搪玻璃设备在生物柴油领域的应用.doc

浅谈搪玻璃设备在生物柴油行业中的应用
临沂宏业化工设备有限公司 邵泽恩 沈正峰
摘要 分析了搪玻璃设备在生物柴油工程的应用中经常遇到的一些问题，主要是设备承压及密封问题、提高搅拌效果的几个措施、温度计套管测温滞后的问题以及搪玻璃通用部件的配套问题。为生物柴油工程中搪玻璃设备的设计、开发及应用提供了较好的参考。
关键词：生物柴油 搪玻璃 压力及密封 搅拌 温度测量 配件
生物柴油(biodiesel):由动植物油脂与醇(例如甲醇或乙醇，最典型的是甲醇)经酯化、酯交换反应制得的脂肪酸单烷基酯，最典型的为脂肪酸甲酯(FAME)。
搪玻璃设备尤其是搪玻璃反应釜在生物柴油生产工艺中已经获得广泛的应用，获得了业内的高度认可。笔者由于工作关系，多年从事搪玻璃压力容器的设计及制造工作，参加过一些生物柴油生产厂家的设备选型、制造、安装、调试及生产过程，在实践中发现了一些问题，结合本人对搪玻璃设备的认识，在这里谈一些个人观点，供同行参考并批评指正。
1、搪玻璃设备的特点
搪玻璃设备是由含硅量高的玻璃质釉喷涂在钢板表面，经过多次高温搪烧，使玻璃质釉密着于金属胎表面而成。搪玻璃设备主要有如下几大特性:
1.1、搪玻璃具有优良的耐腐蚀性：能耐无机酸、有机酸、有机溶剂及PH值小于或等于12的碱液，但对强碱、氢氟酸及温度大于等于180℃、浓度大于等于30%的磷酸不适用。
1.2、不粘性：光滑的玻璃表面不沾杂质且容易清洗。
1.3、绝缘性：搪玻璃设备出厂前搪玻璃层均经20KV高压检验，不导电为合格，适用于介质在生产过程中易产生静电的场合。
1.4、隔离性：玻璃层将介质与容器钢胎隔离、铁离子不溶入介质。
1.5、成品搪玻璃面耐温差急变性能为：热冲击120℃，冷冲击110℃（是设备使用时重要的参考数据）。
2、生物柴油技术工艺对搪玻璃设备的要求及解决方案
搪玻璃是工业生产中一种重要的无机材料，能高度防腐是它的主要性能。搪玻璃设备具有的耐压、耐温、不粘性、绝缘性、隔离性、表面光洁、性价比高等特性，尤其是耐压与耐腐蚀性结合于一体的独特性能，极大地扩展了设备的适用范围。以上种种优点也是搪玻璃设备迅速在生物柴油领域得以快速推广的原因。另外搪玻璃的不粘性便于清洁，非常适合生物柴油技术工艺的需求。
现有生物柴油技术工艺，主要针对的原料是泔水油、地沟油及各种废弃动植物油等。利用废食用油脂制造生物柴油，可以大幅度降低生物柴油的原料成本，对废食用油脂的合理资源化利用，防止废食用油脂再次进入食物链和促进生物柴油的发展都十分有利。现在国内生物柴油产业化成熟技术是酸催化及酸-碱催化两步法，基本采用间歇式的生产工艺。
生物柴油技术工艺典型流程
过滤 沉降 酸+水 真空 酸+甲醇 碱+甲醇 碱 热水 真空
↓ ↓ ↓ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑
原料 → 除杂→脱水 → 脱胶→脱水 → 酯化→酯交换 → 脱酸→水洗→脱水 →
前处理工段 预处理工段 酯化工段 精制中和工段

