列管式石墨换热器的结构特点分析
时间：2023-02-17 19:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张月圆
（南通晨光石墨设备有限公司，江苏 南通 226003）
我国石墨制化工设备生产技术，五十年代自苏联引进，主要结构型式为三大类即YKA（块孔式）、3JK（矩形块孔式）和GH（列管式），为我国的早期工业尤其是氯碱工业发展，作出了应有贡献。随着现代工业的规模化扩展，石墨制化工装备的生产同样得以快速成长，以YKA圆块孔式石墨换热器为例，从YKA（圆块中空，横向流道由外圆切向钻孔进入内圆）、YKB（圆块中空，横向流道由外圆径向钻孔进入内圆），到YKC即第三代即圆块实体，纵、横向流道垂直交错排列，具有结构强度大、热交换效率高、原材料利用率高等优势产品。而传统的GH列管式，也逐步发展为GGH、GGZ、YKGH（组合）等诸多型号。
GH列管式石墨换热器，具有结构简单、“一孔到底”、单一规格易型化等相对优势，但是也存在结构强度较低、适用温度低、热交换效率相对较低等明显不足。尤其是其核心部件-石墨换热管，因为我国尚无真正意义上的“石墨管”产品，只能以“压型石墨管”（25%酚醛树脂、75%石墨粉混合挤压成形）替代。
随着石墨换热逐渐向标准化、系列化、大型化发展，以及国内外科技技术水平和自动化程度迅速提高，圆块式石墨换热器面世了，它除了具备优良的密封性能、可拆换性等特点外，在换热性能方面，材料的导热系数远高于列管式；
在耐腐蚀性能方面，因其浸渍剂选择的多样性，除了盐酸、70%硫酸之外，硝酸、氢氟酸、混酸（硫酸+硝酸）等工况下，并且在有机物（DMF等）及部分碱类介质中也可适用。因此浮动管板式列管换热器逐渐被圆块式石墨换热器抢占市场。
但因列管式孔径大，物流能直线流动等特点，如在磷酸浓缩工况中，重要生产装置蒸发（加热）器相对庞大为一大特点，其单一设备为700～900m2已属大型企业常规设备。且设备（加热器）要求高，主要原因是：因为湿法生产工艺特点，必然导致其“杂质含量较高”，其中含有2%左右的H2SO4和2%左右的H2SiF6（以F计），同时在加热浓缩的过程中，已处于过饱和或饱和状态的杂质随浓度的不断升高而析出，在换热管表面形成结晶垢，降低换热效率，并且需要定期碱洗。
为使列管换热器在磷酸浓缩工况中维修频率降低，使用寿命加长，我们公司不断研发，开发出能够适用于蒸发（结晶）工况的浸渍石墨列管式换热器。
伟人说、人类社会发展就是在不断总结提高中前进的，我国的社会经济发展，得益于改革开放的伟大潮流，正逐步发展为“中国智造”，石墨制化工装（设）备的生产技术，同样也是万众创新争风采。随着我国经济的快速发展，石墨换热器亦逐渐走向标准化、系列化、大型化发展方向，就产品结构而言，以传统的列管式、块孔式产品为主，逐渐发展出波纹板式、热管式等更多产品；
而从功能需求而言，各种冷却（凝）器、加热器、反应器、反应釜、净化装备（文丘里、填料塔）、精馏装备（泡罩、浮阀塔）等等，以满足市场的不同需求。
（1）GH型列管式浸渍石墨加热（蒸发）器已经面世
我公司近年着重于浸渍石墨管的产品研发，GH型列管式浸渍石墨加热器已经顺利应用于湿法磷酸加热（蒸发）工艺，并且远销海外。
我方浸渍石墨管加工，采用自主知识产权（发明专利），利用现有石墨型材，通过加工（切割、加工、钻孔等）、浸渍、粘接成型，浸渍树脂可以多种（酚醛、呋喃、聚四氟乙烯、高分子杂链树脂等），尽管其加工工艺复杂，但相对成本低、仅为进口产品35%左右；
