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圆块式石墨换热器在PVC行业的应用

点击:1708 日期:[ 2014-04-26 22:55:03 ]
                              圆块式石墨换热器在PVC行业的应用                    戴佐峰  张贵宝(青岛渤化石墨设备厂  山东青岛266604)  [关键词]PVC;圆块孔式石墨换热器;列管式石墨换热器    [摘 要]介绍了圆块式石墨换热器的特性及石墨原材料对石墨制化工设备的影响。结合PVC生产工艺阐述了石墨制化工设备在PVC行业的使用情况。通过传热计算,对圆块式与列管式石墨换热器的换热效果进行了对比。    [中图分类号]TQ325.3;TQ051.5  [文献标识码]B  [文章编号]1009-7937(2007)02-0030-03    前 言    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:氯氢处理工段用氯化氢冷却器,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。结构形式有列管式和圆块式石墨换热器两种。    近几年来,电石乙炔法PVC生产中广泛采用YKA、YKB型圆块式石墨换热器,尤其是YKB型石墨换热器因无中心孔,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。    1 圆块式石墨换热器的结构    圆块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,该结构不采用胶黏剂,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,以提高紊流效应而提高传热效率,因而该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等优点,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的产品);规格,3~400m2。    2 原材料对圆块式石墨换热器性能的影响    石墨材料经浸渍剂浸渍、热处理后,变成不透性石墨材料。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。用于加工圆块式石墨换热器换热零部件的不透性石墨材料因所采用的石墨材料的石墨化程度、颗粒大小及所用浸渍剂的不同,可直接影响整个设备的换热性能、耐腐蚀性能、使用寿命和安全性能。    (1)石墨化程度。石墨材料可分为半石墨化材料和石墨化材料两大类。半石墨化材料热导率低于石墨化材料,不宜用作换热零部件。石墨化材料热导率λ≥100~130W/(m·K),耐温差急变性能优于半石墨化材料。石墨化程度高低直接影响设备的换热效果,国外现已全部采用细颗粒化工专用石墨化材料。我国新颁布的TSGR0001-2004《非金属压力容器安全技术监察规程》和HG/T2370-2005《石墨制化工技术条件》中石墨制压力容器推荐使用接近国外标准的A级石墨材料。    (2)颗粒大小。构成石墨材料的颗粒度越大,则材料的表观密度越小,机械强度越低。颗粒间的孔洞越大,钻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,则浸渍剂的用量就会增多,影响浸渍质量和不透性石墨的导热性能。密度大,则机械强度大。所以选用表观密度大的石墨材料(如细颗粒A级)进行浸渍热处理后加工生产的设备质量稳定性和安全性高,使用效果更好。   (3)浸渍剂。浸渍剂用于在石墨材料中填充空隙,选用的浸渍剂不同,会直接影响不透性石墨的耐腐蚀性。浸入量直接影响不透性石墨换热部件的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(3遍浸渍、3遍热处理)。    因浸渍剂(酚醛树脂、呋喃树脂等)的耐腐蚀性远低于石墨材料本身的耐腐蚀性,所以浸入量越多,耐腐蚀性越差,耐温差急变性能更差,因此一般要求浸入量不能超过10%。如:酚醛树脂浸渍不透性石墨经180~300℃中温处理,可以增大浸渍树脂的稳定性,延长设备的使用寿命,可长期满足PVC行业对石墨换热设备的使用要求。    3 设备使用情况[1]    (1)HCl冷却器    采用7℃水将HCl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、圆块式石墨换热设备均能满足使用要求。对列管式石墨换热器而言,采用的粘结树脂胶泥与管板的粘接质量是关键,粘接树脂胶泥气孔率少,则强度高;热处理温度超过130℃且比设备使用温度高20~30℃,这样设备出现质量问题的概率就会少。而圆块式石墨换热器结构强度高,无粘接缝,故使用效果优于列管式石墨换热器,加之大规格圆块式设备加工能力的提高(目前在用单台面积达300m2以上),圆块式石墨换热器将逐渐取代列管式石墨换热器(现青岛渤化石墨设备厂可加工石墨单元块直径Φ1400)。    (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性要求较高,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。    (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。建议对壳体进行防腐处理,循环热水必须进行软化处理。换热过程中,因工艺侧温差变化较大,选用圆块式预热器优于列管式预热器。    (4)合成气冷却器    采用循环水冷却合成气冷却器,因气体进口温度为135~180℃,对石墨设备来说温度偏高,温差较大;且VCM对石墨中浸渍树脂有一定的腐蚀作用。因此,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。选用圆块式设备,上封头采用全石墨,下封头衬石墨,可满足使用要求。    (5)EDC冷却器    EDC为含氯有机物,其对浸渍树脂的腐蚀较VCM气体大,选用圆块式设备必须对单元块进行中温处理,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、VCM皆为易燃、易爆气体,必须限制VCM管内流速在4m/s以下,设备必须设接地板,静电接地。    4 石墨换热器传热计算[2、3]    PVC生产过程中使用的石墨设备可分为液-液、气-液换热两种形式。应用圆块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)先沿与纵向呈垂直的方向流动,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表1、表2中数据;介质的垢层系数αd见表3。    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的换热效果。    圆块式与列管式石墨换热器因结构形式不同,换热效果亦不同,两者对比见表4。                      现以山东潍坊某公司10万t/aPVC工段二级石墨冷却器E-2105为例,进行列管式与圆块孔式石墨设备换热效果对比。    E-2105工艺参数为:总换热量150000kJ/h;对数平均温差26.12℃;工艺侧,操作温度0~-14℃,操作压力0.043~0.074MPa,允许压力降0.001MPa;服务侧,操作温度-35~-32℃,操作压力0.3~0.4MPa,允许压力降0.1MPa。    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,全为10-4数量级)。列管式与圆块式石墨换热器因结构不同,气相侧传热系数亦不同。    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。与GH型列管式石墨换热器相比,YKB圆块式设备服务侧的α管o/α块o略差。设备一、二期数据如下。    一期选型:规格型号,GHA1000-155F,石墨管数505;石墨管有效长度,3600mm;管外(服务侧)冷却面积,183m2;管内(工艺侧)换热面积,126m2;平均换热面积,155m2;总传热系数10.29W/(m2·K)(计算值)。    二期选型:规格型号YKB100-18/16-170II,换热块规格Φ1000×352,纵向孔数据665-Φ18,横向(服务侧)冷却面积168.36m2(孔道),纵向(工艺侧)换热面积169.08m2(孔道),平均换热面积168.72m2(孔道);安全裕度1.25,总传热系数11.51W/(m2·K)(供参考)。    5 结 语    在PVC生产过程中,圆块式石墨换热器虽造价偏高,但只要控制好机械加工及制造工艺,圆块式石墨换热器要优于列管式石墨换热器。YKB型圆块式石墨换热器必将在PVC行业得到更广泛的应用。    [参考文献]    [1]王书芳,白素荣.氯碱化工生产工艺.聚氯乙烯及有机氟分册[M].北京:化学工业出版社,1995,53-54,59.    [2]许志远.等.化工设备设计全书———石墨制化工设备设计[M].北京:化学工业出版社,2003,179-180,194.    [3]幡野佐一(日).换热器[M].北京:化学工业出版社,1987,29.[编辑:陈立春]
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