圓塊式石墨換熱器在ＰＶＣ行業(yè)的應(yīng)用

[摘要]介紹了圓塊式石墨換熱器的特性及石墨原材料對(duì)石墨制化工設(shè)備的影響。結(jié)合PVC生產(chǎn)工藝闡述了石墨制化工設(shè)備在PVC行業(yè)的使用情況。通過(guò)傳熱計(jì)算,對(duì)圓塊式與列管式石墨換熱器的換熱效果進(jìn)行了對(duì)比。

　　[中圖分類號(hào)]TQ325.3;TQ051.5　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B　　[文章編號(hào)]1009-7937(2007)02-0030-03

　　前言

　　石墨換熱器廣泛應(yīng)用于電石乙炔法PVC生產(chǎn)中與HC1氣體或鹽酸相關(guān)的工藝過(guò)程。主要設(shè)備有:氯氫處理工段用氯化氫冷卻器,混合冷凍脫水用一、二級(jí)石墨冷卻器,預(yù)熱器及合成氣冷卻器,鹽酸冷卻器,乙烯氧氯化法工藝精餾工段中EDC冷卻器等。結(jié)構(gòu)形式有列管式和圓塊式石墨換熱器兩種。

　　近幾年來(lái),電石乙炔法PVC生產(chǎn)中廣泛采用YKA、YKB型圓塊式石墨換熱器,尤其是YKB型石墨換熱器因無(wú)中心孔,換熱塊利用率更高,結(jié)構(gòu)更加合理,大有取代GH型列管式石墨換熱器的趨勢(shì)。

　　1圓塊式石墨換熱器的結(jié)構(gòu)

　　圓塊式石墨換熱器為目前較先進(jìn)、性能較優(yōu)越的一種石墨換熱器。圓柱體換熱塊采用標(biāo)準(zhǔn)單元塊,具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,該結(jié)構(gòu)不采用膠黏劑,而采用聚四氟乙烯O型圈密封介質(zhì),加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu),采用短通道,增加再分配室,以提高紊流效應(yīng)而提高傳熱效率,因而該換熱器具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐溫耐壓性能強(qiáng)、抗沖擊性能好、傳熱效率高、使用壽命長(zhǎng)并便于檢修等優(yōu)點(diǎn),廣泛用作加熱器、冷卻器、冷凝器。

　　技術(shù)特性:設(shè)計(jì)溫度,-20～200℃(可以提高到320℃);設(shè)計(jì)壓力,常壓～0.6MPa(亦可根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)、制造0.6～2.4MPa的產(chǎn)品);規(guī)格,3～400m2。

　　2原材料對(duì)圓塊式石墨換熱器性能的影響

　　石墨材料經(jīng)浸漬劑浸漬、熱處理后,變成不透性石墨材料。不透性石墨具有耐腐蝕性好、熱導(dǎo)率高、使用溫度較高等優(yōu)點(diǎn)。用于加工圓塊式石墨換熱器換熱零部件的不透性石墨材料因所采用的石墨材料的石墨化程度、顆粒大小及所用浸漬劑的不同,可直接影響整個(gè)設(shè)備的換熱性能、耐腐蝕性能、使用壽命和安全性能。

　　(1)石墨化程度。石墨材料可分為半石墨化材料和石墨化材料兩大類。半石墨化材料熱導(dǎo)率低于石墨化材料,不宜用作換熱零部件。石墨化材料熱導(dǎo)率λ≥100～130W/(m·Ｋ),耐溫差急變性能優(yōu)于半石墨化材料。石墨化程度高低直接影響設(shè)備的換熱效果,國(guó)外現(xiàn)已全部采用細(xì)顆?；Ｓ檬牧稀Ｎ覈?guó)新頒布的TSGR0001-2004《非金屬壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和HG/T2370-2005《石墨制化工技術(shù)條件》中石墨制壓力容器推薦使用接近國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)石墨材料。

　　(2)顆粒大小。構(gòu)成石墨材料的顆粒度越大,則材料的表觀密度越小,機(jī)械強(qiáng)度越低。顆粒間的孔洞越大,鉆孔時(shí)可能暴露更多通孔,孔隙率增高。為達(dá)到使用要求的致密性,則浸漬劑的用量就會(huì)增多,影響浸漬質(zhì)量和不透性石墨的導(dǎo)熱性能。密度大,則機(jī)械強(qiáng)度大。所以選用表觀密度大的石墨材料(如細(xì)顆粒A級(jí))進(jìn)行浸漬熱處理后加工生產(chǎn)的設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性高,使用效果更好。

