浸漬石墨制40m2塊孔式石墨換熱器設(shè)計

張金博

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

浸漬石墨是人造石墨經(jīng)樹脂浸漬工藝處理后形成的一種不透性石墨。浸漬石墨具有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)小及機械加工性能良好等優(yōu)點，適于制作耐腐蝕換熱要求高、操作壓力不高的換熱設(shè)備。常見的浸漬石墨制換熱器包括列管式、塊孔式和板塊式3 種石墨換熱器。塊孔式石墨換熱器的優(yōu)點有耐腐蝕、結(jié)構(gòu)堅固、占地面積小、適應(yīng)性強、零件互換性好、無粘接結(jié)構(gòu)和換熱系數(shù)較高等。塊孔式石墨換熱器的介質(zhì)流道直徑較小，不適用于結(jié)晶或易結(jié)垢的物料介質(zhì)。目前，塊孔式石墨換熱器在氯堿、磷化工等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

本文以某工程40 m2鹽酸預(yù)熱器為例，對塊孔式石墨換熱器的內(nèi)部構(gòu)造、工作原理及設(shè)備特點進行簡要介紹，并結(jié)合工程需求、結(jié)構(gòu)分析和使用經(jīng)驗對關(guān)鍵部件的設(shè)計要點進行詳細(xì)說明。

1 塊孔式石墨換熱器介紹

塊孔式石墨換熱器的核心構(gòu)件是圓柱形、垂直交錯式石墨換熱塊。換熱器的主體部分由換熱塊逐層堆疊而成，以內(nèi)錐面的封頭塊做為端部堆塊，塊間用墊片密封。整體堆塊被金屬殼圍封，金屬殼由筒體、折流板、密封法蘭及緊固件組成，密封法蘭與石墨塊用O 形圈密封。堆塊外端面由帶長螺柱的蓋板壓緊，并配彈簧和螺母，從而將換熱塊及金屬殼組裝為一體。未浸漬石墨塊如圖1所示。

圖1 未經(jīng)浸漬處理石墨塊實物圖Fig.1 A physical object of the graphite block without impregnated

塊孔式石墨換熱器的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 塊孔式石墨換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The mechanism composing of a typical blockhole graphite heat exchanger

換熱塊的核心結(jié)構(gòu)是軸向孔道和徑向孔道，兩者垂直交錯，互不流通。軸向孔道平行于設(shè)備軸線，與封頭塊包絡(luò)，形成耐腐蝕的流道，是主工藝介質(zhì)的工作通道；徑向孔道垂直于設(shè)備軸線，與圍封殼體共同構(gòu)成輔助介質(zhì)的流通空間，并依靠折流板使輔助介質(zhì)沿徑向流道折向流動，依次通過換熱塊，實現(xiàn)熱交換功能。

塊孔式石墨換熱器屬于石墨制壓力容器，石墨制壓力容器設(shè)計壓力≤2.4 MPa，設(shè)計溫度范圍為-70～205 ℃。浸漬石墨塊抗壓強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機械加工性能良好，使塊孔式石墨換熱器具有以下優(yōu)點：①耐腐蝕性，不同種類的浸漬石墨制設(shè)備能夠適用于鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、磷酸等強腐蝕性工作環(huán)境；②傳熱系數(shù)高，浸漬石墨平均導(dǎo)熱系數(shù)為120.3 W/(m·K)，是碳鋼的3 倍和不銹鋼的7 倍，另一方面，垂直交錯式孔道結(jié)構(gòu)可以充分利用空間結(jié)構(gòu)，形成較大的傳熱面積；③裝配式結(jié)構(gòu)，由于堆塊之間是壓緊密封，無需使用粘接劑，因此可設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)換熱元件，零件互換性好，制造和維修方便，易組裝成不同規(guī)格的換熱設(shè)備。

塊孔式石墨換熱器的缺點是：換熱孔道通常較小，導(dǎo)致流體阻力較大，其單臺換熱面積不宜過大；同時，小孔道容易堵塞，故不宜用于粘度大或含有雜質(zhì)的物料。

