石墨換熱器在鹽酸解析的應用

吳峰 張燦冰（焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司，河南 焦作 454191）

石墨換熱器在鹽酸解析的應用

吳峰 張燦冰（焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司，河南 焦作 454191）

介紹了在環氧氯化烷項目中，深度解析法鹽酸解析的生產工藝流程。在年產1.8萬噸氯化氫解析工序中，正確選用國內YKB型圓塊孔式石墨換熱器為換熱設備。重點又闡述了YKB型圓塊孔式石墨換熱器的內、外結構與特點；在生產實際應用中維護保養的重要性。

石墨換熱器；鹽酸解析；維護保養重要性

21世紀以來，隨著經濟全球化迅猛發展，市場對精細化學品和特種化學品需求日益增大，循環產業鏈的精細化工紛紛上馬。為了迎合全球化精細化工的發展，更具競爭力，焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司在原有20萬噸離子膜燒堿的基礎上規劃建設了環氧氯丙烷項目。2013年3月我參與了焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司的環氧氯丙烷項目建設與試運行，主要負責環氧氯丙烷原料-二氯丙醇的鹽酸解析工藝。環氧氯丙烷(ECH)是一種易揮發、不穩定的無色油狀液體，微溶于水，能與多種有機溶劑混溶，并可與多種有機液體形成共沸物[1]。目前，國內外ECH工業生產方法主要有以丙烯為原料的丙烯法和以甘油為原料的甘油法2種[2]。利用自身成本優勢，考慮到自產鹽酸和燒堿，只需外購甘油即可實現。焦作煤業集團開元化工有限責任公司采用甘油法生產環氧氯丙烷，具有較強的市場競爭力。在項目建設中，換熱設備使用廣泛、數量之多，為了保障建設項目安全生產運行，換熱設備的選型和維護保養則顯得尤為重要。

1 鹽酸解析工藝

焦作煤業集團開元化工有限責任公司采用深度解析工藝，解析氯化氫能力為18000噸/年。

解析氯化氫方式有三種分別為：常規解析、深度解析、加壓解析。

（1）常規解析稱為熱解析（沒有無水氯化鈣做助劑；需要大量蒸汽持續加熱）

（2）深度解析又稱為零解析，解析后可達到99.9%的氯化氫氣體，只有0.1%鹽酸進入了廢水系統，解析效果理想。深度解析方式利用無水氯化鈣干燥作為助劑。

（3）加壓解析。

這里主要介紹深度解析，是鹽酸為原料與氯化鈣溶液混合后，持續高溫加熱將31%的鹽酸解析成純度大于99%的氯化氫氣體。鹽酸解析過程其實是一種物理變化。

31%鹽酸+無水氯化鈣? ???加熱熱氯化氫↑

解析工藝流程簡述：首先把無水氯化鈣配制成30%氯化鈣溶液，隨后通過調節石墨換熱器蒸汽流量使氯化鈣溶液在閃蒸分離器中加熱提濃。當解析塔溫度達到130度，氯化鈣溶液濃度達到45%時，通入31%鹽酸與氯化鈣溶液混合（混合體積比例為1：2.4）后進入解析塔，混合溶液從解析塔頂部進入，在重力的作用下向下自流動，流動過程中通過填料和內部件時發生高效傳質。當解析液到達解析塔底部時，通過調節進入解析石墨換熱器的蒸汽流量來控制解析液蒸發溫度，解析液在熱虹吸作用下不斷循環進入石墨換熱器進行加熱，這樣氯化氫氣體被蒸餾分離并向上流動。在這個過程中，氯化氫氣體從鹽酸與氯化鈣混合溶液中汽提出來并從塔頂排出。氯化鈣溶液作為共沸打破物，相對于氯化氫氣體的分壓來說抑制了水蒸氣的分壓。

塔頂部解析出的氯化氫氣體再經過冷卻器，將其中的水分冷凝下來，從而得到99%的氯化氫氣體進入下一工序使用。冷卻下來冷凝液又重新回到解析塔中解析。

表1 鹽酸解析主要設備表

2 換熱器分類及結構特點

換熱器種類多、應用之廣。在化工單位常用的換熱器有：冷凝器、冷卻器、再沸器、加熱器、蒸發器等。按冷、熱介質熱量交換原理和方式也可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。

