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圓塊孔式石墨換熱器在PVC行業的應用及工藝計算探討

2018-08-31

圓塊孔式石墨換熱器PVC行業的應用及工藝計算探討

    圓塊孔式石墨換熱器廣泛應用于電石乙炔法PVC生產中與HC1氣體或鹽酸相關的工藝過程。主要設備有:氯氫處理工段二合一爐,氯化氫冷卻器,混合冷凍脫水用一、二級石墨冷卻器,預熱器及合成氣冷卻器,鹽酸冷卻器,乙烯氧氯化法工藝精餾工段中EDC冷卻器等。結構型式有:列管式和圓塊孔式石墨換熱器兩種。青島鑫博奧小編(18653268123)就圓塊孔式石墨換熱器在PVC行業的應用及工藝計算和大家探討一下。
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180300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=100130w/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?;S檬牧?。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。
1.4  酚醛石墨壓型管
    國內普遍采用。但酚醛石墨壓型管熱導率低(λ=31.440.7w/m·k),熱膨脹系數高,300中溫處理壓型管為8.15×10-61/(151),由此構成的管殼式換熱器的許用溫度一般在130或150以下。
2  設備使用情況綜述
2.1  HC1冷卻器
    采用7水將HC1氣體由40冷卻至15以下,選用石墨設備無特殊要求,傳統的列管式、圓塊式石墨設備均能滿足使用要求。對列管式石墨換熱器而言,采用的粘結樹脂與管板的粘接質量是關鍵,粘接樹脂氣孔率少,則強度高;熱處理溫

度超過130,比設備使用溫度高20-30,這樣設備出現質量問題的概率就會少。而圓塊孔式結構強度高,無粘接縫,故使用效果優于列管式(本工藝),加之大規格圓塊式設備(目前在用單臺面積達300m2以上)加工能力的提高,圓塊孔式將逐漸取代列管式(現我廠可加工石墨單元塊直徑Φ1400mm)。
2.2  一、二級石墨冷卻器
    采用-35冷凍鹽水對混合氣體進行冷卻脫水,混合氣體溫度必須降至- 12-14,一、二級石墨冷卻器串聯使用。對石墨設備而言,耐低溫性能和殼體耐冷凍鹽水腐蝕要求較高,圓塊式優于列管式。對殼體要求必須內部焊縫焊透,鋼板材質為16MnR,殼體內部最好采用防腐涂料進行防腐處理。
2.3  預熱器
    采用95-100熱水將混合氣預熱到60-80后再進入轉化器進行反應,當熱水溫度超過60以上時,結垢及腐蝕情況增大。建議對殼體防腐處理,對循環熱水軟化處理。換熱過程中,因工藝側溫差變化較大,選用圓塊孔優于列管式。
2.4 合成氣冷卻器
    采用循環水冷卻,因氣體進口溫度135-180,對石墨設備來說溫度偏高,溫差較大;且有機物VCM對石墨中浸漬樹脂有一定的腐蝕作用,因此選材時氣體進口上封頭及高溫區換熱部件材質選B級細顆粒石墨化材質為最佳。選用圓塊孔式設備,上封頭采用全石墨,下封頭襯石墨,可滿足使用要求。
2.5  EDC冷卻器
    EDC為含氯有機物,有機物的相容性對浸漬樹脂的腐蝕較VCM氣體大,選用圓塊孔式設備必須對單塊進行中溫處理,選用B級石墨塊材,才能保證設備的使用壽命。
    PVC生產中因C2H2、氯乙烯皆為易燃、易爆氣體,氯乙烯必須限制管內流速在4m/s以下,設備必須設接地板,靜電接地。
3  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
 近幾年來,電石乙炔法PVC生產中廣泛采用YKA,YKB型圓塊孔式石墨換熱器,尤其是YKB型(無中心孔,換熱塊利用率更高,結構更加合理),大有取代GH型列管式石墨換熱器的趨勢。與GH型相比,由于結構形式,材質,管(直徑、數量或鉆孔大小、數量)的不同對比見表一:

