圆块孔式石墨换热器在PVC行业的应用及缺陷的克服

李双祥

太原化学工业集团氯碱分公司，山西太原 030021

圆块孔式石墨换热器在PVC行业的应用及缺陷的克服

李双祥

太原化学工业集团氯碱分公司，山西太原 030021

本文介绍了圆块孔式石墨换热器的特点和发展概况，分析了石墨换热器性能的影响因素。结合PVC的生产工艺阐述了其在该行业的应用、存在的缺陷及克服方法。

石墨；换热器；圆块孔式；PVC；应用

在化工生产过程中，换热器是一种不可或缺的设备，广泛应用于物料的加热、冷却或能量回收等。化工生产条件变化复杂，原有的材料已经不能很好地满足现代工业规模化生产的需求，特别是对于某些物料具有很强腐蚀性的生产过程，若选用合金材料制造换热器则造价昂贵。石墨材料具有耐腐蚀性能强、导热系数高、易加工、不易结垢等性能，是制造换热器的理想用材。

石墨换热器具有优良的传热性能和耐腐蚀性能，已被广泛应用于氯碱工业中腐蚀介质的传热工序，特别是电石乙炔法生产PVC中与HC1气体或盐酸相关的工艺过程。石墨换热器按其结构可分为块孔式（圆块孔及矩形块孔式）、管壳式和板式3种类型。本文将重点介绍圆块孔式石墨换热器的特性及发展情况，石墨换热器的性能的影响因素，并结合PVC的生产工艺，阐述石墨换热器在PVC行业的使用情况。

1 圆块孔式石墨换热器的特点及发展概况

发达国家开始石墨换热器的生产可追溯到20世纪30年代，德国是最早研制和生产石墨换热器的国家，之后在发达国家相继得到发展。我国起步相对较晚，到20世经70年代才开始小批量生产，但发展较为迅速。到90年代以后，我国石墨换热器的需求逐步达到一个相对稳定水平。化学工业的迅速发展带动了我国石墨换热器的开发与应用。目前，我国可以生产国际上应用绝大部分品种，并出现了一批能够生产较高质量、规格齐全的石墨换热器厂家。

圆块孔式石墨换热器是一种传热性能优良、结构紧凑、耐腐蚀性能极强的热交换设备。是目前较先进、性能较优越的一种石墨换热器。该设备主要以金属件与不透性石墨零件组成，其纵向流动腐蚀性物料，横向流通载热体，设备内与腐蚀性物料接触的材料使用浸渍不透性石墨和聚四氟乙烯密封圈，而不采用胶黏剂。它的设计温度为-20℃～200℃（可以提高到320℃）。压力为常压到0.6MPa（亦可根据用户需要设计、制造0.6MPa～2.4MPa的产品）。圆柱体换热块采用标准单元块，加装压力弹簧作热胀冷缩的自动补偿机构，轴向伸缩由拉杆弹簧系统吸收，钢外壳的轴向膨胀由合成橡胶垫圈补偿，因此耐温耐压性能好。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。换热器具有结构坚固紧凑、适应性强、零件的互换性好、使用寿命长、传热系数高等特点。

2 圆块孔式石墨换热器在PVC生产中的应用[1]

PVC的生产工艺主要有石油乙烯法和电石乙炔法，后者占PVC生产的主导地位。在PVC的生产过程中，石墨换热器的应用如下。

2.1 HCI冷却器

采用5℃水将HCl气体由40℃冷却至15℃以下，圆块孔式石墨换热器结构强度高，无粘接缝，大规格圆块孔式设备加工能力高，使用效果良好。

2.2 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，选用圆块孔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，设备必须设接地板，静电接地。

2.3 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。对壳体要求必须内部焊缝焊透，壳体内部最好采用防腐涂料或衬胶层进行防腐处理。

2.4 合成气冷却器

采用循环水冷却合成气，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 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，工艺侧温差变化较大，可选用圆块孔式预热器。

3 圆块孔式石墨换热器性能的影响因素

3.1 原材料

用于加工圆块孔式石墨换热器换热零部件的石墨材料，其石墨化程度、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。

石墨化程度高低直接影响设备的换热效果，推荐使用接近国外标准的A级石墨材料。

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，孔隙率越大，则浸渍剂的用量就会增多，影响不透性石墨的浸渍质量和导热性能。所以选用颗料小的石墨材料加工生产的设备质量稳定性和安全性高，使用效果更好。

浸渍剂的作用是在石墨材料中填充空隙，浸渍剂种类、浸入量、浸渍工艺不同，会直接影响不透性石墨的耐腐蚀性。目前使用最多的浸渍剂是浸渍改性酚醛或改性呋喃树脂。因浸渍剂的耐腐蚀性远低于石墨材料本身，考虑到不透性石墨换热部件的耐蚀程度，浸入量一般不超过10%。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。

