圓塊孔式石墨換熱器的應用及工藝計算探討
作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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1原材料（不透性石墨）對圓塊孔式石墨換熱器性能的影響不透性石墨具有耐腐蝕性好，熱導率高，使用溫度較高等優點。但因所采用的石墨原材料(顆粒度、浸漬劑，石墨化程度等)不同影響了設備的使用壽命和安全性。1.1顆粒
1 原材料（不透性石墨）對圓塊孔式石墨換熱器性能的影響
不透性石墨具有耐腐蝕性好，熱導率高，使用溫度較高等優點。但因所采用的石墨原材料(顆粒度、浸漬劑，石墨化程度等)不同影響了設備的使用壽命和安全性。
1.1 顆粒大小
構成石墨母材的顆粒度越大，則材料體積密度越小，機械強度愈低。顆粒間的孔洞越大，鉆削孔時可能暴露更多通孔，孔隙率增高。為達到使用要求的致密性則浸漬劑的數量就會增多，影響浸漬質量和不透性石墨的導熱性。密度大，則機械強度越大。所以，選用體積密度高（細顆粒、B級）的母材進行浸漬熱處理，所加工生產的設備質量穩定性和安全性高，使用效果好。
1.2 浸漬劑
浸漬劑在石墨母材中填充空隙，浸漬劑種類的不同，將直接影響不透性石墨的耐腐蝕性。浸入量不同，則影響不透性石墨使用溫度和耐蝕程度。浸漬真空度大，加壓壓力高，可減少浸漬次數，換熱效果亦優于傳統浸漬工藝（三遍浸漬、三遍熱處理）。
因浸漬樹脂的耐腐蝕性能遠低于石墨本身的耐蝕性，所以浸入量越多，耐腐蝕越差，耐溫差急性更差，因此一般要求浸入量不得超過10%。酚醛樹脂浸漬不透性石墨可滿足該類設備使用要求。不透性石墨材料經180∽300℃中溫處理，可以增大浸漬樹脂穩定性，延長設備使用壽命。
1.3 石墨化程度
石墨材料一般可分為半石墨化電極（再生電極）和石墨化電極兩大類。再生電極熱導率低于石墨化電極，不宜用作導熱材料。石墨化電極熱導率λ=100∽130w/m·k或更高，耐溫差急變性能優于再生電極。石墨化程度直接影響了設備的換熱效果，國外全部為細顆粒化工專用石墨化材料。我國新頒布的國家標準《石墨制壓力容器》推薦使用接近國外標準的B級石墨材料。
2 圓塊孔式石墨換熱器結構與特點
圓塊孔式石墨換熱器為目前較先進，性能較優越的一種石墨換熱器。圓柱體換熱塊采用標準單元塊，具有較高的結構強度，本結構不采用膠結劑而采用聚四氟乙烯O型圈密封介質，加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動補償機構，采用短通道、增加再分配室以提高紊流效應等，因而本換熱器具有結構強度高、耐溫耐壓性能強、抗沖擊性能好、傳熱效率高、使用壽命長并便于檢修的特點。本系列產品廣泛用作加熱器、冷卻器、冷凝器。
技術特性： 設計溫度：-20～200℃（可以提高到320℃）
設計壓力：常壓～0.6MPa（亦可根據用戶需要設計、制造0.6～2.4MPa壓力的本型產品） 規格：3～400平方米
3 石墨換熱器傳熱計算
石墨設備應用可分為液-液，液-氣換熱兩種形式。應用圓塊孔式石墨換熱器的兩種流體的流向為錯流和簡單折流。即：縱向沿一個方向流動，而橫向（冷卻水或冷凍鹽水）與縱向呈垂直的方向先沿一個方向流動，然后折回向相反方向流動，如此反復地作折流運動。
其平均溫度的計算必須乘以校正系數εΔt，εΔt>0.8合理，否則需調整工藝參數。
石墨換熱器傳熱系數計算，可參照下表二、表三中數據；介質的垢層系數αd（w/m2·k）見表四。