2 塊孔式石墨換熱器的基本要求

塊孔式石墨換熱器用石墨塊具有各向異性的特點，石墨和浸漬石墨材料沿不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)，說明兩者平行于壓制方向的導(dǎo)熱系數(shù)均高于垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)，但其數(shù)值相差不大。塊孔式石墨換熱器為裝配式設(shè)備，可避免熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致的溫度應(yīng)力過大的問題，同時還可以避免使用粘接結(jié)構(gòu)，因此可在較高操作溫度下穩(wěn)定運行。石墨制元件的抗壓能力強，應(yīng)保證石墨制元件處于擠壓狀態(tài)，避免其承受拉應(yīng)力或彎曲應(yīng)力，但需要注意金屬材質(zhì)的緊固件，如螺栓等，不宜直接安裝在石墨元件上。在進行強度計算時，由于石墨制品的不均質(zhì)性導(dǎo)致其安全系數(shù)取值較大，參考文獻中的規(guī)定：用于設(shè)計的許用應(yīng)力值為石墨材料工藝評定報告中指定設(shè)計溫度下抗拉或者抗壓、抗彎平均值的80%除以安全系數(shù)6.0（毒性危害程度為極度或者高度危害介質(zhì)時，安全系數(shù)選7.0）。此外，壓緊彈簧在設(shè)備組裝完成后須施加一定的預(yù)緊力，保證在操作工況時能夠保證整個堆塊處于壓緊狀態(tài)。壓緊彈簧不僅可以起到補償熱膨脹位移的作用，還可以避免預(yù)緊螺栓時外力過大而導(dǎo)致石墨元件損壞的情況。

塊孔式石墨換熱器的設(shè)計輸入與普通換熱器基本一致，需要需求方分別提供管程和殼程的工作壓力、溫度及介質(zhì)，并明確最小換熱面積。本文以某工程中40 m2鹽酸預(yù)熱器為例，具體要求如下：管程工作介質(zhì)為0.2 MPa、100 ℃的35%鹽酸；殼程工作壓力為0.4 MPa、120 ℃的水蒸氣；換熱面積為40 m2，逆流傳熱，彈簧壓緊形式裝配結(jié)構(gòu)。

3 塊孔式石墨換熱器設(shè)計

塊孔式石墨換熱器設(shè)計的核心理念就是圍繞換熱塊進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體來講，首先依據(jù)設(shè)計輸入和制造工藝，對換熱塊和封頭塊進行選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計；再將堆塊用金屬殼體進行圍封，并增加折流板、平蓋及其緊固件、接管及管法蘭等功能組件；之后，設(shè)置壓緊彈簧并進行選型核算；最后，對各零部件進行校審，完成設(shè)備設(shè)計工作。此外，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場使用反饋的經(jīng)驗，對設(shè)備進行優(yōu)化完善。

3.1 塊孔式石墨換熱器的材質(zhì)選擇

浸漬石墨是以人造石墨為基材，使用不同浸漬劑填塞其孔隙，再經(jīng)固化加工而成的一種不透性石墨。石墨的化學(xué)穩(wěn)定性好，特別是在含有氯離子的介質(zhì)中使用，耐腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，因此，浸漬石墨的耐腐蝕性能取決于浸漬劑，選擇能夠滿足換熱介質(zhì)耐腐蝕性能的浸漬劑，是塊孔式石墨換熱器選材的關(guān)鍵。

酚醛樹脂作為常見的浸漬劑，能夠耐受大多數(shù)有機酸、無機酸、有機化合物和鹽類等的腐蝕，但不可用于強堿環(huán)境。文獻中列明了酚醛樹脂浸漬石墨在不同介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性，說明其能耐受任意濃度且達到沸點溫度狀態(tài)的鹽酸。此外，還可以在浸漬劑中加入添加劑，進一步改善浸漬石墨的耐腐蝕性能或物理機械性能。

