姚 建姚松年(.南通山劍石墨設(shè)備有限公司 .南通市石墨設(shè)備設(shè)計(jì)研究所）

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國(guó)產(chǎn)圓塊式石墨換熱器的應(yīng)用與改進(jìn)

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(1.南通山劍石墨設(shè)備有限公司 2.南通市石墨設(shè)備設(shè)計(jì)研究所）

摘 要：簡(jiǎn)要介紹圓塊式石墨換熱器的優(yōu)點(diǎn)、不足之處，以及在普通顆粒石墨材料基礎(chǔ)上通過技術(shù)創(chuàng)新對(duì)換熱器性能改進(jìn)，使某些性能已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：石墨 換熱器 石墨換熱器 圓塊式換熱器

0 引言

圓塊式石墨換熱器因主體換熱材料為非金屬的浸漬石墨，不僅具一般非金屬材料廣譜耐腐蝕性的優(yōu)勢(shì)，如耐酸、堿、溶劑，甚至氧化性物料。同時(shí)其熱導(dǎo)率可達(dá)110～130w/m·k，是其它非金屬材料的幾百倍，可以是碳鋼的三倍、不銹鋼的六倍，因此被選作耐蝕、傳熱的結(jié)構(gòu)材料是很自然的。又因浸漬石墨的莫氏硬度很低，很容易機(jī)加工，因此可以由材料豐富的煉鋼電極或?qū)Ｓ檬敉ㄟ^機(jī)加工制造出特有的鉆孔式圓柱體換熱塊（圖1），形成了具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)的、專有結(jié)構(gòu)的圓塊式石墨換熱器，應(yīng)用較多的參見圖2，已經(jīng)在化工、冶金、制藥、輕工、印染、電鍍、造紙、環(huán)?！姸嘈袠I(yè)中腐蝕性物料的生產(chǎn)、應(yīng)用及廢液、廢氣處理、回收中發(fā)揮了積極作用。

圖1 主要的圓塊式石墨換熱塊排孔

圖2 主要的圓塊式石墨換熱器結(jié)構(gòu)

它可以用作加熱器、蒸發(fā)器、冷卻器、冷凝器，其軸向（管程）絕大多數(shù)流通腐蝕性物料，可以是單流程，也可為多流程；其殼程絕大多數(shù)流通冷卻水或水蒸汽，因而采用鋼外殼；也可流通腐蝕性介質(zhì)，則此時(shí)外殼可以采用浸漬石墨或鋼襯塑，如襯PP、PVC、PTFE或采用玻璃鋼外殼，極少數(shù)也可用不銹鋼外殼。

我國(guó)于1974、1975分別由上海碳素廠、南通碳素廠開發(fā)了兩種圓塊式石墨換熱器，以后又有不同結(jié)構(gòu)的圓塊式設(shè)備問世，因其結(jié)構(gòu)緊湊、零件通用性好、積木式組裝便于維修，且耐蝕性好、傳熱效率高、適用性廣、維修率低、使用壽命長(zhǎng)而得到迅速推廣。但也有不足之處，例如廣泛使用的酚醛浸漬石墨的使用溫度一般到170℃、軸向設(shè)計(jì)壓力普遍＜1.0MPa，雖耐酸但不耐堿、不耐氧化性物料；換熱塊高度普遍＜500mm，多數(shù)在300mm左右，塊間的間隙雖增加紊流效應(yīng)可提高傳熱效率，但不利于升（降）膜式傳熱，且加大了流體阻力；料孔直徑普遍≤25mm，加大流體阻力和結(jié)晶堵孔的風(fēng)險(xiǎn)；而設(shè)備中殼程折流板國(guó)內(nèi)外普遍為一片剛性折流板，為便于裝、拆，折流板外緣與外殼內(nèi)壁間不可能不留有間隙，此間隙便成了冷卻水或水蒸汽等在折流時(shí)的短路通道，從而降低傳熱效率，尤其是在加工、制造精度較差時(shí)。這些都成了改進(jìn)提高的課題。基于此，通過對(duì)浸漬材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)普通顆粒石墨材料的基礎(chǔ)上提高了國(guó)產(chǎn)圓塊式換熱器的技術(shù)性能，例如：

1 對(duì)使用溫度、壓力的提高

2004年連云港三吉利公司要求石墨加熱器的軸向使用壓力達(dá)1.8MPa（殼程蒸汽0.6MPa），山劍石墨設(shè)備公司采取結(jié)構(gòu)措施并經(jīng)2.4MPa水壓檢驗(yàn)后，在實(shí)用1.8MPa下一直完好。

2004年江蘇丹化醋酐用的醋酸再沸器，開始試用250℃過熱蒸汽加熱，后又提高到315～320℃（1.0～1.2MPa），石墨部分一直完好無(wú)損，少有的維修也是更換外殼密封蒸汽的墊片，并因結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，換墊片時(shí)無(wú)需拆卸設(shè)備。而2008年江蘇雙菱公司更使用于0.8MPa340℃過熱蒸汽下作鹽水加熱器，多年完好。

