石墨换热器在氯乙烯生产中的应用

第38卷第4期聚氯乙烯Vol.38, No. 42010年4月Polyvinyl ChlorideApr.，2010[装置与设备]石墨换热器在氯乙烯生产中的应用孙贵臣'" ,陆景阳2(1.锦化化工(集团)有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;2.葫芦岛市特种设备监督检测所,辽宁葫芦岛125001)[关键词]氯乙烯;聚氯乙烯;石墨換热器;结构;泄漏[摘要] 介绍了氯乙烯生产中矩形块孔式及列管式两种典型石量换热器的结构特点,分析了其在使用中出现泄漏的原因,并提出了相应的解决措施。[中團分类号] TQ325.3;TQ051.1[文献标志码] B[文章编号] 1009 - 7937(2010)04 - 0036 - 04Application of graphite heat exchangers in production of vinyl chlorideSUN Guichen' ,LUJingyang2(1. Jinhua Chemical Industry (Group) Co. , Ltd., Huludao 125001, China,2. Huludao City Special Equipment Supervise Institute, Huludao 125001, China)Key words: vinyI chloride; PVC; graphite heat exchanger; structure; leakageAbstract: Structure characteristics of two kinds of typical graphite heat exchanger, i.e. rectan-gular block type and tubular type, were introduced. Reasons for their leakages during operationwere analyzed, and the corresponding solving methods were proposed.电石法氯乙烯生产工艺中,HCl作为合成氯紧固为一体。乙烯的主要原料,贯穿于整个合成工序。为解决其4块矩形石墨块具有相同的规格尺寸,为380水溶液一盐酸对设备的腐蚀影响,石墨材质的换mmX380 mmX1 200 mm(宽X高x长),块体开孔热器得到了广泛应用,如HCI合成工序的矩形块孔方式为垂直交错式,纵向和横向开孔规格均为中15.式石墨换热器.混合脱水工序的列管式冷凝器和预热器等。1石墨换热器的结构特点石墨换热器按结构形式分为矩形块孔式(HCl.合成工序)和列管式(混合脱水工序)。11.1矩形块孔式石 墨换热器的结构特点[2]_8矩形块孔式石墨换热器的结构见图1.HCl合成炉采用矩形块孔式冷凝器,换热面积旦32 m2 ,是由4块矩形石墨元件(石墨块)、上下铸铁1一物料进口(HC1气)12-铸铁盖板;3-石墨封头;盖板、两侧铸铁盖板、上下石墨封头等主要零部件组4- -石蠆块;5-气相通道16 冷却水通道i7-冷却水管:成,各零部件之间用石棉巴金垫或橡胶垫密封,上下8- -铸铁侧普板19一冷凝游出口(盐院)10-物料出口(HC1气)。铸铁盖板、两侧铸铁盖板用长杆螺栓连接,与石墨块中国煤化工的结构TYHICNMHG[收稿日期] 2010-04-09[作者简介]孙贵臣(1965-),男,高级工程师,毕业于大连交通大学,现任锦化化工(集团)有限责任公司氯碱股份有限公司总经理。