圆块孔式石墨换热器在PVC行业的应用及工艺计算

[摘要]介绍石墨制化工设备在PVC行业的应用情况，石墨原材料及不透性石墨生产过程对石墨制化工设备的影响，结合PVC工艺阐述了石墨制化工设备选型、使用及工艺计算、圆块孔式与列管式石墨换热器换热效果对比等相关问题。

前言

 圆块孔式石墨换热器广泛应用于电石乙炔法PVC生产中与HC1气体或盐酸相关的工艺过程。主要设备有：氯氢处理工段二合一炉，氯化氢冷却器，混合冷冻脱 水用一、二级石墨冷却器，预热器及合成气冷却器，盐酸冷却器，乙烯氧氯化法工艺精馏工段中EDC冷却器等。结构型式有：列管式和圆块孔式石墨换热器两种。

1 原材料（不透性石墨）对圆块孔式石墨换热器性能的影响

   不透性石墨具有耐腐蚀性好，热导率高，使用温度较高等优点。但因所采用的石墨原材料(颗粒度、浸渍剂，石墨化程度等)不同影响了设备的使用寿命和安全性。

1.1 颗粒大小
   构成石墨母材的颗粒度越大，则材料体积密度越小，机械强度愈低。颗粒间的孔洞越大，钻削孔时可能暴露更多通孔，孔隙率增高。为达到使用要求的致密性 则浸渍剂的数量就会增多，影响浸渍质量和不透性石墨的导热性。密度大，则机械强度越大。所以，选用体积密度高（细颗粒、B级）的母材进行浸渍热处理，所加 工生产的设备质量稳定性和安全性高，使用效果好

。
1.2 浸渍剂
   浸渍剂在石墨母材中填充空隙，浸渍剂种类的不同，将直接影响不透性石墨的耐腐蚀性。浸入量不同，则影响不透性石墨使用温度和耐蚀程度。浸渍真空度大，加压压力高，可减少浸渍次数，换热效果亦优于传统浸渍工艺（三遍浸渍、三遍热处理）。
   因浸渍树脂的耐腐蚀性能远低于石墨本身的耐蚀性，所以浸入量越多，耐腐蚀越差，耐温差急性更差，因此一般要求浸入量不得超过10%。酚醛树脂浸渍不 透性石墨可满足该类设备使用要求。不透性石墨材料经180∽300℃中温处理，可以增大浸渍树脂稳定性，延长设备使用寿命。

1.3 石墨化程度
   石墨材料一般可分为半石墨化电极（再生电极）和石墨化电极两大类。再生电极热导率低于石墨化电极，不宜用作导热材料。石墨化电极热导率 λ=100∽130w/m·k或更高，耐温差急变性能优于再生电极。石墨化程度直接影响了设备的换热效果，国外全部为细颗粒化工专用石墨化材料。我国新颁 布的国家标准《石墨制压力容器》推荐使用接近国外标准的B级石墨材料。

1.4 酚醛石墨压型管
   国内普遍采用。但酚醛石墨压型管热导率低（λ=31.4∽40.7w/m·k），热膨胀系数高，300℃中温处理压型管为8.15×10-61/℃(151℃)，由此构成的管壳式换热器的许用温度一般在130或150℃以下。
2 设备使用情况综述

2.1 HC1冷却器
   采用7℃水将HC1气体由40℃冷却至15℃以下，选用石墨设备无特殊要求，传统的列管式、圆块式石墨设备均能满足使用要求。对列管式石墨换热器而 言，采用的粘结树脂与管板的粘接质量是关键，粘接树脂气孔率少，则强度高；热处理温度超过130℃，比设备使用温度高20-30℃，这样设备出现质量问题 的概率就会少。而圆块孔式结构强度高，无粘接缝，故使用效果优于列管式（本工艺），加之大规格圆块式设备（目前在用单台面积达300m2以上）加工能力的 提高，圆块孔式将逐渐取代列管式（现我厂可加工石墨单元块直径Φ1400mm）。

2.2 一、二级石墨冷却器
   采用-35℃冷冻盐水对混合气体进行冷却脱水，混合气体温度必须降至- 12∽-14℃，一、二级石墨冷却器串联使用。对石墨设备而言，耐低温性能和壳体耐冷冻盐水腐蚀要求较高，圆块式优于列管式。对壳体要求必须内部焊缝焊 透，钢板材质为16MnR，壳体内部采用防腐涂料进行防腐处理。