（2）GH型列管式石墨换热器结构形式
GH型列管式石墨换热器由不透性石墨管为核心部件，其石墨管规格有：ø22/ø32、ø25/ø37、ø36/ø50等规不同规格，与石墨管板组成管束，置于金属壳体内，再连接上、下封头并通过螺栓紧固为一体。根据使用工艺要求，壳体材质可为金属材料、钢塑（F4）复合材料或者浸渍石墨等材质制造；
石墨管与石墨管板之间，通过粘接方式固定成为石墨管束，石墨管束由石墨管、浮动管板、固定式管板组成（简称GH型），适用于温度-19～180℃、压力-0.1～0.7MPa的工艺条件，主要用于加热器、再沸器等高温工况。
作为GH型号改良之GGH型，通过机械密封原理，即通过石墨管板螺纹，辅以石墨压环、通过石墨螺丝与石墨管板螺纹的作用，迫使石墨压环移动而压紧O型氟橡胶圈，从而达到“单管密封，所有石墨换热管全部配置同样机械密封，达到“不同石墨管因其内在应力不同而自由伸缩”，实现了该型产品的更广泛适用性。此型号同样适用于压型石墨管产品。
不透性石墨管按照其制造工艺分为压型管、浸渍管。
（1）压型石墨管
压型石墨管是采用石墨粉与粘接剂（树脂）按照一定的比例混合，经过混捏、压型、热处理而成，再其制造过程中影响因素有很多，挤压速度、石墨粉的颗粒度、树脂的质量以及含量。如树脂含量过高，石墨管的导热系数就会直线下降，线膨胀系数也会随之上涨，而树脂含量过低会导致不能挤压出管，因此挤压过程必须控制适量的比例混合，既要保证顺利挤压出管，又要保证设备整体的换热性能，尽可能的提高换热效果。
在相关文献中，我们可以查到酚醛树脂石墨棺材的导热系数为30W/（m·℃），我们拿市场在售的酚醛树脂石墨管材检测其导热系数，检测结果仅为19W/（m·℃），这是因为在压型石墨管在挤管过程中添加过量的酚醛树脂更易于石墨管成型，可见树脂的加入比例对压型石墨管的导热系数影响极大，正因如此导致该型产品使用范围严重受限。
压型石墨管通过中温处理将酚醛树脂焦化后，线膨胀系数会趋于稳定，而中温处理过程对温度控制要求极高。市场上常见压型石墨管仅通过热处理过程提高其机械强度，但因酚醛树脂未焦化，其线膨胀系数随着温度的升高而急剧升高，导热系数随着温度的升高而下降，在温度达到130℃后，线膨胀系数又会逐步下降，这就是压型石墨列管式换热器只能用于低于120℃工况下的主要原因[1]；
（2）浸渍管
浸渍石墨管是利用石墨块材加工（切、钻，车）、浸渍、粘接成型，加工工艺复杂，耗材较严重，价格昂贵，现阶段主要用于磷酸加热工况。磷酸易于结垢，需通过高流速（约3m/s）来抑制结垢现象，且为了提高换热效果，多用蒸汽作为热源。压型石墨管除线膨胀系数达不到适应工况外还不耐冲刷，圆块孔式石墨换热使的块块叠加中间必定留有再分配室，磷酸（过饱和溶液）经过分配室时结晶物堆积，进而堵塞块孔，降低设备使用性能。
浸渍石墨管（选用中等颗粒致密石墨）的热导率为115.56～157（W/m·K），为压型石墨管的数倍，提高了设备的蒸发强度，且浸渍石墨管的线膨胀系数为2.4×10-6/℃，仅为压型石墨管的十分之一，消除了因线膨胀系数不同而引起的应力破坏，极大地提高了设备的综合效能。因浸渍石墨管与圆块孔石墨换热器材质相同，可见浸渍石墨管的总传热系数接近或高于圆块孔石墨换热器>列管式石墨换热器（GH型、GGH型）。
我公司近年着重于浸渍石墨管的加工工艺研发，研发出一种新型加工刀具，可通过数控车床将0.8mm细颗粒石墨块材一次性加工成型, 省去之前加工工艺中切、钻、车的过程，减少人力成本，材料利用率可提高一倍以上，更便于控制石墨管管壁厚度，且能够使管壁厚度更加均匀。