3.2 塊孔式石墨換熱器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

塊孔式石墨換熱器的主要結(jié)構(gòu)部件包括換熱塊、封頭塊、圍封殼體、壓緊裝置及其他部件。

3.2.1 換熱塊設(shè)計

換熱塊是塊孔式石墨換熱器的傳熱單元，其規(guī)格大小和開孔形式影響設(shè)備的傳熱效率、換熱面積、外形尺寸等性能參數(shù)。

換熱塊的規(guī)格受限于人造石墨以及浸漬工藝允許的最大尺寸。文獻列出的最大換熱塊外徑為1.6 m?？紤]到孔道加工難度和制造成本，一般采用直徑1 m 以內(nèi)的浸漬石墨塊。若單臺設(shè)備難以滿足換熱面積的需求，可以采用多臺設(shè)備串聯(lián)的方式來滿足設(shè)計需求。

對壓力設(shè)備而言，換熱塊的開孔形式一般為垂直交錯式，在保證流體的換熱效率的同時，還能兼顧較好的密封效果，不容易發(fā)生介質(zhì)串漏問題。管程的通道即為軸向孔道，其無流向變化，流動阻力小，適合作為鹽酸的工作空間，并采用較大孔徑16 mm，進一步降低流動阻力；殼程為水蒸氣，可采用較小孔徑10 mm，滿足蒸汽流動要求。開孔間距主要受浸漬石墨的機械加工性能和鉆孔技術(shù)的影響，一般孔間壁厚≥5 mm，且加工偏差≤1 mm。軸向孔道共270 個16 mm 孔，總表面積為4.34 m2；徑向孔道共272 個10 mm 孔，總表面積為3.63 m2；因此，每個換熱塊平均換熱面積為4.00 m2，整臺設(shè)備需要10 個換熱塊。根據(jù)實際制造技術(shù)能力，孔間壁厚在設(shè)計時可適當(dāng)提高，避免發(fā)生串漏問題。換熱塊實際開孔布置如圖3所示。

圖3 換熱塊實際開孔布置圖Fig.3 The layout of holes in the heat exchange block

本設(shè)備工作壓力較低，密封結(jié)構(gòu)可采用膨體四氟墊片，為進一步提高密封效果，可在密封面加工水紋線。由于軟墊片在使用時會發(fā)生損壞無法重復(fù)利用，因此，在檢修完成后須更換所有墊片。

3.2.2 封頭塊設(shè)計

封頭塊主要有2 個功能：①構(gòu)成包容物料的空間結(jié)構(gòu)；②使待加熱物料能夠均勻地分配至換熱塊的孔道中，或收集已加熱物料。封頭塊結(jié)構(gòu)尺寸詳圖如圖4所示。

圖4 封頭塊結(jié)構(gòu)尺寸詳圖Fig.4 The structure dimension details of the head block

封頭塊與蓋板接觸表面的平面度要求高，避免蓋板受力不均導(dǎo)致封頭塊破損或密封泄漏等問題。封頭塊的端面平行度允差要求為0.15%，組裝后不平行度允差≤1.5 mm。

3.2.3 圍封殼體設(shè)計

本設(shè)備殼程部分為水蒸氣，沒有腐蝕性且壓力較低，因此可采用常規(guī)容器用鋼設(shè)計。筒體按換熱塊間接觸位置設(shè)置半環(huán)形折流板和豎向擋板，折流板和擋板材質(zhì)可采用焊接式薄板或裝配式聚四氟乙烯板，其與石墨塊間隙一般為1～2 mm。

殼體與石墨塊之間采用O 形圈密封，其材質(zhì)選用氟橡膠，可滿足密封要求。

3.2.4 壓緊裝置設(shè)計

壓緊裝置是塊孔式石墨換熱器組裝的關(guān)鍵部件，其主要由上下蓋板、長桿雙頭螺柱、彈簧和其他連接附件組成，壓緊裝置組成及其受力分析圖如圖5所示。

圖5 壓緊裝置組成及其受力分析圖Fig.5 The holding-down device's composition and its stress analysis model

