石墨的機械性能

石墨的機械性能




一：前言

PS版即預涂感光版(Presensitized Offset Plates)的簡稱，是為適應平版印刷的迅速發展而研制開發出來的。由于PS版本身具有分辨力高，網點再現飽滿，層次豐富，水墨平衡易掌握，耐印力高等特點，在印刷行業得到了迅速普及。從目前掌握的統計資料來看，PS版依然是當前消耗量最大，也是最重要的平印版材，PS版制造業已經成為當前印刷器材制造業極其重要的支柱產業之一。

PS版生產過程中要使用鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、氟化鈉、碳酸二氫鈉等化工原料，并且需要冷卻與加熱，而這些原料大部分是強腐蝕性介質，設備必然腐蝕嚴重，必須要求諸多生產設備的材料既要能防腐蝕，又要有良好的傳熱性能。

當前PS版生產廠家普遍都使用造價高于石墨四到五倍的鈦合金材料的板式換熱器，如PS版電解工序2%鹽酸溶液冷卻器、氧化工序25%硫酸溶液冷卻器、封孔工序氟花鈉、碳酸二氫鈉等溶液冷卻器，雖然傳熱效率好，但易堵，維修不方便，清洗也頻繁，給緊張的生產造成極大的不便；而石墨換熱器單位換熱面積造價也大大低于板式換熱器，而且導熱系數相當高，安裝、清洗、維修、維護方便，既縮短了停產時間，又不會減少設備的換熱面積，因而可以很好地替代鈦合金板式換熱器。
下面對石墨制化工設備簡單介紹一下。

二：石墨制化工設備

（一） 不透性石墨

不透性石墨是一種由人造石墨及合成樹脂通過浸漬、壓型、澆鑄等方法制得的新型的結構材料，它和其它一切非金屬耐腐蝕材料的區別在于，除了具有高度的化學穩定性外，還具有極高的導熱性能，因而大大地擴展了其應用范圍。

不透性石墨作為耐腐蝕非金屬無機材料，被廣泛應用于在化工防腐中，目前不透性石墨已經成功廣泛應用于制造各種類型加熱器、冷卻冷凝器、合成爐、膜式吸收器、管道、管件、閥門、塔及附件、泵類及設備的襯里防腐等。其結構性能如下：

1.酚醛浸漬石墨機械性能

容重 1.8～1.9 G/m3
抗壓強度 58.8～68.6 Mpa
抗拉強度 7.8～9.8 Mpa
抗彎強度 23.5～27.4 Mpa
抗部擊強度 2.7～3.1 KJ/㎡
硬度 25～35 布氏
熱導率、導熱系數 105～116 W/m·K
耐熱度 170 ℃
熱膨脹系數 4.4 1/℃×106

2．機械強度 不透性石墨可進行各種機械加工，如車、刨、鋸、銑等，這些性能對加工制造各種設備提供了良好的條件。

3．化學穩定性 不透性石墨除了強氧化性酸及堿外，對大部分化學物質都耐腐蝕，特別是鹽酸，在沸點以下任何濃度都耐。

4．導熱性 浸漬石墨的導熱系數為100～110千卡/米·小時·℃，浸漬類石墨的導熱系數和銅、鋁等相仿，通常將其作為熱交換器或其它傳熱設備就是根據不透性石墨的這一特點。

5．熱穩定性 石墨本身的熱膨脹系數很小，為0.24×10－5 1/℃。雖然樹脂的線膨脹系數大得多，但浸漬固化后，被廣泛約束在空隙中，不能自由膨脹，使得浸漬石墨的總的線膨脹系數增加不多，為0.4～0.45×10－5 1/℃。

（二） 各種設備簡介

不透性石墨制換熱設備和吸收設備具有優良的耐腐蝕性和傳熱性能，應用于腐蝕性介質的傳熱過程，被廣泛地用于處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質，用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發和吸收等化工單元操作。石墨換熱設備和吸收設備按其結構形式可分為列管式、塊孔式（圓塊孔式及矩形塊孔式）、噴淋式、浸漬式、套管式等多種結構形式。其中列管式、塊孔式都有系列設計，并且制訂了石墨設備技術標準。下面重點介紹一下列管式、塊孔式及列管式降膜吸收器的特點、分類、適用范圍及個別應用。

1、組合式列管式石墨換熱器管與管板連接為彈性密封結構。在溫差應力作用下石墨管能自由伸縮，避免了石墨管與管板黏結在溫差應力作用下所引起的應力破壞。石墨材料利用率高，可制成較大傳熱面積的設備，單位換熱面積造價低于其它結構形式，用于處理量較大的換熱過程；流體阻力小，維護檢修和清洗方便；設備許用壓力達0.5ＭＰａ，溫度150℃.由于各設備零部件互換性好，可以單獨更換，這樣大大延長了設備的使用壽命。在硫酸、鹽酸工業和環氧氯丙烷生產等領域都得到了廣泛的應用。

