圆块孔式石墨换热器的应用及工艺计算探讨

作者： 2013年07月22日来源：浏览量：

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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

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。
2 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
3 石墨换热器传热计算
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，可参照下表二、表三中数据；介质的垢层系数αd（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αd（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=（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石墨冷却器为例（工艺参数见表五），
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：设备数据如下：规格型号 YKC10-18/16-170II  换热块规格
Φ1000×350 纵向孔数据 665-Φ18 横向（服务侧）冷却面积，m2 168.36（孔道）
纵向（工艺侧）换热面积，m2 169.08（孔道）
平均换热面积，m2 168.72（孔道）
我公司YKC型石墨换热器开发达到新的高度
   近几年来，YKC型石墨换热器设备在化工物料浓缩、钢板酸洗等行业应用更加广泛。YKC型石墨换热器具有操作压力较高，单元换热块换热面积利用率高，维修成本较YKA型设备低等优点。
自我公司生产了第一台YKC80-20/16-90㎡设备以来，先后生产了立式（卧式）YKC30-120系列多台。其中，YKC120系列190，250㎡设备为我厂开发的最新产品。
我厂YKC型换热设备中换热块的加工采用专用的深孔钻床，钻头定位精度高，一次可打透长度800mm，对钻时同心度小于0.5mm。
YKC设备的开发及加工成功，既满足了市场需求，又为我厂增加一个创汇的好项目。

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