圓塊孔式石墨換熱器在PVC行業(yè)的應(yīng)用及缺陷的克服

李雙祥

太原化學(xué)工業(yè)集團(tuán)氯堿分公司，山西太原 030021

圓塊孔式石墨換熱器在PVC行業(yè)的應(yīng)用及缺陷的克服

李雙祥

太原化學(xué)工業(yè)集團(tuán)氯堿分公司，山西太原 030021

本文介紹了圓塊孔式石墨換熱器的特點和發(fā)展概況，分析了石墨換熱器性能的影響因素。結(jié)合PVC的生產(chǎn)工藝闡述了其在該行業(yè)的應(yīng)用、存在的缺陷及克服方法。

石墨；換熱器；圓塊孔式；PVC；應(yīng)用

在化工生產(chǎn)過程中，換熱器是一種不可或缺的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于物料的加熱、冷卻或能量回收等。化工生產(chǎn)條件變化復(fù)雜，原有的材料已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的需求，特別是對于某些物料具有很強腐蝕性的生產(chǎn)過程，若選用合金材料制造換熱器則造價昂貴。石墨材料具有耐腐蝕性能強、導(dǎo)熱系數(shù)高、易加工、不易結(jié)垢等性能，是制造換熱器的理想用材。

石墨換熱器具有優(yōu)良的傳熱性能和耐腐蝕性能，已被廣泛應(yīng)用于氯堿工業(yè)中腐蝕介質(zhì)的傳熱工序，特別是電石乙炔法生產(chǎn)PVC中與HC1氣體或鹽酸相關(guān)的工藝過程。石墨換熱器按其結(jié)構(gòu)可分為塊孔式（圓塊孔及矩形塊孔式）、管殼式和板式3種類型。本文將重點介紹圓塊孔式石墨換熱器的特性及發(fā)展情況，石墨換熱器的性能的影響因素，并結(jié)合PVC的生產(chǎn)工藝，闡述石墨換熱器在PVC行業(yè)的使用情況。

1 圓塊孔式石墨換熱器的特點及發(fā)展概況

發(fā)達(dá)國家開始石墨換熱器的生產(chǎn)可追溯到20世紀(jì)30年代，德國是最早研制和生產(chǎn)石墨換熱器的國家，之后在發(fā)達(dá)國家相繼得到發(fā)展。我國起步相對較晚，到20世經(jīng)70年代才開始小批量生產(chǎn)，但發(fā)展較為迅速。到90年代以后，我國石墨換熱器的需求逐步達(dá)到一個相對穩(wěn)定水平。化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展帶動了我國石墨換熱器的開發(fā)與應(yīng)用。目前，我國可以生產(chǎn)國際上應(yīng)用絕大部分品種，并出現(xiàn)了一批能夠生產(chǎn)較高質(zhì)量、規(guī)格齊全的石墨換熱器廠家。

圓塊孔式石墨換熱器是一種傳熱性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕性能極強的熱交換設(shè)備。是目前較先進(jìn)、性能較優(yōu)越的一種石墨換熱器。該設(shè)備主要以金屬件與不透性石墨零件組成，其縱向流動腐蝕性物料，橫向流通載熱體，設(shè)備內(nèi)與腐蝕性物料接觸的材料使用浸漬不透性石墨和聚四氟乙烯密封圈，而不采用膠黏劑。它的設(shè)計溫度為-20℃～200℃（可以提高到320℃）。壓力為常壓到0.6MPa（亦可根據(jù)用戶需要設(shè)計、制造0.6MPa～2.4MPa的產(chǎn)品）。圓柱體換熱塊采用標(biāo)準(zhǔn)單元塊，加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動補償機(jī)構(gòu)，軸向伸縮由拉桿彈簧系統(tǒng)吸收，鋼外殼的軸向膨脹由合成橡膠墊圈補償，因此耐溫耐壓性能好。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。換熱器具有結(jié)構(gòu)堅固緊湊、適應(yīng)性強、零件的互換性好、使用壽命長、傳熱系數(shù)高等特點。

2 圓塊孔式石墨換熱器在PVC生產(chǎn)中的應(yīng)用[1]

PVC的生產(chǎn)工藝主要有石油乙烯法和電石乙炔法，后者占PVC生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。在PVC的生產(chǎn)過程中，石墨換熱器的應(yīng)用如下。

