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ODS替代技術:碳氫環保真空清洗在精密制造行业的應用

2017-03-31 點擊數:320

ODS替代技術:碳氫環保真空清洗在精密制造行业的應用

中國工业清洗行业幾十年来一直用氟里昂、三氯乙烷洗滌劑清洗五金零件造成的大氣層污染問題一直困擾着衆多的生産企业。碳氫化合物清洗技術95年在日本、歐美先進的工业國家得到廣泛應用。中國要盡快掌握利用碳氫化合物技術清洗工业設備,以盡快解決傳統工业清洗技術所造成的環境污染問題,推动中國清洗工业的技術更新換代。

日本企业在ODS和鹵代烴清洗劑替代過程中形成的主流技術—碳氫清洗,具有洗淨力強、适用面廣、安全環保等諸多優勢。本文詳細介紹了碳氫清洗和真空清洗幹燥機的特點和技術,以及碳氫清洗在中國的現狀和前景,對淘汰ODS将起重要作用。

根據中國政府與蒙特利爾基金組織簽訂的《中國清洗行业ODS整體淘汰計劃》,中國将逐步限制并終徹底淘汰 ODS(破壞臭氧物質)清洗劑。許多地區的環境保護和勞动保護部門也頒發法律法規,禁止使用二氯甲烷、三氯乙烯等有毒有害的鹵代烴清洗劑。业内人士和清洗設備廠家都在積極尋求经濟适用的替代路線和替代技術,雖然取得了一些成果,但也出現了許多失敗的教訓。此時借鑒發达國家走過的替代道路和終形成的主流替代技術是非常有益的。日本從1989年开始限制ODS的生産和流通,至1995年末實現了徹底淘汰。日本企业在淘汰ODS的過程中,同我們今天的選擇一樣,使用了免清洗、水基清洗、準水基清洗、鹵代烴清洗、碳氫溶劑清洗等各種方法,经過多年的探索、論證、比較和篩選,終碳氫清洗劑用量大、應用範圍廣。以碳氫清洗劑和真空清洗幹燥機相配合的碳氫清洗技術已经成清洗行业的主流。

一、碳氫清洗劑的優勢與缺陷

碳氫清洗劑是餾程在140-190左右的正構和異構烷烴。一般是石油经粗蒸餾、加氫、精餾、異構化制成。碳氫清洗劑與其他清洗劑相比有許多優勢:

1、清洗性能好。碳氫清洗劑與大多數的潤滑油、防鏽油、機加工油同为非極性的石油餾分,根據相似相容的原理,碳氫清洗劑清洗这些礦物油的的效果要好于鹵代烴和水基清洗劑。

2、蒸發損失小。碳氫清洗劑沸點一般在150℃以上,在使用保管過程中揮發損失要比沸點在40~80的鹵代烴小得多,對包裝物和設備的密封要求很低。

3、無毒。经毒理試验,碳氫清洗劑的吸入毒性、经口毒性和皮膚接觸毒性均为低毒,且不屬于致癌物質,與鹵代烴相比對清洗操作人員更安全。

4、材料相容性好。碳氫清洗劑中不含水份和氯、硫等腐蝕物,對各種金屬材料不會産生腐蝕和氧化。另外,由于其屬于非極性溶劑,對大部分塑料和橡膠沒有溶解、溶脹和脆化作用,因此應用範圍極廣。

5、可徹底揮發無殘迹。碳氫清洗劑是非常純淨的精制溶劑,在常溫和加溫狀态下均可完全揮發,沒有任何殘留。

6、不破壞環境。碳氫清洗劑可以自然降解,清洗廢液可以放入燃煤或燃油鍋爐中焚燒,焚燒的生成物主要为CO2和水,對空氣沒有污染。碳氫清洗劑中不含氯,對臭氧的破壞系數为零。

