大型氟塑料-石墨板式换热器研制与应用

技术应用大型氟塑料石墨板式换热器研制与应用刘刚（天华化工机械及自动化研究设计院，甘肃兰州730060）及应用价值等方面的内容作了详细介绍。），男，河北秦皇岛人，高级工程师，学士，现从事化工防腐蚀设备研究工作。 　　石油化工行业中大量采用的能够耐强酸、强碱及其盐类腐蚀的换热器有2类，一类是合金材料制造的管壳式或板式金属换热器，另一类是非金属材料制造的各类换热器，前者价格昂贵，后者换热效率极低。而氟塑料石墨板式换热器克服了上述产品的这些缺点，是用于石化行业强腐蚀换热工况中的一种综合性能更好的新型换热设备，其换热面积越大，应用市场越大。 　　中石化齐鲁分公司万吨微球装置中以强腐蚀性物料铝溶胶作为催化剂制备中的粘接剂，循环使用的铝溶胶在进入反应器前需通过换热器维持规定的反应温度，这一过程对换热设备的腐蚀十分严重。该装置原设计采用国产列管式石墨换热器，最多使用3个月就出现腐蚀穿孔，装置的频繁停车严重影响了催化剂生产装置的安全稳定运行，且极大增加了维修费用。为了解决铝溶胶换热问题，天华化工机械及自动化研究设计院（以下简称天华院）开发研制了大型氟塑料石墨板式换热器。 　　1研制内容1.1板片结构氟塑料石墨板式换热器板片是由非金属复合材料压制而成，在保证板片能够进行换热的前提下，更重要的是要保证板片具有足够高的强度，并能够压制成所需要的形状。考虑到非金属复合材料的特点（如与金属材料相比，其脆性大、抗压强度低），将板片结构设计成既不同于金属板式换热器板片，又与金属板片有相同之处。单板换热面积为0.34 ~0.6m2板片的设计就借鉴了0.25m2板片设计的成功经验，并对其不足之处进行了改进。 　　25m2板片的2. 1提高到2.8，即大型板片长度更长，但宽度基本保持不变，其结果是介质在换热器中流过的路线更长，在换热器内停留的时间更长，换热更为充分完全，提高了换热器总传热系数。但这样会增加板片加工成型的难度，特别是当非金属材料的跨度较大时更是如此。 　　笔者目前研究的板片长宽比已达到2.8或者更高。 　　目前非金属材料制造的板式换热器普遍采用的是人字形波纹板，其最大的特点是，板片相互倒装叠加形成网状支点和流道，提高了板片刚度且使流体在网状流道内产生三维变化，在较低的雷诺数下达到紊流状态，提高了传热效率。考虑到模具加工的难易程度，笔者选择了单人字形波纹板片结构。板片外形尺寸1400mmX500mmX10mm，波纹厚4mm，波纹高度5mm，波纹间距30mm，波纹夹角120°，角孔直径100mm，有效换热面积0.波纹形式为梯形断面人字形。 　　所示氟塑料石墨板片单板面积依次为25m2、0.34m2和0.6m2，其中0.6m2的板片是目前国产单板面积最大的氟塑料石墨板片。 　　34~0.6m2的板片采用拼块式模具。该种模具便于加工制造，但压制过程中有些部位容易变形，模具的变形将影响板片的尺寸。 　　模具成型板片的长边框是压制板片时变形最大的部位，加工此处模具时设置了止推台面，这个办法比用大直径螺栓或销钉来克服变形的方法要好。 　　1.3板片成型工艺制作大型板片仍采用模具内热压制的成型方法，采用循环水内冷模具，模具内表面涂有机硅脱模剂，板片成型后用专用脱模机构完成脱模工作。 　　板片成型工艺流程为：模具清理预热一涂脱模剂一布料一合模一升温保温一压制保压一冷却一卸压脱模一清理模具一板片整形。板片成型温度190*C，成型压力为30MPa成型保温时间超过20min，保压5min，脱模温度低于100C. 4密封结构密封结构不是采用国外单纯的面密封结构，而是采用线面结合的密封结构，此结构密封面积小，同等密封压紧力下可在密封面上产生更大的单位面积压紧力，即在密封件上压强更大。实践证明该密封方式效果良好。采用该密封结构的换热器整机使用压力可达0.7MPa液压试验压力达1.0MPa. 25m2板片密封系统密封沟槽较浅（1.5mm）位置又不尽合理，当制作板片中操作者放料不均匀或成型温度控制不好时，整机压紧力一旦超过许可值，就会出现板片密封沟槽开裂导致换热器整机泄漏。针对这些实际问题，采用了断面为梯型（上底5mm，下底10mm，高6mm）的橡胶密封垫，在压紧力的作用下，密封垫呈线面型结构，可减少板片密封沟槽开裂，使大型板片的密封结构更合理、更实用、更有效，该结构在实际中得到了成功应用。 　　1.5换热器整机组装换热器整机组装见。必须注意的是，与小型换热器相比，应考虑大型换热器板片成型后及在高温使用中存在的收缩问题，否则将影响板片密封，引起换热器泄漏。 　　