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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(不透性石墨)
2、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,
3、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 13
4、0w/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、圆块式
5、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,耐低温性能和壳体
6、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
7、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
8、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
9、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一个
11、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 34.89
12、 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 液体
13、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 10