圓塊孔式石墨換熱器廣泛應(yīng)用于電石乙炔法PVC生產(chǎn)中與HC1氣體或鹽酸相關(guān)的工藝過程。主要設(shè)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(yù)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(jié)構(gòu)型式有：列管式和圓塊孔式石墨換熱器兩種。

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(dǎo)率高，使用溫度較高等優(yōu)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(shè)備的使用壽命和安全性。

1.1 顆粒大小
   構(gòu)成石墨母材的顆粒度越大，則材料體積密度越小，機(jī)械強(qiáng)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(dá)到使用要求的致密性 則浸漬劑的數(shù)量就會增多，影響浸漬質(zhì)量和不透性石墨的導(dǎo)熱性。密度大，則機(jī)械強(qiáng)度越大。所以，選用體積密度高（細(xì)顆粒、B級）的母材進(jìn)行浸漬熱處理，所加 工生產(chǎn)的設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)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(shù)，換熱效果亦優(yōu)于傳統(tǒng)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(yuǎn)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(shè)備使用要求。不透性石墨材料經(jīng)180∽300℃中溫處理，可以增大浸漬樹脂穩(wěn)定性，延長設(shè)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(dǎo)率低于石墨化電極，不宜用作導(dǎo)熱材料。石墨化電極熱導(dǎo)率 λ=100∽130w/m·k或更高，耐溫差急變性能優(yōu)于再生電極。石墨化程度直接影響了設(shè)備的換熱效果，國外全部為細(xì)顆?；Ｓ檬牧?。我國新頒 布的國家標(biāo)準(zhǔn)《石墨制壓力容器》推薦使用接近國外標(biāo)準(zhǔn)的B級石墨材料。

1.4 酚醛石墨壓型管
   國內(nèi)普遍采用。但酚醛石墨壓型管熱導(dǎo)率低（λ=31.4∽40.7w/m·k），熱膨脹系數(shù)高，300℃中溫處理壓型管為8.15×10-61/℃(151℃)，由此構(gòu)成的管殼式換熱器的許用溫度一般在130或150℃以下。
2 設(shè)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(shè)備無特殊要求，傳統(tǒng)的列管式、圓塊式石墨設(shè)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(jié)樹脂與管板的粘接質(zhì)量是關(guān)鍵，粘接樹脂氣孔率少，則強(qiáng)度高；熱處理溫度超過130℃，比設(shè)備使用溫度高20-30℃，這樣設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量問題 的概率就會少。而圓塊孔式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，無粘接縫，故使用效果優(yōu)于列管式（本工藝），加之大規(guī)格圓塊式設(shè)備（目前在用單臺面積達(dá)300m2以上）加工能力的 提高，圓塊孔式將逐漸取代列管式（現(xiàn)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(jìn)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(lián)使用。對石墨設(shè)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(yōu)于列管式。對殼體要求必須內(nèi)部焊縫焊 透，鋼板材質(zhì)為16MnR，殼體內(nèi)部采用防腐涂料進(jìn)行防腐處理。

2.3 預(yù)熱器
   采用95-100℃熱水將混合氣預(yù)熱到60-80℃后再進(jìn)入轉(zhuǎn)化器進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)熱水溫度超過60℃以上時，結(jié)垢及腐蝕情況增大。建議對殼體防腐處理，對循環(huán)熱水軟化處理。換熱過程中，因工藝側(cè)溫差變化較大，選用圓塊孔優(yōu)于列管式。

2.4 合成氣冷卻器
   采用循環(huán)水冷卻，因氣體進(jìn)口溫度135-180℃，對石墨設(shè)備來說溫度偏高，溫差較大；且有機(jī)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(jìn)口上封頭及高溫區(qū)換熱部件材質(zhì)選B級細(xì)顆粒石墨化材質(zhì)為。選用圓塊孔式設(shè)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(jī)物，有機(jī)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(shè)備必須對單塊進(jìn)行中溫處理，選用B級石墨塊材，才能保證設(shè)備的使用壽命。
   PVC生產(chǎn)中因C2H2、氯乙烯皆為易燃、易爆氣體，氯乙烯必須限制管內(nèi)流速在4m/s以下，設(shè)備必須設(shè)接地板，靜電接地。