上述設(shè)備中石墨塊都采用的是國(guó)產(chǎn)普通顆粒的石墨材料，而非細(xì)顆粒石墨，通過選用自己開發(fā)的復(fù)合樹脂浸漬以提高其強(qiáng)度及耐熱性，使耐熱、耐內(nèi)壓已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。

兩年前山劍開發(fā)的具廣譜耐酸、堿性能的復(fù)合樹脂浸漬石墨，已可由室溫扔進(jìn)400℃馬沸爐內(nèi)也不爆裂，保溫?cái)?shù)小時(shí)也不粉化，所用石墨材料也是國(guó)產(chǎn)普通顆粒石墨，為進(jìn)一步提高換熱器的使用溫度，尤其是延長(zhǎng)石墨合成爐筒使用壽命打下了基礎(chǔ)。

2 提高耐腐蝕性

除聚四氟乙烯（F4）樹脂同時(shí)具有最廣泛的耐酸、堿、溶劑、氧化性物料，耐溫可達(dá)250℃外，常用浸漬石墨用樹脂的耐腐蝕及耐熱均受限制，因而有些物料下一直未用石墨加熱器。例如在硫酸加磷酸的混酸條件下，歐洲先進(jìn)的XBS樹脂也是“耐腐蝕差”，而我國(guó)現(xiàn)F4浸漬石墨的抗?jié)B透壓力較低（＜0.4MPa），限制了使用范圍，促使我們走開發(fā)復(fù)合樹脂的途徑來解決。經(jīng)改進(jìn)后，山東久泰2003年就開始用于1MPa、180℃過熱蒸汽下加熱此混酸，2005年起又用于1.2～1.4MPa、220℃過熱蒸汽下加熱此混酸，三年訂125㎡加熱器84臺(tái)正常使用時(shí)均長(zhǎng)期完好無(wú)損。

又如上海特氨綸廠，原用石墨加熱器加熱二甲基乙酰胺時(shí)只用20多天就因溶蝕滲漏，2009年用復(fù)合樹脂A浸漬石墨換熱器后用二個(gè)多月完好無(wú)損，但將濃度由50%提高到60%后也很快被溶蝕滲漏，后對(duì)原設(shè)備（192m2）石墨件改用復(fù)合樹脂B浸漬后，使用至今完好。

再如強(qiáng)氧化性的三氯氧磷，2006年南通集海改用復(fù)合樹脂浸漬的石墨換熱器，一直使用良好，早已推廣到多家廠的POCl3、PCl5生產(chǎn)線上，都多年完好。

還有在酸堿交替且壓力＞0.4MPa時(shí)，開發(fā)的復(fù)合樹脂因脆性及固化收縮率遠(yuǎn)優(yōu)于呋喃樹脂，已在硫酸、鹽酸與8%NaOH交替使用，操作壓力超過0.6MPa、而且溫差120℃急冷急熱條件下也安全可靠，優(yōu)于呋喃及F4浸漬石墨。

3 改進(jìn)外折流板以提高傳熱效率

圓塊式石墨換熱器的殼程折流板（外折流板）國(guó)內(nèi)外普遍只用一片剛性折流板，因存在折流短路而降低傳熱效率，山劍石墨開發(fā)的組合式折流板專利（ZL200920292175.9），將原先一片剛性折流板改為兩片剛性?shī)A一片塑性的組合折流板，用其中可變 形的塑性折流板填補(bǔ)與外殼間的間隙，從而切斷折流短路，大大提高傳熱效率。

4 提高成膜效果和減小流體阻力的改進(jìn)

在升膜、降膜加熱、蒸發(fā)、吸收工況下為減少換熱塊間間隙對(duì)液膜的破壞，已將石墨塊的長(zhǎng)度（高度）延伸到1400mm，當(dāng)采取進(jìn)一步措施時(shí)，已可將圓塊孔內(nèi)壁上的液膜長(zhǎng)度延伸到2.8m，大大減少干壁現(xiàn)象以提高傳熱、傳質(zhì)效率。

圖3 組合式折流板

為減小孔內(nèi)液體的流體阻力，已將物料孔徑擴(kuò)大到φ35mm，需要時(shí)還可進(jìn)一步擴(kuò)大。

通過上述改進(jìn)，在國(guó)產(chǎn)普通顆粒石墨材料基礎(chǔ)上開發(fā)的國(guó)產(chǎn)圓塊式石墨換熱器的耐溫、耐壓性能、耐腐蝕性、及傳質(zhì)、傳熱效率已有了很大的提高，有的已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和科技水平的提高，對(duì)石墨換熱器的要求也不斷提高，需要我們繼續(xù)為圓塊式石墨換熱器的技術(shù)、性能提高作出更大努力。