低溫黏性介質的石墨換熱器選型

蔡遠航

南通三圣石墨設備科技股份有限公司（江蘇南通 226009）

化工行業低溫黏性介質的流體換熱一直面臨換熱效果差、換熱器容易堵塞的問題。特別是鈦白粉行業中的偏鈦酸冷卻，廠家一直采用高位差自流的方式使流體進入石墨換熱器。因為推動力比較小，所以換熱器內的流速提不上去，壓損制約了流體的換熱效率，同時帶來了偏鈦酸容易堵塞換熱器孔道的問題。但是，如果采用泵強制偏鈦酸循環，提高其在換熱器孔道內的流速，不僅能提高換熱效率，也能減輕偏鈦酸堵塞換熱器孔道的現象。列管式換熱器管子內壁光滑，不容易堵塞，但管子強度低，在清理管內堵塞物時容易被捅破。矩形式換熱器強度高、安裝和檢修方便，但是其密封材料裸露在空氣中容易老化，密封穩定性有所欠缺。圓塊式換熱器強度高，密封材料在冷卻液中不易老化，密封穩定性優良，檢修難度一般。綜合分析列管、矩形、圓塊等石墨換熱器的結構特點，圓塊孔式石墨換熱器最適合應用于偏鈦酸的冷卻。

1 圓塊孔式石墨換熱器的特點

圓塊孔式石墨換熱器是石油化工、制藥等行業的重要設備之一，主要由若干帶物料孔道的石墨換熱塊，上、下石墨封頭及其金屬蓋板，圓筒鋼殼體等零件組成，各零件之間用墊片密封，并以螺柱緊固。隨著國內石墨圓塊材料的規格越做越大，且圓塊比列管能承受更大的壓力，在很多領域，圓塊孔式石墨換熱器因其優點漸漸替代了列管石墨換熱器。

（1）導熱系數高。石墨導熱系數比不銹鋼高5倍，比碳鋼高2倍，居于非金屬材料之首。工藝側和服務側的孔道都采用鉆制，兩種孔道垂直交錯，換熱塊之間形成的環槽可作為一個湍流室，從而增強了湍流作用，提高了傳熱效率。

（2）線膨脹系數小。石墨的線膨脹系數一般在（5～27）×10-6/℃范圍內， 對溫度變化的敏感性小，用它制作的設備能在高溫下維持原來的形狀和機械強度，具有很高的熱穩定性，能夠很好地抵抗熱沖擊。

（3）不易結垢。石墨和大多數介質之間的“親和力”極小，所以污垢不易附結在表面。

（4）結構堅固。石墨塊體主要承受壓應力，可充分利用石墨材料抗壓強度高的特點，提高操作壓力，應用于有熱沖擊或振動的場合。

（5）結構緊湊，占地面積小。

（6）適應性強。可用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發、再沸、吸收、解析等許多化工工程。

（7）零件的互換性好。采用“積木式”的可拆卸組合結構，只需數量不多的標準元件就可組裝成各種不同換熱面積的設備；其拆卸、安裝、清洗、檢修和運輸方便，對制造和維修都具有很大優越性。

2 化工工藝計算

硫酸法鈦白粉生產過程中的核心工序是水解制得偏鈦酸，偏鈦酸的冷卻關系到鈦白粉產品的質量。濃鈦液經熱水解后制得的偏鈦酸懸浮液溫度較高（一般在110℃左右），如不經冷卻直接進入下一工藝過程，就會損壞該工藝過程中的主要過濾設備——PP材質的濾板及化纖濾布。因此，偏鈦酸懸浮液必須冷卻到一定的溫度后才可以輸送至下一工序進行處理。鈦液經過管路輸送到下一工序時，溫度一般已經下降到105℃左右，因此，通過石墨換熱器換熱后的出料溫度不能高于75℃。

表1是客戶提供的生產數據。

表1 鈦白粉生產中換熱器相關數據

根據表1，計算循環水用量和換熱面積。

2.1 循環水用量

工藝側提供的熱量：

考慮到有2%熱損，所以：

q水=1.02×219=223.4 m3/h。

圓整后，循環水的用量取225 m3/h。

2.2 換熱面積

偏鈦酸進口溫度為105℃，出口溫度為75℃；循環水進口溫度為32℃，出口溫度為38℃。

在逆流情況下：

ΔT1=高溫介質進口溫度-低溫介質出口溫度=105-38=67℃

ΔT2=高溫介質出口溫度-低溫介質進口溫度=75-32=43℃

較小水當量：

（WCp）min=50×1450/3600×2510=50549

較大水當量：

（WCp）max=225×994/3600×4180=259683

通過溫差修正系數圖查得 εΔT′=0.95。

校正后的平均溫差 ΔTm′=εΔT′×ΔTm=0.95×54.1=51.395℃。

假定傳熱系數 K=550 W/（m2·K），則傳熱面積：

結合水解偏鈦酸工況，物料流速取1.5～1.8 m/s才能減少結垢，延長清洗周期。目前考慮采用直徑700 mm的圓形換熱塊，工藝側分成11個流程，流速在1.75 m/s左右，符合流速需要。

（1）工藝側計算

雷諾數Re=25 375；普蘭特準數Pr=11.16；傳熱分系數：α1=3562 W/（m2·K）。

（2）服務側計算

雷諾數Re=37512；普蘭特準數Pr=4.85；傳熱分系數α2=9249 W/（m2·K）。

（3）圓塊換熱塊計算

通過換熱塊布孔圖計算的石墨換熱塊當量厚度δ=14 mm，石墨材料的導熱系數 λ=110 W/（m2·K），則總傳熱系數：

以上計算結果均符合預估值。

結合以上數據計算該設備所需的換熱面積：

考慮 10%的面積裕度，則 F=F′×1.1=55.7 m2。

采用直徑700 mm的換熱塊，料孔直徑為20 mm，水孔直徑為14 mm，單塊換熱面積為6 m2，則換圓整后直徑取700 mm，換熱塊取10塊。

最終，該設備面積 F=6×10=60 m2。

3 換熱器結構形式

考慮到物料容易堵塞孔道的情況，在設備的結構上采用多流程方式，提高流速后能大大降低結垢的速度。具體結構有下述幾個特點。

石墨封頭：物料流速加快后，容易沖垮折流筋板，因此，封頭相鄰兩腔要開壓力平衡缺口，同時增加石墨支撐條作為加強。

石墨換熱塊：折流位置采用銑槽，把折流密封條嵌入槽內，深度必須大于密封條高度的1/2，這樣密封條不容易被物料沖走。

總體結構：上下封頭必須采用可單獨拆卸的結構，便于換熱塊整體清洗時徹底清除堵塞物。需要機械清洗換熱塊時，只需要拆除上下封頭，無需更換換熱塊之間的密封材料，清洗后安裝好封頭就可以正常使用該設備。

4 結語

目前，國內水解偏鈦酸工段使用的冷卻器大部分是南通三圣石墨設備科技股份有限公司的矩形塊孔式石墨換熱器，結合鈦白粉廠家反饋的意見和建議，經過不斷的技術改進，在2009年推出了多流程圓塊孔式石墨換熱器應用于該工段。通過這10年的數據比對和總結，在原有設備的基礎上對其局部結構進行了升級，應用效果更加理想。結合工藝數據和設備結構，對物料的壓力損失進行計算，來確定輸送物料泵的最小揚程。鈦白粉生產廠家在該工段采用的物料高位壓差自流法不能滿足壓力損失要求。采用多流程圓塊孔式石墨換熱器后，原有的清洗周期延長了20倍以上，降低了因停車拆卸設備清洗而造成的損失。