　　(3)浸漬劑。浸漬劑用于在石墨材料中填充空隙,選用的浸漬劑不同,會(huì)直接影響不透性石墨的耐腐蝕性。浸入量直接影響不透性石墨換熱部件的使用溫度和耐蝕程度。浸漬真空度大,加壓壓力高,可減少浸漬次數(shù),換熱效果亦優(yōu)于傳統(tǒng)浸漬工藝(3遍浸漬、3遍熱處理)。

　　因浸漬劑(酚醛樹脂、呋喃樹脂等)的耐腐蝕性遠(yuǎn)低于石墨材料本身的耐腐蝕性,所以浸入量越多,耐腐蝕性越差,耐溫差急變性能更差,因此一般要求浸入量不能超過(guò)10%。如:酚醛樹脂浸漬不透性石墨經(jīng)180～300℃中溫處理,可以增大浸漬樹脂的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,可長(zhǎng)期滿足PVC行業(yè)對(duì)石墨換熱設(shè)備的使用要求。

　　3設(shè)備使用情況[1]

　　(1)HCl冷卻器

　　采用7℃水將HCl氣體由40℃冷卻至15℃以下,選用石墨設(shè)備無(wú)特殊要求,傳統(tǒng)的列管式、圓塊式石墨換熱設(shè)備均能滿足使用要求。對(duì)列管式石墨換熱器而言,采用的粘結(jié)樹脂膠泥與管板的粘接質(zhì)量是關(guān)鍵,粘接樹脂膠泥氣孔率少,則強(qiáng)度高;熱處理溫度超過(guò)130℃且比設(shè)備使用溫度高20～30℃,這樣設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率就會(huì)少。而圓塊式石墨換熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,無(wú)粘接縫,故使用效果優(yōu)于列管式石墨換熱器,加之大規(guī)格圓塊式設(shè)備加工能力的提高(目前在用單臺(tái)面積達(dá)300m2以上),圓塊式石墨換熱器將逐漸取代列管式石墨換熱器(現(xiàn)青島渤化石墨設(shè)備廠可加工石墨單元塊直徑Φ1400)。

　　(2)一、二級(jí)石墨冷卻器

　　采用-35℃冷凍鹽水對(duì)混合氣體進(jìn)行冷卻脫水,混合氣體溫度必須降至-12～-14℃,一、二級(jí)石墨冷卻器串聯(lián)使用。對(duì)石墨設(shè)備而言,耐低溫性能和殼體耐冷凍鹽水腐蝕性要求較高,圓塊式優(yōu)于列管式。對(duì)殼體要求必須內(nèi)部焊縫焊透,鋼板材質(zhì)為16MnR,殼體內(nèi)部最好采用防腐涂料進(jìn)行防腐處理。

　　(3)預(yù)熱器

　　采用95～100℃熱水將混合氣預(yù)熱到60～80℃后再進(jìn)入轉(zhuǎn)化器進(jìn)行反應(yīng),當(dāng)熱水溫度超過(guò)60℃以上時(shí),結(jié)垢及腐蝕情況增大。建議對(duì)殼體進(jìn)行防腐處理,循環(huán)熱水必須進(jìn)行軟化處理。換熱過(guò)程中,因工藝側(cè)溫差變化較大,選用圓塊式預(yù)熱器優(yōu)于列管式預(yù)熱器。

　　(4)合成氣冷卻器

　　采用循環(huán)水冷卻合成氣冷卻器,因氣體進(jìn)口溫度為135～180℃,對(duì)石墨設(shè)備來(lái)說(shuō)溫度偏高,溫差較大;且VCM對(duì)石墨中浸漬樹脂有一定的腐蝕作用。因此,氣體進(jìn)口上封頭及高溫區(qū)換熱部件材質(zhì)選B級(jí)細(xì)顆粒石墨化材質(zhì)為最佳。選用圓塊式設(shè)備,上封頭采用全石墨,下封頭襯石墨,可滿足使用要求。

　　(5)EDC冷卻器

　　EDC為含氯有機(jī)物,其對(duì)浸漬樹脂的腐蝕較VCM氣體大,選用圓塊式設(shè)備必須對(duì)單元塊進(jìn)行中溫處理,選用B級(jí)石墨塊材才能保證設(shè)備的使用壽命。

