列管式石墨換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

張?jiān)聢A

（南通晨光石墨設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226003）

0 引言

我國石墨制化工設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)，五十年代自蘇聯(lián)引進(jìn)，主要結(jié)構(gòu)型式為三大類即YKA（塊孔式）、3JK（矩形塊孔式）和GH（列管式），為我國的早期工業(yè)尤其是氯堿工業(yè)發(fā)展，作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的規(guī)?；瘮U(kuò)展，石墨制化工裝備的生產(chǎn)同樣得以快速成長，以YKA圓塊孔式石墨換熱器為例，從YKA（圓塊中空，橫向流道由外圓切向鉆孔進(jìn)入內(nèi)圓）、YKB（圓塊中空，橫向流道由外圓徑向鉆孔進(jìn)入內(nèi)圓），到Y(jié)KC即第三代即圓塊實(shí)體，縱、橫向流道垂直交錯(cuò)排列，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、熱交換效率高、原材料利用率高等優(yōu)勢產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的GH列管式，也逐步發(fā)展為GGH、GGZ、YKGH（組合）等諸多型號(hào)。

GH列管式石墨換熱器，具有結(jié)構(gòu)簡單、“一孔到底”、單一規(guī)格易型化等相對(duì)優(yōu)勢，但是也存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低、適用溫度低、熱交換效率相對(duì)較低等明顯不足。尤其是其核心部件-石墨換熱管，因?yàn)槲覈袩o真正意義上的“石墨管”產(chǎn)品，只能以“壓型石墨管”（25%酚醛樹脂、75%石墨粉混合擠壓成形）替代。

隨著石墨換熱逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、大型化發(fā)展，以及國內(nèi)外科技技術(shù)水平和自動(dòng)化程度迅速提高，圓塊式石墨換熱器面世了，它除了具備優(yōu)良的密封性能、可拆換性等特點(diǎn)外，在換熱性能方面，材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于列管式；在耐腐蝕性能方面，因其浸漬劑選擇的多樣性，除了鹽酸、70%硫酸之外，硝酸、氫氟酸、混酸（硫酸+硝酸）等工況下，并且在有機(jī)物（DMF等）及部分堿類介質(zhì)中也可適用。因此浮動(dòng)管板式列管換熱器逐漸被圓塊式石墨換熱器搶占市場。

但因列管式孔徑大，物流能直線流動(dòng)等特點(diǎn)，如在磷酸濃縮工況中，重要生產(chǎn)裝置蒸發(fā)（加熱）器相對(duì)龐大為一大特點(diǎn)，其單一設(shè)備為700～900m2已屬大型企業(yè)常規(guī)設(shè)備。且設(shè)備（加熱器）要求高，主要原因是：因?yàn)闈穹ㄉa(chǎn)工藝特點(diǎn)，必然導(dǎo)致其“雜質(zhì)含量較高”，其中含有2%左右的H2SO4和2%左右的H2SiF6（以F計(jì)），同時(shí)在加熱濃縮的過程中，已處于過飽和或飽和狀態(tài)的雜質(zhì)隨濃度的不斷升高而析出，在換熱管表面形成結(jié)晶垢，降低換熱效率，并且需要定期堿洗。

為使列管換熱器在磷酸濃縮工況中維修頻率降低，使用壽命加長，我們公司不斷研發(fā)，開發(fā)出能夠適用于蒸發(fā)（結(jié)晶）工況的浸漬石墨列管式換熱器。

1 列管式石墨換熱器

偉人說、人類社會(huì)發(fā)展就是在不斷總結(jié)提高中前進(jìn)的，我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，得益于改革開放的偉大潮流，正逐步發(fā)展為“中國智造”，石墨制化工裝（設(shè)）備的生產(chǎn)技術(shù)，同樣也是萬眾創(chuàng)新爭風(fēng)采。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石墨換熱器亦逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、大型化發(fā)展方向，就產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而言，以傳統(tǒng)的列管式、塊孔式產(chǎn)品為主，逐漸發(fā)展出波紋板式、熱管式等更多產(chǎn)品；而從功能需求而言，各種冷卻（凝）器、加熱器、反應(yīng)器、反應(yīng)釜、凈化裝備（文丘里、填料塔）、精餾裝備（泡罩、浮閥塔）等等，以滿足市場的不同需求。

