管殼式聚四氟乙烯換熱器是以聚四氟乙烯管材為換熱材料與聚四氟乙烯塑膠或鋼製外殼製成的換熱設備。
基本介紹
- 中文名：管殼式聚四氟乙烯換熱器
- 材料：聚四氟乙烯管材、塑膠
- 介質：有機溶媒、鹽酸、水蒸氣
- 壓力：012MPa
產品介紹,產品分類,
產品介紹
聚四氟乙烯換熱器是一類重要的換熱器設備，它的開發、發展和實際套用經歷了二十多年的演變歷程，現已擁有許多不同結構、不同用途及性能的聚四氟乙烯製品。當前工業生產中使用較為普遍的是列管式和盤管式換熱器。本文結合近幾年來它在化工生產中的套用，簡要介紹其發展現狀、工業套用及其今後的發展方向。
1聚四氟乙烯換熱器的研製
1.1 概述
聚四氟乙烯換熱器是國際上化工設備的新品種,由於聚四氟乙烯材質的耐蝕性冠於多種合金、非金屬甚至貴金屬,如黃金、銀、鋯等,故此類設備對解決製藥、石油化工等工業中的強腐蝕性流體物料的換熱問題具有重要意義。據資料報導,美、英、法、德、意、日等國家已廣泛使用了這種新設備,而我國此項設備的製造和套用尚沒有全面展開。但隨著我國工業和科技的發展,必將有利地促進聚四氟乙烯材料的研究和套用。
1聚四氟乙烯換熱器的研製
1.1 概述
聚四氟乙烯換熱器是國際上化工設備的新品種,由於聚四氟乙烯材質的耐蝕性冠於多種合金、非金屬甚至貴金屬,如黃金、銀、鋯等,故此類設備對解決製藥、石油化工等工業中的強腐蝕性流體物料的換熱問題具有重要意義。據資料報導,美、英、法、德、意、日等國家已廣泛使用了這種新設備,而我國此項設備的製造和套用尚沒有全面展開。但隨著我國工業和科技的發展,必將有利地促進聚四氟乙烯材料的研究和套用。
聚四氟乙烯換熱設備是在工業上需要既耐腐蝕又具有高潔淨率換熱材質的局面下問世的。據資料介紹,1965年美國杜邦公司研製成功聚四氟乙烯鹽酸冷凝吸收器,代替了傳統的陶瓷鹽酸冷凝吸收器、玻璃冷凝吸收器及石墨設備,極大地提高了換熱設備的耐蝕性和換熱介質的潔淨率,此後在石油化工、硫酸、醫藥、電鍍、輕工等領域逐步得到廣泛的套用。
1985年鄭州工業大學開展了聚四氟乙烯換熱設備的製造工藝的研究工作。通過試製、試用並積累數據,目前已探索出可行的聚四氟乙烯換熱器製造工藝並設計、試製出適合我國工業套用的各種氟塑膠換熱器。
1．2 研究成果
氟塑膠換熱器製造工藝方面
聚四氟乙烯換熱器製造工藝:研製了一種“氟塑膠換熱器F-4管板限施壓加熱焊接法”工藝,解決了四氟管焊接技術關鍵。目前此工藝已用於工業性生產,其技術為鄭州工業大學獨創,其特點為所需設備簡單,投資少並能解決實際問題。
（2）聚四氟乙烯換熱器製造方面；
聚四氟乙烯換熱器製造分為A焊接設備製造(自製)、B工裝夾具製造、C工序工藝、流程三個步驟
焊接設備製造—焊接爐
聚四氟乙烯換熱器採用F-4管板限脹施壓加熱焊接工藝進行管板焊接，此焊接技術不添加任何焊接劑，換熱器成品內件全四氟結構材料以保證耐腐蝕性能要求。在所有工序中，焊接工藝是換熱器製造的關鍵技術工序。
自製焊接爐所需投資少，設備簡單，易於工人操作控制，便於定期維護維修。焊接牢固性高，焊接面質量好。其焊接後焊縫機械強度等指標高於四氟管本身的物理機械性能所以焊接爐是四氟換熱器製造中最重要設備。
工裝製造
主要工裝部件為各系列限脹模具，焊接加熱鋼芯、輔助工裝夾具等，具體附分系列詳細製造圖紙。
1.2.2 工業用的各種聚四氟乙烯換熱器設計、試製方面 自1995年到今已設計、試製了多種結構不同的氟塑換熱器,如管殼式、盤管浸入式和U型管浸入式,經工業實際套用,有數種效果較理想,並在國內已實施工業化生產。目前在工業上套用的聚四氟乙烯換熱器最大換熱面積達280平方米台。換熱管達2000根。
2 我國聚四氟乙烯換熱器的套用
目前聚四氟乙烯換熱器的類型較多,性能各有特色,大體上可以分為以下幾種:
(1)管殼式:是套用領域最廣,使用量最大的一類,目前單台最大面積達280m2。
