浸漬石墨制40m2塊孔式石墨換熱器設計

張金博

（中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

浸漬石墨是人造石墨經樹脂浸漬工藝處理后形成的一種不透性石墨。浸漬石墨具有化學穩定性好、導熱系數高、線膨脹系數小及機械加工性能良好等優點，適于制作耐腐蝕換熱要求高、操作壓力不高的換熱設備。常見的浸漬石墨制換熱器包括列管式、塊孔式和板塊式3 種石墨換熱器。塊孔式石墨換熱器的優點有耐腐蝕、結構堅固、占地面積小、適應性強、零件互換性好、無粘接結構和換熱系數較高等。塊孔式石墨換熱器的介質流道直徑較小，不適用于結晶或易結垢的物料介質。目前，塊孔式石墨換熱器在氯堿、磷化工等行業應用較為廣泛。

本文以某工程40 m2鹽酸預熱器為例，對塊孔式石墨換熱器的內部構造、工作原理及設備特點進行簡要介紹，并結合工程需求、結構分析和使用經驗對關鍵部件的設計要點進行詳細說明。

1 塊孔式石墨換熱器介紹

塊孔式石墨換熱器的核心構件是圓柱形、垂直交錯式石墨換熱塊。換熱器的主體部分由換熱塊逐層堆疊而成，以內錐面的封頭塊做為端部堆塊，塊間用墊片密封。整體堆塊被金屬殼圍封，金屬殼由筒體、折流板、密封法蘭及緊固件組成，密封法蘭與石墨塊用O 形圈密封。堆塊外端面由帶長螺柱的蓋板壓緊，并配彈簧和螺母，從而將換熱塊及金屬殼組裝為一體。未浸漬石墨塊如圖1所示。

圖1 未經浸漬處理石墨塊實物圖Fig.1 A physical object of the graphite block without impregnated

塊孔式石墨換熱器的典型結構示意圖如圖2所示。

圖2 塊孔式石墨換熱器結構示意圖Fig.2 The mechanism composing of a typical blockhole graphite heat exchanger

換熱塊的核心結構是軸向孔道和徑向孔道，兩者垂直交錯，互不流通。軸向孔道平行于設備軸線，與封頭塊包絡，形成耐腐蝕的流道，是主工藝介質的工作通道；徑向孔道垂直于設備軸線，與圍封殼體共同構成輔助介質的流通空間，并依靠折流板使輔助介質沿徑向流道折向流動，依次通過換熱塊，實現熱交換功能。

塊孔式石墨換熱器屬于石墨制壓力容器，石墨制壓力容器設計壓力≤2.4 MPa，設計溫度范圍為-70～205 ℃。浸漬石墨塊抗壓強度高、化學性質穩定、機械加工性能良好，使塊孔式石墨換熱器具有以下優點：①耐腐蝕性，不同種類的浸漬石墨制設備能夠適用于鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、磷酸等強腐蝕性工作環境；②傳熱系數高，浸漬石墨平均導熱系數為120.3 W/(m·K)，是碳鋼的3 倍和不銹鋼的7 倍，另一方面，垂直交錯式孔道結構可以充分利用空間結構，形成較大的傳熱面積；③裝配式結構，由于堆塊之間是壓緊密封，無需使用粘接劑，因此可設計制造標準換熱元件，零件互換性好，制造和維修方便，易組裝成不同規格的換熱設備。

塊孔式石墨換熱器的缺點是：換熱孔道通常較小，導致流體阻力較大，其單臺換熱面積不宜過大；同時，小孔道容易堵塞，故不宜用于粘度大或含有雜質的物料。

2 塊孔式石墨換熱器的基本要求

塊孔式石墨換熱器用石墨塊具有各向異性的特點，石墨和浸漬石墨材料沿不同方向的導熱系數，說明兩者平行于壓制方向的導熱系數均高于垂直方向的導熱系數，但其數值相差不大。塊孔式石墨換熱器為裝配式設備，可避免熱膨脹系數差異而導致的溫度應力過大的問題，同時還可以避免使用粘接結構，因此可在較高操作溫度下穩定運行。石墨制元件的抗壓能力強，應保證石墨制元件處于擠壓狀態，避免其承受拉應力或彎曲應力，但需要注意金屬材質的緊固件，如螺栓等，不宜直接安裝在石墨元件上。在進行強度計算時，由于石墨制品的不均質性導致其安全系數取值較大，參考文獻中的規定：用于設計的許用應力值為石墨材料工藝評定報告中指定設計溫度下抗拉或者抗壓、抗彎平均值的80%除以安全系數6.0（毒性危害程度為極度或者高度危害介質時，安全系數選7.0）。此外，壓緊彈簧在設備組裝完成后須施加一定的預緊力，保證在操作工況時能夠保證整個堆塊處于壓緊狀態。壓緊彈簧不僅可以起到補償熱膨脹位移的作用，還可以避免預緊螺栓時外力過大而導致石墨元件損壞的情況。