（1）混合式換熱器是冷、熱流體直接接觸進行熱量交換。兩流體混合交換后必須及時分離，這種分離器常用于氣、液兩流體之間換熱。

（2）蓄熱式換熱器是冷、熱流體交替流經蓄熱室中蓄熱體（填料）表面，從而實現熱交換的換熱器。多用于回收和利用高溫廢氣的熱量。

（3）間壁式換熱器是冷、熱流體被固體間壁隔開，通過固體間壁進行熱量交換的換熱器。

第三種間壁式換熱器應用最為廣泛。YKB型圓塊孔式石墨換熱器屬于間壁式換熱器的一種。

由以上工藝流程我們可以看出從氯化鈣提濃到解析氯化氫，都需要石墨換熱器不斷持續換熱才能實現提濃和氯化氫生成。石墨換熱器在解析工藝中扮演著舉足輕重的角色。

YKB型圓塊孔式石墨換熱器是一種性能優越的換熱器。此換熱器外殼為碳鋼材質。內部間接換熱件為圓柱形石墨材質，利用數控鉆床在石墨塊軸向和徑向分別鉆出兩組不相通的物料流道，這兩組流道之間形成直角，兩種不同的介質流體通過這兩組流道達到熱交換的目的。內部石墨塊之間用聚四氟乙烯帶密封，碳鋼外殼加裝后采用壓力彈簧緊固，作為熱脹冷縮自動補償裝置，以起到保護作用。YKB型圓塊孔式石墨換熱器加工工藝先進，具有傳熱效率高、穩定可靠、抗沖擊、耐高溫、耐腐蝕、檢修方便等特點。

圖1 換熱器內部石墨件

換熱器內部件共有10塊圓柱形石墨塊、1塊石墨上封頭和1塊石墨下封頭組成。石墨塊與上、下封頭尺寸均為直徑720 mm，高355 mm。上、下封頭、石墨塊之間由聚四氟乙烯墊密封。內部件采用石墨材質，在生產氯化氫工藝環境中，大大提高了換熱器對物料的耐腐蝕性。石墨塊軸向孔流通解析液，徑向孔流通蒸汽。由數控鉆床加工的孔，精度高、分布均勻，保證料孔與氣孔間壁的厚度和強度、達到了高效傳熱的目的。

換熱器外殼筒體采用碳鋼卷筒焊接上下各有一塊帶法蘭鋼板與之相連接并由高壓彈簧加壓緊固。這種設計和裝配提高了設備自動補償能力、大大降低了蒸汽對設備的沖擊性、從而增強了設備的穩定性。如圖所示a、d分別為進料和出料法蘭口；c、b分別為蒸汽進口和蒸汽冷凝水出口；e、f分別是排氣口和排凈口。(見圖2)

3 石墨換熱器維護保養及重要性

化工企業計劃停車維護時，一般把過多精力放在處理漏點和維修運轉設備上，而往往忽視了使用最為廣泛、數量最多的換熱設備。對換熱器而言計劃性維護保養是非常重要的，這樣可以避免停車事故的發生。在從事化工行業的10個年頭中，曾發生過多起停車事故，損失之巨大！這巨大的經濟損失仍然沒有敲響我們的警鐘，我們仍然很少甚至沒有把檢修換熱器列入我們的檢修計劃中。

換熱器檢修其實是一項系統化的工作。根據換熱器介質分類制定合理的檢修方案、措施和期限，并認真按照制定的檢修方案和措施執行。拿YKB型圓塊孔式石墨換熱器在解析工藝中應用為例，石墨換熱器軸向料孔中主要流通氯化鈣溶液，我們知道氯化鈣溶液很容易發生沉淀。隨著溫度升高，氯化鈣溶液濃度達到50%時，非常容易結晶堵塞料孔，最終導致停車。

因此生產中必須嚴格控制解析工藝溫度指標，才能保證氯化鈣濃度，維持安全運行。

生產運行前維護保養：由于開停車溫度落差，會出現熱脹冷縮現象，因此在生產運行前要對石墨換熱器的壓力彈簧進行加壓緊固，換熱器頂部每根壓力彈簧尺寸達到140 mm,避免石墨換熱器內部及外部密封處泄露，保證了開車運行的成功率。

計劃停車檢修：先將系統中氯化鈣溶液從系統最低處放出回收，放凈后向系統加入熱水，通過循環泵打循環沖洗石墨換熱器。操作至少進行兩次，直至石墨換熱器放出清水。

圖2 石墨換熱器剖面示意

4 結語

焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司在環氧氯丙烷項目中，運用科學先進的設備管理方法，正確選用換熱設備，使YKB型石墨換熱器的高效傳熱、耐腐蝕、耐高溫、坑沖擊，檢修方便等特點在解析工藝中體現得淋淋盡致。先進的管理模式行之有效的保證了項目安全運行生產，創造了可觀的經濟效益。

[1]馬斌全,袁茂全,陳斌武.甘油法環氧氯丙烷生產技術進展[J].氯堿工業,2012,48(5):1-4.

[2]胡華斌，胡芳，馬永利.環氧氯丙烷生產廢水的物化—生化處理[J].廣東化工，2014，41(4):1.

吳峰(1983-)，男，河南焦作人，大專，研究方向：環氧氯丙烷項目工程技術。