2、換熱器（圓塊孔、矩形塊孔）是若干帶有物料孔道的石墨換熱器，上、下石墨封頭及其金屬蓋板以及圓筒鋼殼體（圓塊孔）或兩端側蓋（矩塊孔式）等主要零件組成，零件之間用襯墊密封，并以長螺栓緊固。塊孔式換熱器有以下特點：

①結構堅固，石墨塊體主要承受壓應力，能充分利用石墨材料抗壓強度高的特點。可提高操作壓力，適用于有熱沖擊或振動的場合。
②結構緊湊，占地面積小。
③適應性強，可用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發、再沸、吸收、解吸等許多化工過程。
④零件互換性好，采用“積木式”的可拆卸組合結構，需數量不多的標準元件，可組裝成各種不同換熱面積的設備，其拆卸、安裝、清洗、檢修和運輸方便，這對制造和維修都具有很大優越性。
⑤可獲得較高的傳熱系數。

例如YXSQ圓塊孔式硫酸稀釋冷卻器，上部為濃酸與脫鹽水混合、稀釋、分配部份，中、下部份為冷卻部份，可將98%的濃硫酸稀釋到50~60%，它作為現在硫酸稀釋工藝中較為先進的設備，可以將濃硫酸的濃度稀釋到65%以下，并且可以在稀釋后直接進行冷卻直至所需要的溫度。

3、降膜式石墨吸收器實際上是一種垂直安裝的列管式或圓塊孔式換熱器。換熱器的列管（或塊體上的縱向孔道）相當于許多并列的水冷濕壁塔。在其上方設置有分配吸收液的溢流管。降膜式吸收器在吸收過程中，不斷地將溶解熱移走，其傳熱傳質效果好。它與填料塔的絕熱吸收比較有著顯著優點。

應用于環氧氯丙烷生產中的副產氯化氫用水吸收后即為鹽酸,它具有很強的腐蝕性,大大縮短了金屬換熱器的使用壽命，因此環氧氯丙烷生產中與氯化氫介質有關的換熱器均采用了非常耐腐蝕的石墨制換熱器。

三、應用前景

隨著社會的發展和技術的進步，產品質量也在逐步提高，碳鋼和鑄鐵已經不能很好地滿足現代工業生產日益發展的要求和規模化生產的需求，隨之出現一些新材料，如：合金鑄鐵、不銹鋼、鈦材、工程塑料以及各種防腐襯里等在生產中得到了廣泛的應用。

碳鋼設備的防腐處理，大部分采用酚醛、環氧樹脂涂層，特別是換熱設備經過防腐傳熱效果大大下降，從而增大換熱面積，于是石墨就成為了設備制造中非常合適的材料。例如用在電石法PVC生產中與HC1氣體或鹽酸相關的工藝過程，主要設備有：鹽酸冷卻器、圓塊式石墨三合一鹽酸合成爐、石墨氯化氫合成爐、圓塊石墨硫酸稀釋器、混合氣深冷器、聚合工段預熱器及轉化器氯乙烯冷卻器、乙烯氧氯化法生產中精餾工段中EDC冷卻器等，均收到了良好的使用效果。

石墨的導熱系數為480. 7 J / (m·h·℃) ,而一般合金的導熱系數較之低得多,如304 型不銹鋼為58. 69 J / (m·h·℃) ,因而同樣厚度的石墨熱阻就比不銹鋼熱阻小,亦既傳熱能力要強。雖然傳熱過程中的管壁熱阻比起流體與污垢的熱阻要小得多,但這種影響有時也不容忽略。

即使是最耐腐蝕的合金,在鹽酸這類強腐蝕介質中的腐蝕速度也為0. 1 mm/ a ,而石墨的腐蝕速率幾乎為0 。因此,在強腐蝕性環境中,石墨換熱器的壽命顯然要比金屬換熱器的長。

石墨換熱器在生產中不僅有效地進行熱量的交換,降低能耗,而且可以提高有關物料的收率,從而降低物耗,它在環氧氯丙烷生產中的使用,即節約了環化反應塔的蒸汽消耗,又提高了二氯丙烷的反應收率。

不透性石墨設備在其它領域雖得以廣泛應用，但在PS版生產中的應用僅僅還是起步階段，而就實際生產而言，只要工作壓力不超過0.6MPa,工作溫度低于160℃，介質中含有腐蝕性物質都可用不透性石墨設備。

金屬換熱器即使在其它介質條件下也經常需要堵漏,在酸性介質條件下運行時,則需要經常更換,這就會造成頻繁的停車,更換列管或換熱器的直接損失和停車造成的間接損失不可不計,由此可見,石墨換熱器不僅有著良好的換熱效果,更因其高度的耐腐蝕性,使用壽命長,而防止換熱器的頻繁堵漏或更換造成的裝置停車,使得化工裝置真正實現長期、安全、穩定運行,因而值得進一步推廣。

通過以上的介紹，我們相信，隨著時間的推移和對石墨設備的了解與認識越來越深刻，其應用前景會相當的好。

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