3 圓塊孔式石墨換熱器結(jié)構(gòu)與特點
   圓塊孔式石墨換熱器為目前較先進(jìn)，性能較優(yōu)越的一種石墨換熱器。圓柱體換熱塊采用標(biāo)準(zhǔn)單元塊，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本結(jié)構(gòu)不采用膠結(jié)劑而采用聚四氟 乙烯O型圈密封介質(zhì)，加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，采用短通道、增加再分配室以提高紊流效應(yīng)等，因而本換熱器具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐溫耐壓性能強(qiáng)、 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(chǎn)品廣泛用作加熱器、冷卻器、冷凝器。

　 技術(shù)特性：
 設(shè)計溫度：-20～200℃（可以提高到320℃）
 設(shè)計壓力：常壓～0.6MPa（亦可根據(jù)用戶需要設(shè)計、制造0.6～2.4MPa壓力的本型產(chǎn)品）
 規(guī)格：3～400平方米
 近幾年來，電石乙炔法PVC生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，材質(zhì)，管（直徑、數(shù)量或鉆孔大小、數(shù)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 項  目 列 管 式 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 300━400 
3 物料側(cè)長徑比 136━227 15━254 長徑比對傳熱系數(shù)的影響 忽略不計 1.10━1.15（注：短通道，塊間空腔為介質(zhì)再分布的湍流室，強(qiáng)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(dāng)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(dǎo)熱系數(shù)下降） 
6 物料側(cè)阻力 小 大 
7 換熱面積計算方法 以平均換熱面積為基準(zhǔn) 
  管外、內(nèi)
面積比 32：22
=1.45
差0.45倍 服務(wù)側(cè)與物料側(cè)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(shè)備應(yīng)用可分為液-液，液-氣換熱兩種形式。應(yīng)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(fù)地作折流運動。
 其平均溫度的計算必須乘以校正系數(shù)εΔt，εΔt>0.8合理，否則需調(diào)整工藝參數(shù)。
 石墨換熱器傳熱系數(shù)計算，可參照下表二、表三中數(shù)據(jù)；介質(zhì)的垢層系數(shù)αd（w/m2·k）見表四。

石墨換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗值        表二
序號 處 理 物 料 平均溫度℃ 換熱
形式 傳熱系數(shù)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、淋灑式 
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(shè)備在氯系統(tǒng)中的應(yīng)用實例            表三
序號 工 藝 設(shè) 備 使用工藝溫度℃ 工藝壓力MPa 傳熱系數(shù)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(zhì)的垢層系數(shù)αd（w/m2·k）             表四
液體介質(zhì) 氣體介質(zhì) 
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(shù)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(wù)側(cè)）的導(dǎo)熱系數(shù)；αi為管內(nèi)（或物料側(cè)）的導(dǎo)熱系 數(shù)；αd為管內(nèi)、外（或換熱塊兩側(cè)）的垢層系數(shù)；δ/λ為石墨管（或換熱塊）材的熱阻。K值的大小決定石墨設(shè)備換熱效果的好壞，式中四項的值對K值的 影響。
 下面以山東濰坊某公司10萬噸/年P(guān)VC工段二級石墨冷卻器E-2105為例（工藝參數(shù)見表五），進(jìn)行列管式與圓塊孔式石墨設(shè)備換熱效果對比。

E-2105工藝參數(shù)                表五
用   途 二級石墨冷卻器 
總換熱量 150000KJ/h 
對數(shù)平均溫差，℃ 26.12

工藝側(cè) 操作溫度，℃ 0∽-14 
服務(wù)側(cè) 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(cè)傳熱系數(shù)（一般小于102數(shù)量級），與選擇石墨管還是換熱塊關(guān)系不大（δ/λ≈0，10-4數(shù)量級）。氣相側(cè)傳熱系數(shù)采用列管式與圓塊孔式因結(jié)構(gòu)不同，換熱效果亦不同。

   工藝設(shè)計基礎(chǔ)：在一期滿足工藝要求的前提下，工藝參數(shù)不變，只改變設(shè)備結(jié)構(gòu)（由列管式改為圓塊孔式），工藝側(cè)（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(wù)側(cè)α管o/α塊o因設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同，YKB設(shè)備與GH型相比略差。設(shè)備一、二期數(shù)據(jù)如下：

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