徐志清 原芜湖海峰化工有限责任公司技术部部长 高级工程师
甲醛开车点火时经常会碰到二元气流量过大或过小的问题，流量过大时会使触媒表面产生‘黑瘢’，即触媒层升温不均匀产生未红区，严重时会使触媒筐花板变形，触媒层产生裂纹等。流量过小时，又会随偏小的幅度，产生程度不等的回火现象；如果发生严重回火將危及开车安全。为处理这些问题又会引起开车点火时间过长，消耗过大，触媒层结碳严重，活性不好，给整个生产周期带来负面影响，甚至导致开车失败。为避免上述危害，必湏计算确定最合适二元气流量即最佳流量，在该流量下能刚好压住点火器上被点燃气体火苗高度（火头）。又能最大限度保留点火器与触媒之间气体燃烧热量使火苗能迅速向周边扩散。 决定点火时二元气最佳流量的因素主要有点火器的总功率，点火器的总长度，触媒筐的截面积；另外还有点火时氧化炉内压力，二元气进氧化炉温度，氧醇比等。这些因素因设备产能不同，生产厂家不同而差异很大。由此决定了最佳流量计算的复杂性。为此，。首先计算出单位长度点火器单位时间能点燃多少摩尔二元气，再算出点燃的二元气完全燃烧产生的热值以及该热值能加热多少摩尔周围的二元气至燃点。点燃的和至燃点的摩尔二元气就是要计算
火苗高度（火头）的对像。在计算之前，我们先研讨一下点火器上火苗的形状，示意图如下：
微小件精密加工
从上图我们看到点火器上的火焰在流量为零没有对流的情况下应该是园柱状的。在对流的影响下火焰变形成上部为三角形的火苗。火苗高度H约是园柱形火焰半径r的三倍。这样，我们可以建立一数学模型，即火苗高度（火头）H=3r , r为点燃的和至燃点的二元气园柱状火焰的半径。之所以把吸收了燃烧值至燃点的二元气包括进去，是因为它是下一个单位时间火头的增量。
有了火头计算的数学模型，我们可以通过计算单位长度单位时间内点火器加热二元气
至.燃点的摩尔数及其燃烧热值，燃烧后的摩尔增量，该热值加热周围二元气至燃点的摩尔
数，这些摩尔数气体的体积及其截面半径，从而得出火头高度。
一. 计算每秒每米点火器加热二元气至燃点的摩尔数mol。
已知点火器的总功率为w kw， k w=3.6x10J, 点火器的总长度为L m, 选定二元气氧醇比为0.28，二元气燃点为385C，热容C T/mol.k，二元气进氧化炉温度为t C。
W/L x 3.6x10
mol= ————————————————
Ｃｘ（３８５－ｔ）ｘ３６００ 二．计算燃烧热值∆H及燃烧后产物摩尔增量ｍｏｌ。
已知甲醇燃烧反应式为：
ＣＨＯＨ ＋ ３／２Ｏ＝ＣＯ＋２ＨＯ＋６７５．９９８kj 氧醇比为０．２８的二元气中空气占５７．１%，醇过量，氧完全燃烧。 ∆Ｈ＝ｍｏｌｘ ０．５７１ｘ ０．２１／１．５ ｘ６７５．９９８kj mol = mol x 0.571 x 0.21/1.5 x 0.5
三. 计算燃烧热值能加热二元气至燃点的摩尔数mol。
mol = ∆H / C x (385-t)
四. 计算园柱状火焰的半径r..
