圆块孔式石墨换热器在PVC行业的应用及工艺计算探讨

鲁北大汉

圆块孔式石墨换热器在PVC行业的应用及工艺计算探讨


[ 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 Φ 1400mm ）。
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 ，壳体内部最好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最佳。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  Φ 32/ Φ 22  Φ 20/ Φ 16 ， Φ 18/ Φ 16 ， Φ 16/ Φ 14   
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 ━ 25   
4   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 Φ 1000-18/16 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 εΔ t ， εΔ t>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 α d （ 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 α d （ 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= （ α o-1+ α i-1+ ∑α d-1+ δ / λ ） -1 ，式中： α o 为管外（或服务侧）的导热系数； α i 为管内（或物料侧）的导热系数； α d 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，式中四项的最大值对 K 值的影响最大。
  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  Φ 1000 × 352   
  
石墨管有效长度， mm   3600   纵向孔数据   665- Φ 18   
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。