浸渍石墨制40m2块孔式石墨换热器设计

张金博

（中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021）

0 引言

浸渍石墨是人造石墨经树脂浸渍工艺处理后形成的一种不透性石墨。浸渍石墨具有化学稳定性好、导热系数高、线膨胀系数小及机械加工性能良好等优点，适于制作耐腐蚀换热要求高、操作压力不高的换热设备。常见的浸渍石墨制换热器包括列管式、块孔式和板块式3 种石墨换热器。块孔式石墨换热器的优点有耐腐蚀、结构坚固、占地面积小、适应性强、零件互换性好、无粘接结构和换热系数较高等。块孔式石墨换热器的介质流道直径较小，不适用于结晶或易结垢的物料介质。目前，块孔式石墨换热器在氯碱、磷化工等行业应用较为广泛。

本文以某工程40 m2盐酸预热器为例，对块孔式石墨换热器的内部构造、工作原理及设备特点进行简要介绍，并结合工程需求、结构分析和使用经验对关键部件的设计要点进行详细说明。

1 块孔式石墨换热器介绍

块孔式石墨换热器的核心构件是圆柱形、垂直交错式石墨换热块。换热器的主体部分由换热块逐层堆叠而成，以内锥面的封头块做为端部堆块，块间用垫片密封。整体堆块被金属壳围封，金属壳由筒体、折流板、密封法兰及紧固件组成，密封法兰与石墨块用O 形圈密封。堆块外端面由带长螺柱的盖板压紧，并配弹簧和螺母，从而将换热块及金属壳组装为一体。未浸渍石墨块如图1所示。

图1 未经浸渍处理石墨块实物图Fig.1 A physical object of the graphite block without impregnated

块孔式石墨换热器的典型结构示意图如图2所示。

图2 块孔式石墨换热器结构示意图Fig.2 The mechanism composing of a typical blockhole graphite heat exchanger

换热块的核心结构是轴向孔道和径向孔道，两者垂直交错，互不流通。轴向孔道平行于设备轴线，与封头块包络，形成耐腐蚀的流道，是主工艺介质的工作通道；径向孔道垂直于设备轴线，与围封壳体共同构成辅助介质的流通空间，并依靠折流板使辅助介质沿径向流道折向流动，依次通过换热块，实现热交换功能。

块孔式石墨换热器属于石墨制压力容器，石墨制压力容器设计压力≤2.4 MPa，设计温度范围为-70～205 ℃。浸渍石墨块抗压强度高、化学性质稳定、机械加工性能良好，使块孔式石墨换热器具有以下优点：①耐腐蚀性，不同种类的浸渍石墨制设备能够适用于盐酸、氢氧化钠、硫酸、磷酸等强腐蚀性工作环境；②传热系数高，浸渍石墨平均导热系数为120.3 W/(m·K)，是碳钢的3 倍和不锈钢的7 倍，另一方面，垂直交错式孔道结构可以充分利用空间结构，形成较大的传热面积；③装配式结构，由于堆块之间是压紧密封，无需使用粘接剂，因此可设计制造标准换热元件，零件互换性好，制造和维修方便，易组装成不同规格的换热设备。

块孔式石墨换热器的缺点是：换热孔道通常较小，导致流体阻力较大，其单台换热面积不宜过大；同时，小孔道容易堵塞，故不宜用于粘度大或含有杂质的物料。

2 块孔式石墨换热器的基本要求

块孔式石墨换热器用石墨块具有各向异性的特点，石墨和浸渍石墨材料沿不同方向的导热系数，说明两者平行于压制方向的导热系数均高于垂直方向的导热系数，但其数值相差不大。块孔式石墨换热器为装配式设备，可避免热膨胀系数差异而导致的温度应力过大的问题，同时还可以避免使用粘接结构，因此可在较高操作温度下稳定运行。石墨制元件的抗压能力强，应保证石墨制元件处于挤压状态，避免其承受拉应力或弯曲应力，但需要注意金属材质的紧固件，如螺栓等，不宜直接安装在石墨元件上。在进行强度计算时，由于石墨制品的不均质性导致其安全系数取值较大，参考文献中的规定：用于设计的许用应力值为石墨材料工艺评定报告中指定设计温度下抗拉或者抗压、抗弯平均值的80%除以安全系数6.0（毒性危害程度为极度或者高度危害介质时，安全系数选7.0）。此外，压紧弹簧在设备组装完成后须施加一定的预紧力，保证在操作工况时能够保证整个堆块处于压紧状态。压紧弹簧不仅可以起到补偿热膨胀位移的作用，还可以避免预紧螺栓时外力过大而导致石墨元件损坏的情况。

