姚 建姚松年(.南通山剑石墨设备有限公司 .南通市石墨设备设计研究所）



国产圆块式石墨换热器的应用与改进

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(1.南通山剑石墨设备有限公司 2.南通市石墨设备设计研究所）

摘 要：简要介绍圆块式石墨换热器的优点、不足之处，以及在普通颗粒石墨材料基础上通过技术创新对换热器性能改进，使某些性能已达国际先进水平的实例。

关键词：石墨 换热器 石墨换热器 圆块式换热器

0 引言

圆块式石墨换热器因主体换热材料为非金属的浸渍石墨，不仅具一般非金属材料广谱耐腐蚀性的优势，如耐酸、碱、溶剂，甚至氧化性物料。同时其热导率可达110～130w/m·k，是其它非金属材料的几百倍，可以是碳钢的三倍、不锈钢的六倍，因此被选作耐蚀、传热的结构材料是很自然的。又因浸渍石墨的莫氏硬度很低，很容易机加工，因此可以由材料丰富的炼钢电极或专用石墨棒通过机加工制造出特有的钻孔式圆柱体换热块（图1），形成了具有诸多技术优势的、专有结构的圆块式石墨换热器，应用较多的参见图2，已经在化工、冶金、制药、轻工、印染、电镀、造纸、环保……众多行业中腐蚀性物料的生产、应用及废液、废气处理、回收中发挥了积极作用。

图1 主要的圆块式石墨换热块排孔

图2 主要的圆块式石墨换热器结构

它可以用作加热器、蒸发器、冷却器、冷凝器，其轴向（管程）绝大多数流通腐蚀性物料，可以是单流程，也可为多流程；其壳程绝大多数流通冷却水或水蒸汽，因而采用钢外壳；也可流通腐蚀性介质，则此时外壳可以采用浸渍石墨或钢衬塑，如衬PP、PVC、PTFE或采用玻璃钢外壳，极少数也可用不锈钢外壳。

我国于1974、1975分别由上海碳素厂、南通碳素厂开发了两种圆块式石墨换热器，以后又有不同结构的圆块式设备问世，因其结构紧凑、零件通用性好、积木式组装便于维修，且耐蚀性好、传热效率高、适用性广、维修率低、使用寿命长而得到迅速推广。但也有不足之处，例如广泛使用的酚醛浸渍石墨的使用温度一般到170℃、轴向设计压力普遍＜1.0MPa，虽耐酸但不耐碱、不耐氧化性物料；换热块高度普遍＜500mm，多数在300mm左右，块间的间隙虽增加紊流效应可提高传热效率，但不利于升（降）膜式传热，且加大了流体阻力；料孔直径普遍≤25mm，加大流体阻力和结晶堵孔的风险；而设备中壳程折流板国内外普遍为一片刚性折流板，为便于装、拆，折流板外缘与外壳内壁间不可能不留有间隙，此间隙便成了冷却水或水蒸汽等在折流时的短路通道，从而降低传热效率，尤其是在加工、制造精度较差时。这些都成了改进提高的课题。基于此，通过对浸渍材料和结构的改进，已经在国产普通颗粒石墨材料的基础上提高了国产圆块式换热器的技术性能，例如：

1 对使用温度、压力的提高

2004年连云港三吉利公司要求石墨加热器的轴向使用压力达1.8MPa（壳程蒸汽0.6MPa），山剑石墨设备公司采取结构措施并经2.4MPa水压检验后，在实用1.8MPa下一直完好。

2004年江苏丹化醋酐用的醋酸再沸器，开始试用250℃过热蒸汽加热，后又提高到315～320℃（1.0～1.2MPa），石墨部分一直完好无损，少有的维修也是更换外壳密封蒸汽的垫片，并因结构的改进，换垫片时无需拆卸设备。而2008年江苏双菱公司更使用于0.8MPa340℃过热蒸汽下作盐水加热器，多年完好。

上述设备中石墨块都采用的是国产普通颗粒的石墨材料，而非细颗粒石墨，通过选用自己开发的复合树脂浸渍以提高其强度及耐热性，使耐热、耐内压已达国际先进水平。

两年前山剑开发的具广谱耐酸、碱性能的复合树脂浸渍石墨，已可由室温扔进400℃马沸炉内也不爆裂，保温数小时也不粉化，所用石墨材料也是国产普通颗粒石墨，为进一步提高换热器的使用温度，尤其是延长石墨合成炉筒使用寿命打下了基础。

2 提高耐腐蚀性

除聚四氟乙烯（F4）树脂同时具有最广泛的耐酸、碱、溶剂、氧化性物料，耐温可达250℃外，常用浸渍石墨用树脂的耐腐蚀及耐热均受限制，因而有些物料下一直未用石墨加热器。例如在硫酸加磷酸的混酸条件下，欧洲先进的XBS树脂也是“耐腐蚀差”，而我国现F4浸渍石墨的抗渗透压力较低（＜0.4MPa），限制了使用范围，促使我们走开发复合树脂的途径来解决。经改进后，山东久泰2003年就开始用于1MPa、180℃过热蒸汽下加热此混酸，2005年起又用于1.2～1.4MPa、220℃过热蒸汽下加热此混酸，三年订125㎡加热器84台正常使用时均长期完好无损。

又如上海特氨纶厂，原用石墨加热器加热二甲基乙酰胺时只用20多天就因溶蚀渗漏，2009年用复合树脂A浸渍石墨换热器后用二个多月完好无损，但将浓度由50%提高到60%后也很快被溶蚀渗漏，后对原设备（192m2）石墨件改用复合树脂B浸渍后，使用至今完好。

再如强氧化性的三氯氧磷，2006年南通集海改用复合树脂浸渍的石墨换热器，一直使用良好，早已推广到多家厂的POCl3、PCl5生产线上，都多年完好。

还有在酸碱交替且压力＞0.4MPa时，开发的复合树脂因脆性及固化收缩率远优于呋喃树脂，已在硫酸、盐酸与8%NaOH交替使用，操作压力超过0.6MPa、而且温差120℃急冷急热条件下也安全可靠，优于呋喃及F4浸渍石墨。

3 改进外折流板以提高传热效率

圆块式石墨换热器的壳程折流板（外折流板）国内外普遍只用一片刚性折流板，因存在折流短路而降低传热效率，山剑石墨开发的组合式折流板专利（ZL200920292175.9），将原先一片刚性折流板改为两片刚性夹一片塑性的组合折流板，用其中可变 形的塑性折流板填补与外壳间的间隙，从而切断折流短路，大大提高传热效率。

4 提高成膜效果和减小流体阻力的改进

在升膜、降膜加热、蒸发、吸收工况下为减少换热块间间隙对液膜的破坏，已将石墨块的长度（高度）延伸到1400mm，当采取进一步措施时，已可将圆块孔内壁上的液膜长度延伸到2.8m，大大减少干壁现象以提高传热、传质效率。

图3 组合式折流板

为减小孔内液体的流体阻力，已将物料孔径扩大到φ35mm，需要时还可进一步扩大。

通过上述改进，在国产普通颗粒石墨材料基础上开发的国产圆块式石墨换热器的耐温、耐压性能、耐腐蚀性、及传质、传热效率已有了很大的提高，有的已达国际先进水平。但随着应用领域的扩大和科技水平的提高，对石墨换热器的要求也不断提高，需要我们继续为圆块式石墨换热器的技术、性能提高作出更大努力。