石墨管与管板之间通过粘接方式固定，也可通过螺纹压紧O型圈式固定连接。
（1）粘接方式固定
石墨管以正三角形在管板上排列，并以插入锥面结构粘接于上、下管板。
因压型石墨管与金属壳体的线膨胀系数不一致，金属壳体材质通常为碳素钢，其线膨胀系数为1.153×10-5（100℃）/℃，压型石墨管的线膨胀系数2.47×10-5（129℃）/℃（如图1所示），可见压型石墨管的线膨胀系数为碳素钢的两倍。因线膨胀系数的不一致，压型石墨管与管板之间在采用粘接方式时，通常设置上管板为固定管板，下管板为浮动管板，通过下管板的自由浮动补偿因温度变化带来的压型石墨管轴向压缩压力与金属壳体轴向拉伸压力的温差应力。此结构型式设备称为浮头式列管换热器（GH型）。
图1 酚醛石墨管线膨胀系数与温度的关系[2]
设备在下管板浮动时，需所有横截面上石墨管为相同的轴向压缩压力，即要求所有横截面上的温度一致。当加热介质进液温度过高，压型石墨管线膨胀系数急剧变化，加热进口虽设置了进液口分布器，但在进液口这一横截面上，靠近进口的温度明显高于远离进口的温度，即靠近进口的压型管的线膨胀状况明显高于远离进口的，靠近进口的压型管线膨胀导致的轴线压缩应力得不到及时的补偿，容易出现此处的石墨管产生裂纹甚至断裂而导致设备内漏。因此浮头式列管式换热器主要适用于冷却、冷凝等工况，在低温环境下使用较为安全，而在加热、蒸发等温度稍高的工况下安全性降低。
如上文数据提到，浸渍石墨管的线膨胀系数小于金属壳体，且浸渍石墨管与管板材质相同，在浸渍管与管板采用粘接方式固定式连接时，金属壳体因温差变化引起的线膨胀变化更为突出，因此需要考虑金属壳体的温差应力补偿；
（2）螺纹压紧O型圈式固定连接
通过石墨螺丝挤压石墨压环锁紧O型圈而达到石墨管与石墨管板的密封效果。通过计算线膨胀因素引起的石墨管的伸缩长度，控制石墨螺丝、石墨压环、石墨管之间的空腔高度，保证单管在温差应力影响下可自由收缩，消除了浮头列管式要求同一横截面同一温度要求，保证设备在加热、蒸发工况下安全稳定运行。
此结构型式设备称为固定式列管换热器。上、下管板均为固定式，下管板为氟橡胶O型圈密封，上管板可为粘接式也可为O型圈密封式。上下管板均采用O型圈密封易便于更换石墨管，提高设备换热效率，延长使用寿命。
在《列管式石墨换热器温差应力分析》[3]一文中提出“对石墨一类的脆性材料所制成的设备来说，温度应力对设备的安全有很大的威胁，列管式石墨换热器必须改为浮头式的结构。”似有不够严谨之处，值得商榷。
如上所述，我公司列管式石墨换热器形式具备多样式，现有产品中浮头式（GH型）、固定式（GGH型）的设计均在一定程度上消除温度应力产生的对压型石墨管的破坏。
浮头式通过下管板可浮动的形式，在换热管线膨胀超过钢壳时，可以通过下管板的浮动，伸缩换热管，使压型石墨管得到一定程度的应力补偿。
固定式（GGH型）则因压型石墨管与管板之间通过螺纹压紧O型圈式固定连接，在每根管子端部均留有一定的空间便于石墨管的伸缩变形，进而做到逐根消除换热管温差应力，因此在使用过程中，固定式（GGH型）可用于加热、蒸发等工况。
浸渍石墨管的线膨胀系数为碳素钢的1/2，可见列管式换热管选用浸渍石墨管时，温度变化对金属壳体影响更大，可通过弹簧得到补偿，保证产品性能。
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