点火时炉内压力为p mmH
/￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
r = √ (mol + mol +mol) x 22.4/1000 x 658/273 x 760/p x 1/3.14 m
五. 计算火头高度H。
查表计算温度在110至380℃，氧醇比为0.28时二元气的平均热容C为43.046 J/mol. k
把已知数值代入上式并整理。
H = 3r
/￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
= 3 √（ w/L ）[381100.19/（385-t） +315.71] /（385-t ）p m
六.有了火头高度H，也就确定了能压住火头的最小流速即最佳流量时的流速：
V =H m/s
七.已知触媒筐截面积S，有了流速V，也就确定了氧化炉内二元气的流量：
Q = S V
= 3600 S H
/￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
= 10800 S √ ( w/L) [381100.19/（385-t） +315.71] / ( 385-t)p m/h
其中：
Q—氧化炉内二元气最佳流量 。 m/h
S—触媒筐截面积 。 m
w—点火器总功率。 Kw/h
L—点火器总长度 。 m
t—二元气进氧化炉温度 。 ℃
P—点火时氧化炉内绝对压力 。 mmHg
在上述计算的流量下，点火器上单位时间内产生的火苗（包含吸收了燃烧热至燃点的二元气）被气流压带至点火器以下。因此，点火器上的火苗不会急速上升，也就被免了程度不等的回火现象。在这种情况下，触媒层上方（约40cm处）空间温度的上升速度和触媒层温升速度基本同步。这是因为触媒层上方空间温度，仅跟随触媒层辐射热量上升而上升。如下图：
触媒层温度上升曲线
触媒层上方空间温度上升曲线
关闭起重装置 5
4
3
2
T时间 分
1
0
温度t℃
100
200
400
300
另外，在上述计算的流量下，刚好被压带至点火器和触媒之间的火苗保留热量最大，火苗会迅速向周边扩散，仅几秒钟就能均匀分布整个触媒层表面。这样就避免了“黑瘢”的产生。如果大于上述计算流量，就会使点火器和触媒之间保留热量变小从而降低火苗扩散速度，当流量增大到一定程度，火苗扩散速度严重低于触媒温升速度时就会产生“黑瘢”。
综上所说，上述计算流量附合最佳流量的要求。我们可以跟据各厂的设备工艺参数，方便地通过上述公式计算出二元气最佳流量。如某厂已知点火器总功率为16.8kw/h, 点火器总长度为7.2m, 触媒筐截面积为6.3m反应容器，二元气进氧化炉温度为110℃, 点火时氧化炉内绝对压力为850mmHg, 氧醇比为0.28。则该厂点火时氧化炉内二元气最佳流量为：
/￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
Q = 10800 x 6.3 x √ (16.8/7.2) x [381100.19/(385-110) + 315.71] / (385-110) x 850
= 8618 m/h
进一步可分别算出空气和甲醇在标准状态下的流量：（取整数值）
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已知氧醇比为0.28时空气占总体积的57.1% ，醇占总体积的42.9%lc谐振放大器 。炉内平均温度为245℃
Q = 8618 x 0.571 x 273 / (273+245) x 850 / 760
= 2900 m/h
Q = 8618 x 0.429 x 273/(273+245) x 850/760 x 32 / 22.4
= 3113 kg/h
以上这些计算值和该厂实际开车点火时的最佳流量状态值相符。
讨论
点火器的电炉丝在陶瓷管上的缠绕密度要相对均匀，否则将对最佳流量选择造成误差。
本文计算公式选取的氧醇比为0.28，如果要选取其它氧醇比，平均热容有些许变化，如; 氧醇比为 0.27， 0.26 ，0.25时平均热容C分别为 43.29， 43.603 ，43.882， 公式数值要作相应计算调整。
本文计算公式中炉内绝对压力P是一个变量，是随设备产能，制造厂家，触媒粒度，压紧程度，以及流量大小等因素不同而不同。但是，设备设计制造厂家会通盘考虑这些因素，压力P差别只会在一个较小范围内。对设备的原始开车我们可以在800至900mmHg范围内（比较符合实际）选定一数值如850mmHg作为初算值进行计算，（初算出的最佳流量误差在压力相差50mmHg时在3%以内）。再在以初算流量进行点火时的实际压力在点火前进行一次及时修正即可。
决定最佳流量大小的主要因素是单位长度点火器的功率大小，但是点火器的排列间隔大小以及点火器与触媒层距离会影响火焰扩散速度即触媒层全红时间，仍应保持适当的间隔大小和距离。
流量和温度压力等计量仪表应定期校验，保持精确稳定可靠。
结论
在甲醇开车点火时，必定存在一个既能防止回火又能防止产生“黑瘢”的二元气最佳流量。最佳流量状态特征：一是触媒上方空间温升和触媒层温升同步，二是触媒表面火苗向周边
扩散速度最快。最佳流量是流速为单位时间火苗高度时的流量。火苗高度计算数学模型为H=3r。r为三部分园柱状气体之和的半径，它们分别是单位时间单位长度点火器加热至燃点的二元气体积，其完全燃烧热值再加热周围二元气至燃点的体积，以及燃烧产生的分子增量体积。 该数学模型从火苗的本征特性和产生机理入手，把火苗高度和点火器功率联系起来，这样依据点火器的总功率总长度，氧化炉内绝对压力，二元气进氧化炉温度，触媒筐的截面积以及氧醇比创建了最佳流量计算公式。该公式计算方便简捷，计算方法经实践检验是合理的可靠的。
点火时二元气最佳流量槪念的提出及其计算公式的推出，解决了开车点火时二元气流量这一十分重要指标的计算方法。这将给甲醛安全生产，提高开车成功率及开车质量，从而进一步降低消耗具有积极的指导意义。
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