3.2 使用介质

圆块孔式石墨换热器并非适用于任何介质，即使对于同一种介质由于浸渍剂、密封圈（或垫）的不同，所适用的温度和浓度也不同。在选型时要充分考虑介质的腐蚀性，否则树脂被腐蚀后，将使孔壁穿通而串液。此外，还应注意介质的物性（如有无结垢或结晶）、洁净程度（是否有固体杂质，是否加装管道过滤器）等因素。

4 圆块孔式石墨换热器缺点的克服

圆块孔式石墨换热器使用中出现较多的问题是密封垫片的泄漏，多采用更换垫片的方式即可解决。对设备产生破坏性影响的多是石墨块体本身的彻底失效。

4.1 材料的缺陷及克服方法

在生产石墨换热器时要进行浸渍过程，才能使石墨块达到具有不渗透性，同时可以填塞石墨块孔中的缝隙、增强换热器的力学强度。在较高操作温度下，浸渍树脂和石墨材质发生显著的热变形，由于浸渍剂与石墨材料的膨胀系数不同，变形不均造成两者之间产生应力，从而使石墨材质受浸渍树脂挤压发生脆性断裂，断裂区积聚扩大就会造成宏观缺陷[1]。表现为部分横向孔道与纵向孔道的孔壁连通，出现物料程与冷却程相互泄漏。

出现该情况的主要原因是操作温度过高。为避免该情况出现，实际操作中须在正常的工艺控制指标范围内、严格执行操作规程、避免超负荷运行、确保炉套的换热能力、提高其冷却作用。

4.2 设备结构的缺陷及改进

圆块孔石墨换热器其块间密封是通过两道O型密封圈实现的。热媒经由径向通道，料液经由纵向通道实现换热。由于上下石墨块采用凹凸面形式密封，且石墨是脆性材料，故当装配时有较小的径向错位，就可能造成凸台面的脆性断裂破坏，从而影响密封的可靠性[3]。

针对这一问题，可把原标准中的凹凸面密封形式改成平面密封形式，在原凹凸面位置设置内外两道半圆环形凹槽。由内外两道O型圈实现料液与热媒间的隔离密封。即只对块间密封形式进行了改动，而换热器的换热机理与换热效果并没有变化。

4.3 使用过程存在的问题及解决方法

圆块孔石墨换热器在使用中，由于原料质量、工序管理等原因，出现筒身腐蚀、料液通孔结垢堵塞和料液回流强度偏小等问题。因而只得将换热器解体除垢检修[4]。结垢不仅影响了换热器的换热效率，而且脱落的结垢物还会进入浓缩液而影响成品结晶质量。

为了解决上述问题，可根据结垢物的性质，开发相应的清洗剂，对换热器进行不需解体的在线清洗并优化系统清洗流程，定期热洗。还可增加了料液的通流面积，减小了料液的回流阻力。

5 结论

石墨换热器具有优良的耐热性和耐腐蚀性能，因而在氯碱工业、聚氯乙烯生产中得到推广和应用。太原化学工业集团氯碱分公司在PVC生产过程中，从2000年开始，逐步以圆块孔式石墨换热器替代了矩形块孔式和列管式石墨换热器，选用南通星球石墨设备有限公司和辽阳碳素厂生产的圆块孔式石墨换热器。虽然圆块孔式石墨换热器价格偏高，但只要控制好制造工艺、充分考虑操作工艺条件、提高设备管理水平、改善设备在PVC生产中存在的缺陷，圆块孔式石墨换热器就能充分发挥其优势，必将在PVC行业得到更广泛的应用。

[1]戴佐峰，张贵宝.圆块式石墨换热器在PVC行业的应用[J].聚氯乙烯，2007(2)：30-32.

[2]郭建民，许丽，张敬宇.GH型列管式石墨换热器的泄漏原因[J].氯碱工业.2009，45(1)40-42.

[3]严永江，许彦春.YKA型石墨换热器选型、安装、使用中应注意的问题[J].河北化工，2009，32(10)：46-47.

[4]张志勋，齐广辉，周坤.管壳式石墨换热器及其泄漏原因分析[J].石油化工设备，2010，39(2)：84-87.

Application of Circularity Block Hole Type Graphite Heat Exchanger in PVC Industry and its Defect Improvement

The characteristics and development profiles of circularity block hole type graphite heat exchanger were described in this article.The factors of performance of the graphite heat exchanger were also analyzed.The application of the circularity block hole type graphite heat exchanger in PVC industry and its defect improvement was described.

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TK172

A

1674-6708（2010）32-0193-02