2.3 预热器
   采用95-100℃热水将混合气预热到60-80℃后再进入转化器进行反应，当热水温度超过60℃以上时，结垢及腐蚀情况增大。建议对壳体防腐处理，对循环热水软化处理。换热过程中，因工艺侧温差变化较大，选用圆块孔优于列管式。

2.4 合成气冷却器
   采用循环水冷却，因气体进口温度135-180℃，对石墨设备来说温度偏高，温差较大；且有机物VCM对石墨中浸渍树脂有一定的腐蚀作用，因此选材 时气体进口上封头及高温区换热部件材质选B级细颗粒石墨化材质为。选用圆块孔式设备，上封头采用全石墨，下封头衬石墨，可满足使用要求。

2.5 EDC冷却器
   EDC为含氯有机物，有机物的相容性对浸渍树脂的腐蚀较VCM气体大，选用圆块孔式设备必须对单块进行中温处理，选用B级石墨块材，才能保证设备的使用寿命。
   PVC生产中因C2H2、氯乙烯皆为易燃、易爆气体，氯乙烯必须限制管内流速在4m/s以下，设备必须设接地板，静电接地。

3 圆块孔式石墨换热器结构与特点
   圆块孔式石墨换热器为目前较先进，性能较优越的一种石墨换热器。圆柱体换热块采用标准单元块，具有较高的结构强度，本结构不采用胶结剂而采用聚四氟 乙烯O型圈密封介质，加装压力弹簧作热胀冷缩的自动补偿机构，采用短通道、增加再分配室以提高紊流效应等，因而本换热器具有结构强度高、耐温耐压性能强、 抗冲击性能好、传热效率高、使用寿命长并便于检修的特点。本系列产品广泛用作加热器、冷却器、冷凝器。

　 技术特性：
 设计温度：-20～200℃（可以提高到320℃）
 设计压力：常压～0.6MPa（亦可根据用户需要设计、制造0.6～2.4MPa压力的本型产品）
 规格：3～400平方米
 近几年来，电石乙炔法PVC生产中广泛采用YKA，YKB型圆块孔式石墨换热器，尤其是YKB型（无中心孔，换热块利用率更高，结构更加合理），大有取 代GH型列管式石墨换热器的趋势。与GH型相比，由于结构形式，材质，管（直径、数量或钻孔大小、数量）的不同对比

见表一：

列管式与圆块孔式对换热面积影响因素对比         表一
序号 项  目 列 管 式 圆 块 孔 式 
1 常用换热管（或钻孔）直径 Φ32/Φ22 Φ20/Φ16，Φ18/Φ16，Φ16/Φ14 
2 常用换热管长（或换热块单块高度） 3000，4000，5000 300━400 
3 物料侧长径比 136━227 15━254 长径比对传热系数的影响 忽略不计 1.10━1.15（注：短通道，块间空腔为介质再分布的湍流室，强化传热） 
5 石墨材料热阻δ/λ 0.005/35（平均值）
=1.429×10-4 0.0112/100=1.12×10-4（注：1.当量厚度按同向孔4mm，异向孔7mm，换热块Φ1000-18/16计算所得；2.树脂膜的影响因素可使导热系数下降） 
6 物料侧阻力 小 大 
7 换热面积计算方法 以平均换热面积为基准 
  管外、内
面积比 32：22
=1.45
差0.45倍 服务侧与物料侧换热面积比值 约1：1
近似相等

4 石墨换热器传热计算
 PVC工艺石墨设备应用可分为液-液，液-气换热两种形式。应用圆块孔式石墨换热器的两种流体的流向为错流和简单折流。即：纵向沿一个方向流动，而横向（冷却水或冷冻盐水）与纵向呈垂直的方向先沿一个方向流动，然后折回向相反方向流动，如此反复地作折流运动。
 其平均温度的计算必须乘以校正系数εΔt，εΔt>0.8合理，否则需调整工艺参数。
 石墨换热器传热系数计算，可参照下表二、表三中数据；介质的垢层系数αd（w/m2·k）见表四。

