國產圓塊式石墨換熱器的應用與改進

姚 建姚松年(.南通山劍石墨設備有限公司 .南通市石墨設備設計研究所）

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國產圓塊式石墨換熱器的應用與改進

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(1.南通山劍石墨設備有限公司 2.南通市石墨設備設計研究所）

摘 要：簡要介紹圓塊式石墨換熱器的優點、不足之處，以及在普通顆粒石墨材料基礎上通過技術創新對換熱器性能改進，使某些性能已達國際先進水平的實例。

關鍵詞：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勢，如耐酸、堿、溶劑，甚至氧化性物料。同時其熱導率可達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、傳熱的結構材料是很自然的。又因浸漬石墨的莫氏硬度很低，很容易機加工，因此可以由材料豐富的煉鋼電極或專用石墨棒通過機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優勢的、專有結構的圓塊式石墨換熱器，應用較多的參見圖2，已經在化工、冶金、制藥、輕工、印染、電鍍、造紙、環保……眾多行業中腐蝕性物料的生產、應用及廢液、廢氣處理、回收中發揮了積極作用。

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構

它可以用作加熱器、蒸發器、冷卻器、冷凝器，其軸向（管程）絕大多數流通腐蝕性物料，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，則此時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，極少數也可用不銹鋼外殼。

我國于1974、1975分別由上海碳素廠、南通碳素廠開發了兩種圓塊式石墨換熱器，以后又有不同結構的圓塊式設備問世，因其結構緊湊、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℃、軸向設計壓力普遍＜1.0MPa，雖耐酸但不耐堿、不耐氧化性物料；換熱塊高度普遍＜500mm，多數在300mm左右，塊間的間隙雖增加紊流效應可提高傳熱效率，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，加大流體阻力和結晶堵孔的風險；而設備中殼程折流板國內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。這些都成了改進提高的課題。基于此，通過對浸漬材料和結構的改進，已經在國產普通顆粒石墨材料的基礎上提高了國產圓塊式換熱器的技術性能，例如：

1 對使用溫度、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1.8MPa（殼程蒸汽0.6MPa），山劍石墨設備公司采取結構措施并經2.4MPa水壓檢驗后，在實用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損，少有的維修也是更換外殼密封蒸汽的墊片，并因結構的改進，換墊片時無需拆卸設備。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。

上述設備中石墨塊都采用的是國產普通顆粒的石墨材料，而非細顆粒石墨，通過選用自己開發的復合樹脂浸漬以提高其強度及耐熱性，使耐熱、耐內壓已達國際先進水平。

兩年前山劍開發的具廣譜耐酸、堿性能的復合樹脂浸漬石墨，已可由室溫扔進400℃馬沸爐內也不爆裂，保溫數小時也不粉化，所用石墨材料也是國產普通顆粒石墨，為進一步提高換熱器的使用溫度，尤其是延長石墨合成爐筒使用壽命打下了基礎。

2 提高耐腐蝕性

除聚四氟乙烯（F4）樹脂同時具有最廣泛的耐酸、堿、溶劑、氧化性物料，耐溫可達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，歐洲先進的XBS樹脂也是“耐腐蝕差”，而我國現F4浸漬石墨的抗滲透壓力較低（＜0.4MPa），限制了使用范圍，促使我們走開發復合樹脂的途徑來解決。經改進后，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臺正常使用時均長期完好無損。

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

再如強氧化性的三氯氧磷，2006年南通集海改用復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生產線上，都多年完好。

還有在酸堿交替且壓力＞0.4MPa時，開發的復合樹脂因脆性及固化收縮率遠優于呋喃樹脂，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，優于呋喃及F4浸漬石墨。

3 改進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）國內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夾一片塑性的組合折流板，用其中可變 形的塑性折流板填補與外殼間的間隙，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

在升膜、降膜加熱、蒸發、吸收工況下為減少換熱塊間間隙對液膜的破壞，已將石墨塊的長度（高度）延伸到1400mm，當采取進一步措施時，已可將圓塊孔內壁上的液膜長度延伸到2.8m，大大減少干壁現象以提高傳熱、傳質效率。

圖3 組合式折流板

為減小孔內液體的流體阻力，已將物料孔徑擴大到φ35mm，需要時還可進一步擴大。

通過上述改進，在國產普通顆粒石墨材料基礎上開發的國產圓塊式石墨換熱器的耐溫、耐壓性能、耐腐蝕性、及傳質、傳熱效率已有了很大的提高，有的已達國際先進水平。但隨著應用領域的擴大和科技水平的提高，對石墨換熱器的要求也不斷提高，需要我們繼續為圓塊式石墨換熱器的技術、性能提高作出更大努力。