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1、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
2、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
3、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 =100
4、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（ =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
5、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 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
6、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
7、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，
8、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
9、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 32/ 22 20/ 16 ， 18/ 16 ， 16/ 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 / 0.005/35 （平均值） =1.429
10、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 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
11、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 t ， t0.8 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 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.
12、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 d （ w/m2 k ） 表四
13、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= （ o-1+ i-1+ d-1+ / ） -1 ，式中： o 为管外（或服务侧）的导热系数； i 为管内（或物料侧）的导热系数； d 为管内、外（或换热块两侧）的垢层系数； / 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
14、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（ / 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（ 管 i/ 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 管 o/ 块 o 因设备结构的不同， YKB 设备与 G
