圓塊式石墨換熱器在ＰＶＣ行業(yè)的應用

[摘要]介紹了圓塊式石墨換熱器的特性及石墨原材料對石墨制化工設備的影響。結(jié)合PVC生產(chǎn)工藝闡述了石墨制化工設備在PVC行業(yè)的使用情況。通過傳熱計算,對圓塊式與列管式石墨換熱器的換熱效果進行了對比。

　　[中圖分類號]TQ325.3;TQ051.5　　[文獻標識碼]B　　[文章編號]1009-7937(2007)02-0030-03

　　前言

　　石墨換熱器廣泛應用于電石乙炔法PVC生產(chǎn)中與HC1氣體或鹽酸相關(guān)的工藝過程。主要設備有:氯氫處理工段用氯化氫冷卻器,混合冷凍脫水用一、二級石墨冷卻器,預熱器及合成氣冷卻器,鹽酸冷卻器,乙烯氧氯化法工藝精餾工段中EDC冷卻器等。結(jié)構(gòu)形式有列管式和圓塊式石墨換熱器兩種。

　　近幾年來,電石乙炔法PVC生產(chǎn)中廣泛采用YKA、YKB型圓塊式石墨換熱器,尤其是YKB型石墨換熱器因無中心孔,換熱塊利用率更高,結(jié)構(gòu)更加合理,大有取代GH型列管式石墨換熱器的趨勢。

　　1圓塊式石墨換熱器的結(jié)構(gòu)

　　圓塊式石墨換熱器為目前較先進、性能較優(yōu)越的一種石墨換熱器。圓柱體換熱塊采用標準單元塊,具有較高的結(jié)構(gòu)強度,該結(jié)構(gòu)不采用膠黏劑,而采用聚四氟乙烯O型圈密封介質(zhì),加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動補償機構(gòu),采用短通道,增加再分配室,以提高紊流效應而提高傳熱效率,因而該換熱器具有結(jié)構(gòu)強度高、耐溫耐壓性能強、抗沖擊性能好、傳熱效率高、使用壽命長并便于檢修等優(yōu)點,廣泛用作加熱器、冷卻器、冷凝器。

　　技術(shù)特性:設計溫度,-20～200℃(可以提高到320℃);設計壓力,常壓～0.6MPa(亦可根據(jù)用戶需要設計、制造0.6～2.4MPa的產(chǎn)品);規(guī)格,3～400m2。

　　2原材料對圓塊式石墨換熱器性能的影響

　　石墨材料經(jīng)浸漬劑浸漬、熱處理后,變成不透性石墨材料。不透性石墨具有耐腐蝕性好、熱導率高、使用溫度較高等優(yōu)點。用于加工圓塊式石墨換熱器換熱零部件的不透性石墨材料因所采用的石墨材料的石墨化程度、顆粒大小及所用浸漬劑的不同,可直接影響整個設備的換熱性能、耐腐蝕性能、使用壽命和安全性能。

　　(1)石墨化程度。石墨材料可分為半石墨化材料和石墨化材料兩大類。半石墨化材料熱導率低于石墨化材料,不宜用作換熱零部件。石墨化材料熱導率λ≥100～130W/(m·Ｋ),耐溫差急變性能優(yōu)于半石墨化材料。石墨化程度高低直接影響設備的換熱效果,國外現(xiàn)已全部采用細顆?；Ｓ檬牧稀Ｎ覈骂C布的TSGR0001-2004《非金屬壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和HG/T2370-2005《石墨制化工技術(shù)條件》中石墨制壓力容器推薦使用接近國外標準的A級石墨材料。

　　(2)顆粒大小。構(gòu)成石墨材料的顆粒度越大,則材料的表觀密度越小,機械強度越低。顆粒間的孔洞越大,鉆孔時可能暴露更多通孔,孔隙率增高。為達到使用要求的致密性,則浸漬劑的用量就會增多,影響浸漬質(zhì)量和不透性石墨的導熱性能。密度大,則機械強度大。所以選用表觀密度大的石墨材料(如細顆粒A級)進行浸漬熱處理后加工生產(chǎn)的設備質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性高,使用效果更好。

