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(guó)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(guó)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)模化擴(kuò)展，石墨制化工裝備的生產(chǎn)同樣得以快速成長(zhǎng)，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(shì)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(jiǎn)單、“一孔到底”、單一規(guī)格易型化等相對(duì)優(yōu)勢(shì)，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?guó)尚無(wú)真正意義上的“石墨管”產(chǎn)品，只能以“壓型石墨管”（25%酚醛樹(shù)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(guó)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(chǎng)。

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(guò)程中，已處于過(guò)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(zhǎng)，我們公司不斷研發(fā)，開(kāi)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(shuō)、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(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，得益于改革開(kāi)放的偉大潮流，正逐步發(fā)展為“中國(guó)智造”，石墨制化工裝（設(shè)）備的生產(chǎn)技術(shù)，同樣也是萬(wàn)眾創(chuàng)新?tīng)?zhēng)風(fēng)采。隨著我國(guó)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(chǎng)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(guò)加工（切割、加工、鉆孔等）、浸漬、粘接成型，浸漬樹(shù)脂可以多種（酚醛、呋喃、聚四氟乙烯、高分子雜鏈樹(shù)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)機(jī)械密封原理，即通過(guò)石墨管板螺紋，輔以石墨壓環(huán)、通過(guò)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(shù)脂）按照一定的比例混合，經(jīng)過(guò)混捏、壓型、熱處理而成，再其制造過(guò)程中影響因素有很多，擠壓速度、石墨粉的顆粒度、樹(shù)脂的質(zhì)量以及含量。如樹(shù)脂含量過(guò)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(shù)脂含量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致不能擠壓出管，因此擠壓過(guò)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(shù)脂石墨棺材的導(dǎo)熱系數(shù)為30W/（m·℃），我們拿市場(chǎng)在售的酚醛樹(shù)脂石墨管材檢測(cè)其導(dǎo)熱系數(shù)，檢測(cè)結(jié)果僅為19W/（m·℃），這是因?yàn)樵趬盒褪茉跀D管過(guò)程中添加過(guò)量的酚醛樹(shù)脂更易于石墨管成型，可見(jiàn)樹(shù)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(guò)中溫處理將酚醛樹(shù)脂焦化后，線膨脹系數(shù)會(huì)趨于穩(wěn)定，而中溫處理過(guò)程對(duì)溫度控制要求極高。市場(chǎng)上常見(jiàn)壓型石墨管僅通過(guò)熱處理過(guò)程提高其機(jī)械強(qiáng)度，但因酚醛樹(shù)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(guò)高流速（約3m/s）來(lái)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(guò)飽和溶液）經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)粘接方式固定，也可通過(guò)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(jiàn)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(guò)下管板的自由浮動(dòng)補(bǔ)償因溫度變化帶來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)計(jì)算線膨脹因素引起的石墨管的伸縮長(zhǎng)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(zhǎng)使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

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(lái)說(shuō)，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(guò)下管板可浮動(dòng)的形式，在換熱管線膨脹超過(guò)鋼殼時(shí)，可以通過(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)彈簧得到補(bǔ)償，保證產(chǎn)品性能。