壓緊裝置在非操作工況須施加一定的預(yù)緊力（f1）；當(dāng)堆塊因升溫導(dǎo)致膨脹產(chǎn)生位移，壓縮彈簧產(chǎn)生溫差力（f2）；在堆塊內(nèi)部充壓時，上、下封頭塊分別承受壓力（FP），因此彈簧力（F1） 等于預(yù)緊力（f1）、溫差力（f2） 及兩倍的內(nèi)壓壓力（FP） 之和。上蓋板對封頭壓力（F2） 等于彈簧力（F1） 與上蓋板自重（G1） 之和；上封頭密封處壓力（F3） 等于上蓋板壓力（F2） 與上封頭塊自重（G2） 之和并減去上封頭因內(nèi)壓產(chǎn)生的力（FP） 的力值；下封頭密封處壓力（F4） 等于上封頭密封處壓力（F3） 與換熱塊自重（G3） 之和；下蓋板所受壓力（F5） 等于下封頭密封處壓力（F4）、下封頭自重（G4） 及內(nèi)壓對下封頭產(chǎn)生的力（FP） 之和；下蓋板為固定端，其支反力（F6） 為設(shè)備總重（G1+G2+G3+G4+G5）；下蓋板所受壓力（F5） 與其自重（G5） 等于支反力（F6） 與螺柱拉力（F7）之和；同時，螺柱拉力（F7） 等于彈簧力（F1）。上述受力關(guān)系式已列明在圖5中。

經(jīng)受力分析可知，各密封面中，下封頭密封面壓力（F4） 最大，要求其計算應(yīng)力不得超過許用壓應(yīng)力；同時，上封頭密封面壓力（F3） 最小，要求其不得低于墊片最小密封力，從而計算出預(yù)緊力（f1） 的最小值。按浸漬石墨理論熱膨脹系數(shù)獲得設(shè)備溫差位移，根據(jù)文獻中的壓縮彈簧計算方法確定彈簧最大剛度限值，并結(jié)合使用經(jīng)驗對彈簧進行選型設(shè)計。此外，根據(jù)設(shè)備使用經(jīng)驗需要注意以下問題：內(nèi)壓值應(yīng)按水壓試驗值計算，結(jié)果是偏于保守的；由于存在多密封面結(jié)構(gòu)，因此預(yù)緊力應(yīng)適當(dāng)提高，以保證工作狀態(tài)下各密封面不泄漏。

上、下蓋板為中心開孔的圓形金屬板，可簡化為承受均布壓力、外周簡支的環(huán)板，可參考理論模型計算板厚，使其應(yīng)力和變形撓度滿足結(jié)構(gòu)要求即可。

3.2.5 其他要求

設(shè)備吊裝可設(shè)置在壓緊裝置的長桿雙頭螺柱上，并加裝吊環(huán)和防松螺母。

4 結(jié)語

使用浸漬石墨制作的塊孔式石墨換熱器，有著良好的耐腐蝕性能，導(dǎo)熱系數(shù)高，在化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

以某工程40 m2鹽酸預(yù)熱器為例，對塊孔式石墨換熱器的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和結(jié)構(gòu)特點進行了說明，并闡述了其基本要求和設(shè)計過程，詳細(xì)介紹了換熱塊、封頭塊、圍封殼體、壓緊裝置的設(shè)計要點。本設(shè)備能夠滿足管程工作介質(zhì)為0.2 MPa、100℃的35%鹽酸和殼程工作壓力為0.4 MPa、120 ℃的水蒸氣的熱交換功能。其中，換熱塊軸向孔道直徑為16 mm，徑向孔道直徑為10 mm，單塊換熱面積為4 m2，共10 個換熱塊；塊間采用軟質(zhì)的膨脹四氟墊片密封；密封法蘭采用O 形圈密封；壓緊裝置的預(yù)緊力須考慮最大承壓能力和最小密封壓力的要求；整體采用彈簧壓緊式裝配結(jié)構(gòu)，便于安裝與檢修。

對塊孔式石墨換熱器的設(shè)計過程和設(shè)計要點進行了總結(jié)，對該類設(shè)備的設(shè)計研究具有指導(dǎo)意義。