(2)浸入式:又分為U型浸入式和盤管浸入式兩類。由於採用的材質F4化學性能穩定,即使將F4材料溶於“王水”中煮沸亦不會發生反應,故其製品可用於強酸、強鹼、強氧化劑等流體物料的換熱過程,例如用來作苛性溶液、氫氟酸、硝酸混合物、20%發煙硫酸、各種有機酸、氯氣、溴、有機溶劑等流體物料的加熱、冷凝之用。
1985年鄭州工業大學開展了聚四氟乙烯換熱設備的製造工藝的研究工作。通過試製、試用並積累數據,目前已探索出可行的聚四氟乙烯換熱器製造工藝並設計、試製出適合我國工業套用的各種氟塑膠換熱器。
1．2 研究成果
氟塑膠換熱器製造工藝方面
聚四氟乙烯換熱器製造工藝:研製了一種“氟塑膠換熱器F-4管板限施壓加熱焊接法”工藝,解決了四氟管焊接技術關鍵。目前此工藝已用於工業性生產,其技術為鄭州工業大學獨創,其特點為所需設備簡單,投資少並能解決實際問題。
（2）聚四氟乙烯換熱器製造方面；
聚四氟乙烯換熱器製造分為A焊接設備製造(自製)、B工裝夾具製造、C工序工藝、流程三個步驟
焊接設備製造—焊接爐
聚四氟乙烯換熱器採用F-4管板限脹施壓加熱焊接工藝進行管板焊接，此焊接技術不添加任何焊接劑，換熱器成品內件全四氟結構材料以保證耐腐蝕性能要求。在所有工序中，焊接工藝是換熱器製造的關鍵技術工序。
自製焊接爐所需投資少，設備簡單，易於工人操作控制，便於定期維護維修。焊接牢固性高，焊接面質量好。其焊接後焊縫機械強度等指標高於四氟管本身的物理機械性能所以焊接爐是四氟換熱器製造中最重要設備。
工裝製造
主要工裝部件為各系列限脹模具，焊接加熱鋼芯、輔助工裝夾具等，具體附分系列詳細製造圖紙。
1.2.2 工業用的各種聚四氟乙烯換熱器設計、試製方面 自1995年到今已設計、試製了多種結構不同的氟塑換熱器,如管殼式、盤管浸入式和U型管浸入式,經工業實際套用,有數種效果較理想,並在國內已實施工業化生產。目前在工業上套用的聚四氟乙烯換熱器最大換熱面積達280平方米台。換熱管達2000根。
2 我國聚四氟乙烯換熱器的套用
目前聚四氟乙烯換熱器的類型較多,性能各有特色,大體上可以分為以下幾種:
(1)管殼式:是套用領域最廣,使用量最大的一類,目前單台最大面積達280m2。
(2)浸入式:又分為U型浸入式和盤管浸入式兩類。由於採用的材質F4化學性能穩定,即使將F4材料溶於“王水”中煮沸亦不會發生反應,故其製品可用於強酸、強鹼、強氧化劑等流體物料的換熱過程,例如用來作苛性溶液、氫氟酸、硝酸混合物、20%發煙硫酸、各種有機酸、氯氣、溴、有機溶劑等流體物料的加熱、冷凝之用。
由於F4表面的自由能很低,只有119Pa,加上其膨脹係數較一般污垢為大,所用管子具有撓性,易於震動,這就大大減少了結垢堵塞的機會。由於列管管束採用薄壁細管,單位體積內包容的換熱面積比普通列管式增加了數倍,彌補了F4用做傳熱材料其導熱係數過低的缺點。在一般情況下,設備的總傳熱係數K為209_291Wöm2·K。同時由於採用了小口徑換熱管,設備在使用溫度範圍內管程殼程均能承受一定的介質壓力,許用溫度範圍及壓力如下:
許用溫度範圍:-50—150℃
許用壓力範圍:管程壓力015MPa
殼程壓力013MPa
3 聚四氟乙烯換熱器在工業中的套用實例
自1995年至今已製造了一大批不同類型的工業用F4換熱器製品,這些製品已投入生產套用,絕大部分套用成功,其中FHLK-6×015-325-10型在生產中取得了較顯著的效果,現舉一例介紹如下。
(1)設備型號:FHLK-6×015-325-10;
(2)套用單位:北京第二製藥廠;
(3)使用工藝條件:維生素B6生產流程有機溶媒、鹽酸、水蒸氣混合工段冷凝;其中
管程:
介質:有機溶媒、鹽酸、水蒸氣
溫度:100℃
壓力:微負壓
殼程:
介質:冷卻水
溫度:常溫
壓力:012MPa
(4)測定數據:
管程進口:平均溫度100℃。
管程出口:平均溫度45℃。
操作時間:約3小時。
產量:有機溶媒、鹽酸冷凝液150公斤左右(約50kgöh)。
