制系統，使用起來十分方便，且安全可靠。

一臺加熱器使用多年后，如發現某條F4電熱帶內的電熱元件斷了，可換上一條新的，操作很方便，這樣整臺的加熱器使用壽命會大大延長。

如釜內介質加熱反應后，需要冷卻，可在鋼殼外做上夾套，冷卻時，可通冷卻水。

本加熱器已獲中國專利（專利號：ZL2007 20114 988.x），并已申請美國專利（申請號：UP12042331）與歐洲專利（申請號：EP08164659.8）。

2.3 產品實物照片

3 性能測試

3.1 釜內介質最高加熱溫度測試

3.1.1 試驗條件

（1）試驗裝置：￠300 mm F4襯里反應釜，釜內介質為高溫導熱油，內掛￠250 mm×300 mm的圓筒薄壁整體型F4加熱器（如圖2所示），電功率為4 kW（電流18 A，電壓220 V）；

（2）試驗目的：觀察F4層中電熱元件與釜內被加熱的介質升溫情況及最小溫差；

（3）釜內介質：20L320高溫導熱油（內有攪拌）。

3.1.2 試驗紀錄

介質最高加熱溫度測試數據見表1。

表1介質最高加熱溫度測試數據Table 1Test data of medium heating highest temporature

3.1.3 結果討論

從表1看出，電熱元件最高設計溫度為250℃，通電40 min后，電熱元件實測從11℃迅速上升到250℃，以后在（250±2）℃自動調節，釜內介質從10℃迅速上升至195℃，然后緩慢上升，兩者溫差越來越小，到110 min時，升至245℃，不再上升，兩者相差僅5℃，由此可見，用此加熱器放在介質中直接加熱介質，可將介質加熱到245℃，與電熱元件250℃相比，僅差5℃，如此高效，無其它任何加熱方法可比。能很好地解決了原有夾套反應釜升溫不高的難題，使多年來一直無法解決的高溫、強腐蝕的高效新工藝項目因此而順利上馬。

3.2 熱效率試驗

3.2.1 試驗條件

（1）試驗裝置：1 000 L鋼襯F4反應釜，內用外包F4的攪拌槳攪拌。釜內介質為自來水，用“多層立體裝配型F4電加熱器”加熱升溫，加熱器在釜內放置如圖3所示，電功率為53 kW，用電度表計算用電量。

（2）試驗目的：觀察該結構F4加熱器的熱效率。

（3）釜內介質：1177.5立升的自來水。

3.2.2 試驗紀錄

PTFE加熱器熱效率測試數據見表2。

表2PTFE加熱器熱效率測試數據Table 2Test data of PTFE heater heat efficiency

3.2.3 結果討論

本試驗總共通電加熱163 min（2.72 h），電能輸入943.4－815.0=128.4 kW·h。F4加熱器（電熱帶）最高設計溫度為250℃，實測溫度從17℃升到143℃（不再上升），水溫從11℃升到99℃不再上升，共升溫99-11=88℃，現將水溫升到99℃時，熱效率計算如下：

（1）水升溫吸熱為88×1 177.5 L=433836.22 kJ；

（2）電能輸入量為943.4－815.0=148.4 kW·h，根據焦爾楞次定律（Q=0.24 I2RT），每1 kW·h可產生3.60 kJ熱量，148.4×860=462.32kJ，熱效率=103 620÷110 424=93.8%，由上述公式同樣計算出各不同溫度段的熱效率（從11℃開始至其它各溫度如40℃為99.8%，67℃為95.3%等），計算結果列于表2，從上表中數據看到，隨著水溫上升，水的蒸發及反應釜釜體的吸熱、散熱越來越大，到99℃時，還有93.8%。從11℃到99℃平均熱效率為96.9%，這與夾套加熱相比，熱效率提高了30%以上，具有明顯的節能效果。

4 結束語

（1）高效、節能、環保型聚四氟乙烯加熱器的研發與制造成功，填補了國際空白，是反應釜加熱方式的一大創新，它將改變原有反應釜加熱速度慢，高溫上不去，熱效率低等缺陷。

（2）新產品是由全F4材料制作，是放在釜內直接加熱任何強腐蝕性化學介質，不粘附其它任何物質，也不會污染釜內反應物，且永保其加熱效果。

（3）本加熱器最高設計溫度為250℃，而可將釜內介質加熱到245℃高溫，兩者相差僅5℃，如此高效，無其它任何加熱方法可比，能滿足化工生產中的各種高溫反應。

（4）熱效率可達到90%以上，與夾套加熱相比，其熱效率提高了30%以上，節能效果顯著。

（5）本產品不需高溫導熱油作熱載體，無高溫油煙揮發排放，符合環保要求。

[1]國家醫藥管理局上海醫藥設計院.化工設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1986.

