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碳氢溶剂在工业清洗行业的应用
发布时间:2015-03-31 文章来源:普罗米

王旭明

(华阳新兴科技(天津)集团有限公司,天津300112)


       近年来,随着人们对环境保护和安全健康的重视,工业清洗行业内一些对自然环境有破坏、对人身健康有危害的清洗剂逐渐被淘汰,环保型的清洗剂越来越受到清洗剂生产企业和客户的重视,其中碳氢清洗剂更是以其无毒无害的优异特性被市场逐渐接受。但是,由于对碳氢清洗剂没有国家和行业标准,许多不同品牌、不同成分、不同价格的产品都以碳氢清洗剂的名义进入市场,其中有些产品因毒性、气味、易燃、清洗能力差等原因给客户带来麻烦,也给碳氢清洗剂本身带来不良影响。因此有必要对工业清洗行业使用的碳氢清洗剂及其原料做一些深入的探究。

一、可用于清洗的碳氢溶剂品种及碳氢清洗剂的定义

碳氢溶剂是一个很宽泛的概念。碳氢溶剂可以定义为常温下呈液态的碳氢化合物,而碳氢化合物就是仅由碳和氢两种元素组成的有机化合物,又叫烃。碳氢化合物的种类非常多,结构已知的烃在2000种以上,其中常温下呈液态的碳氢化合物都可以称作碳氢溶剂。

碳氢溶剂按照分子结构分为烷烃、芳香烃和烯烃等。芳香烃虽然清洗能力强但毒性较大,一般不能用于工业清洗。而烯烃的化学性质不稳定,更不适用于工业清洗。因此可能用于工业清洗的碳氢溶剂只有化学性质稳定且基本无毒的烷烃溶剂。

烷烃溶剂一般由石油炼油过程提供的原料油进一步加工获得。在溶剂油生产行业,一般分为高馏分、中馏分和低馏分,烷烃溶剂也一样。这些溶剂用于清洗行业,馏分过高清洗后很难干燥,残留在工件表面的溶剂自身便成为污垢,而馏分过低则闪点太低,在生产、运输、使用过程中极易引起火灾,也不适用于工业清洗。只有闪点和馏分都能满足要求的烷烃才可以成为碳氢清洗剂的原料。

原料油中含有各种杂质,如带来臭味和刺激性气味的硫醇、可造成急性或慢性中毒的芳烃等,作为清洗剂使用的溶剂油必须将这些有害杂质控制在较低的范围内,从而避免使用中对人的危害。适用于清洗行业的烷烃溶剂油是经过加氢、精馏或人工合成的精制溶剂油。

终上所述,适合作为工业清洗行业原料使用的碳氢溶剂应该是低味、低毒、中高闪点、馏分适中的烷烃溶剂。由此也可以推导出碳氢清洗剂的定义:碳氢清洗剂是用于机械设备及其零部件清洗的,以低气味、低毒性、中高闪点和中馏分的精制烷烃为主要原料的清洗剂的总称。

二、碳氢溶剂在中国清洗行业应用历程

因为汽油和煤油也属于碳氢溶剂,所以碳氢溶剂在我国工业清洗行业的应用可以说自汽油和煤油进入中国就开始了。五六十年代,汽油和煤油曾是工业零部件清洗的主要材料,至今在一些地处偏远的国营大企业和较小的作坊式企业中仍然使用汽油和煤油等燃料油作为零部件清洗剂。只是因其安全性差、毒性大等原因,用量已经越来越少。

碳氢溶剂大量应用于工业清洗行业是从90年代初开始,碳氢清洗剂的概念也是在那时产生的。我国政府于1989年签署了《关于保护臭氧层的维也纳公约》、1991年签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》后,于1993年1月批准实施《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰的国家方案》,2000年1月完成修订。随后作为ODS(消耗臭氧物质的英文缩写)整体淘汰计划重要分支的《中国清洗行业ODS整体淘汰计划》于2000年3月获得了蒙特利尔议定书多边基金执委会的批准。按照计划,中国清洗行业分别于2004、2006、2010年完全停止四氯化碳、F113、1.1.1三氯乙烷的生产消费,寻找替代品的工作迫在眉睫。

 当时中国企业对碳氢清洗还知之甚少,但日资企业在中国的工厂已经在使用碳氢清洗剂。这些企业在日本的本部就使用碳氢清洗工艺,在中国建厂时也将这一工艺带入中国,使用的碳氢清洗剂都由美国和日本进口。