块孔式石墨换热器的设计输入与普通换热器基本一致，需要需求方分别提供管程和壳程的工作压力、温度及介质，并明确最小换热面积。本文以某工程中40 m2盐酸预热器为例，具体要求如下：管程工作介质为0.2 MPa、100 ℃的35%盐酸；壳程工作压力为0.4 MPa、120 ℃的水蒸气；换热面积为40 m2，逆流传热，弹簧压紧形式装配结构。

3 块孔式石墨换热器设计

块孔式石墨换热器设计的核心理念就是围绕换热块进行结构设计。具体来讲，首先依据设计输入和制造工艺，对换热块和封头块进行选材和结构设计；再将堆块用金属壳体进行围封，并增加折流板、平盖及其紧固件、接管及管法兰等功能组件；之后，设置压紧弹簧并进行选型核算；最后，对各零部件进行校审，完成设备设计工作。此外，还应根据现场使用反馈的经验，对设备进行优化完善。

3.1 块孔式石墨换热器的材质选择

浸渍石墨是以人造石墨为基材，使用不同浸渍剂填塞其孔隙，再经固化加工而成的一种不透性石墨。石墨的化学稳定性好，特别是在含有氯离子的介质中使用，耐腐蚀性能优于奥氏体不锈钢，因此，浸渍石墨的耐腐蚀性能取决于浸渍剂，选择能够满足换热介质耐腐蚀性能的浸渍剂，是块孔式石墨换热器选材的关键。

酚醛树脂作为常见的浸渍剂，能够耐受大多数有机酸、无机酸、有机化合物和盐类等的腐蚀，但不可用于强碱环境。文献中列明了酚醛树脂浸渍石墨在不同介质中的化学稳定性，说明其能耐受任意浓度且达到沸点温度状态的盐酸。此外，还可以在浸渍剂中加入添加剂，进一步改善浸渍石墨的耐腐蚀性能或物理机械性能。

3.2 块孔式石墨换热器的主要结构设计

块孔式石墨换热器的主要结构部件包括换热块、封头块、围封壳体、压紧装置及其他部件。

3.2.1 换热块设计

换热块是块孔式石墨换热器的传热单元，其规格大小和开孔形式影响设备的传热效率、换热面积、外形尺寸等性能参数。

换热块的规格受限于人造石墨以及浸渍工艺允许的最大尺寸。文献列出的最大换热块外径为1.6 m。考虑到孔道加工难度和制造成本，一般采用直径1 m 以内的浸渍石墨块。若单台设备难以满足换热面积的需求，可以采用多台设备串联的方式来满足设计需求。

对压力设备而言，换热块的开孔形式一般为垂直交错式，在保证流体的换热效率的同时，还能兼顾较好的密封效果，不容易发生介质串漏问题。管程的通道即为轴向孔道，其无流向变化，流动阻力小，适合作为盐酸的工作空间，并采用较大孔径16 mm，进一步降低流动阻力；壳程为水蒸气，可采用较小孔径10 mm，满足蒸汽流动要求。开孔间距主要受浸渍石墨的机械加工性能和钻孔技术的影响，一般孔间壁厚≥5 mm，且加工偏差≤1 mm。轴向孔道共270 个16 mm 孔，总表面积为4.34 m2；径向孔道共272 个10 mm 孔，总表面积为3.63 m2；因此，每个换热块平均换热面积为4.00 m2，整台设备需要10 个换热块。根据实际制造技术能力，孔间壁厚在设计时可适当提高，避免发生串漏问题。换热块实际开孔布置如图3所示。

图3 换热块实际开孔布置图Fig.3 The layout of holes in the heat exchange block

本设备工作压力较低，密封结构可采用膨体四氟垫片，为进一步提高密封效果，可在密封面加工水纹线。由于软垫片在使用时会发生损坏无法重复利用，因此，在检修完成后须更换所有垫片。