　　PVC生產(chǎn)中因C2H2、VCM皆為易燃、易爆氣體,必須限制VCM管內(nèi)流速在4m/s以下,設(shè)備必須設(shè)接地板,靜電接地。

　　4石墨換熱器傳熱計(jì)算[2、3]

　　PVC生產(chǎn)過(guò)程中使用的石墨設(shè)備可分為液-液、氣-液換熱兩種形式。應(yīng)用圓塊式石墨換熱器的兩種流體的流向?yàn)殄e(cuò)流和簡(jiǎn)單折流。即縱向沿一個(gè)方向流動(dòng),而橫向(冷卻水或冷凍鹽水)先沿與縱向呈垂直的方向流動(dòng),然后折回向相反方向流動(dòng),如此反復(fù)地作折流運(yùn)動(dòng)。其平均溫度的計(jì)算必須乘以校正系數(shù)εΔt,εΔt>0.8合理,否則需調(diào)整工藝參數(shù)。

　　石墨換熱器傳熱系數(shù)計(jì)算可參照表1、表2中數(shù)據(jù);介質(zhì)的垢層系數(shù)αd見表3。

　　總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為:K=(αo-1+αi-1+∑αd-1+δ/λ)-1,式中:αo為管外(或服務(wù)側(cè))的導(dǎo)熱系數(shù),αi為管內(nèi)(或物料側(cè))的導(dǎo)熱系數(shù),αd為管內(nèi)外(或換熱塊兩側(cè))的垢層系數(shù),δ/λ為石墨管(或換熱塊)材的熱阻。K值的大小決定石墨設(shè)備的換熱效果。

　　圓塊式與列管式石墨換熱器因結(jié)構(gòu)形式不同,換熱效果亦不同,兩者對(duì)比見表4。

            

        現(xiàn)以山東濰坊某公司10萬(wàn)ｔ/ａＰＶＣ工段二級(jí)石墨冷卻器Ｅ-2105為例,進(jìn)行列管式與圓塊孔式石墨設(shè)備換熱效果對(duì)比。

        Ｅ-2105工藝參數(shù)為:總換熱量150000ｋＪ/ｈ;對(duì)數(shù)平均溫差26.12℃;工藝側(cè),操作溫度0～-14℃,操作壓力0.043～0.074ＭＰａ,允許壓力降0.001ＭＰａ;服務(wù)側(cè),操作溫度-35～-32℃,操作壓力0.3～0.4ＭＰａ,允許壓力降0.1ＭＰａ。

        對(duì)氣-液傳熱,主要取決于氣相側(cè)傳熱系數(shù)(一般小于102數(shù)量級(jí)),與選擇石墨管還是換熱塊關(guān)系不大(δ/λ≈0,全為10-4數(shù)量級(jí))。列管式與圓塊式石墨換熱器因結(jié)構(gòu)不同,氣相側(cè)傳熱系數(shù)亦不同。

        工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ):在一期滿足工藝要求的前提下,工藝參數(shù)不變,只改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu),由列管式改為圓塊式,工藝側(cè)α管ｉ/α塊ｉ比值取決于(ｎ塊/ｎ管)0.8×(ｄ塊/ｄ管)1.8的大小。與ＧＨ型列管式石墨換熱器相比,ＹＫＢ圓塊式設(shè)備服務(wù)側(cè)的α管ｏ/α塊ｏ略差。設(shè)備一、二期數(shù)據(jù)如下。

        一期選型:規(guī)格型號(hào),ＧＨＡ1000-155Ｆ,石墨管數(shù)505;石墨管有效長(zhǎng)度,3600ｍｍ;管外(服務(wù)側(cè))冷卻面積,183ｍ2;管內(nèi)(工藝側(cè))換熱面積,126ｍ2;平均換熱面積,155ｍ2;總傳熱系數(shù)10.29Ｗ/(ｍ2·Ｋ)(計(jì)算值)。

        二期選型:規(guī)格型號(hào)ＹＫＢ100-18/16-170ＩＩ,換熱塊規(guī)格Φ1000×352,縱向孔數(shù)據(jù)665-Φ18,橫向(服務(wù)側(cè))冷卻面積168.36ｍ2(孔道),縱向(工藝側(cè))換熱面積169.08ｍ2(孔道),平均換熱面積168.72ｍ2(孔道);安全裕度1.25,總傳熱系數(shù)11.51Ｗ/(ｍ2·Ｋ)(供參考)。