→ 蒸馏 → 生物柴油
蒸馏工段
搪玻璃设备的应用遍布生物柴油技术的所有工段，从功能上分主要有搪玻璃反应釜、搪玻璃蒸馏釜、搪玻璃储罐等。而对搪玻璃设备要求最高、最恶劣的工况主要在酯化工段。现以酯化工段反应釜为例，简单介绍酯化工段的主要工艺参数：釜内工作压力：0.1Mpa~0.8Mpa;工作温度0~180℃；主要介质为：中性油、脂肪酸、水、浓硫酸、甲醇；夹套内工作压力：0.1Mpa~0.6Mpa;工作温度0~180℃；主要介质为：水，蒸汽，过热蒸汽；因为耐酸是搪玻璃的天然优势，在该工况下，耐腐蚀不是主要问题，此处不做缀述。由以上参数不难发现，搪玻璃设备在生物柴油工程中的应用中最大的瓶颈问题就是有些技术要求一定的工作压力，因此确保反应釜在工作压力下的正常密封是其核心问题。
2.1、压力及密封方面的问题
应从三个方面考虑；其一：密封面的宽度；其二：密封用垫片的正确选择；其三：合理选择正确的紧固件。后两个问题都比较简单，垫片我们选择金属波纹环外包四氟垫片，螺栓选择强度8.8级即可。现对第一个问题简单说明。
首先，根据现行的搪玻璃行业标准。搪玻璃设备的设计压力小于或等于1.0Mpa，而某些企业酯化工段的反应釜的工作压力已经达到0.8Mpa，所以设计压力应该定在最高点1.0 Mpa，设计温度200℃；加上搪玻璃设备的管口，本身因为R弧圆滑过渡以及加工制造过程中产生的误差，密封面的宽度打了折扣。因此我们在设备管口的选择时一定要选择1.0Mpa的管口，尽量增加密封面的宽度，提高压紧比；本来这看上去不是问题，按标准选择相应管口就完了，但是由于搪玻璃制造行业的发展比较无序，企业的制造水平千差万别，有些企业还停留在使用嵌入式管口的时代，他们的管口最大只能是79标中0.6Mpa的管口，比工作压力还要低，这显然是不行的；而要使用1.0Mpa的管口，必须要封头冲孔结构才行，有些企业做不到。所以，生物柴油工程中搪玻璃设备的采购一定要选择有实力的厂家才保险。
其次，对搪玻璃搅拌口做一个重点关注；因为搅拌口本身兼具两项职能，首先是保证设备的正常密封，其次是保证搅拌器的安装及机械密封对搅拌轴的密封，保证传动装置的正常运行。因此，我们针对反应釜压力比较高的特点，对减速机支座进行了改进，如图1是改装以前的结构，图2是改进之后的结构；在结构1的基础上，去掉了活套法兰，将机械密封直接固定在减速机支座之上，并且如放大Ⅱ的结构，使管口低于支座6mm~8mm。使其达到或接近了“凸凹面”密封的效果，提高了密封性能。

再次，就是机械密封的选择。在反应过程中有甲醇参与，甲醇为中度危害及爆炸危险，再考虑其工作压力较高的特点，建议采用带平衡罐双端面机械密封，平衡罐具有自动平衡密封腔内封液压力，自动补充封液的功能。如果选用搪玻璃机械密封，建议选择221型；如果选择不锈钢机械密封，建议选择207型。
最后，因为生物柴油行业也在不停发展，目前有将工作压力进一步提高的趋势，这就意味着搪玻璃压力容器的设计压力需要进一步提高，即设计压力向1.6Mpa甚至2.5Mpa的方向发展，这也是我们努力的方向。我们也正在探索之中，我们认为，经过努力是有可能实现的。
2.2、关于提高搅拌效果方面的问题
耐腐蚀是搪玻璃设备的天然优势，但是由于搪玻璃设备制造工艺的特殊性，使其在搅拌效果上有个很明显的缺陷，就是搅拌效果较差，如何强化搪瓷釜内的搅拌混合效果，就成为我们讨论的重点。我在参加一些生物柴油生产厂家的试车及生产工作的过程中，这个问题也经常被提及，普遍的反应就是能不能再提高一下搅拌效果，进而强化传质传热，缩短反应时间。