7、 价格便宜。普通碳氫清洗劑的价格相當于F-113价格的50%以下,是某些ODS替代品价格的二十分之一。由于碳氫清洗劑的密度为0.75左右,大大低于鹵代烴溶劑的密度,因此在同樣容積的清洗槽中碳氫清洗劑的加入量僅为鹵代烴清洗劑的一半。盡管碳氫清洗劑有諸多優點,但與ODS清洗劑相比,其沸點高(150~190℃)而閃點低( 50~70℃)。雖然較高的沸點可以減少清洗劑在儲存、運輸和使用過程中的揮發損耗,但也使清洗後工件的幹燥速度大大降低,使清洗劑的蒸餾再生變得困難。較低的閃點則提高了清洗、幹燥和蒸餾再生中的防火要求。(見附表1:常用碳氫清洗劑與鹵代烴清洗劑沸點和閃點比較)(見附表1:常用碳氫清洗劑與鹵代烴清洗劑沸點和閃點比較)为了使经濟适用的碳氫清洗劑得到更好的利用,日本企业将真空技術應用到清洗設備中,开發出一種全新的清洗設備——真空清洗幹燥機,徹底克服了碳氫清洗劑的弱點,使碳氫清洗在日本得到廣泛的應用。

表1 常用清洗溶劑沸點和閃點比較

二氯甲烷

三氯乙烯

四氯乙烯

四氯化碳

CFC-113

1.1.1-三氯乙烷

碳氫清洗劑

沸點(

39.8

87

121

78

47.8

74

150~190

閃點(

43~70

二、真空技術在清洗中的作用

真空清洗幹燥機利用液體在真空狀态下的物理變化,改變了碳氫清洗劑和被清洗物的某些特性,從而趨利避害,使碳氫清洗劑的優勢得到更好的發揮。真空技術在清洗中的主要作用是:

1. 脫出清洗劑中的空氣,減少超聲波的衰減。为提高清洗效果,清洗機中一般都采用超聲波技術,利用超聲波振子每秒鐘幾萬次頻率的振动,發出超過人耳可聽見的10萬倍以上的聲壓。在清洗的情況下超聲波在液體中呈放射狀,使清洗液體流动而産生大量的真空氣泡,这種現象就是空穴作用。由这種空穴作用而産生的液體流动和數以萬計的高壓真空氣泡瞬間爆破時産生的能量,不斷地沖擊被清洗物表面,使表面及縫隙中的污垢迅速剝落。但在常壓狀态下,清洗劑中溶解的空氣粒子遇到超聲波時産生氣泡,超聲波的空穴作用會被大幅度衰減,清洗效果被減弱。在真空狀态下,清洗劑中的氣體會被脫出,從而避免了超聲波的衰減。这一效果可以從鋁箔實验中得到验證:在清洗槽中分别加入未经真空脫氣和经過真空脫氣的碳氫清洗劑,使用相同功率的超聲波對鋁箔清洗一分鐘,結果未经脫氣的清洗劑可見輕微的震动,鋁箔基本上無變化。而经過真空脫氣的清洗劑劇烈震动,鋁箔很快出現許多孔洞。


2. 排除工件表面和孔隙中的空氣,提高清洗效果。在傳統清洗中,清洗效果不理想常常是因为盲孔、粗糙表面和細小縫隙中的空氣不能排出,影響清洗劑的浸潤,産生清洗盲區。應用真空技術後,可使部件表面、縫隙和盲孔内的空氣全部排出,使清洗劑完全浸入工件的每個部位,使工件的各個部位都达到好的清洗效果。對于構造複雜、盲孔較深的工件,通過兩次以上的抽真空和排氣過程,也可以将空氣全部排出。所以在真空狀态下,清洗效果要比常壓下更好。