2002年初,天津普罗米化工有限公司经过对日本碳氢清洗剂使用情况的调研,发现了碳氢清洗剂的巨大优势和在中国发展的潜力,开始开发生产碳氢清洗剂,并与日本的碳氢清洗设备的生产企业建立联系,邀请他们到中国访问考察。同年8月国家环保总局清洗工作组在西安召开“清洗行业国际研讨会和专家培训会”,会上日本和国内的专家及企业代表详细地介绍了碳氢清洗剂,引起了参会者的极大兴趣,碳氢清洗的概念开始被国内企业知晓。一些日本企业也认识到碳氢清洗剂在中国的巨大商机,着手调查中国市场并寻找合作伙伴。11月,在深圳举办的“2002华南国际清洗技术及设备展览会”上,天津普罗米化工有限公司展出了几种碳氢清洗剂,两家日本企业也展出了他们生产的碳氢清洗设备,从而进一步扩大了碳氢清洗的影响,使碳氢清洗剂作为淘汰ODS的重要替代品在中国得到推广。

随后日本的碳氢清洗剂和碳氢清洗设备生产商看好中国的巨大市场潜力,在中国通过分支机构和代理商社迅速扩展业务,有三家企业陆续在中国建立基地生产碳氢清洗设备。国内企业也积极跟进,经过十多年的研究和开发,国产碳氢清洗剂和碳氢清洗设备的技术水平和市场份额已经逐步赶超进口产品。

近几年,中国环境保护的力度不断加大,水基清洗剂的污染排放受到重视,高额的水处理费用令使用水基清洗剂的企业难以承受,清洗企业和用户再次将目光集中在碳氢清洗剂上,使碳氢清洗剂的使用进入另一次高潮。

三、工业清洗剂对碳氢溶剂的选择标准

工业清洗剂根据清洗对象的材质、污垢种类、清洗方法以及清洗环境有许多严格的要求,那么作为工业清洗剂原料的碳氢溶剂也必然有必要的指标限定。目前溶剂油的国家标准有《油漆及清洗用溶剂油》(GB 1922-2006),石化行业标准有《橡胶工业用溶剂油》(SH 0004-1998)和《油漆工业用溶剂油》(SH 0005-1998)。两个石化行业标准由于制定较早且并非针对清洗行业,对芳烃含量要求过宽,而《橡胶工业用溶剂油》馏分偏低,均不符合工业清洗剂的要求。

在国家标准《油漆及清洗用溶剂油》将溶剂油按照馏程分为1-5号,每一牌号中又按照芳烃含量进一步分为普通型、中芳型和低芳型。其中2号、3号、4号溶剂油的馏程可以用于工业清洗,但芳烃含量(低芳型的芳烃含量0~2%)和残留量(不大于1.5%)均过于宽松,不符合清洗行业要求。现在清洗行业选用的溶剂油大多是国家标准和行业标准之外的产品,被称为非标溶剂油或特种溶剂油。

这些溶剂油的指标要求通常有以下几个方面:

1、低硫、低芳烃。硫醇和芳烃是溶剂油中主要杂质。硫醇是包含巯基官能团(-SH)的一类非芳香化合物,存在于粗石油中,不仅有毒,而且有恶臭气味。硫醇的含量通常以硫含量测定。碳氢清洗剂原料的硫含量一般应小于5ppm。

芳烃也称芳香烃,是指分子结构中含有一个或者多个苯环的烃类化合物。芳烃具有很强的毒性,短时间内吸入大量蒸气可引起中枢神经系统麻醉、呼吸心跳停止等急性中毒反应。长期反复接触低浓度的芳烃可引起慢性中毒,主要是对神经系统、造血系统的损害,表现为头痛、头晕、失眠,白血球持续减少、血小板减少而出现出血倾向,甚至诱发白血病。因此作为清洗剂使用的碳氢溶剂芳烃含量应控制在0.5%以下,优质的碳氢溶剂则可以0.1%。符合这一要求的溶剂油通常称为脱芳烃溶剂。

2、适当的馏程。在标准条件下,蒸馏石油所得的沸点范围称为“馏程”。溶剂油的沸点和闪点成正比,即沸点高则闪点高,沸点低则闪点低。从安全角度考虑,高闪点可以提高溶剂的安全性。然而馏程又与挥发速度成反比,馏程越高挥发速度越慢。作为清洗剂在清洗后要求尽快挥发干燥,这就要求馏程不能太高。在安全性和挥发性两个要求相互矛盾的情况下,就要选择两者之间的平衡点,既保证较高的安全性,又有较好的挥发性。根据经验,馏程在140~220℃之间的碳氢溶剂最适宜作为工业清洗剂的原料。

3、较窄的馏分。溶剂油通常是一定馏程范围的混合液,其闪点是由初馏点(即最低馏分)决定的,而挥发速度是由终馏点(即最高馏分)决定的。因此,若馏程较宽,则闪点过低和挥发不彻底的缺点同时存在。所以馏分越窄,则越能达到安全性和干燥性的最好平衡。另外,窄馏分还有利于溶剂蒸馏回收时温度和真空度控制及提高回收效率。因为馏分越窄其加工成本越高,而收率越低,所以窄馏分的碳氢溶剂价格会高出很多。