塊孔式石墨換熱器的設計輸入與普通換熱器基本一致，需要需求方分別提供管程和殼程的工作壓力、溫度及介質，并明確最小換熱面積。本文以某工程中40 m2鹽酸預熱器為例，具體要求如下：管程工作介質為0.2 MPa、100 ℃的35%鹽酸；殼程工作壓力為0.4 MPa、120 ℃的水蒸氣；換熱面積為40 m2，逆流傳熱，彈簧壓緊形式裝配結構。

3 塊孔式石墨換熱器設計

塊孔式石墨換熱器設計的核心理念就是圍繞換熱塊進行結構設計。具體來講，首先依據設計輸入和制造工藝，對換熱塊和封頭塊進行選材和結構設計；再將堆塊用金屬殼體進行圍封，并增加折流板、平蓋及其緊固件、接管及管法蘭等功能組件；之后，設置壓緊彈簧并進行選型核算；最后，對各零部件進行校審，完成設備設計工作。此外，還應根據現場使用反饋的經驗，對設備進行優化完善。

3.1 塊孔式石墨換熱器的材質選擇

浸漬石墨是以人造石墨為基材，使用不同浸漬劑填塞其孔隙，再經固化加工而成的一種不透性石墨。石墨的化學穩定性好，特別是在含有氯離子的介質中使用，耐腐蝕性能優于奧氏體不銹鋼，因此，浸漬石墨的耐腐蝕性能取決于浸漬劑，選擇能夠滿足換熱介質耐腐蝕性能的浸漬劑，是塊孔式石墨換熱器選材的關鍵。

酚醛樹脂作為常見的浸漬劑，能夠耐受大多數有機酸、無機酸、有機化合物和鹽類等的腐蝕，但不可用于強堿環境。文獻中列明了酚醛樹脂浸漬石墨在不同介質中的化學穩定性，說明其能耐受任意濃度且達到沸點溫度狀態的鹽酸。此外，還可以在浸漬劑中加入添加劑，進一步改善浸漬石墨的耐腐蝕性能或物理機械性能。

3.2 塊孔式石墨換熱器的主要結構設計

塊孔式石墨換熱器的主要結構部件包括換熱塊、封頭塊、圍封殼體、壓緊裝置及其他部件。

3.2.1 換熱塊設計

換熱塊是塊孔式石墨換熱器的傳熱單元，其規格大小和開孔形式影響設備的傳熱效率、換熱面積、外形尺寸等性能參數。

換熱塊的規格受限于人造石墨以及浸漬工藝允許的最大尺寸。文獻列出的最大換熱塊外徑為1.6 m?？紤]到孔道加工難度和制造成本，一般采用直徑1 m 以內的浸漬石墨塊。若單臺設備難以滿足換熱面積的需求，可以采用多臺設備串聯的方式來滿足設計需求。

對壓力設備而言，換熱塊的開孔形式一般為垂直交錯式，在保證流體的換熱效率的同時，還能兼顧較好的密封效果，不容易發生介質串漏問題。管程的通道即為軸向孔道，其無流向變化，流動阻力小，適合作為鹽酸的工作空間，并采用較大孔徑16 mm，進一步降低流動阻力；殼程為水蒸氣，可采用較小孔徑10 mm，滿足蒸汽流動要求。開孔間距主要受浸漬石墨的機械加工性能和鉆孔技術的影響，一般孔間壁厚≥5 mm，且加工偏差≤1 mm。軸向孔道共270 個16 mm 孔，總表面積為4.34 m2；徑向孔道共272 個10 mm 孔，總表面積為3.63 m2；因此，每個換熱塊平均換熱面積為4.00 m2，整臺設備需要10 個換熱塊。根據實際制造技術能力，孔間壁厚在設計時可適當提高，避免發生串漏問題。換熱塊實際開孔布置如圖3所示。

圖3 換熱塊實際開孔布置圖Fig.3 The layout of holes in the heat exchange block

本設備工作壓力較低，密封結構可采用膨體四氟墊片，為進一步提高密封效果，可在密封面加工水紋線。由于軟墊片在使用時會發生損壞無法重復利用，因此，在檢修完成后須更換所有墊片。