3. 降低沸點使碳氫清洗劑也可以實現氣相清洗。使用鹵代烴清洗劑的股票配资世界,利用鹵代烴清洗劑沸點低的特點,在清洗的後一步,将清洗劑加熱使之産生純淨的清洗劑蒸汽,用溶液蒸汽對工件進行氣相清洗,使溶解在清洗溶液中的油污不會殘留在工件表面。由于碳氫清洗劑的沸點高于閃點,在常壓狀态下不可能對工件進行蒸汽清洗。真空清洗幹燥機利用液體在真空狀态下沸點降低的原理,通過對密封的清洗槽抽真空,使碳氫溶劑的沸點大大降低,隻需将碳氫清洗劑加熱到80℃左右,就可使其沸騰,實現氣相清洗。

4. 利用真空突沸效應,提高幹燥速度。由于碳氫清洗劑的沸點都在140℃以上,在常溫常壓下徹底揮發一般需要一小時左右。这樣的幹燥速度肯定不能滿足工藝清洗的節拍要求。而用加熱烘幹的方法又容易産生火險,这也是碳氫清洗劑在中國未得到廣泛應用的主要原因之一。真空清洗幹燥機一般是将蒸汽清洗與真空幹燥在一個槽中進行,在對工件進行蒸汽清洗的同時使工件溫度升高,然後使幹燥槽迅速進入更高的真空狀态,工件表面的清洗液會突然沸騰(真空突沸效應)而迅速揮發幹淨。这樣可以将工件的幹燥時間降低到1分鐘以内。

5. 真空蒸餾,使碳氫清洗劑再生重複使用。清洗劑的蒸餾再生,就是利用清洗劑與污垢之間的沸點差,将溶有油污的清洗劑加熱到清洗劑的沸點以上而控制在油污的沸點以下,使清洗劑汽化,然後通過冷凝裝置使之重新凝結成純淨的清洗劑,而沸點較高的油污和機械雜質則留在蒸餾罐的底部。鹵代烴清洗劑由于沸點低且不可燃,蒸餾再生相對容易,所以,許多鹵代烴清洗劑都附帶有蒸餾再生裝置。而碳氫清洗劑由于沸點高而閃點較低,在常壓下蒸餾再生是不可能的。真空清洗幹燥機的蒸餾再生裝置在高真空下使碳氫清洗劑的沸點降低到80℃,使清洗槽中溶解了油污的清洗溶液不斷地抽入蒸餾裝置,在真空中加熱蒸發,再经過冷凝成为清潔溶劑回到清洗槽中,使清洗液始終保持清潔狀态。油污則留在蒸餾裝置底部,定期排出。

6. 隔絕氧氣,使碳氫清洗劑失去燃燒的條件。絕大多數碳氫清洗劑閃點都在50℃左右,在我國《常用危險化学品的分類及标志》(GB13690-92)中屬于高閃點易燃液體。雖然閃點較高,但在高溫或有助燃物(如紙和棉絮)的情況下仍有燃燒危險。因此控制火險成为其推廣使用必須解決的問題。燃燒需要有可燃物、溫度和氧氣三個必要條件,隻要缺少一項,燃燒就不可能發生。在真空狀态下氧氣含量極低,在清洗、幹燥和蒸餾再生的過程中,既使碳氫清洗劑的溫度达到閃點以上,由于沒有氧氣,失去了燃燒的一個必要條件,碳氫清洗劑也不會燃燒,從而保證了使用安全。真空清洗幹燥機用一套真空泵同時解決了清洗中的諸多問題,可以說是設備創新和設計的典範。

真空清洗幹燥機的種類和構造

真空清洗幹燥機可以根據用户的工件形狀、尺寸、材質,油污種類和污染程度,清洗後的潔淨度要求,清洗車間的場地條件等为客户設計和生産专用機。真空清洗幹燥機按照工件搬運的自动化程度可分为全自动、半自动和手动;按照清洗槽的數量可分为單槽機、雙槽機、多槽機等;按照清洗工件體積可分为大型機、中型機和小型機;按照蒸餾裝置與清洗裝置的結合方式可分为一體式和分離式,按照清洗對象還有電鍍、熱處理、卷材清洗专用機。根據真空清洗幹燥機各部分的作用,可分为清洗系統、幹燥系統、蒸餾再生系統、輸送系統、控制系統、安全輔助裝置幾部分。