(5)使用時間:從1985年起至今已正常運轉13年,目前仍在繼續使用。
(6)效果:①鋼製設備安裝後使用一次就發現腐蝕,後改用石墨冷凝器,平均壽命約1
年,且安裝維修易出現問題。換上F4換熱器後已正常運轉10年,較前者壽命長10倍,仍在繼續使用,且傳熱效率較穩定;②安裝簡易,運輸方便,製品由鄭州用汽車運送北京,途中經受顛簸震動,安裝使用均未發現由此而造成的異常現象。北京第二製藥廠的套用結果顯示了聚四氟乙烯換熱器具有小巧玲瓏、高效耐用的特點,其技術經濟效果十分明顯。
4 存在的問題及發展方向
就目前來講,聚四氟乙烯換熱器管板焊接技術較難掌握,製作遠達不到機械化和自動化,尚待進一步探索改進。與其它任何材質的換熱器一樣,氟塑膠換熱器不是任何條件下都能使用的設備,套用時必須根據它的特性,合理使用才能收到預期技術經濟效果。由於採用小口徑薄聚四氟乙烯換熱管,故其溫度使用範圍和耐壓程度受到極大限制,同時必須預防機械性損傷。為預防較大介質顆粒產生堵塞,有必要在換熱器入口處安裝顆粒分離器,如果顆粒濃度不高,可定期使流體反向流動,這樣從一定程度上增加了設備的適用性。由於聚四氟乙烯的管板焊接工藝原理不同於鋼製換熱器管板焊接,就目前來講還無法進行內部焊接質量檢測,只能通過巨觀檢驗手段,如水壓試驗或氣密性試驗,來確定焊接面的牢固性。對焊接面上存在的個別缺陷無法立即測定,只能在使用一段時間後定期檢查彌補。
聚四氟乙烯換熱器具有十分廣闊的發展前景,加強對F4基材料研究、開發新品種新系列以提高產品的套用範圍是今後發展的主要方向。我國市場廣闊,氯鹼、硫酸、化肥、醫藥等行業設備也要更新換代,因而需要大量的、先進的聚四氟乙烯設備。
化工生產中熱量交換和傳遞是通過換熱器來完成的。在熱量交換中常常有一些強腐蝕強氧化性的物料，因此，必須用具有抗氧化性能的材料製作換熱器。目前，常用的材料有石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不鏽鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料製成。但是，用石墨等非金屬材料製成的換熱器有易碎、體積大、導熱差等缺點，用鈦鉭、鋯等稀有金屬製成的換熱器，價格非常昂貴，不鏽鋼則難耐許多強腐蝕介質，並產生晶間腐蝕。
聚四氟乙烯（F4）是工程塑膠（俗稱“塑膠王”英文名為Teflon）的一種，具有無與倫比的穩定性和耐腐蝕性，傳熱係數可達360~400W/㎡·K。聚四氟乙烯換熱器就用此材料製成，採用先進的粉末冶金工藝燒結而成，各項性能優異，是解決強腐蝕、強氧化介質傳熱的理想設備，深受廣大客戶青睞。
許用溫度範圍:-50—150℃
許用壓力範圍:管程壓力015MPa
殼程壓力013MPa
3 聚四氟乙烯換熱器在工業中的套用實例
自1995年至今已製造了一大批不同類型的工業用F4換熱器製品,這些製品已投入生產套用,絕大部分套用成功,其中FHLK-6×015-325-10型在生產中取得了較顯著的效果,現舉一例介紹如下。
(1)設備型號:FHLK-6×015-325-10;
(2)套用單位:北京第二製藥廠;
(3)使用工藝條件:維生素B6生產流程有機溶媒、鹽酸、水蒸氣混合工段冷凝;其中
管程:
介質:有機溶媒、鹽酸、水蒸氣
溫度:100℃
壓力:微負壓
殼程:
介質:冷卻水
溫度:常溫
壓力:012MPa
(4)測定數據:
管程進口:平均溫度100℃。
管程出口:平均溫度45℃。
操作時間:約3小時。
產量:有機溶媒、鹽酸冷凝液150公斤左右(約50kgöh)。
(5)使用時間:從1985年起至今已正常運轉13年,目前仍在繼續使用。
(6)效果:①鋼製設備安裝後使用一次就發現腐蝕,後改用石墨冷凝器,平均壽命約1