3.2.2 封头块设计

封头块主要有2 个功能：①构成包容物料的空间结构；②使待加热物料能够均匀地分配至换热块的孔道中，或收集已加热物料。封头块结构尺寸详图如图4所示。

图4 封头块结构尺寸详图Fig.4 The structure dimension details of the head block

封头块与盖板接触表面的平面度要求高，避免盖板受力不均导致封头块破损或密封泄漏等问题。封头块的端面平行度允差要求为0.15%，组装后不平行度允差≤1.5 mm。

3.2.3 围封壳体设计

本设备壳程部分为水蒸气，没有腐蚀性且压力较低，因此可采用常规容器用钢设计。筒体按换热块间接触位置设置半环形折流板和竖向挡板，折流板和挡板材质可采用焊接式薄板或装配式聚四氟乙烯板，其与石墨块间隙一般为1～2 mm。

壳体与石墨块之间采用O 形圈密封，其材质选用氟橡胶，可满足密封要求。

3.2.4 压紧装置设计

压紧装置是块孔式石墨换热器组装的关键部件，其主要由上下盖板、长杆双头螺柱、弹簧和其他连接附件组成，压紧装置组成及其受力分析图如图5所示。

图5 压紧装置组成及其受力分析图Fig.5 The holding-down device's composition and its stress analysis model

压紧装置在非操作工况须施加一定的预紧力（f1）；当堆块因升温导致膨胀产生位移，压缩弹簧产生温差力（f2）；在堆块内部充压时，上、下封头块分别承受压力（FP），因此弹簧力（F1） 等于预紧力（f1）、温差力（f2） 及两倍的内压压力（FP） 之和。上盖板对封头压力（F2） 等于弹簧力（F1） 与上盖板自重（G1） 之和；上封头密封处压力（F3） 等于上盖板压力（F2） 与上封头块自重（G2） 之和并减去上封头因内压产生的力（FP） 的力值；下封头密封处压力（F4） 等于上封头密封处压力（F3） 与换热块自重（G3） 之和；下盖板所受压力（F5） 等于下封头密封处压力（F4）、下封头自重（G4） 及内压对下封头产生的力（FP） 之和；下盖板为固定端，其支反力（F6） 为设备总重（G1+G2+G3+G4+G5）；下盖板所受压力（F5） 与其自重（G5） 等于支反力（F6） 与螺柱拉力（F7）之和；同时，螺柱拉力（F7） 等于弹簧力（F1）。上述受力关系式已列明在图5中。

经受力分析可知，各密封面中，下封头密封面压力（F4） 最大，要求其计算应力不得超过许用压应力；同时，上封头密封面压力（F3） 最小，要求其不得低于垫片最小密封力，从而计算出预紧力（f1） 的最小值。按浸渍石墨理论热膨胀系数获得设备温差位移，根据文献中的压缩弹簧计算方法确定弹簧最大刚度限值，并结合使用经验对弹簧进行选型设计。此外，根据设备使用经验需要注意以下问题：内压值应按水压试验值计算，结果是偏于保守的；由于存在多密封面结构，因此预紧力应适当提高，以保证工作状态下各密封面不泄漏。

上、下盖板为中心开孔的圆形金属板，可简化为承受均布压力、外周简支的环板，可参考理论模型计算板厚，使其应力和变形挠度满足结构要求即可。

3.2.5 其他要求

设备吊装可设置在压紧装置的长杆双头螺柱上，并加装吊环和防松螺母。

4 结语

使用浸渍石墨制作的块孔式石墨换热器，有着良好的耐腐蚀性能，导热系数高，在化工领域的应用越来越广泛。

以某工程40 m2盐酸预热器为例，对块孔式石墨换热器的组成结构、工作原理和结构特点进行了说明，并阐述了其基本要求和设计过程，详细介绍了换热块、封头块、围封壳体、压紧装置的设计要点。本设备能够满足管程工作介质为0.2 MPa、100℃的35%盐酸和壳程工作压力为0.4 MPa、120 ℃的水蒸气的热交换功能。其中，换热块轴向孔道直径为16 mm，径向孔道直径为10 mm，单块换热面积为4 m2，共10 个换热块；块间采用软质的膨胀四氟垫片密封；密封法兰采用O 形圈密封；压紧装置的预紧力须考虑最大承压能力和最小密封压力的要求；整体采用弹簧压紧式装配结构，便于安装与检修。

对块孔式石墨换热器的设计过程和设计要点进行了总结，对该类设备的设计研究具有指导意义。