各生産廠家经過多年的研究开發,使真空清洗幹燥機的技術水平逐步提高,功能不斷完善,洗淨力大幅度提高、成本進一步下降、可以滿足更多客户的清洗要求,從而使碳氫清洗技術日臻成熟,被越来越多的客户所認同,在替代ODS和有害清洗溶劑中發揮了巨大作用。 真空清洗幹燥機中運用的技術有:

1、多種技術協力,提高洗淨力。

超聲波震蕩。與其他清洗設備一樣,真空清洗幹燥機中也采用超聲波震蕩提高洗淨力。在真空清洗幹燥機中由于清洗劑中的空氣粒子被抽出,超聲波的沖擊力較普通清洗機大大提高。一些生産廠家還在真空清洗幹燥機中運用了雙周波和三周波超聲技術,利用不同功率和波長的超聲波使溶液産生高頻震蕩,以提高洗淨能力。

搖动和滾动清洗。利用搖动機構使清洗籃做上下左右搖动和旋轉滾动,以利于污垢盡快脫離工件表面噴淋清洗和蒸汽清洗。根據清洗對象的形狀和清洗工藝要求,有些真空清洗幹燥機中還運用了加壓噴淋和蒸汽清洗技術,以提高清洗力和清潔度。水基清洗和碳氫清洗協同作用。碳氫清洗劑對礦物油的溶解力較強,而對水溶性污垢清洗效果較差。有些真空清洗幹燥機針對工件上的特殊污垢先用水基清洗機洗掉水溶性污垢,再用碳氫清洗劑将水基清洗劑置換掉并進一步溶解礦物油污垢,不僅使成份複雜的污垢也可以清洗幹淨,還避免了水基清洗造成的金屬鏽蝕。清洗液的連續循環更新。随着清洗工作的進行,清洗液不停的從末端的淨洗槽逐級溢流到前端的初洗槽,而初洗槽中的清洗液則不停的被抽入真空蒸餾再生裝置经蒸餾和冷凝變成純淨的清洗液流回末端的淨洗槽,從而保證清洗機中的清洗液始終處于清潔狀态。

2、點滴入手,降低清洗劑消耗。

清洗劑在清洗過程中的損耗發生在以下環節:使用和儲存過程中的自然揮發損失、通風和幹燥過程中的排放損失以及蒸餾再生後排放廢液的帶出損失。由于碳氫清洗劑的沸點都超過150℃,在儲運和使用過程中的揮發損失較沸點为40℃~70℃的鹵代烴清洗劑要小得多。而真空清洗幹燥機中全封閉的清洗槽和真空系統設計,使清洗劑的揮發損失減少到低。为減少抽真空和幹燥過程中的排放損失,真空清洗幹燥機中設計了排氣冷凝回收裝置,可以将真空系統排氣和真空幹燥過程中帶出的清洗劑中的絕大部分冷凝回收。真空蒸餾再生過程排放的髒污廢液中必然會夾帶一部分清洗劑。真空清洗幹燥機中一般采用多段蒸餾再生和廢液濃縮排放,将廢液中的清洗劑“榨幹”後再排放。以上一系列的節省措施,可以使碳氫清洗劑的使用成本降低到三氯乙烷、三氯乙烯、二氯甲烷等方法的五分之一到十分之一。

3、 精心設計,節省能源。

在清洗過程中不僅要考慮清洗劑的消耗,各種能源的消耗也是清洗成本的重要組成部分。碳氫清洗因为增加了真空系統和加熱幹燥,較鹵代烴清洗增加了一些電力消耗。但其他部分的精心設計,使得真空清洗幹燥機的能源總消耗與鹵代烴清洗機接近。在鹵代烴清洗機中为使沸點較低的清洗劑減少揮發損失并有效冷凝回收,必須在清洗槽上部設置冷凝區,并配置冷凍機組制冷。由于碳氫清洗劑沸點較高,在真空清洗幹燥機中隻需采用25℃以下的冷卻水就能保證冷卻效果,從而省去了制冷機組的能源消耗。所有真空清洗幹燥機均将氣相清洗與真空幹燥設置在一個槽中,利用氣相清洗過程中蒸汽的熱量給工件加熱,使工件在真空幹燥過程中利用自身的溫度加速幹燥。为了實現能源的再利用,真空清洗幹燥機将各工作步驟排出的熱風重新回到需要加熱的部分循環利用,不僅節約了加熱中的能源消耗,而且減輕了環境壓力。