6换热器组装流程形式根据小型氟塑料石墨板式换热器Z形和U形两种流程组合形式的现场使用情况对比，大中型换热器的流程形式拟全部采用U形结构。该流程形式的接管都在换热器固定板上，换热器安装维修比采用Z形流程形式方便，打开换热器不用拆卸进出口管线。大型氟塑料石墨板式换热器见。 　　2技术关键1复合材料性能及板片研制这项工作包括基本组成成分、物料配比的筛选、物料混合方式及其对板片力学性能影响的研究。对不同热成型及压制方法制得的板片进行力学性能测试，最终确定制作板材的最佳成型温度、成型时间、冷却方式和脱模方式。该专题的主要技术难点是如何提高材料的导热系数，解决板片脱模问题和板片3技术特点①由氟塑料、石墨等非金属材料复合制成的人字形波纹板片作传热元件。②采用线面结合的密封结构。③用固定端板及螺栓结构作紧固件。④用压紧弹簧、活动端板结构作调节件，以缓解板片之间因收缩与膨胀引起的应力破坏。 　　天华院研制生产的大型氟塑料石墨板式换热器与国外同类产品性能比较见表1. 2005年8月，中国石化股份公司科技开发部组织的技术鉴定会鉴定得出结论，大型氟塑料石墨板式换热器研制技术成果达到国际先进水平。 　　4应用情况4.1应用效果大型氟塑料石墨板式换热器于2003年10月在齐鲁分公司万吨微球装置中作为铝溶胶换热设备表1国内外氟塑料石墨板式换热器性能对比性能天华院产品瑞典AlfaLaval产品拉伸屈服强度/MPa弯曲强度/MPa压缩强度/MPa最大允许温度/°c最大设计压力/MPa单板最大换热面积/m2密封结构线面密封面密封投用，至今设备已稳定运行2a多，不仅换热效果良好、耐腐蚀性强，而且结构紧凑、占地面积小、易于安装维修。设备技术指标达到设计要求，满足了生产需要。 　　4.2应用效益经济效益延长了生产周期，使铝溶胶生产摆脱了每3个月就需更换列管式石墨换热器的状况，而且增加产值900万元/a、利润400万元/a节约资金70万元/a.社会效益大型氟塑料石墨板式换热器的研制成功，标志着我国非金属防腐蚀技术又有了新的进步。该产品在重腐蚀环境的长效安全运行，表明该产品的推广将有利于减少因腐蚀导致的可利用资源的损耗，有利于控制因设备腐蚀损坏或制造缺陷引发的介质泄漏而导致的环境污染。 　　4.3应用前景大型氟塑料石墨板式换热器已完成了产业化研制过程，目前已经开发出了大、中、小3种规格干气密封在气分机泵上的应用郑晓鸥（中油辽河油田营口加气站，辽宁盘锦124010）和其他机械密封。简述了干气密封的结构、机理以及在气分聚丙烯装置机泵上应用的技术关键。 　　自1976年首例螺旋槽气体端面密封成功应用于天然气管道压缩机至今，干气密封作为一种低泄漏、低磨损和长寿命的新型非接触型机械密封，以其在密封特性等方面的明显优势，被广泛应用于石油天然气、化工和航空等行业。随着干气密封技术的不断成熟，干气密封的应用正由透平、压缩机和鼓风机等大功率、高转速流体机械逐步拓展到机泵类普通流体机械密封上。我公司气分聚丙烯装置机泵内介质为轻烃类气体其主要密封形式为机械密封（即湿式密封），但是存在密封端面泄漏机率大、运行寿命短、稳定性差且检修频繁等问题，因此，其机械密封结构形式急待改进。 　　1干气密封简介1.1密封结构干气密封的结构与普通泵用机械密封基本相同，也由静环、动环、弹簧和辅助密封圈等组成，见。在两密封端面间相互运动时存在一层极薄的气膜，该气膜为阻塞气，可以是氮气、净化风等干净气体其作用与湿式机械密封用的封油作用相同。 　　干气密封基本结构干气密封的动环（硬质环）断面上开有各种不同形状的微米级动压槽，主要有螺旋槽型、圆弧槽型、T型槽型和直线槽型等，见。 　　1.2密封机理螺旋槽型具有良好的流体动压效应，能够在很6m2）的换热板片，可以根据用户的不同要求组装出大、中、小型氟塑料石墨板式换热器。 　　目前，国内金属板式换热器每年市场需求面积达14万m2（不包括乡镇企业需要的金属板式换热器），其中有近1/5的设备在化工、石油等行业中的强腐蚀换热工况中使用，大都采用耐强腐蚀的钛、镍、哈氏合金板片，换热器价格很高。若这些设备有一半用氟塑料石墨板式换热器来代替，以每台20m2计算，则每年全国至少有700台用户市场。 　　5结语在化工、石油、制药和轻工等行业大量采用的换热器中，被换热介质中多含有强酸、强碱及其盐类，会对换热设备会造成严重的腐蚀，甚止还会造成有毒物质外泄、人身伤亡事故和环境污染等一系列问题。所以要求换热设备不但有良好的换热性能，而且要有足够的耐腐蚀性。大型氟塑料石墨板式换热器具有换热效果好、耐腐蚀性强、结构紧凑、占地面积小和易于安装维修等特点，其应用市场非常广泛。