哈雷钎焊板式换热器
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氟塑料—石墨板式换热器的研制及应用

点击:1702 日期:[ 2014-04-26 22:00:51 ]
                              氟塑料—石墨板式换热器的研制及应用                                         刘刚   易戈文                               (化工部化工机械研究院,兰州市730060)     摘要:叙述了新型耐强腐蚀非金属板式换热器的研制路线、方法及该换热器所具有的优良性能,并介绍了其在工业中的应用。     关键词:板式换热器 氟塑料 石墨 腐蚀     1 简介     在化工、石油、制药、轻工等行业中,大 量采用能够耐酸、碱和盐类腐蚀的换热器。目 前国内可供选择的换热器,一类是合金材料制 造的管壳式或板式金属换热器(如Mo2Ti管壳 式、硬铅列管式及不锈钢板、钛板、镍板式换热 器),另一类是非金属材料制造的各种换热器 (如石墨列管式、石墨块孔式、聚丙烯或聚四氟 乙烯列管式换热器),前者价格昂贵,后者换热 效率低。氟塑料—石墨板式换热器正是克服了 这些换热设备的缺点,为各行业强腐蚀换热工 况提供了一种综合性能更好的新型换热设备。 氟塑料—石墨板式换热器是80年代末期 经济发达国家普遍采用的一种先进换热设备, 它可以在腐蚀性极强的换热工况中使用,例如, 120℃低、中浓度的硫酸,100℃以上各种浓度的 磷酸和浓盐酸,以及沸点时浓度低于50%的硝 酸。它所具有的性质及使用特点,确定了它实际 上是一种通用换热设备,极大多数使用条件非 常苛刻、涉及酸、碱及盐类物料的换热工况都可 以采用该种换热器。很显然,在我国研制该种换 热器已是当务之急。1991年我院承担了国家 “八五”重大技术装备科技攻关项目“氟塑料— 石墨板式换热器研制”课题,1996年完成全部 研制工作。我们研制的氟塑料—石墨板式换热器,在石油、化纤、农药行业经受了三年的实际 运行考验。实践证明,该种换热器具有极强的耐 腐蚀性,同时又具有优良的换热性能,它的应用 为企业创造了很大的经济效益,目前已被广大 用户认可。该换热器研制技术1994年8月获得 中国专利局授予的实用新型专利;研制的产品 “氟塑料—石墨板式换热器”1995年获得“国家 级新产品”证书;研制课题作为“八五”国家重大 技术装备科技攻关项目,1996年12月通过了 化工部技术鉴定,1997年12月获得化工部科 技进步三等奖。     2 研制工作及关键问题的解决     氟塑料—石墨板式换热器的技术原理是: 采用传统金属板式换热器的基本结构,换热器板片用氟塑料—石墨非金属复合材料制成。利用氟塑料优异的耐腐蚀性能、石墨优良的导热性能和碳纤维的高抗拉性能,使得换热器板片在具有极强耐腐蚀性的同时,还具有足够高的机械强度及导热性。     该换热器主要由三大部分构成:换热器板片部分、密封部分和金属框架部分。关键技术是 研制换热器板片材质及板片成型压制工艺,金属框架部分借鉴金属板式换热器框架的成功经 验。以下是各项研究工作的内容及所采取的具 体技术措施。     2.1 材料选择及配方研究     该研究包括换热器板片基本组成成分的研究,物料的混合方式以及它们对板材的机械性 能的影响。选取的原则是各种材料在具有良好 耐腐蚀性的同时,还必须具备良好的导热性,复合在一起后还必须具有足够高的机械强度,能够经受140℃高温的长期考验。通过试验,确定采用高导热性的人造石墨作为填料,用耐腐蚀性能优良且便于成型加工的氟塑料树脂做为粘 接材料,并用具有极高抗拉强度的碳纤维做为增强材料,这三种材料经专用热压模具压制成换热器板片。     2.2 复合材料性能测试     板片材料机械性能采用电子万能材料试验 机进行测试,板材微观结构通过电子显微镜形 貌图分析。要求板片复合材料及换热器整机的 最终物理力学性能指标达到或接近瑞典ALFA -LAVAL热力公司DIABON-F100换热器 板材的性能指标[1]。