圓塊孔式石墨換熱器在PVC行業的應用及工藝計算探討

    圓塊孔式石墨換熱器廣泛應用于電石乙炔法PVC生產中與HC1氣體或鹽酸相關的工藝過程。主要設備有：氯氫處理工段二合一爐，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。結構型式有：列管式和圓塊孔式石墨換熱器兩種。青島鑫博奧小編（18653268123）就圓塊孔式石墨換熱器在PVC行業的應用及工藝計算和大家探討一下。
1  原材料（不透性石墨）對圓塊孔式石墨換熱器性能的影響
    不透性石墨具有耐腐蝕性好，熱導率高，使用溫度較高等優點。但因所采用的石墨原材料(顆粒度、浸漬劑，石墨化程度等)不同影響了設備的使用壽命和安全性。
1.1  顆粒大小
    構成石墨母材的顆粒度越大，則材料體積密度越小，機械強度愈低。顆粒間的孔洞越大，鉆削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數量就會增多，影響浸漬質量和不透性石墨的導熱性。密度大，則機械強度越大。所以，選用體積密度高（細顆粒、B級）的母材進行浸漬熱處理，所加工生產的設備質量穩定性和安全性高，使用效果好。
1.2  浸漬劑
    浸漬劑在石墨母材中填充空隙，浸漬劑種類的不同，將直接影響不透性石墨的耐腐蝕性。浸入量不同，則影響不透性石墨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，換熱效果亦優于傳統浸漬工藝（三遍浸漬、三遍熱處理）。
    因浸漬樹脂的耐腐蝕性能遠低于石墨本身的耐蝕性，所以浸入量越多，耐腐蝕越差，耐溫差急性更差，因此一般要求浸入量不得超過10%。酚醛樹脂浸漬不透性石墨可滿足該類設備使用要求。不透性石墨材料經180∽300℃中溫處理，可以增大浸漬樹脂穩定性，延長設備使用壽命。
1.3  石墨化程度
    石墨材料一般可分為半石墨化電極（再生電極）和石墨化電極兩大類。再生電極熱導率低于石墨化電極，不宜用作導熱材料。石墨化電極熱導率λ=100∽130w/m·k或更高，耐溫差急變性能優于再生電極。石墨化程度直接影響了設備的換熱效果，國外全部為細顆粒化工專用石墨化材料。我國新頒布的國家標準《石墨制壓力容器》推薦使用接近國外標準的B級石墨材料。
1.4  酚醛石墨壓型管
    國內普遍采用。但酚醛石墨壓型管熱導率低（λ=31.4∽40.7w/m·k），熱膨脹系數高，300℃中溫處理壓型管為8.15×10-61/℃(151℃)，由此構成的管殼式換熱器的許用溫度一般在130或150℃以下。
2  設備使用情況綜述
2.1  HC1冷卻器
    采用7℃水將HC1氣體由40℃冷卻至15℃以下，選用石墨設備無特殊要求，傳統的列管式、圓塊式石墨設備均能滿足使用要求。對列管式石墨換熱器而言，采用的粘結樹脂與管板的粘接質量是關鍵，粘接樹脂氣孔率少，則強度高；熱處理溫