2.1 HCI冷卻器

采用5℃水將HCl氣體由40℃冷卻至15℃以下，圓塊孔式石墨換熱器結(jié)構(gòu)強度高，無粘接縫，大規(guī)格圓塊孔式設(shè)備加工能力高，使用效果良好。

2.2 EDC冷卻器

EDC為含氯有機(jī)物，其對浸漬樹脂的腐蝕較VCM氣體大，選用圓塊孔式設(shè)備必須對單元塊進(jìn)行中溫處理，選用B級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，設(shè)備必須設(shè)接地板，靜電接地。

2.3 一、二級石墨冷卻器

采用-35℃冷凍鹽水對混合氣體進(jìn)行冷卻脫水，混合氣體溫度必須降至-12℃～-14℃，一、二級石墨冷卻器串聯(lián)使用。對石墨設(shè)備而言，耐低溫性能和殼體耐冷凍鹽水腐蝕性要求較高。對殼體要求必須內(nèi)部焊縫焊透，殼體內(nèi)部最好采用防腐涂料或襯膠層進(jìn)行防腐處理。

2.4 合成氣冷卻器

采用循環(huán)水冷卻合成氣，因氣體進(jìn)口溫度為135℃～180℃，對石墨設(shè)備來說溫度偏高，溫差較大；且VCM對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級細(xì)顆粒石墨化材質(zhì)為最佳。選用圓塊孔式設(shè)備，上封頭采用全石墨，下封頭襯石墨，可滿足使用要求。

2.5 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60℃以上時，結(jié)垢及腐蝕情況增大。建議對殼體進(jìn)行防腐處理，循環(huán)熱水必須進(jìn)行軟化處理。換熱過程中，工藝側(cè)溫差變化較大，可選用圓塊孔式預(yù)熱器。

3 圓塊孔式石墨換熱器性能的影響因素

3.1 原材料

用于加工圓塊孔式石墨換熱器換熱零部件的石墨材料，其石墨化程度、顆粒大小及所用浸漬劑的不同，可直接影響整個設(shè)備的換熱性能、耐腐蝕性能、使用壽命和安全性能。

石墨化程度高低直接影響設(shè)備的換熱效果，推薦使用接近國外標(biāo)準(zhǔn)的A級石墨材料。

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)械強度越低，孔隙率越大，則浸漬劑的用量就會增多，影響不透性石墨的浸漬質(zhì)量和導(dǎo)熱性能。所以選用顆料小的石墨材料加工生產(chǎn)的設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性高，使用效果更好。

浸漬劑的作用是在石墨材料中填充空隙，浸漬劑種類、浸入量、浸漬工藝不同，會直接影響不透性石墨的耐腐蝕性。目前使用最多的浸漬劑是浸漬改性酚醛或改性呋喃樹脂。因浸漬劑的耐腐蝕性遠(yuǎn)低于石墨材料本身，考慮到不透性石墨換熱部件的耐蝕程度，浸入量一般不超過10%。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。

3.2 使用介質(zhì)

圓塊孔式石墨換熱器并非適用于任何介質(zhì)，即使對于同一種介質(zhì)由于浸漬劑、密封圈（或墊）的不同，所適用的溫度和濃度也不同。在選型時要充分考慮介質(zhì)的腐蝕性，否則樹脂被腐蝕后，將使孔壁穿通而串液。此外，還應(yīng)注意介質(zhì)的物性（如有無結(jié)垢或結(jié)晶）、潔凈程度（是否有固體雜質(zhì)，是否加裝管道過濾器）等因素。

4 圓塊孔式石墨換熱器缺點的克服

圓塊孔式石墨換熱器使用中出現(xiàn)較多的問題是密封墊片的泄漏，多采用更換墊片的方式即可解決。對設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響的多是石墨塊體本身的徹底失效。

4.1 材料的缺陷及克服方法

在生產(chǎn)石墨換熱器時要進(jìn)行浸漬過程，才能使石墨塊達(dá)到具有不滲透性，同時可以填塞石墨塊孔中的縫隙、增強換熱器的力學(xué)強度。在較高操作溫度下，浸漬樹脂和石墨材質(zhì)發(fā)生顯著的熱變形，由于浸漬劑與石墨材料的膨脹系數(shù)不同，變形不均造成兩者之間產(chǎn)生應(yīng)力，從而使石墨材質(zhì)受浸漬樹脂擠壓發(fā)生脆性斷裂，斷裂區(qū)積聚擴(kuò)大就會造成宏觀缺陷[1]。表現(xiàn)為部分橫向孔道與縱向孔道的孔壁連通，出現(xiàn)物料程與冷卻程相互泄漏。