研制课题结束时,将我院产 品指标与瑞典ALFA-LAVAL公司指标进行 了比较,比较情况见表1。                                    2.3 板片结构设计     考虑到非金属复合材料的特点(如与金属 材料相比,它的脆性大,抗压强度低),我们对金属板片结构作了一定修改,研制出氟塑料—石 墨复合材料板片,板片结构见图1。     主要结构参数确定:     (1)板片尺寸:板片长宽比定为2.1,长宽 尺寸为730×350mm,板框厚10mm,波纹处厚 度为4mm。     (2)板片流道夹角:选用人字形波纹,夹角 为120°(此种形式流体在换热器内停留时间 长,有利于强化传热)。     (3)板片流道形状及尺寸:参考金属板式换 热器板片流道设计及国外同类产品流道形状, 并考虑到流道机加工难易程度,将板片流道形 状设计为梯形槽式;该种流道在板片上可起到 加强筋的作用,增加板片的强度;梯形槽式表 面积较大更有利于传热;波纹间距取30mm,波 纹高取5mm,波纹间距太大流体湍流程度小, 间距太小板片模具不易加工;板片角孔下侧设 分流堰,这样更有利于流体在板片上均匀分布, 有利于传热。                          2.4 板片成型模具设计及加工制造 单板换热面积为0.25m2。采用拼块式模 具,模具内设置电加热装置,并采用循环水模具内冷冷却方式。所采取的这些措施都使模具易于加工制造,模具升温迅速,在不需要热量 时又可以将模具迅速降温,从而提高了板片制作的生产效率。采用专用脱模机构完成脱模工作,还可以大大提高板片生产的成品率。     2.5 板片成型压制工艺确定     对用不同的成型及压制方法制得的板片进 行机械性能测试,最终确定采用模具内热压制成型法制作板片,成型温度210~230℃,成型 时间20min,成型压力30MPa。板片成型工艺 流程见图2。     2.6 密封结构设计 密封结构不是采用国外类似设备的面密封 结构,而是采用线密封结构。这种密封方式密 封面积小,可在同等密封压紧力下在密封面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,该密封方式效果好,换热器整机的最高使用压力已达到1.0MPa(见表1), 液压试验压力达到1.5MPa。                         2.7 密封材料选择及成型加工     根据换热器不同的使用介质(主要考虑其 腐蚀性强弱程度以及是否含有有机溶剂等)、使用温度来确定和选用密封材料种类。腐蚀性强 的换热工况采用丁腈橡胶(耐酸胶种),介质温 度高的工况采用乙丙橡胶(耐温胶种),而介质 中含有有机溶剂的工况则采用氟橡胶(耐有机 溶剂溶胀胶种)密封垫。密封垫的成型加工采用 专用模具,在大型平板硫化机上加工制造。     2.8 板片材料耐腐蚀性能测试     板片在各种酸、碱、盐、氧化性介质及有 机溶剂中进行长期高温腐蚀性能试验,证明除在浓硫酸、浓硝酸和重铬酸钾等强氧化性介质中不很稳定外,该复合材料板片在极大多数酸、碱、盐和有机溶剂中化学稳定性很强。     2.9 换热器整机金属框架设计及整机组装工艺确定     换热器整机组装图见图3。     框架设计的基本思路是参考金属板式换热器的框架设计经验,所不同的是在氟塑料—石 墨板式换热器的拉杆部位上安装压紧弹簧作为板片热胀冷缩的自动补偿机构,并通过弹簧使拉杆压紧力逐步、均匀地施加在板片上(非金属复合材料板片比金属材料板片脆性大得多,抗压强度低)。      2.10 换热器的流程组合形式     该换热器的流程组合形式的不同,对换热效果的影响差别不大,但对换热器现场安装、维修的难易程度有较大的影响。流程组合可采用 “Z”形和“U”形两种形式,见图4。                            显然,采用“U”形流程时接管都在换热器固定压紧板上,换热器安装维修方便,因此该流程组合形式受到用户的欢迎。     