度超過130℃，比設備使用溫度高20-30℃，這樣設備出現質量問題的概率就會少。而圓塊孔式結構強度高，無粘接縫，故使用效果優于列管式（本工藝），加之大規格圓塊式設備（目前在用單臺面積達300m2以上）加工能力的提高，圓塊孔式將逐漸取代列管式（現我廠可加工石墨單元塊直徑Φ1400mm）。
2.2  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使用。對石墨設備而言，耐低溫性能和殼體耐冷凍鹽水腐蝕要求較高，圓塊式優于列管式。對殼體要求必須內部焊縫焊透，鋼板材質為16MnR，殼體內部最好采用防腐涂料進行防腐處理。
2.3  預熱器
    采用95-100℃熱水將混合氣預熱到60-80℃后再進入轉化器進行反應，當熱水溫度超過60℃以上時，結垢及腐蝕情況增大。建議對殼體防腐處理，對循環熱水軟化處理。換熱過程中，因工藝側溫差變化較大，選用圓塊孔優于列管式。
2.4 合成氣冷卻器
    采用循環水冷卻，因氣體進口溫度135-180℃，對石墨設備來說溫度偏高，溫差較大；且有機物VCM對石墨中浸漬樹脂有一定的腐蝕作用，因此選材時氣體進口上封頭及高溫區換熱部件材質選B級細顆粒石墨化材質為最佳。選用圓塊孔式設備，上封頭采用全石墨，下封頭襯石墨，可滿足使用要求。
2.5  EDC冷卻器
    EDC為含氯有機物，有機物的相容性對浸漬樹脂的腐蝕較VCM氣體大，選用圓塊孔式設備必須對單塊進行中溫處理，選用B級石墨塊材，才能保證設備的使用壽命。
    PVC生產中因C2H2、氯乙烯皆為易燃、易爆氣體，氯乙烯必須限制管內流速在4m/s以下，設備必須設接地板，靜電接地。
3  圓塊孔式石墨換熱器結構與特點
    圓塊孔式石墨換熱器為目前較先進，性能較優越的一種石墨換熱器。圓柱體換熱塊采用標準單元塊，具有較高的結構強度，本結構不采用膠結劑而采用聚四氟乙烯O型圈密封介質，加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動補償機構，采用短通道、增加再分配室以提高紊流效應等，因而本換熱器具有結構強度高、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的特點。本系列產品廣泛用作加熱器、冷卻器、冷凝器。
　  技術特性：
 設計溫度：-20～200℃（可以提高到320℃）
 設計壓力：常壓～0.6MPa（亦可根據用戶需要設計、制造0.6～2.4MPa壓力的本型產品）
 規格：3～400平方米
 近幾年來，電石乙炔法PVC生產中廣泛采用YKA，YKB型圓塊孔式石墨換熱器，尤其是YKB型（無中心孔，換熱塊利用率更高，結構更加合理），大有取代GH型列管式石墨換熱器的趨勢。與GH型相比，由于結構形式，材質，管（直徑、數量或鉆孔大小、數量）的不同對比見表一：

列管式與圓塊孔式對換熱面積影響因素對比          表一
序號 項   目 列  管  式 圓 塊 孔 式 
1 常用換熱管（或鉆孔）直徑 Φ32/Φ22 Φ20/Φ16，Φ18/Φ16，Φ16/Φ14 
2 常用換熱管長（或換熱塊單塊高度） 3000，4000，5000 300━400

3 物料側長徑比 136━227 15━25 
4 長徑比對傳熱系數的影響 忽略不計 1.10━1.15（注：短通道，塊間空腔為介質再分布的湍流室，強化傳熱） 
5 石墨材料熱阻δ/λ 0.005/35（平均值）
=1.429×10-4 0.0112/100=1.12×10-4（注：1.當量厚度按同向孔4mm，異向孔7mm，換熱塊Φ1000-18/16計算所得；2.樹脂膜的影響因素可使導熱系數下降） 
6 物料側阻力 小 大 
7 換熱面積計算方法 以平均換熱面積為基準 
  管外、內
面積比 32：22
=1.45
差0.45倍 服務側與物料側換熱面積比值 約1：1
近似相等 

4  石墨換熱器傳熱計算
 PVC工藝石墨設備應用可分為液-液，液-氣換熱兩種形式。應用圓塊孔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）與縱向呈垂直的方向先沿一個方向流動，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εΔt，εΔt>0.8合理，否則需調整工藝參數。
 石墨換熱器傳熱系數計算，可參照下表二、表三中數據；介質的垢層系數αd（w/m2·k）見表四。
石墨換熱器傳熱系數經驗值         表二
序號 處 理 物 料 平均溫度℃ 換熱
形式 傳熱系數K w/(m2·k) 備     注 
1 氯化氫氣體冷卻 100∽40 冷卻 34.89∽46.52 板式 
2 氯化氫冷凝（97%HC1水冷） 75∽40 冷凝 34.89∽174.45 列管式 
3 氯化氫冷凝（99%HC1鹽水冷） 40∽-15 冷凝 17.45∽34.89 列管式 
4 鹽酸冷卻（21%HC1） 130∽25 冷卻 581.5∽930.4 列管、塊孔、淋灑式 
5 鹽酸冷卻（31%HC1） 80∽40 冷卻 348.9∽465.2 板式 
6 列管式氣體冷卻器   34.89∽58.15  