在一些真空清洗幹燥機的各個真空部分之間,抽真空和恢複常壓的過程也被精心設計,使高真空部分在恢複常壓之前先與即将進入真空的部分進行壓力平衡,使“真空能”得到大限度的利用。

4、 防患未然,保證安全。

使用碳氫清洗劑替代鹵代烴清洗劑,人們擔心的是碳氫清洗劑閃點較低易燃的問題。 真空清洗機除了用真空技術使碳氫清洗劑在清洗機中失去燃燒條件外,還通過使用防爆電機、防爆开關、防火閘門、導熱油間接加熱、溫度自动控制、可燃氣體濃度報警、機門自动封閉、電源自动切斷及自动滅火等裝置确保使用安全。

四、 碳氫清洗在中國的應用

近年来,中國逐步向世界加工中心的方向發展,大批國外和港、澳、台企业在中國建立工廠,生産機械、電子零部件,清洗劑和清洗機的需要量迅速增長。这些企业在中國設廠的原因除了廉价的勞动力外,環保方面管理的相對寬松也是重要因素。近兩年随着中國淘汰ODS進程的加快,以及政府對環境保護和勞动者人身健康的重視,企业目前仍大量使用的ODS和其他鹵代烴清洗劑面臨淘汰的巨大壓力,許多企业急于尋找适合的替代方法。中國企业對碳氫清洗設備已有較強的購買欲望,汽車零部件、HDD部品、五金沖壓件、軸承行业的上市公司、集團公司、港资企业已开在進行这方面洽談購買。真空清洗幹燥機和碳氫清洗劑已经在中國使用多年。这些企业都是日本獨资企业,他們在日本的本部就使用碳氫清洗工藝,在中國建廠時也将这一工藝及設備帶入中國接近四十台。用户主要分布在珠江三角洲、長江三角洲和大連地區使用的碳氫清洗劑有進口品牌,同時國内企业也开始替代國外的生産。現中國企业與日本企业的交流機會增多,这些在中國投资日资企业很容易接受碳氫清的清洗工藝。國内清洗行业都非常清楚碳氫清洗劑和真空清洗幹燥機的巨大優勢和市場潛力,與日本的幾家真空清洗幹燥機生産企业建立聯系,并邀請他們到中國訪問考察。碳氫清洗的概念开始被國内企业接受。一些日本企业也开始認识到碳氫清洗劑和真空清洗幹燥機在中國的巨大商機,着手調查中國市場并尋找合作夥伴。10月,在深圳舉辦的“2002華南國際清洗技術及設備展覽會”上,有兩家日本真空清洗幹燥機的生産廠家帶設備參展,日本洗淨協會也組團參觀,使中國清洗行业進一步加深了對碳氫清洗的認识,也促進了碳氫技術引入中國。

日本生産真空清洗幹燥機的廠家看好中國巨大的市場潛力,投入巨大力量开發中國市場,在中國尋求合作夥伴通過分支機構和代理商社迅速擴展业務,國内能夠生産碳氫設備的廠家以深圳为主。专門用于真空清洗幹燥機的碳氫清洗劑也已经由國内企业开發成功,進入市場,對進口産品形成競争壓力。今後,碳氫清洗必然以其高效、低毒、经濟、環保的諸多優勢成为中國清洗行业的主流, 碳氫真空清洗幹燥機将得到迅速推廣,中國自己的碳氫清洗劑和真空清洗幹燥機也會很快崛起,占領廣大市場。


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