（1）GH型列管式浸漬石墨加熱（蒸發(fā)）器已經(jīng)面世

我公司近年著重于浸漬石墨管的產(chǎn)品研發(fā)，GH型列管式浸漬石墨加熱器已經(jīng)順利應(yīng)用于濕法磷酸加熱（蒸發(fā)）工藝，并且遠(yuǎn)銷海外。

我方浸漬石墨管加工，采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)（發(fā)明專利），利用現(xiàn)有石墨型材，通過加工（切割、加工、鉆孔等）、浸漬、粘接成型，浸漬樹脂可以多種（酚醛、呋喃、聚四氟乙烯、高分子雜鏈樹脂等），盡管其加工工藝復(fù)雜，但相對(duì)成本低、僅為進(jìn)口產(chǎn)品35%左右；

（2）GH型列管式石墨換熱器結(jié)構(gòu)形式

GH型列管式石墨換熱器由不透性石墨管為核心部件，其石墨管規(guī)格有：?22/?32、?25/?37、?36/?50等規(guī)不同規(guī)格，與石墨管板組成管束，置于金屬殼體內(nèi)，再連接上、下封頭并通過螺栓緊固為一體。根據(jù)使用工藝要求，殼體材質(zhì)可為金屬材料、鋼塑（F4）復(fù)合材料或者浸漬石墨等材質(zhì)制造；

石墨管與石墨管板之間，通過粘接方式固定成為石墨管束，石墨管束由石墨管、浮動(dòng)管板、固定式管板組成（簡稱GH型），適用于溫度-19～180℃、壓力-0.1～0.7MPa的工藝條件，主要用于加熱器、再沸器等高溫工況。

作為GH型號(hào)改良之GGH型，通過機(jī)械密封原理，即通過石墨管板螺紋，輔以石墨壓環(huán)、通過石墨螺絲與石墨管板螺紋的作用，迫使石墨壓環(huán)移動(dòng)而壓緊O型氟橡膠圈，從而達(dá)到“單管密封，所有石墨換熱管全部配置同樣機(jī)械密封，達(dá)到“不同石墨管因其內(nèi)在應(yīng)力不同而自由伸縮”，實(shí)現(xiàn)了該型產(chǎn)品的更廣泛適用性。此型號(hào)同樣適用于壓型石墨管產(chǎn)品。

2 不透性石墨管

不透性石墨管按照其制造工藝分為壓型管、浸漬管。

（1）壓型石墨管

壓型石墨管是采用石墨粉與粘接劑（樹脂）按照一定的比例混合，經(jīng)過混捏、壓型、熱處理而成，再其制造過程中影響因素有很多，擠壓速度、石墨粉的顆粒度、樹脂的質(zhì)量以及含量。如樹脂含量過高，石墨管的導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)直線下降，線膨脹系數(shù)也會(huì)隨之上漲，而樹脂含量過低會(huì)導(dǎo)致不能擠壓出管，因此擠壓過程必須控制適量的比例混合，既要保證順利擠壓出管，又要保證設(shè)備整體的換熱性能，盡可能的提高換熱效果。

在相關(guān)文獻(xiàn)中，我們可以查到酚醛樹脂石墨棺材的導(dǎo)熱系數(shù)為30W/（m·℃），我們拿市場在售的酚醛樹脂石墨管材檢測其導(dǎo)熱系數(shù)，檢測結(jié)果僅為19W/（m·℃），這是因?yàn)樵趬盒褪茉跀D管過程中添加過量的酚醛樹脂更易于石墨管成型，可見樹脂的加入比例對(duì)壓型石墨管的導(dǎo)熱系數(shù)影響極大，正因如此導(dǎo)致該型產(chǎn)品使用范圍嚴(yán)重受限。