36_~第4期孙贵臣等:石墨换热器在氯乙烯生产中的应用装置与设备生产中,纵向通道通物料(HCI气),横向通道又称浮头,当操作温度高于或低于安装温度时,石墨走冷却水,物料程通过设备上下石墨盖板的分隔区，列管由于具有较大的热膨胀系数,比钢壳体有较大分隔为4流程;玲却水程通过块体外连式冷却水管的伸长和收缩性,浮头式结构可使设备本身具有热设置为4流程,如图2所示。补偿功能,臧少温差应力的影响。钢壳体与浮头之间为防止温差引起的伸缩泄漏,采用了填料函结构。操作条件如下。作冷凝器使用时，管程介质为物料(HCl与CH2的混合气),人口温度为常温;出口温度- 14土2 C ,压力70~90 kPa;壳程介质为水,人口温度- 35~- 30 C ,压力0.2~0.4 MPa. .物料进口(HC1)国流程冷却水回境程作预热器使用时,管程介质为物料(HCl与圈2矩形块孔式石晏换热器内物质流动示意图在换热过程中,HCl气、冷却水无相变,多程流CH2的混合气),人口温度(-14土2) C,出口温度动，流体速度快,有利于形成湍流状态,易获得较高60~80 C ,压力70~90 kPa;壳程介质为水,人口温度95~100 C ,压力0.2~0.4 MPa。的传热系数。2石墨换热器出现的问题及原因探讨物料(HCl气):进口温度120~150 C,出口温下面结合使用经验,对两种形式的换热器在使度35 C ,压力70~90 kPa.用中出现的问题及原因加以探讨，并力求找出解决冷却水:进口温度(工业水温)15~20 C,出口.措施。2.1矩形块孔式石 墨换热器温度25 C,压力0.2~0.3 MPa.矩形块孔式石墨换热器使用中出现较多的问题1.2 列管式石量换热器的结构特点[1]是密封垫片的泄漏,多采用更换垫片的方式即可解列管式石墨换热器的结构如图3所示。决。对设备产生破坏性影响的多是石墨块体本身的彻底失效。下面从制作、使用方面分析块体失效形I52.1.1“崩裂”泄漏6“崩裂”泄漏形式发生在物料人口侧,第一块石墨换热块上表面，即气相第-流程的开始面。“崩12裂”情况如图4所示。I89Y 11Oj191-.崩耍区;2- -冷却水通道;3-气相通道。1-物料进口(HCI,CqH2混合气);2-上管箱;3-上管板;團4“崩裂”泄漏示意圉4-冷却水或热水出口.5- -折谎板;6 - -壳体;在块体.上表面出现直径8~12 cm、深1~3 cm7-冷却水或热水人口;8-下管板;9-物料出口:10-放酸口11-村胶底板;12-石墨换热管.的“崩裂”,石墨材质以碎块形式成片脱落,而该处破圈3列管式石墨换热器的结构示意围坏的结果是使部分横向孔道与纵向孔道的孔壁连由图3可见，与气体接触部分均用石墨材料制通,出现物料程与冷却程相互泄漏。该泄漏是酚醛造,这种石墨是浸渍过酚醛树脂的“不透性石墨”,上树脂浸渍石墨的性能与温度共同作用的结果。下管板是由小尺寸石墨块交叉粘接后,经过车圈浸中国煤化工平性,均采用浸渍的渍、钻孔、浸渍再精加工完成;列管则是由石墨粉与方法H孔中的缝隙，还能酚醛树脂捏合挤压成型,列管与管板之间借酚醛胶增强CN M H G文中讨论的浸渍泥粘合。列管外的壳体通冷却水(作冷凝器时)或热剂为酚醛树脂浸渍剂。酚醛树脂与石墨材料的膨胀水(作预热器时) ,壳体材料为Q235A碳钢。下管板系数不同,在较高操作温度下,浸渍树脂和石墨材质37装置与设备"聚氯乙烯2010年发生显著的热变形,因其膨胀率不同(树脂膨胀变形螺栓。该种泄漏多发生在长时间使用后,根据现场:要大于石墨材质),变形不均造成两者之间产生温度情况,穿杆螺栓本身锈层较厚,几乎焊固在石墨块体应力,温度应力足够大时,石墨材质受浸渍树脂挤压内,难以拔出。