高效节能环保型聚四氟乙烯加热器*

赵永镐，赵炜，陈国龙

（温州赵氟隆有限公司，浙江温州325016）

专家论坛

高效节能环保型聚四氟乙烯加热器*

赵永镐，赵炜，陈国龙

（温州赵氟隆有限公司，浙江温州325016）

化工企业生产中使用的反应釜都是用钢壳外壁上的夹套来加热釜内介质，由于其热传递过程长，热阻大，而导致介质加热速度慢，时间长，高温上不去，热效率低等结果。针对上述问题，发明了一种高效、节能与环保型的聚四氟乙烯加热器，直接置于反应釜内加热介质，改变了原有的生产模式，从而达到了显著的节能、减排与增产的效果。

反应釜；加热；高效；节能；减排

化工生产归根结底就是将一种或多种原有物质加热到所需温度进行化学反应，以获得新的产物，大多数的化学反应都是在反应釜内进行[1-2]，诸如制药、农药、染化、有机合成、精细化工以及各种中间体的生产等等。可见反应釜是化工企业中的重要生产装备。多年来，国内外所用的反应釜，其加热方法不外于以下两种，一种是用钢壳外壁上的夹套来加热釜内的物料，另一种是用盘管（蛇管）放到釜内加热介质。盘管一般都用铜、钢或其它金属制作，并固定在反应釜封头上，悬挂在釜内介质中。夹套或盘管管子内的热载体（加热剂）一般都是用电热棒加热的高温导热油（或用高压蒸汽）。在反应釜内反应的介质，基本上都带有一定的腐蚀性，有的甚至相当历害，于是，反应釜内壁与盘管外壁还需要用防腐材料衬里或包敷。如搪瓷、搪玻璃、塑料，涂料，甚至高级金属或合金，如钛、锆等材料，（目前，性能最好的是用聚四氟乙烯（简称PTFE或F4）衬里的反应釜）。因而，现有的反应釜加热情况存在着以下诸多问题：

（1）用夹套加热釜内介质，热传递的过程长，热阻大，效果差，釜内介质的升温速度慢，加热时间长，生产发展受到抑制；

（2）热源（加热剂）与反应釜内介质的温差大，釜内介质高温上不去（很难达到200℃以上），致使许多高温强腐蚀的生产无法进行；

（3）对于在化工生产中用得最普遍的搪瓷（或搪玻璃）反应釜不能用于较高温度，冷热交替，或骤冷骤热条件尤甚，否则就会爆瓷；

（4）热效率（热利用率）低，一般仅为60%左右，热损失大，因为它只有一面加热，另一面在散热；

（5）就盘管而言，除上述缺陷外，且加热面积小，还存在体积大，重量重，安装又不甚方便等等。

（6）用高温导热油作热载体，挥发出的油烟相当历害，严重污染了环境，影响了员工的身体健康。

1 新产品特点

作者认为，要解决上述问题，最根本的是要将热传递的过程缩短，也就是说，要将电热元件与被加热的介质直接接触，要达到上述要求，必需研制出一种能放在反应釜内直接加热腐蚀性介质的加热器。电热元件（电热丝或扁带）为金属材料，不能直接放在介质中通电加热，需要有一种材料包敷绝缘它。这种材料除绝缘性能与介电性能好外，还需耐高温，抗腐蚀，且加工性能也要满足要求。作者对氟塑料性能及加工技术有充分的了解，发现在已知的所有材料中，只有聚四氟乙烯塑料能满足以上要求。①它是当今世界最耐腐蚀的材料之一；②可在250～260℃高温长期稳定使用（F4加工温度为380℃），③绝缘性能与介电性能又极佳（其表面电阻高达1012Ω，介电常数为2.1（频率6周/s至3 000兆周/s不会漏电）[3-4]，此外，它还不粘附其它任何物质，耐老化性能又很好，是独一无二的制造加热器的理想材料，作者将加热器的电热元件（电热丝或扁带），用特殊技术将其埋放到F4薄层（3～4 mm）内部[5-10]（绝对密封，不会氧化），制造出“圆筒薄壁整体型F4加热器”与“多层立体装配型F4加热器”两种新产品，可将它放到釜内腐蚀性介质中，直接加热介质。F4在此既作为电热元件的绝缘层，又作为热载体，将电热元件放出的热传递给周围的介质（这是热传递的最短途径）。

