列管式石墨換熱器的結構特點分析

張月圓

（南通晨光石墨設備有限公司，江蘇 南通 226003）

0 引言

我國石墨制化工設備生產技術，五十年代自蘇聯引進，主要結構型式為三大類即YKA（塊孔式）、3JK（矩形塊孔式）和GH（列管式），為我國的早期工業尤其是氯堿工業發展，作出了應有貢獻。隨著現代工業的規模化擴展，石墨制化工裝備的生產同樣得以快速成長，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入內圓）、YKB（圓塊中空，橫向流道由外圓徑向鉆孔進入內圓），到YKC即第三代即圓塊實體，縱、橫向流道垂直交錯排列，具有結構強度大、熱交換效率高、原材料利用率高等優勢產品。而傳統的GH列管式，也逐步發展為GGH、GGZ、YKGH（組合）等諸多型號。

GH列管式石墨換熱器，具有結構簡單、“一孔到底”、單一規格易型化等相對優勢，但是也存在結構強度較低、適用溫度低、熱交換效率相對較低等明顯不足。尤其是其核心部件-石墨換熱管，因為我國尚無真正意義上的“石墨管”產品，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準化、系列化、大型化發展，以及國內外科技技術水平和自動化程度迅速提高，圓塊式石墨換熱器面世了，它除了具備優良的密封性能、可拆換性等特點外，在換熱性能方面，材料的導熱系數遠高于列管式；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，并且在有機物（DMF等）及部分堿類介質中也可適用。因此浮動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，物流能直線流動等特點，如在磷酸濃縮工況中，重要生產裝置蒸發（加熱）器相對龐大為一大特點，其單一設備為700～900m2已屬大型企業常規設備。且設備（加熱器）要求高，主要原因是：因為濕法生產工藝特點，必然導致其“雜質含量較高”，其中含有2%左右的H2SO4和2%左右的H2SiF6（以F計），同時在加熱濃縮的過程中，已處于過飽和或飽和狀態的雜質隨濃度的不斷升高而析出，在換熱管表面形成結晶垢，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，開發出能夠適用于蒸發（結晶）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、人類社會發展就是在不斷總結提高中前進的，我國的社會經濟發展，得益于改革開放的偉大潮流，正逐步發展為“中國智造”，石墨制化工裝（設）備的生產技術，同樣也是萬眾創新爭風采。隨著我國經濟的快速發展，石墨換熱器亦逐漸走向標準化、系列化、大型化發展方向，就產品結構而言，以傳統的列管式、塊孔式產品為主，逐漸發展出波紋板式、熱管式等更多產品；而從功能需求而言，各種冷卻（凝）器、加熱器、反應器、反應釜、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）器已經面世

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

我方浸漬石墨管加工，采用自主知識產權（發明專利），利用現有石墨型材，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），盡管其加工工藝復雜，但相對成本低、僅為進口產品35%左右；

（2）GH型列管式石墨換熱器結構形式

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

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型號改良之GGH型，通過機械密封原理，即通過石墨管板螺紋，輔以石墨壓環、通過石墨螺絲與石墨管板螺紋的作用，迫使石墨壓環移動而壓緊O型氟橡膠圈，從而達到“單管密封，所有石墨換熱管全部配置同樣機械密封，達到“不同石墨管因其內在應力不同而自由伸縮”，實現了該型產品的更廣泛適用性。此型號同樣適用于壓型石墨管產品。

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、樹脂的質量以及含量。如樹脂含量過高，石墨管的導熱系數就會直線下降，線膨脹系數也會隨之上漲，而樹脂含量過低會導致不能擠壓出管，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，又要保證設備整體的換熱性能，盡可能的提高換熱效果。

在相關文獻中，我們可以查到酚醛樹脂石墨棺材的導熱系數為30W/（m·℃），我們拿市場在售的酚醛樹脂石墨管材檢測其導熱系數，檢測結果僅為19W/（m·℃），這是因為在壓型石墨管在擠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壓型石墨管的導熱系數影響極大，正因如此導致該型產品使用范圍嚴重受限。

壓型石墨管通過中溫處理將酚醛樹脂焦化后，線膨脹系數會趨于穩定，而中溫處理過程對溫度控制要求極高。市場上常見壓型石墨管僅通過熱處理過程提高其機械強度，但因酚醛樹脂未焦化，其線膨脹系數隨著溫度的升高而急劇升高，導熱系數隨著溫度的升高而下降，在溫度達到130℃后，線膨脹系數又會逐步下降，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，加工工藝復雜，耗材較嚴重，價格昂貴，現階段主要用于磷酸加熱工況。磷酸易于結垢，需通過高流速（約3m/s）來抑制結垢現象，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達不到適應工況外還不耐沖刷，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）經過分配室時結晶物堆積，進而堵塞塊孔，降低設備使用性能。

浸漬石墨管（選用中等顆粒致密石墨）的熱導率為115.56～157（W/m·K），為壓型石墨管的數倍，提高了設備的蒸發強度，且浸漬石墨管的線膨脹系數為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不同而引起的應力破壞，極大地提高了設備的綜合效能。因浸漬石墨管與圓塊孔石墨換熱器材質相同，可見浸漬石墨管的總傳熱系數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，研發出一種新型加工刀具，可通過數控車床將0.8mm細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，并以插入錐面結構粘接于上、下管板。

因壓型石墨管與金屬殼體的線膨脹系數不一致，金屬殼體材質通常為碳素鋼，其線膨脹系數為1.153×10-5（100℃）/℃，壓型石墨管的線膨脹系數2.47×10-5（129℃）/℃（如圖1所示），可見壓型石墨管的線膨脹系數為碳素鋼的兩倍。因線膨脹系數的不一致，壓型石墨管與管板之間在采用粘接方式時，通常設置上管板為固定管板，下管板為浮動管板，通過下管板的自由浮動補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力。此結構型式設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與溫度的關系[2]

設備在下管板浮動時，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。當加熱介質進液溫度過高，壓型石墨管線膨脹系數急劇變化，加熱進口雖設置了進液口分布器，但在進液口這一橫截面上，靠近進口的溫度明顯高于遠離進口的溫度，即靠近進口的壓型管的線膨脹狀況明顯高于遠離進口的，靠近進口的壓型管線膨脹導致的軸線壓縮應力得不到及時的補償，容易出現此處的石墨管產生裂紋甚至斷裂而導致設備內漏。因此浮頭式列管式換熱器主要適用于冷卻、冷凝等工況，在低溫環境下使用較為安全，而在加熱、蒸發等溫度稍高的工況下安全性降低。

如上文數據提到，浸漬石墨管的線膨脹系數小于金屬殼體，且浸漬石墨管與管板材質相同，在浸漬管與管板采用粘接方式固定式連接時，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力補償；

（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鎖緊O型圈而達到石墨管與石墨管板的密封效果。通過計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、石墨管之間的空腔高度，保證單管在溫差應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，保證設備在加熱、蒸發工況下安全穩定運行。

此結構型式設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，提高設備換熱效率，延長使用壽命。

4 結語

在《列管式石墨換熱器溫差應力分析》[3]一文中提出“對石墨一類的脆性材料所制成的設備來說，溫度應力對設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構。”似有不夠嚴謹之處，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，現有產品中浮頭式（GH型）、固定式（GGH型）的設計均在一定程度上消除溫度應力產生的對壓型石墨管的破壞。

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

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，進而做到逐根消除換熱管溫差應力，因此在使用過程中，固定式（GGH型）可用于加熱、蒸發等工況。

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