石墨换热器传热系数经验值        表二
序号 处 理 物 料 平均温度℃ 换热
形式 传热系数K w/(m2·k) 备    注 
1 氯化氢气体冷却 100∽40 冷却 34.89∽46.52 板式 
2 氯化氢冷凝（97%HC1水冷） 75∽40 冷凝 34.89∽174.45 列管式 
3 氯化氢冷凝（99%HC1盐水冷） 40∽-15 冷凝 17.45∽34.89 列管式 
4 盐酸冷却（21%HC1） 130∽25 冷却 581.5∽930.4 列管、块孔、淋洒式 
5 盐酸冷却（31%HC1） 80∽40 冷却 348.9∽465.2 板式 
6 列管式气体冷却器   34.89∽58.15  

石墨设备在氯系统中的应用实例            表三
序号 工 艺 设 备 使用工艺温度℃ 工艺压力MPa 传热系数K
w/(m2·k) 
1 冷却合成HC1气体 冷却器 400∽150 常压 17.45∽69.78 
2 氯乙烯馏出HC1气体的
冷却脱湿 冷凝器 70∽-15 0.01∽0.1 34.89∽174.45

介质的垢层系数αd（w/m2·k）             表四
液体介质 气体介质 
盐   酸   2907.5∽5815 HC1气体           1918.95 
冷冻盐水          5815 不饱和氯化烃冷凝   2907.5∽5815 
冷冻水            5815 C2氯化物           5815 
一般的水  1860.8∽2907.5  

 总 传热系数的计算公式为：K=（αo-1+αi-1+∑αd-1+δ/λ）-1，式中：αo为管外（或服务侧）的导热系数；αi为管内（或物料侧）的导热系 数；αd为管内、外（或换热块两侧）的垢层系数；δ/λ为石墨管（或换热块）材的热阻。K值的大小决定石墨设备换热效果的好坏，式中四项的值对K值的 影响。
 下面以山东潍坊某公司10万吨/年PVC工段二级石墨冷却器E-2105为例（工艺参数见表五），进行列管式与圆块孔式石墨设备换热效果对比。

E-2105工艺参数                表五
用   途 二级石墨冷却器 
总换热量 150000KJ/h 
对数平均温差，℃ 26.12

工艺侧 操作温度，℃ 0∽-14 
服务侧 操作温度，℃ -35∽-32 
 操作压力，MPa 0.043∽0.074  操作压力，MPa 0.4∽0.3 
 允许压力降，MPa 0.001  允许压力降，MPa 0.1

   对气液传热主要取决于气相侧传热系数（一般小于102数量级），与选择石墨管还是换热块关系不大（δ/λ≈0，10-4数量级）。气相侧传热系数采用列管式与圆块孔式因结构不同，换热效果亦不同。

   工艺设计基础：在一期满足工艺要求的前提下，工艺参数不变，只改变设备结构（由列管式改为圆块孔式），工艺侧（α管i/α块i）比值取决于[（n块 /n管）0.8×（d块/d管）1.8]的大小，服务侧α管o/α块o因设备结构的不同，YKB设备与GH型相比略差。设备一、二期数据如下：

一期选型 二期选型  
规格型号 GHA1000-155F 规格型号 YKB100-18/16-170II 
石墨管数 505 换热块规格 Φ1000×352 
 
石墨管有效长度，mm 3600 纵向孔数据 665-Φ18  
管外（服务侧）冷却面积，m2 183 横向（服务侧）冷却面积，m2 168.36（孔道） 
管内（工艺侧）换热面积，m2 126 纵向（工艺侧）换热面积，m2 169.08（孔道） 
平均换热面积，m2 155 平均换热面积，m2 168.72（孔道） 
工艺侧比较（α管i/α块i） 0.87（工艺侧：圆块孔式优于列管式） 
服务侧比较（α管o/α块o） 服务侧：列管式优于圆块孔式 
安全裕度 - 1.25 
总传热系数w/(m2·k)  10.29（计算值） 11.51（供参考）

5.结语
   在PVC工艺中，圆块孔式虽造价偏高一些，但只要控制好机械加工及制造工艺，圆块孔式石墨换热器优于列管式石墨换热器。YKB型圆块孔式石墨换热器必将在PVC行业得到更广泛地应用。