石墨設備在氯系統中的應用實例             表三
序號 工  藝 設  備 使用工藝溫度℃ 工藝壓力MPa 傳熱系數K
w/(m2·k) 
1 冷卻合成HC1氣體 冷卻器 400∽150 常壓 17.45∽69.78 
2 氯乙烯餾出HC1氣體的
冷卻脫濕 冷凝器 70∽-15 0.01∽0.1 34.89∽174.45 

介質的垢層系數αd（w/m2·k）              表四
液體介質 氣體介質 
鹽    酸    2907.5∽5815 HC1氣體            1918.95 
冷凍鹽水           5815 不飽和氯化烴冷凝    2907.5∽5815 
冷凍水             5815 C2氯化物            5815 
一般的水   1860.8∽2907.5  

總傳熱系數的計算公式為：K=（αo-1+αi-1+∑αd-1+δ/λ）-1，式中：αo為管外（或服務側）的導熱系數；αi為管內（或物料側）的導熱系數；αd為管內、外（或換熱塊兩側）的垢層系數；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換熱效果的好壞，式中四項的最大值對K值的影響最大。
 下面以山東濰坊某公司10萬噸/年PVC工段二級石墨冷卻器E-2105為例（工藝參數見表五），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                 表五
用    途 二級石墨冷卻器 
總換熱量 150000KJ/h 
對數平均溫差，℃ 26.12 

工藝側 操作溫度，℃ 0∽-14 
服務側 操作溫度，℃ -35∽-32 
 操作壓力，MPa 0.043∽0.074  操作壓力，MPa 0.4∽0.3 
 允許壓力降，MPa 0.001  允許壓力降，MPa 0.1 

    對氣液傳熱主要取決于氣相側傳熱系數（一般小于102數量級），與選擇石墨管還是換熱塊關系不大（δ/λ≈0，10-4數量級）。氣相側傳熱系數采用列管式與圓塊孔式因結構不同，換熱效果亦不同。
    工藝設計基礎：在一期滿足工藝要求的前提下，工藝參數不變，只改變設備結構（由列管式改為圓塊孔式），工藝側（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，服務側α管o/α塊o因設備結構的不同，YKB設備與GH型相比略差。設備一、二期數據如下：

一期選型 二期選型  
規格型號 GHA1000-155F 規格型號 YKB100-18/16-170II 
石墨管數 505 換熱塊規格 Φ1000×352 
 
石墨管有效長度，mm 3600 縱向孔數據 665-Φ18  
管外（服務側）冷卻面積，m2 183 橫向（服務側）冷卻面積，m2 168.36（孔道） 
管內（工藝側）換熱面積，m2 126 縱向（工藝側）換熱面積，m2 169.08（孔道） 
平均換熱面積，m2 155 平均換熱面積，m2 168.72（孔道） 
工藝側比較（α管i/α塊i） 0.87（工藝側：圓塊孔式優于列管式） 
服務側比較（α管o/α塊o） 服務側：列管式優于圓塊孔式 
安全裕度 - 1.25 
總傳熱系數w/(m2·k)  10.29（計算值） 11.51（供參考） 

5.結語
    在PVC工藝中，圓塊孔式雖造價偏高一些，但只要控制好機械加工及制造工藝，圓塊孔式石墨換熱器優于列管式石墨換熱器。YKB型圓塊孔式石墨換熱器必將在PVC行業得到更廣泛地應用。