出現(xiàn)該情況的主要原因是操作溫度過高。為避免該情況出現(xiàn)，實際操作中須在正常的工藝控制指標(biāo)范圍內(nèi)、嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程、避免超負(fù)荷運行、確保爐套的換熱能力、提高其冷卻作用。

4.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)的缺陷及改進(jìn)

圓塊孔石墨換熱器其塊間密封是通過兩道O型密封圈實現(xiàn)的。熱媒經(jīng)由徑向通道，料液經(jīng)由縱向通道實現(xiàn)換熱。由于上下石墨塊采用凹凸面形式密封，且石墨是脆性材料，故當(dāng)裝配時有較小的徑向錯位，就可能造成凸臺面的脆性斷裂破壞，從而影響密封的可靠性[3]。

針對這一問題，可把原標(biāo)準(zhǔn)中的凹凸面密封形式改成平面密封形式，在原凹凸面位置設(shè)置內(nèi)外兩道半圓環(huán)形凹槽。由內(nèi)外兩道O型圈實現(xiàn)料液與熱媒間的隔離密封。即只對塊間密封形式進(jìn)行了改動，而換熱器的換熱機(jī)理與換熱效果并沒有變化。

4.3 使用過程存在的問題及解決方法

圓塊孔石墨換熱器在使用中，由于原料質(zhì)量、工序管理等原因，出現(xiàn)筒身腐蝕、料液通孔結(jié)垢堵塞和料液回流強度偏小等問題。因而只得將換熱器解體除垢檢修[4]。結(jié)垢不僅影響了換熱器的換熱效率，而且脫落的結(jié)垢物還會進(jìn)入濃縮液而影響成品結(jié)晶質(zhì)量。

為了解決上述問題，可根據(jù)結(jié)垢物的性質(zhì)，開發(fā)相應(yīng)的清洗劑，對換熱器進(jìn)行不需解體的在線清洗并優(yōu)化系統(tǒng)清洗流程，定期熱洗。還可增加了料液的通流面積，減小了料液的回流阻力。

5 結(jié)論

石墨換熱器具有優(yōu)良的耐熱性和耐腐蝕性能，因而在氯堿工業(yè)、聚氯乙烯生產(chǎn)中得到推廣和應(yīng)用。太原化學(xué)工業(yè)集團(tuán)氯堿分公司在PVC生產(chǎn)過程中，從2000年開始，逐步以圓塊孔式石墨換熱器替代了矩形塊孔式和列管式石墨換熱器，選用南通星球石墨設(shè)備有限公司和遼陽碳素廠生產(chǎn)的圓塊孔式石墨換熱器。雖然圓塊孔式石墨換熱器價格偏高，但只要控制好制造工藝、充分考慮操作工藝條件、提高設(shè)備管理水平、改善設(shè)備在PVC生產(chǎn)中存在的缺陷，圓塊孔式石墨換熱器就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，必將在PVC行業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]戴佐峰，張貴寶.圓塊式石墨換熱器在PVC行業(yè)的應(yīng)用[J].聚氯乙烯，2007(2)：30-32.

[2]郭建民，許麗，張敬宇.GH型列管式石墨換熱器的泄漏原因[J].氯堿工業(yè).2009，45(1)40-42.

[3]嚴(yán)永江，許彥春.YKA型石墨換熱器選型、安裝、使用中應(yīng)注意的問題[J].河北化工，2009，32(10)：46-47.

[4]張志勛，齊廣輝，周坤.管殼式石墨換熱器及其泄漏原因分析[J].石油化工設(shè)備，2010，39(2)：84-87.

Application of Circularity Block Hole Type Graphite Heat Exchanger in PVC Industry and its Defect Improvement

The characteristics and development profiles of circularity block hole type graphite heat exchanger were described in this article.The factors of performance of the graphite heat exchanger were also analyzed.The application of the circularity block hole type graphite heat exchanger in PVC industry and its defect improvement was described.

raphite; heat exchanger; circularity block hole type; PVC; application

TK172

A

1674-6708（2010）32-0193-02