[2]時鈞.化學工程手冊：下卷[M].2版.北京：化學工業出版社，1996.

[3]上海塑料研究所.氟塑料加工[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1987.

[4]錢知勉.塑料性能應用手冊[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1982.

[5]趙永鎬.金屬網聚四氟乙烯襯里防腐裝備制造工藝及應用性能[J].沈陽化工，1989（1）：19-22.

[6]Zhao Yonggao.ANTICORROSIVE PRODUCT LINED WITH POLYTETRAFLUO ROETHYLENE METHOD FOR MAKING THE SAME：US，4.974.303[P].1990-12-04.

[7]趙永鎬.一種聚四氟乙烯防腐制品及制造方法：CN，88103518.1 [P].1991-08-28.

[8]趙永鎬.一種耐負壓防腐容器：CN，ZL90109804.3[P].1998-04-02.

[9]趙永鎬.耐高負壓、高溫聚四氟乙烯防腐制品及制法：CN，ZL92101053.2[P].1997-07-04.

[10]趙永鎬.一種氟塑料制品的制作方法：CN，ZL200610023720.5[P]. 2008-11-26.

[11]兵器工業部第二0七研究所.金屬聚四氟乙烯管狀加熱裝置及其制造方法：CN，85103426[P].1985-10-10.

[12]李根實.螺旋管型聚四氟乙烯加熱器：CN，2236104[P].1996-09-25.

[13]張朝輝.聚四氟乙烯電加熱管：CN，2309602[P].1999-01-03.

[14]候毅.聚四氟乙烯電熱材料的制備方法：CN，1515620[P].2004-0 7-28.

[15]候毅.耐折損聚四氟乙烯電熱膜及其制備方法：CN，1606384[P]. 2005-04-13.

[16]Charhes henry butz.LAMINATED HTATING UNIT：US，3.277.41 9[P].1996-10-04.

[17]Manov，Viadimir，Adar.Amorphousmetallicalloyelectricai heater system：EP，0808078A[P].1997-11-19.

[18]Beauferey.Elément chauffant souple et son procédé de fabricationOffice europcendes brevets：EP，0295351A1[P]. 1988-12-21.

PTFE Heater With High Efficiency Energy Conservation and Enviconmental Protcetion

ZHAO Yong-gao，ZHAO Wei，CHEN Guo-long

（Wenzhou Zhaoflon Co.，Ltd.，Zhejiang Wenzhou 325016，China）

The reaction stills in the chemical industry usually used jacket over the steel shell to heat the medium in the heater still.Because of the long process of the temperature conduct and big thermal resistance，the speed of the heating process of the medium is quite slow and the time is very long.High temperature can hardly be reached，and the thermal efficiency is rather low.In order to solve these problems，a kind of PTFE heater with high efficiency and energy conservation was invented，which can be put into the heating medium in the still.The problems were solved quite well，the effect of energy conservation，environmental protection and production increase was gained.

Reaction stills；Heating；High efficiency；Energg conservation；Environmental protection

TQ051.5

A

1671-0460（2010）02-0115-05

2010-01-26

趙永鎬（1927-），男，浙江溫州人，教授級高級工程師，1954年畢業于華東化工學院電化學專業，終身享受國務院特殊津貼，現為溫州趙氟隆有限公司董事長，《當代化工》雜志編委，長期從事氟塑料防腐技術研究及新產品研發與制造工作，獲中、美、歐等國多項發明專利，國家技術發明獎，世界尤里卡金獎，比利時國王授予“騎士勛章”等殊榮，已發表論文40多篇。電話：0577-86130200，E-mail：ZYG@126.com。