列管式與圓塊孔式對換熱面積影響因素對比          表一
序號          圓 塊 孔 式 
1 常用換熱管(或鉆孔)直徑 Φ32/Φ22 Φ20/Φ16,Φ18/Φ16,Φ16/Φ14 
2 常用換熱管長(或換熱塊單塊高度) 3000,4000,5000 300400

3 物料側長徑比 136227 1525 
4 長徑比對傳熱系數的影響 忽略不計 1.101.15(注:短通道,塊間空腔為介質再分布的湍流室,強化傳熱) 
5 石墨材料熱阻δ/λ 0.005/35(平均值)
=1.429×10-4 0.0112/100=1.12×10-4(注:1.當量厚度按同向孔4mm,異向孔7mm,換熱塊Φ1000-18/16計算所得;2.樹脂膜的影響因素可使導熱系數下降) 
6 物料側阻力   
7 換熱面積計算方法 以平均換熱面積為基準 
  管外、內
面積比 32:22
=1.45
0.45倍 服務側與物料側換熱面積比值 約1:1
近似相等 

4  石墨換熱器傳熱計算
 PVC工藝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)       
1 氯化氫氣體冷卻 10040 冷卻 34.8946.52 板式 
2 氯化氫冷凝(97%HC1水冷) 7540 冷凝 34.89174.45 列管式 
3 氯化氫冷凝(99%HC1鹽水冷) 40-15 冷凝 17.4534.89 列管式 
4 鹽酸冷卻(21%HC1) 13025 冷卻 581.5930.4 列管、塊孔、淋灑式 
5 鹽酸冷卻(31%HC1) 8040 冷卻 348.9465.2 板式 
6 列管式氣體冷卻器   34.8958.15  

石墨設備在氯系統中的應用實例             表三
序號       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 400150 常壓 17.4569.78 
2 氯乙烯餾出HC1氣體的
冷卻脫濕 冷凝器 70-15 0.010.1 34.89174.45 

介質的垢層系數αd(w/m2·k)              表四
液體介質 氣體介質 
        2907.55815 HC1氣體            1918.95 
冷凍鹽水           5815 不飽和氯化烴冷凝    2907.55815 
冷凍水             5815 C2氯化物            5815 
一般的水   1860.82907.5  

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10萬噸/年PVC工段二級石墨冷卻器E-2105為例(工藝參數見表五),進行列管式與圓塊孔式石墨設備換熱效果對比。

E-2105工藝參數                 表五
     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 0.0430.074  操作壓力,MPa 0.40.3 
 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:在一期滿足工藝要求的前提下,工藝參數不變,只改變設備結構(由列管式改為圓塊孔式),工藝側(α管i/α塊i)比值取決于[(n塊/n管)0.8×(d塊/d管)1.8]的大小,服務側α管o/α塊o因設備結構的不同,YKB設備與GH型相比略差。設備一、二期數據如下:

一期選型 二期選型  
規格型號 GHA1000-155F 規格型號 YKB100-18/16-170II 
石墨管數 505 換熱塊規格 Φ1000×352 
 
石墨管有效長度,mm 3600 縱向孔數據 665-Φ18  
管外(服務側)冷卻面積,m2 183 橫向(服務側)冷卻面積,m2 168.36(孔道) 
管內(工藝側)換熱面積,m2 126 縱向(工藝側)換熱面積,m2 169.08(孔道) 
平均換熱面積,m2 155 平均換熱面積,m2 168.72(孔道) 
工藝側比較(α管i/α塊i) 0.87(工藝側:圓塊孔式優于列管式) 
服務側比較(α管o/α塊o) 服務側:列管式優于圓塊孔式 
安全裕度 - 1.25 
總傳熱系數w/(m2·k)  10.29(計算值) 11.51(供參考) 

5.結語
    在PVC工藝中,圓塊孔式雖造價偏高一些,但只要控制好機械加工及制造工藝,圓塊孔式石墨換熱器優于列管式石墨換熱器。YKB型圓塊孔式石墨換熱器必將在PVC行業得到更廣泛地應用。

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