发生脆性断裂,而多个微孔的脆性断裂点、断裂区就该泄漏原因为:穿杆螺栓多为Q235A材质,石会积聚成较大的宏观“崩裂”。墨块体周围为酸性生产环境，螺栓发生化学腐蚀。造成该情况出现,操作温度需达到170C以上，随着腐蚀的进行,穿杆螺栓周围的腐蚀产物积聚,将在正常的工艺控制指标范围内(120~150 C),“崩螺栓孔空隙塞满,进一步的腐蚀、膨胀对石墨孔壁产裂”现象不会出现。为避免该情况出现，主要是控制生挤压,最终达到块体的挤压强度,导致螺栓孔壁坍合成炉的通量,避免超负荷运行,同时保证炉套的换塌,与气相或水相连通发生泄漏,严重时石墨块体出热能力,提高空冷管的冷却作用,确保进人冷凝器的现较大裂纹,彻底失效。HCl气体温度在150 C以下。防范措施:可在穿杆螺栓安装时采取--定的防2.1.2气道 与水道穿孔渗漏、泄漏腐措施,或在密封压紧力要求不高的场合采用非金气道与水道穿孔渗漏.泄漏基本由块体的制造属材料的螺栓。质量造成。前面讲过,矩形块孔式石墨换热器是垂2.2列管 式石墨换热器直交错型,气道和水道是通过对块体进行纵向和横列管式石墨换热器的使用问题主要表现有换热向钻孔加工而成的,而两孔壁厚的保证(即挤压强管泄漏、管板泄漏和壳体泄漏.度),除了设计开孔的合理性外,主要受加工精度影2.2.1换热管泄漏响,一般规定,设计壁厚为:同向孔≥3 mm,异向孔(1)酚醛石墨压型管管体质量差(如固化不完.≥5 mm,并要求制造中壁厚偏差不大于1 mm。全、表面粗糙、有宏观裂纹砂眼等),降低了换热管若制造精度达到要求而出现渗漏,多为块体成的拉伸强度和抗压强度,在操作温度、压力作用下，型后浸渍质量达不到要求(如浸渍深度不够,漫渍剂缺陷管体断裂而致泄漏.达不到使用温度老化分解),造成异向孔壁致密性不(2)换热管管头与石墨管板连接处脱开泄漏.足,出现高压流体向低压流体介质渗透。换热管管头与管板采用胶黏连接方式,这种连接方泄漏则多因异向孔壁加工偏差大,造成孔壁的式对制作安装要求较高。①黏合剂的使用剪切应力耐压性不足(即使有浸渍树脂的加强作用),运行中要足够大。因为在粘结面上,要能承受由温度、操作在两向介质压力作用下出现孔壁坍塌,介质与冷却压力以及设备装配时产生的轴向力,还要能承受立水彻底连通,形成泄漏。式安装时物料和设备重力所引起的轴向力。这几种一般较小的渗漏,根据工艺要求可暂不处理,待合力在粘结面上共同产生的剪切应力不能超过黏合发展到对系统的后续操作不利时,再采取块体浸渍剂的使用剪切应力。②要采用合理的粘结面。要保的方法修复。泄漏如果仅是单个孔壁的问题,可以证管头插人管板的深度和锥度尺寸,以确保足够的采用从水道侧用石墨杆粘结堵漏的办法解决,但如黏结强度和气密性。插人长度要适当,若不足,则抗果出现多部位异向孔道坍塌,则须更换块体。拉脱力不够;若过长,则粘结处产生的温度应力大，2.1.3穿杆螺栓引发 的块体泄漏反而有害。③粘结施工质量要稳定。矩形块孔式石墨换热器的密封保障是通过长杆管板与换热管头脱开,多为上述多种因素共同螺栓实现的。作用的结果。各换热管头与管板粘结抗剪切强度的物料相:类似于搭积木,铸铁下盖板、石墨下封差异性,决定了抗拉脱力弱者先行泄漏。头.4块矩形石墨块、石墨上封头.金属上盖板依次(3)在泄漏的石墨管中发现有类似冰状的结晶安装,块体之间以石棉巴金垫或橡胶垫密封。密封物,结晶物的位置即为石墨管的开裂点,该泄漏为冻预紧力通过穿过上下铸铁盖板的长杆螺栓实现(不裂。这种情况出现在混合脱水冷凝器上。穿过石墨块体)。" 中国煤化工用的是氯化氢吸冷却水相:以侧向铸铁盖板为水程两侧封头,盖收水二雾状析出的原理。板与石墨块之间加密封垫,用穿杆螺栓将水程密封而当:MYHCNMHS酸和更低含水量(穿杆螺栓要穿过石墨块体的螺栓孔)。的混合气。