　　(3)浸漬劑。浸漬劑用于在石墨材料中填充空隙,選用的浸漬劑不同,會直接影響不透性石墨的耐腐蝕性。浸入量直接影響不透性石墨換熱部件的使用溫度和耐蝕程度。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遍浸漬、3遍熱處理)。

　　因浸漬劑(酚醛樹脂、呋喃樹脂等)的耐腐蝕性遠低于石墨材料本身的耐腐蝕性,所以浸入量越多,耐腐蝕性越差,耐溫差急變性能更差,因此一般要求浸入量不能超過10%。如:酚醛樹脂浸漬不透性石墨經(jīng)180～300℃中溫處理,可以增大浸漬樹脂的穩(wěn)定性,延長設備的使用壽命,可長期滿足PVC行業(yè)對石墨換熱設備的使用要求。

　　3設備使用情況[1]

　　(1)HCl冷卻器

　　采用7℃水將HCl氣體由40℃冷卻至15℃以下,選用石墨設備無特殊要求,傳統(tǒng)的列管式、圓塊式石墨換熱設備均能滿足使用要求。對列管式石墨換熱器而言,采用的粘結(jié)樹脂膠泥與管板的粘接質(zhì)量是關(guān)鍵,粘接樹脂膠泥氣孔率少,則強度高;熱處理溫度超過130℃且比設備使用溫度高20～30℃,這樣設備出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率就會少。而圓塊式石墨換熱器結(jié)構(gòu)強度高,無粘接縫,故使用效果優(yōu)于列管式石墨換熱器,加之大規(guī)格圓塊式設備加工能力的提高(目前在用單臺面積達300m2以上),圓塊式石墨換熱器將逐漸取代列管式石墨換熱器(現(xiàn)青島渤化石墨設備廠可加工石墨單元塊直徑Φ1400)。

　　(2)一、二級石墨冷卻器

　　采用-35℃冷凍鹽水對混合氣體進行冷卻脫水,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。對石墨設備而言,耐低溫性能和殼體耐冷凍鹽水腐蝕性要求較高,圓塊式優(yōu)于列管式。對殼體要求必須內(nèi)部焊縫焊透,鋼板材質(zhì)為16MnR,殼體內(nèi)部最好采用防腐涂料進行防腐處理。

　　(3)預熱器

　　采用95～100℃熱水將混合氣預熱到60～80℃后再進入轉(zhuǎn)化器進行反應,當熱水溫度超過60℃以上時,結(jié)垢及腐蝕情況增大。建議對殼體進行防腐處理,循環(huán)熱水必須進行軟化處理。換熱過程中,因工藝側(cè)溫差變化較大,選用圓塊式預熱器優(yōu)于列管式預熱器。

　　(4)合成氣冷卻器

　　采用循環(huán)水冷卻合成氣冷卻器,因氣體進口溫度為135～180℃,對石墨設備來說溫度偏高,溫差較大;且VCM對石墨中浸漬樹脂有一定的腐蝕作用。因此,氣體進口上封頭及高溫區(qū)換熱部件材質(zhì)選B級細顆粒石墨化材質(zhì)為最佳。選用圓塊式設備,上封頭采用全石墨,下封頭襯石墨,可滿足使用要求。

　　(5)EDC冷卻器

　　EDC為含氯有機物,其對浸漬樹脂的腐蝕較VCM氣體大,選用圓塊式設備必須對單元塊進行中溫處理,選用B級石墨塊材才能保證設備的使用壽命。

　　PVC生產(chǎn)中因C2H2、VCM皆為易燃、易爆氣體,必須限制VCM管內(nèi)流速在4m/s以下,設備必須設接地板,靜電接地。

　　4石墨換熱器傳熱計算[2、3]