作者查阅了大量国内外有关的专利及技术资料，均未发现有与本专利产品相似的产品结构及其加工技术[11-18]。现将新产品的优异性能归纳于下：

（1）热传递的过程最短，而且是多面加热，热损失最小，热效率（利用率）很高，达90%以上；

（2）介质升温高，电热元件最高设计温度为250℃，而介质可加热到245℃，两者相差仅5℃左右（而夹套或盘管加热至少在40～50℃以上，相差甚远），使许多高温（245℃以下）强腐蚀的生产得以顺利进行；

（3）介质升温快，加热时间短，使企业大幅增产超值；

（4）不产生任何腐蚀产物，不粘附其它任何物质，也不会污染釜内介质，长期运转，也不增加热阻，永保良好的加热效果。

（5）电热元件产生的热，直接传递给周围介质，不需要高温导热油作热载体，这就消除了高温油挥发造成的环境污染。

（6）安装使用方便，不易损坏，使用寿命长，能达到显著的节能、环保与增产效果。

特别要提到的是，搪瓷反应釜在化工生产中用得十分普遍，因为它能耐一般介质的腐蚀，且价格又较低廉，但它的缺点是，使用温度不高，否则会爆瓷。因为现有的夹套反应釜，热是由外向内传（用红外线加热的反应釜也如此），搪瓷受到的温度要比釜内介质温度高得多。本加热器是放在釜内介质中加热，热是由内向外传，釜壁上搪瓷的温度要比反应釜内介质的温度要低好几十度，因而，搪瓷釜就可在高温（200℃左右）反应条件下安全操作而不会爆瓷。

2 结构型式

2.1 圆筒薄壁整体型F4加热器

它是将电热元件埋在整个筒体的F4薄壁内，如图1所示，筒体上端F4翻边，悬挂在反应釜筒体法兰上，如图2所示，F4翻边中的电热元件4由此引出与电源连接。筒壁上开有通透槽（或圆孔）9，便于介质流通，此结构因面积所限，F4层中不能放太多的电热元件，因而功率较小，其优点是结构简单，安装较方便。

2.2 多层立体装配型F4加热器

此结构如图3所示，它是先将电热元件（电热丝或扁带）埋放在F4层中，加工成厚约3 mm，宽约30 mm的F4电热带，然后将此带盘插在由F4各部件装配而成的框架内的每层F4连接链5上，成为“多层立体装配型F4加热器”。每层为一个电热单元，层数越多，功率越大。其功率可大到200 kW以上，加热快，升温高，此加热器在釜内的固定方法是摆放在反应釜下底上的支撑架9上。

每层的电热带由上顶板6与釜壁之间的间隙穿出，直至反应釜筒体上法兰面引出与电源连接。

每台加热器都带有一台电控装置（配电柜）自动控制电热带的温度与釜内介质的温度，并能随时观察到釜内介质的升、降温情况，以及安全使用控制系统，使用起来十分方便，且安全可靠。

一台加热器使用多年后，如发现某条F4电热带内的电热元件断了，可换上一条新的，操作很方便，这样整台的加热器使用寿命会大大延长。

如釜内介质加热反应后，需要冷却，可在钢壳外做上夹套，冷却时，可通冷却水。

本加热器已获中国专利（专利号：ZL2007 20114 988.x），并已申请美国专利（申请号：UP12042331）与欧洲专利（申请号：EP08164659.8）。

2.3 产品实物照片

3 性能测试

3.1 釜内介质最高加热温度测试

3.1.1 试验条件

（1）试验装置：￠300 mm F4衬里反应釜，釜内介质为高温导热油，内掛￠250 mm×300 mm的圆筒薄壁整体型F4加热器（如图2所示），电功率为4 kW（电流18 A，电压220 V）；

（2）试验目的：观察F4层中电热元件与釜内被加热的介质升温情况及最小温差；

（3）釜内介质：20L320高温导热油（内有搅拌）。

3.1.2 试验纪录

介质最高加热温度测试数据见表1。

表1介质最高加热温度测试数据Table 1Test data of medium heating highest temporature

3.1.3 结果讨论

从表1看出，电热元件最高设计温度为250℃，通电40 min后，电热元件实测从11℃迅速上升到250℃，以后在（250±2）℃自动调节，釜内介质从10℃迅速上升至195℃，然后缓慢上升，两者温差越来越小，到110 min时，升至245℃，不再上升，两者相差仅5℃，由此可见，用此加热器放在介质中直接加热介质，可将介质加热到245℃，与电热元件250℃相比，仅差5℃，如此高效，无其它任何加热方法可比。能很好地解决了原有夹套反应釜升温不高的难题，使多年来一直无法解决的高温、强腐蚀的高效新工艺项目因此而顺利上马。