因此,在一-定温度范围，温度越低,混合引起块体泄漏的是形成水程密封预紧力的穿杆脱水的效果越好。(下转第44页)38 .“回收与利用聚氯乙烯2010年(2)有效地利用反吹装置,清理吸附在过滤装置5回收电石粉尘产生的效益上的电石粉尘,以保证系统不堵塞。在乙炔流量5000 m'/h时,每天可回收电石粉(3)要经常检查过滤装置以及真空管道连接部尘4.8t,全年回收1500t.经测量,电石粉尘平均位，以确保系统的密闭性.发气量为20 m'/t,折成标准电石约100t,以1 t电(4)定期更换过滤器。拆下的过滤器用压缩空石3 000元计算,全年可节约费用30万元。电石粉气吹扫清理后备用。尘的回收再利用,一方面对电石破碎、输送过程中产(5)上料筒的盖子在每次打开清理内部完毕后，生的电石粉尘进行了有效地回收,避免了粉尘污染,在盖盖子时要保证四周边缘-致,快开卡子的张紧另一方面减少了电石消耗,降低了生产成本,具有明度要好。显的环保效益和经济效益。(6)电石粉尘输送是靠气体作为流动介质进行[编辑:杜桂敏]输送的。如果使用空气输送时,湿空气容易和电石粉尘发生反应产生乙炔气,所以雨雪天气停止操作!(上接第38页)但当温度降至一25~- 20七时,饱阳极反应:Fe-→Fe2* + 2e;和的盐酸易形成水化物结晶,堵塞列管,轻则脱水系阴极反应:2H* +2e-→+H2;统因阻力大紧急停车,严重时管内结晶物因体积膨总反应:Fe+2H*-→Fe2* + H2。胀挤裂石墨管,造成设备大面积损坏。为避免此类在正常情况下,壳体发生腐蚀均是由于循环水情况，脱水温度一般控制在(- 14土2) C.中溶解氧浓度高导致的均匀腐蚀和局部腐蚀。而当2.2.2管板泄漏循环系统中某--台管程介质含HCI的换热器泄漏，作为预热器和冷凝器使用的石墨换热器上管且发现不及时,令pH值迅速下降时,将发生pH值板都出现过“崩裂”。“崩裂”产生的原理与矩形块为3时的电化学腐蚀过程,均匀腐蚀和局部腐蚀速孔式石墨换热器的第一块石墨块出现的崩裂基本度均加快。相似,而两者的不同之处在于温度升高的起因不壳体易形成腐蚀电池的部位多为环、纵焊缝,以同。矩形块孔式石墨换热器的情况是进人物料温及富氧的冷却水表面接触的壳体部分,这些部位成度超过170 C;列管式石墨换热器的情况是出现为壳体泄漏的主要区域。了过氯事故给系统带来瞬间高温,引发管板组成避免壳体泄漏的方法:①钢壳内部做防腐涂层，材质间出现较大温差应力,导致“崩裂”情况出现。进行阳极保护;②严控工艺指标,及时发现生产异2.2.3壳 体泄漏常,确保盐水循环系统的pH值为中性。壳体泄漏发生在以氯化钙水溶液作冷却介质的3结语冷凝器.上，在该冷却系统中存在均匀腐蚀和局部腐石墨换热器因其优良的耐腐蚀性、耐热性在氯蚀。碱工业聚氯乙烯生产中日益得到推广和应用。希(1)壳体材质为Q235A,在系统pH值为7时，望本文能为同行业的设备工作者提供使用经验,降碳钢的腐蚀电池阴极反应主要是氧的还原,阳极反低设备故障,促进石墨设备管理工作的提高。应则是铁的溶解。[参考文献]阳极反应:2Fe-→2Fe2* +4e;[1]郑石子,颜才南,胡志宏,等.聚氯乙烯生产与操作[M].阴极反应:O2 + 2H2O+ 4e-→4OH~ ;北京:化学工业出版社，2008:207 - 243.总反应:2Fe+ 2H2O+ O2一+2Fe(OH)2↓.[2]许志远.石墨制化工设备[M].北京:化学工业出版社,(2)当循环系统pH值上升达到3时,阴极反应2003:76- 80.将是氢离子反应，阳极反应不变。中国煤化工[编辑:陈立春]MH. 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