　　PVC生產(chǎn)過程中使用的石墨設備可分為液-液、氣-液換熱兩種形式。應用圓塊式石墨換熱器的兩種流體的流向為錯流和簡單折流。即縱向沿一個方向流動,而橫向(冷卻水或冷凍鹽水)先沿與縱向呈垂直的方向流動,然后折回向相反方向流動,如此反復地作折流運動。其平均溫度的計算必須乘以校正系數(shù)εΔt,εΔt>0.8合理,否則需調(diào)整工藝參數(shù)。

　　石墨換熱器傳熱系數(shù)計算可參照表1、表2中數(shù)據(jù);介質(zhì)的垢層系數(shù)αd見表3。

　　總傳熱系數(shù)的計算公式為:K=(αo-1+αi-1+∑αd-1+δ/λ)-1,式中:αo為管外(或服務側(cè))的導熱系數(shù),αi為管內(nèi)(或物料側(cè))的導熱系數(shù),αd為管內(nèi)外(或換熱塊兩側(cè))的垢層系數(shù),δ/λ為石墨管(或換熱塊)材的熱阻。K值的大小決定石墨設備的換熱效果。

　　圓塊式與列管式石墨換熱器因結(jié)構(gòu)形式不同,換熱效果亦不同,兩者對比見表4。

            

        現(xiàn)以山東濰坊某公司10萬ｔ/ａＰＶＣ工段二級石墨冷卻器Ｅ-2105為例,進行列管式與圓塊孔式石墨設備換熱效果對比。

        Ｅ-2105工藝參數(shù)為:總換熱量150000ｋＪ/ｈ;對數(shù)平均溫差26.12℃;工藝側(cè),操作溫度0～-14℃,操作壓力0.043～0.074ＭＰａ,允許壓力降0.001ＭＰａ;服務側(cè),操作溫度-35～-32℃,操作壓力0.3～0.4ＭＰａ,允許壓力降0.1ＭＰａ。

        對氣-液傳熱,主要取決于氣相側(cè)傳熱系數(shù)(一般小于102數(shù)量級),與選擇石墨管還是換熱塊關(guān)系不大(δ/λ≈0,全為10-4數(shù)量級)。列管式與圓塊式石墨換熱器因結(jié)構(gòu)不同,氣相側(cè)傳熱系數(shù)亦不同。

        工藝設計基礎:在一期滿足工藝要求的前提下,工藝參數(shù)不變,只改變設備結(jié)構(gòu),由列管式改為圓塊式,工藝側(cè)α管ｉ/α塊ｉ比值取決于(ｎ塊/ｎ管)0.8×(ｄ塊/ｄ管)1.8的大小。與ＧＨ型列管式石墨換熱器相比,ＹＫＢ圓塊式設備服務側(cè)的α管ｏ/α塊ｏ略差。設備一、二期數(shù)據(jù)如下。

        一期選型:規(guī)格型號,ＧＨＡ1000-155Ｆ,石墨管數(shù)505;石墨管有效長度,3600ｍｍ;管外(服務側(cè))冷卻面積,183ｍ2;管內(nèi)(工藝側(cè))換熱面積,126ｍ2;平均換熱面積,155ｍ2;總傳熱系數(shù)10.29Ｗ/(ｍ2·Ｋ)(計算值)。

        二期選型:規(guī)格型號ＹＫＢ100-18/16-170ＩＩ,換熱塊規(guī)格Φ1000×352,縱向孔數(shù)據(jù)665-Φ18,橫向(服務側(cè))冷卻面積168.36ｍ2(孔道),縱向(工藝側(cè))換熱面積169.08ｍ2(孔道),平均換熱面積168.72ｍ2(孔道);安全裕度1.25,總傳熱系數(shù)11.51Ｗ/(ｍ2·Ｋ)(供參考)。