3.2 热效率试验

3.2.1 试验条件

（1）试验装置：1 000 L钢衬F4反应釜，内用外包F4的搅拌桨搅拌。釜内介质为自来水，用“多层立体装配型F4电加热器”加热升温，加热器在釜内放置如图3所示，电功率为53 kW，用电度表计算用电量。

（2）试验目的：观察该结构F4加热器的热效率。

（3）釜内介质：1177.5立升的自来水。

3.2.2 试验纪录

PTFE加热器热效率测试数据见表2。

表2PTFE加热器热效率测试数据Table 2Test data of PTFE heater heat efficiency

3.2.3 结果讨论

本试验总共通电加热163 min（2.72 h），电能输入943.4－815.0=128.4 kW·h。F4加热器（电热带）最高设计温度为250℃，实测温度从17℃升到143℃（不再上升），水温从11℃升到99℃不再上升，共升温99-11=88℃，现将水温升到99℃时，热效率计算如下：

（1）水升温吸热为88×1 177.5 L=433836.22 kJ；

（2）电能输入量为943.4－815.0=148.4 kW·h，根据焦尔楞次定律（Q=0.24 I2RT），每1 kW·h可产生3.60 kJ热量，148.4×860=462.32kJ，热效率=103 620÷110 424=93.8%，由上述公式同样计算出各不同温度段的热效率（从11℃开始至其它各温度如40℃为99.8%，67℃为95.3%等），计算结果列于表2，从上表中数据看到，随着水温上升，水的蒸发及反应釜釜体的吸热、散热越来越大，到99℃时，还有93.8%。从11℃到99℃平均热效率为96.9%，这与夹套加热相比，热效率提高了30%以上，具有明显的节能效果。

4 结束语

（1）高效、节能、环保型聚四氟乙烯加热器的研发与制造成功，填补了国际空白，是反应釜加热方式的一大创新，它将改变原有反应釜加热速度慢，高温上不去，热效率低等缺陷。

（2）新产品是由全F4材料制作，是放在釜内直接加热任何强腐蚀性化学介质，不粘附其它任何物质，也不会污染釜内反应物，且永保其加热效果。

（3）本加热器最高设计温度为250℃，而可将釜内介质加热到245℃高温，两者相差仅5℃，如此高效，无其它任何加热方法可比，能满足化工生产中的各种高温反应。

（4）热效率可达到90%以上，与夹套加热相比，其热效率提高了30%以上，节能效果显著。

（5）本产品不需高温导热油作热载体，无高温油烟挥发排放，符合环保要求。

[1]国家医药管理局上海医药设计院.化工设计手册[M].北京：化学工业出版社，1986.

[2]时钧.化学工程手册：下卷[M].2版.北京：化学工业出版社，1996.

[3]上海塑料研究所.氟塑料加工[M].上海：上海科学技术文献出版社，1987.

[4]钱知勉.塑料性能应用手册[M].上海：上海科学技术文献出版社，1982.

[5]赵永镐.金属网聚四氟乙烯衬里防腐装备制造工艺及应用性能[J].沈阳化工，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]赵永镐.一种聚四氟乙烯防腐制品及制造方法：CN，88103518.1 [P].1991-08-28.

[8]赵永镐.一种耐负压防腐容器：CN，ZL90109804.3[P].1998-04-02.

[9]赵永镐.耐高负压、高温聚四氟乙烯防腐制品及制法：CN，ZL92101053.2[P].1997-07-04.

[10]赵永镐.一种氟塑料制品的制作方法：CN，ZL200610023720.5[P]. 2008-11-26.

[11]兵器工业部第二0七研究所.金属聚四氟乙烯管状加热装置及其制造方法：CN，85103426[P].1985-10-10.

[12]李根实.螺旋管型聚四氟乙烯加热器：CN，2236104[P].1996-09-25.

[13]张朝辉.聚四氟乙烯电加热管：CN，2309602[P].1999-01-03.

[14]候毅.聚四氟乙烯电热材料的制备方法：CN，1515620[P].2004-0 7-28.

[15]候毅.耐折损聚四氟乙烯电热膜及其制备方法：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

赵永镐（1927-），男，浙江温州人，教授级高级工程师，1954年毕业于华东化工学院电化学专业，终身享受国务院特殊津贴，现为温州赵氟隆有限公司董事长，《当代化工》杂志编委，长期从事氟塑料防腐技术研究及新产品研发与制造工作，获中、美、欧等国多项发明专利，国家技术发明奖，世界尤里卡金奖，比利时国王授予“骑士勋章”等殊荣，已发表论文40多篇。电话：0577-86130200，E-mail：ZYG@126.com。