壓型石墨管通過中溫處理將酚醛樹脂焦化后，線膨脹系數(shù)會(huì)趨于穩(wěn)定，而中溫處理過程對(duì)溫度控制要求極高。市場上常見壓型石墨管僅通過熱處理過程提高其機(jī)械強(qiáng)度，但因酚醛樹脂未焦化，其線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而急劇升高，導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而下降，在溫度達(dá)到130℃后，線膨脹系數(shù)又會(huì)逐步下降，這就是壓型石墨列管式換熱器只能用于低于120℃工況下的主要原因[1]；

（2）浸漬管

浸漬石墨管是利用石墨塊材加工（切、鉆，車）、浸漬、粘接成型，加工工藝復(fù)雜，耗材較嚴(yán)重，價(jià)格昂貴，現(xiàn)階段主要用于磷酸加熱工況。磷酸易于結(jié)垢，需通過高流速（約3m/s）來抑制結(jié)垢現(xiàn)象，且為了提高換熱效果，多用蒸汽作為熱源。壓型石墨管除線膨脹系數(shù)達(dá)不到適應(yīng)工況外還不耐沖刷，圓塊孔式石墨換熱使的塊塊疊加中間必定留有再分配室，磷酸（過飽和溶液）經(jīng)過分配室時(shí)結(jié)晶物堆積，進(jìn)而堵塞塊孔，降低設(shè)備使用性能。

浸漬石墨管（選用中等顆粒致密石墨）的熱導(dǎo)率為115.56～157（W/m·K），為壓型石墨管的數(shù)倍，提高了設(shè)備的蒸發(fā)強(qiáng)度，且浸漬石墨管的線膨脹系數(shù)為2.4×10-6/℃，僅為壓型石墨管的十分之一，消除了因線膨脹系數(shù)不同而引起的應(yīng)力破壞，極大地提高了設(shè)備的綜合效能。因浸漬石墨管與圓塊孔石墨換熱器材質(zhì)相同，可見浸漬石墨管的總傳熱系數(shù)接近或高于圓塊孔石墨換熱器>列管式石墨換熱器（GH型、GGH型）。

我公司近年著重于浸漬石墨管的加工工藝研發(fā)，研發(fā)出一種新型加工刀具，可通過數(shù)控車床將0.8mm細(xì)顆粒石墨塊材一次性加工成型, 省去之前加工工藝中切、鉆、車的過程，減少人力成本，材料利用率可提高一倍以上，更便于控制石墨管管壁厚度，且能夠使管壁厚度更加均勻。

3 石墨管與管板的連接方式

石墨管與管板之間通過粘接方式固定，也可通過螺紋壓緊O型圈式固定連接。

（1）粘接方式固定

石墨管以正三角形在管板上排列，并以插入錐面結(jié)構(gòu)粘接于上、下管板。

因壓型石墨管與金屬殼體的線膨脹系數(shù)不一致，金屬殼體材質(zhì)通常為碳素鋼，其線膨脹系數(shù)為1.153×10-5（100℃）/℃，壓型石墨管的線膨脹系數(shù)2.47×10-5（129℃）/℃（如圖1所示），可見壓型石墨管的線膨脹系數(shù)為碳素鋼的兩倍。因線膨脹系數(shù)的不一致，壓型石墨管與管板之間在采用粘接方式時(shí)，通常設(shè)置上管板為固定管板，下管板為浮動(dòng)管板，通過下管板的自由浮動(dòng)補(bǔ)償因溫度變化帶來的壓型石墨管軸向壓縮壓力與金屬殼體軸向拉伸壓力的溫差應(yīng)力。此結(jié)構(gòu)型式設(shè)備稱為浮頭式列管換熱器（GH型）。

圖1 酚醛石墨管線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系[2]