石墨換熱器傳熱系數經驗值 表二
序號 處 理 物 料 平均溫度℃ 換熱
形式 傳熱系數K w/(m2·k) 備 注
1 氯化氫氣體冷卻 100∽40 冷卻 34.89∽46.52 板式
2 氯化氫冷凝（97%HC1水冷） 75∽40 冷凝 34.89∽174.45 列管式
3 氯化氫冷凝（99%HC1鹽水冷） 40∽-15 冷凝 17.45∽34.89 列管式
4 鹽酸冷卻（21%HC1） 130∽25 冷卻 581.5∽930.4 列管、塊孔式
5 鹽酸冷卻（31%HC1） 80∽40 冷卻 348.9∽465.2 板式
6 列管式氣體冷卻器 34.89∽58.15
石墨設備在氯系統中的應用實例 表三
序號 工 藝 設 備 使用工藝溫度℃ 工藝壓力MPa 傳熱系數K
w/(m2·k)
1 冷卻合成HC1氣體 冷卻器 400∽150 常壓 17.45∽69.78
2 氯乙烯餾出HC1氣體的
冷卻脫濕 冷凝器 70∽-15 0.01∽0.1 34.89∽174.45
介質的垢層系數αd（w/m2·k） 表四
液體介質 氣體介質
鹽 酸 2907.5∽5815 HC1氣體 1918.95
冷凍鹽水 5815 不飽和氯化烴冷凝 2907.5∽5815
冷凍水 5815 C2氯化物 5815
一般的水 1860.8∽2907.5
總傳熱系數的計算公式為：K=（αo-1+αi-1+∑αd-1+δ/λ）-1，式中：αo為管外（或服務側）的導熱系數；αi為管內（或物料側）的導熱系數；αd為管內、外（或換熱塊兩側）的垢層系數；δ/λ為石墨管（或換熱塊）材的熱阻。K值的大小決定石墨設備換熱效果的好壞，式中四項的最大值對K值的影響最大。
下面以山東濰坊某公司石墨冷卻器為例（工藝參數見表五），
工藝參數 表五
用 途 二級石墨冷卻器 總換熱量 150000KJ/h
對數平均溫差，℃ 26.12 工藝側 操作溫度，℃ 0∽-14
服務側 操作溫度，℃ -35∽-32 操作壓力，MPa 0.043∽0.074 操作壓力，MPa 0.4∽0.3 允許壓力降，MPa 0.001 允許壓力降，MPa 0.1
對氣液傳熱主要取決于氣相側傳熱系數（一般小于102數量級），與選擇石墨管還是換熱塊關系不大（δ/λ≈0，10-4數量級）。氣相側傳熱系數采用列管式與圓塊孔式因結構不同，換熱效果亦不同。
工藝設計基礎：設備數據如下：規格型號 YKC10-18/16-170II 換熱塊規格
Φ1000×350 縱向孔數據 665-Φ18 橫向（服務側）冷卻面積，m2 168.36（孔道）
縱向（工藝側）換熱面積，m2 169.08（孔道）
平均換熱面積，m2 168.72（孔道）
我公司YKC型石墨換熱器開發達到新的高度
近幾年來，YKC型石墨換熱器設備在化工物料濃縮、鋼板酸洗等行業應用更加廣泛。YKC型石墨換熱器具有操作壓力較高，單元換熱塊換熱面積利用率高，維修成本較YKA型設備低等優點。
自我公司生產了第一臺YKC80-20/16-90㎡設備以來，先后生產了立式（臥式）YKC30-120系列多臺。其中，YKC120系列190，250㎡設備為我廠開發的最新產品。
我廠YKC型換熱設備中換熱塊的加工采用專用的深孔鉆床，鉆頭定位精度高，一次可打透長度800mm，對鉆時同心度小于0.5mm。
YKC設備的開發及加工成功，既滿足了市場需求，又為我廠增加一個創匯的好項目。
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