3 特点     氟塑料—石墨板式换热器相对于各种金属 及非金属换热器而言,主要具有以下特点。     3.1 突出的耐化学腐蚀性     因为该换热器材质是用耐腐蚀性能优异的氟塑料和导热性能优良的石墨等材料复合而成的,能耐极大多数各种浓度的酸、碱、盐溶液以及大部分有机溶剂的腐蚀和侵蚀,因而该换 热器耐腐蚀性能超过金属材料制成的换热器。     3.2 传热效率高     由于传热板片材料的导热系数为27.06 W/(m·K)(钛材是16W/(m·K),镍基合金是 12W/(m·K)[1]),因而氟塑料—石墨板式换热 器的总传热系数K值已达到金属板式换热器 的总传热系数值,即其K值为1000~2800 W/(m2·K)(金属板式换热器的K值一般在 1500W/(m2·K)以上[2])。     氟塑料—石墨板式换热器的换热效率比列 管式或块孔式石墨换热器高出3~8倍(这两种 换热器的K值一般在300~500W/(m2·K))。     3.3 结构紧凑     在各类换热器中,板式换热器是达到相同 换热效果而体积为最小的换热设备,氟塑料— 石墨板式换热器既是板式结构又是用非金属材 料制成的,因而与其它各类换热器相比有重量 轻,占地面积小,安装维修方便灵活等优点。     3.4 传热性能稳定     该种换热器板片表面似蜡状(氟塑料的自 润滑作用),非常光滑,因而基本不结垢,污垢热阻值很小,换热器整机传热性能稳定。     4 应用情况     4.1 作为加热器加热高温稀硫酸     加热高温稀硫酸就是用130℃低压蒸汽将 5%稀硫酸加热到90±2℃,在此温度下稀硫酸具有极强的腐蚀性。用户(维尼纶厂)在采用我 院的氟塑料—石墨板式换热器之前,曾先后使 用过Mo2Ti不锈钢管式、硬铅列管式、石墨列 管式、不锈钢板式换热器,但由于强烈的腐蚀, 这些换热器的使用寿命最长的也不足3个月。稀硫酸加热器的腐蚀问题成了该企业的一 个老大难问题。1995年采用我院氟塑料—石墨板式换热器后,几年来生产正常,换热设备投 资大大降低。到目前为止,该厂已购置氟塑料 —石墨板式换热器共四台,运行情况良好。     4.2 作为冷却器冷却盐酸溶液     该工况是用工业循环冷却水通过换热器将 80℃的盐酸冷却到40℃。曾用过搪玻璃叠片式 换热器、石墨列管式换热器,但由于盐酸的强 烈腐蚀,换热设备始终无法正常运行,腐蚀造 成换热器漏液,既浪费原料又使车间环境污染。 采用我院三台氟塑料—石墨板式换热器后,彻 底解决了冷却器因被腐蚀而造成的漏液问题。     4.3 作为冷凝器冷凝含有有机溶剂的盐酸溶液     被冷却介质是110℃的盐酸蒸气并混有烯 烃类(四氯丙烯)有机物。此温度下的盐酸蒸气 具有极强的腐蚀性,金属类换热器根本无法使 用。曾用过石墨列管式换热器,但腐蚀介质却 使该换热器碳钢壳体经常腐蚀穿孔。氟塑料— 石墨板式换热器的使用解决了冷凝器的腐蚀问 题,给该厂带来了可观的经济效益。     5 结语     在当今工业发达国家中,氟塑料—石墨板 式换热器已被广泛应用于工业的强腐蚀换热过 程。而在我国,说到板式换热器都是指金属板 式换热器,我国自60年代初期研制板式换热 器,近20年才得到了较快发展[3]。     板式换热器的换热效率要比管壳式换热器高得多,目前金属板式换热器的应用范围已相当广泛。但在应用于各行业的强腐蚀换热工况, 所遇到的最突出问题就是不耐强腐蚀,因而在很多行业只能采用造价极为昂贵的钛板或镍板换热器。氟塑料—石墨板式换热器是一种新型换热设备,其最大优点就是具有极强的耐腐蚀性,同时还具有很好的经济性,大力推广应用将为企业带来显著的经济效益和社会效益。     参 考 文 献     1 ALFA-LAVAL DIABON F. Graphite plate heat ex- achangers. 1990.     2 化学工程(第一册).北京:化学工业出版社, 1981. 3 杨崇麟.板式换热器工程设计手册. 1994. 
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