設(shè)備在下管板浮動(dòng)時(shí)，需所有橫截面上石墨管為相同的軸向壓縮壓力，即要求所有橫截面上的溫度一致。當(dāng)加熱介質(zhì)進(jìn)液溫度過高，壓型石墨管線膨脹系數(shù)急劇變化，加熱進(jìn)口雖設(shè)置了進(jìn)液口分布器，但在進(jìn)液口這一橫截面上，靠近進(jìn)口的溫度明顯高于遠(yuǎn)離進(jìn)口的溫度，即靠近進(jìn)口的壓型管的線膨脹狀況明顯高于遠(yuǎn)離進(jìn)口的，靠近進(jìn)口的壓型管線膨脹導(dǎo)致的軸線壓縮應(yīng)力得不到及時(shí)的補(bǔ)償，容易出現(xiàn)此處的石墨管產(chǎn)生裂紋甚至斷裂而導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)漏。因此浮頭式列管式換熱器主要適用于冷卻、冷凝等工況，在低溫環(huán)境下使用較為安全，而在加熱、蒸發(fā)等溫度稍高的工況下安全性降低。

如上文數(shù)據(jù)提到，浸漬石墨管的線膨脹系數(shù)小于金屬殼體，且浸漬石墨管與管板材質(zhì)相同，在浸漬管與管板采用粘接方式固定式連接時(shí)，金屬殼體因溫差變化引起的線膨脹變化更為突出，因此需要考慮金屬殼體的溫差應(yīng)力補(bǔ)償；

（2）螺紋壓緊O型圈式固定連接

通過石墨螺絲擠壓石墨壓環(huán)鎖緊O型圈而達(dá)到石墨管與石墨管板的密封效果。通過計(jì)算線膨脹因素引起的石墨管的伸縮長度，控制石墨螺絲、石墨壓環(huán)、石墨管之間的空腔高度，保證單管在溫差應(yīng)力影響下可自由收縮，消除了浮頭列管式要求同一橫截面同一溫度要求，保證設(shè)備在加熱、蒸發(fā)工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

此結(jié)構(gòu)型式設(shè)備稱為固定式列管換熱器。上、下管板均為固定式，下管板為氟橡膠O型圈密封，上管板可為粘接式也可為O型圈密封式。上下管板均采用O型圈密封易便于更換石墨管，提高設(shè)備換熱效率，延長使用壽命。

4 結(jié)語

在《列管式石墨換熱器溫差應(yīng)力分析》[3]一文中提出“對(duì)石墨一類的脆性材料所制成的設(shè)備來說，溫度應(yīng)力對(duì)設(shè)備的安全有很大的威脅，列管式石墨換熱器必須改為浮頭式的結(jié)構(gòu)?！彼朴胁粔驀?yán)謹(jǐn)之處，值得商榷。

如上所述，我公司列管式石墨換熱器形式具備多樣式，現(xiàn)有產(chǎn)品中浮頭式（GH型）、固定式（GGH型）的設(shè)計(jì)均在一定程度上消除溫度應(yīng)力產(chǎn)生的對(duì)壓型石墨管的破壞。

浮頭式通過下管板可浮動(dòng)的形式，在換熱管線膨脹超過鋼殼時(shí)，可以通過下管板的浮動(dòng)，伸縮換熱管，使壓型石墨管得到一定程度的應(yīng)力補(bǔ)償。

固定式（GGH型）則因壓型石墨管與管板之間通過螺紋壓緊O型圈式固定連接，在每根管子端部均留有一定的空間便于石墨管的伸縮變形，進(jìn)而做到逐根消除換熱管溫差應(yīng)力，因此在使用過程中，固定式（GGH型）可用于加熱、蒸發(fā)等工況。

浸漬石墨管的線膨脹系數(shù)為碳素鋼的1/2，可見列管式換熱管選用浸漬石墨管時(shí)，溫度變化對(duì)金屬殼體影響更大，可通過彈簧得到補(bǔ)償，保證產(chǎn)品性能。