3.2.2 封頭塊設計

封頭塊主要有2 個功能：①構成包容物料的空間結構；②使待加熱物料能夠均勻地分配至換熱塊的孔道中，或收集已加熱物料。封頭塊結構尺寸詳圖如圖4所示。

圖4 封頭塊結構尺寸詳圖Fig.4 The structure dimension details of the head block

封頭塊與蓋板接觸表面的平面度要求高，避免蓋板受力不均導致封頭塊破損或密封泄漏等問題。封頭塊的端面平行度允差要求為0.15%，組裝后不平行度允差≤1.5 mm。

3.2.3 圍封殼體設計

本設備殼程部分為水蒸氣，沒有腐蝕性且壓力較低，因此可采用常規容器用鋼設計。筒體按換熱塊間接觸位置設置半環形折流板和豎向擋板，折流板和擋板材質可采用焊接式薄板或裝配式聚四氟乙烯板，其與石墨塊間隙一般為1～2 mm。

殼體與石墨塊之間采用O 形圈密封，其材質選用氟橡膠，可滿足密封要求。

3.2.4 壓緊裝置設計

壓緊裝置是塊孔式石墨換熱器組裝的關鍵部件，其主要由上下蓋板、長桿雙頭螺柱、彈簧和其他連接附件組成，壓緊裝置組成及其受力分析圖如圖5所示。

圖5 壓緊裝置組成及其受力分析圖Fig.5 The holding-down device's composition and its stress analysis model

壓緊裝置在非操作工況須施加一定的預緊力（f1）；當堆塊因升溫導致膨脹產生位移，壓縮彈簧產生溫差力（f2）；在堆塊內部充壓時，上、下封頭塊分別承受壓力（FP），因此彈簧力（F1） 等于預緊力（f1）、溫差力（f2） 及兩倍的內壓壓力（FP） 之和。上蓋板對封頭壓力（F2） 等于彈簧力（F1） 與上蓋板自重（G1） 之和；上封頭密封處壓力（F3） 等于上蓋板壓力（F2） 與上封頭塊自重（G2） 之和并減去上封頭因內壓產生的力（FP） 的力值；下封頭密封處壓力（F4） 等于上封頭密封處壓力（F3） 與換熱塊自重（G3） 之和；下蓋板所受壓力（F5） 等于下封頭密封處壓力（F4）、下封頭自重（G4） 及內壓對下封頭產生的力（FP） 之和；下蓋板為固定端，其支反力（F6） 為設備總重（G1+G2+G3+G4+G5）；下蓋板所受壓力（F5） 與其自重（G5） 等于支反力（F6） 與螺柱拉力（F7）之和；同時，螺柱拉力（F7） 等于彈簧力（F1）。上述受力關系式已列明在圖5中。

經受力分析可知，各密封面中，下封頭密封面壓力（F4） 最大，要求其計算應力不得超過許用壓應力；同時，上封頭密封面壓力（F3） 最小，要求其不得低于墊片最小密封力，從而計算出預緊力（f1） 的最小值。按浸漬石墨理論熱膨脹系數獲得設備溫差位移，根據文獻中的壓縮彈簧計算方法確定彈簧最大剛度限值，并結合使用經驗對彈簧進行選型設計。此外，根據設備使用經驗需要注意以下問題：內壓值應按水壓試驗值計算，結果是偏于保守的；由于存在多密封面結構，因此預緊力應適當提高，以保證工作狀態下各密封面不泄漏。

上、下蓋板為中心開孔的圓形金屬板，可簡化為承受均布壓力、外周簡支的環板，可參考理論模型計算板厚，使其應力和變形撓度滿足結構要求即可。

3.2.5 其他要求

設備吊裝可設置在壓緊裝置的長桿雙頭螺柱上，并加裝吊環和防松螺母。

4 結語

使用浸漬石墨制作的塊孔式石墨換熱器，有著良好的耐腐蝕性能，導熱系數高，在化工領域的應用越來越廣泛。

以某工程40 m2鹽酸預熱器為例，對塊孔式石墨換熱器的組成結構、工作原理和結構特點進行了說明，并闡述了其基本要求和設計過程，詳細介紹了換熱塊、封頭塊、圍封殼體、壓緊裝置的設計要點。本設備能夠滿足管程工作介質為0.2 MPa、100℃的35%鹽酸和殼程工作壓力為0.4 MPa、120 ℃的水蒸氣的熱交換功能。其中，換熱塊軸向孔道直徑為16 mm，徑向孔道直徑為10 mm，單塊換熱面積為4 m2，共10 個換熱塊；塊間采用軟質的膨脹四氟墊片密封；密封法蘭采用O 形圈密封；壓緊裝置的預緊力須考慮最大承壓能力和最小密封壓力的要求；整體采用彈簧壓緊式裝配結構，便于安裝與檢修。

對塊孔式石墨換熱器的設計過程和設計要點進行了總結，對該類設備的設計研究具有指導意義。