如图3所示；为了使反应釜内的物料能够产生涡流的效果，也就是所谓的“回流”状态，使物料得到充分的混合，我们为反应釜配套叶轮式搅拌器加180°方向上的两片挡板式温度计套。通常搪玻璃叶轮式搅拌器的叶片是用钢管压扁来制作弯曲性叶片，其中以三叶用的最多，习惯上将此类叶轮称为后掠式叶轮。三叶后掠式叶轮还被称为法武都拉式（Pfaudler）叶轮，因为它是法武都拉公司开发的，它常与挡板配合用于混合、聚合、悬浮、气体吸收和乳化。搪玻璃叶轮式搅拌器还具有功耗小、节能的特点；尤其适用于非牛顿型流体（粘度随温度变化的液体）
轴向流、径向流，加上径向流动与挡板之间产生的涡流，使物料得到了充分的混合。搪玻璃叶轮式搅拌器的设计及制造参照HG/T 2051.3-91;挡板式温度计套的设计及制造参照HG/T2058.2-2009。另外，如果反应釜比较大，即反应釜釜深过大的情况下，可以把搅拌器搞成叶桨组合式，此处不再缀述。
简单谈一下搪玻璃桨式搅拌器。桨式通常每组两枚叶片，根据釜深不同，可布置2~4组，相邻两层桨叶间成90°角交错安装，搅拌过程中可以产生径向及轴向的混合流动，根据流向的不同，又可分为下压型或上翻型。是搪玻璃搅拌器中最简单的一种，由于造价低，经常被选用，一般适用于液体粘度不是很高，或者对混合的要求不是很高的场合。我们曾经为部分搞生物柴油的客户配置过桨式搅拌器，效果也说得过去。从反馈信息来看，我们认为叶轮式搅拌器更具优势，用户根据情况自行选择。叶轮式搅拌器结构如图4，桨式搅拌器结构如图5。

2.3、温度计套管温度测量滞后的问题。
由于了解不够，我们为早期的客户配置过普通的搪玻璃温度计套管，从现场的使用情况看，不是很理想，主要原因很简单，就是测温的滞后问题，一般情况下采用普通温度计套管所造成的温度滞后实践约5—15分钟，对于准确判断反应进程极为不利，实际生产中往往只能凭经验运行和把握，这样做不利于标准化、规模化生产。
其实这不算是个问题，只要配套带钽钉的搪玻璃温度计套管，就可以把测温滞后的时间缩短到15秒，问题就解决了。其实加钽钉的温度计套管在业内已经存在很多年了，只是由于我们跟用户之间的沟通不够，造成了我们早期设计上的失误（一般在温度把握要求不高的情况下，直接配套普通的搪玻璃温度计套管），由此可见沟通的重要性。现在我对加钽搪玻璃温度计套管做一个简单介绍，以供大家参考：现引用标准搪玻璃挡板式温度计套HG/T2058.2-2009中的第3页和第4页，为大家做个说明：

大家注意看件10，为钽金属的测温头套管，钽具有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性。无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。在150℃以下，钽不会被浓硫酸腐蚀，只有在高于此温度才会有反应，在175度的浓硫酸中1年，被腐蚀的厚度为0.0004毫米，也是微不足道的。 
钽具有良好的传热性能，通过压缩弹簧13使热电偶15与钽金属的测温头套管10牢固接触，反应釜内的热量通过件10迅速传递给热电偶，使测温的滞后时间大大缩短，约15秒左右。
需要补充说明的是，挡板式温度计套主要有两个作用，其一是起到挡板的作用，提高流体的“回流”效果，在前面已经进行了说明，其二是测温套管的作用。挡板式温度计套一般成对布置，一件为普通，只起挡板的作用；另一件为带钽金属的测温头套管的，因为，在一般情况下只要一个测温点就足够了，这样可以为用户节约一点投资。
2.4、管件阀门等部件的配套问题
目前为止，搪玻璃配套阀门管件，市场开发已经比较成熟，现做简单说明，供业内人士使用时参考：
搪玻璃管 （以HG/T 2130-2009为例，目前91标盛行，采购时根据情况选择）;公称压力不大于1.0Mpa,设计温度-20℃至200℃。