4、纯净无杂质。溶剂油中的杂质包括机械杂质、水分和高馏分溶解物。机械杂质不仅影响清洗剂的外观,而且影响清洗质量。而水分则会造成被清洗的金属零部件生锈、变色,电气零部件的电气性能受到破坏。机械杂质和水分都是在生产、储存、运输和使用环节混入碳氢溶剂中的,可以通过严格检验、静置沉淀和精滤方法去除。高馏分溶解物则是碳氢溶剂生产环节精制不够或其他原因混入,会造成清洗后油渍残留,影响清洗质量。

为了保证碳氢清洗剂的高品质,要对其原料按照上述要求进行严格的甄选和验收。随着碳氢清洗剂应用范围和使用量的扩大,清洗行业协会急需制定相应的行业标准,防止出现良莠不齐的混乱局面。

四、碳氢溶剂用于工业清洗存在的问题及应对方法

碳氢清洗剂作为卤代烃清洗剂和水基清洗剂的替代品既有独特优势,又有不能回避的缺陷。

相对于ODS及其他卤代烃清洗剂,碳氢清洗剂最大的优点是优异的环保特性,其ODP(臭氧破坏潜能值)和GWP(气候变暖潜能值)均为零。符合要求的碳氢溶剂基本无毒,其吸入毒性和经口毒性均可以达到实际无毒级。

与水基清洗剂相比,碳氢清洗剂对冲压油、切削油、防锈油等石油系加工油有较强的清洗力。废液处理既可以再生回收,也可以投入火中燃烧,不会造成污染。清洗后可以彻底挥发,没有残留,且不会引起工件生锈。

碳氢溶剂用于工业清洗的主要缺陷有以下几方面:

1、与卤代烃相比,因其KB值较低,属于非极性溶剂,对树脂等极性污垢清洗效果差。与水基清洗剂相比对水溶性污垢、盐类污垢清洗力差。通常可以在碳氢溶剂中加入油溶性表面活性剂或其他溶剂(如醇醚)清洗极性污垢,或将碳氢溶剂清洗与水洗分成不同的工序段配合使用,也可将碳氢溶剂与水和表面活性剂复配成乳液用于清洗水性污垢或复合污垢(也称为半水洗或准水洗)。

2、虽然碳氢清洗剂的原料都选择闪点较高的溶剂油,但与卤代烃清洗剂和水基清洗剂相比仍然存在易燃的缺点,一般属于危险化学品第3类易燃液体中第1项低闪点液体和第二项高闪点液体,有火灾隐患,需要按《危险化学品安全管理条例》接受监管。为解决此问题,在清洗剂制造环节尽量选择中高闪点的碳氢溶剂原料,也可以加入阻燃剂将碳氢清洗剂的闪点提高到62℃以上(闪点<61℃不属于易燃品)。在使用环节应在清洗设备和上和清洗现场安装电器防暴装置,保持洗净槽温度低于清洗剂的闪点。专用于碳氢清洗的真空清洗干燥机使用真空技术将清洗槽与空气隔离,不仅降低了碳氢清洗剂燃烧的风险,而且实现了较低温度下的蒸汽清洗和蒸馏回收,是碳氢清洗剂应用的专业设备。

3、与卤代烃清洗剂相比,碳氢溶剂的沸点较高而饱和蒸汽压较低,因此自然干燥的速度较慢。为此除了需要延长干燥时间外,还可以在清洗剂配方中加入挥发性好的溶剂形成共沸混合溶液提高挥发速度,或者使用风切、热风干燥、真空干燥等设备。

4、原料选择余地小。尽管清洗行业对碳氢溶剂的需求在逐年增大,但总需求量在碳氢溶剂的总消费量中是极少的一部分。预计短期内整个清洗行业对于碳氢溶剂的年需求量不会超过50万吨,这只是一家小型溶剂油生产厂的产能,更何况这个量包括了10个左右的品种。正因用量小,至今没有一家专为清洗行业设计制造的溶剂油品种,更没有瞄准碳氢清洗剂市场而建立的溶剂油生产企业。因此碳氢溶剂生产企业的控制指标并不能满足清洗行业的要求,而对清洗行业极重要的指标溶剂油企业并不要求。因此。清洗行业只能在现有溶剂油企业生产的溶剂油品种中选择适合自己使用的碳氢溶剂,并根据需要进行复配。

总之,碳氢清洗剂在工业清洗行业的应用正在不断扩大,但业内和客户对碳氢清洗的概念并不清晰,急需制定相应标准,使碳氢清洗“有章可循”,在工业清洗行业的应用得到健康、快速的发展。

作者简介:王旭明(1957-),经济师,有工业清洗行业25年研发和管理工作经验。
           发表于《清洗世界》2014年第九期


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