DN
DXS
D2
Lmax
25
34X3.5
68
500
32
42X3.5
78
500
40
48X3.5
88
500
50
60X4
102
500
65
76X4
122
1000
80
89X4
133
1000
100
114X6
158
1500
125
140X6
184
1500
150
168X7
212
2000
200
219X8
268
2000
250
273X10
320
2000
300
325X11
370
3000
400
426X12
482
4000
管口都是活套法兰连接，需要注意的就是管道最大长度，因为搪玻璃制造工艺限制，管道不可能做得太长；Lmax可根据企业的实际生产能力确定。因为最大长度的限制，搪玻璃管不太可能大量的应用于工程中，只有工程的关键部位，才去考虑使用。
与搪玻璃管规格相配套的其它配件主要有以下系列，在市场上都可以买得到，同样公称压力不大于1.0Mpa,设计温度-20℃至200℃
搪玻璃30°弯头；搪玻璃45°弯头；搪玻璃60°弯头；搪玻璃90°弯头；搪玻璃180°弯头；另外还有搪玻璃三通；搪玻璃四通；搪玻璃同心异径管；搪玻璃偏心异径管；搪玻璃异径法兰；搪玻璃法兰盖；搪玻璃上展示放料阀；搪玻璃下展式放料阀；搪玻璃球阀；搪玻璃平面阀；搪玻璃碟片式冷凝器；搪玻璃套筒式换热器等。大家可根据自己的需要自己进行选择。
蒸馏用的搪玻璃塔节，从DN300~DN1600之间；塔节之间一般为卡子连接，用户可根据使用情况进行选择。
3、 结论
以上就是本人对搪玻璃设备在生物柴油行业的应用的一点浅知拙见，是笔者从生物柴油生产现场所发现的一些问题的总结.其实，都是一些很细微的问题，但是，这些细微问题的扩大往往能够影响生产的正常进行，并给生产厂家带来不必要的经济损失。生产过程中的细小问题还有很多，需要我们不断去发现。无论是工艺设计者、还是设备生产厂家，做项目之要前先将理论搞清楚，把可能出现的问题想到前头，事先作出预判，把问题消灭在萌芽状态，这才是我们这篇文章的中心思想。一个项目的完成需要多方通力合作，任何一方的疏忽都会对工程造成影响。由于水平所限，时间仓促及调查研究、实践经验的欠缺，肯定会有许多错误和漏洞，恳请业内人士批评指正！
参考文献
汪镇安等《化工工艺手册》2003年8月第三版，化学工业出版社
周本浩 搪玻璃搅拌器的实验研究与数据模拟 2006年五月 浙江大学硕士学位论文
徐仲民 简明搪玻璃基础理论及制造 海南出版社 1999年1月
左景伊 左禹 腐蚀数据与选材手册 化学工业出版社 2004年四月 北京 第3版
搪玻璃相关技术标准
企业简介： 临沂宏业化工设备有限公司专业搪玻璃设备生产企业，也是我国生物柴油行业专业搪玻璃设备重点生产企业之一，全国生物柴油行业协作组会员；该公司率先在行业内设计生产1.0MPa压力搪玻璃反应釜，为低压酸催化生物柴油技术提供了核心反应器。 从2006年以来，该公司一直坚持不懈跟踪国内生物柴油行业技术进步，其搪玻璃反应釜在广东三水正和、重庆华正、唐山金利海、河北金谷、河北东安等国内
生物柴油企业成功应用并稳定运行至今。

联系方式：沈正峰：13563907061
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邵泽恩：男，汉族，1958年生，中共党员，高级工程师；中国工业搪瓷行业专业技术专家委员会专家；中国搪玻璃标准化委员会委员；中国搪瓷协会工业搪瓷分会常委；临沂宏业化工设备有限公司总经理。
沈正峰：男，汉族，1977年生，毕业于山东大学动力系，临沂宏业化工设备有限公司员工，工程师，长期从事搪玻璃压力容器设计及制造工作。
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