年,且安裝維修易出現問題。換上F4換熱器後已正常運轉10年,較前者壽命長10倍,仍在繼續使用,且傳熱效率較穩定;②安裝簡易,運輸方便,製品由鄭州用汽車運送北京,途中經受顛簸震動,安裝使用均未發現由此而造成的異常現象。北京第二製藥廠的套用結果顯示了聚四氟乙烯換熱器具有小巧玲瓏、高效耐用的特點,其技術經濟效果十分明顯。
4 存在的問題及發展方向
就目前來講,聚四氟乙烯換熱器管板焊接技術較難掌握,製作遠達不到機械化和自動化,尚待進一步探索改進。與其它任何材質的換熱器一樣,氟塑膠換熱器不是任何條件下都能使用的設備,套用時必須根據它的特性,合理使用才能收到預期技術經濟效果。由於採用小口徑薄聚四氟乙烯換熱管,故其溫度使用範圍和耐壓程度受到極大限制,同時必須預防機械性損傷。為預防較大介質顆粒產生堵塞,有必要在換熱器入口處安裝顆粒分離器,如果顆粒濃度不高,可定期使流體反向流動,這樣從一定程度上增加了設備的適用性。由於聚四氟乙烯的管板焊接工藝原理不同於鋼製換熱器管板焊接,就目前來講還無法進行內部焊接質量檢測,只能通過巨觀檢驗手段,如水壓試驗或氣密性試驗,來確定焊接面的牢固性。對焊接面上存在的個別缺陷無法立即測定,只能在使用一段時間後定期檢查彌補。
聚四氟乙烯換熱器具有十分廣闊的發展前景,加強對F4基材料研究、開發新品種新系列以提高產品的套用範圍是今後發展的主要方向。我國市場廣闊,氯鹼、硫酸、化肥、醫藥等行業設備也要更新換代,因而需要大量的、先進的聚四氟乙烯設備。
化工生產中熱量交換和傳遞是通過換熱器來完成的。在熱量交換中常常有一些強腐蝕強氧化性的物料，因此，必須用具有抗氧化性能的材料製作換熱器。目前，常用的材料有石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不鏽鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料製成。但是，用石墨等非金屬材料製成的換熱器有易碎、體積大、導熱差等缺點，用鈦鉭、鋯等稀有金屬製成的換熱器，價格非常昂貴，不鏽鋼則難耐許多強腐蝕介質，並產生晶間腐蝕。
聚四氟乙烯（F4）是工程塑膠（俗稱“塑膠王”英文名為Teflon）的一種，具有無與倫比的穩定性和耐腐蝕性，傳熱係數可達360~400W/㎡·K。聚四氟乙烯換熱器就用此材料製成，採用先進的粉末冶金工藝燒結而成，各項性能優異，是解決強腐蝕、強氧化介質傳熱的理想設備，深受廣大客戶青睞。
產品分類
1.單向防腐四氟換熱器，用於液液或液汽換熱
2.雙向防腐型四氟換熱器，能同時對兩種強腐蝕物料進行換熱，用於液液或液汽換熱
3.四氟盤管式換熱器，適用於塔節、反應釜等容器內換熱
4.四氟框架式換熱器，適用於槽、池等換熱
二. 技術指標：
設計溫度：-20℃~170℃
設計壓力：殼程：≦0.3MPa，管程：≦0.4MPa。
“焊縫”剪下強度t>6×106Pa
三.注意事項：
1.進料、出料管道重量不能壓在接頭上，以免損傷封頭
2.使用時，先打開冷驅蚊水閥門，讓水充滿殼程後，再進需冷卻的物料
3.物料直徑不能大於管徑的1/4，以免堵塞四氟管子
4.管程、殼程內均不能有鐵屑、小玻璃等物質進入，以免損傷四氟管子
5.貯藏時，將進出水口封住，以免進異物損傷四氟管子
四.特點：
1.具有極好的耐腐蝕性能
由於聚四氟乙烯屬化學惰性材料，除高溫下的元素氟，熔融態鹼金屬、三氟化氯、六氟化鈾、全氟煤油外，幾乎可以在所有的介質中工作。
如：濃鹽酸、、氫氟酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、苛性鈉、次氯酸鈉、萘、苯、二甲苯、丙酮、王水、氯氣、甲苯、、各種有機溶劑等等。
2.抗污塞性好
由於聚四氟乙烯的化學惰性、表面光滑性、繞曲性和高膨脹係數，使其傳熱面很難結垢，大大減少了設備維修次數，保證了相對穩定的傳熱係數和生產的長期運行。
3.壽命長久綜合成本低
由於聚四氟乙烯中不含光敏基因，因而其具有優異的耐大氣老化性。在強腐蝕介質中其使用壽命是不鏽鋼的20-30倍，再加上免除了維修、事故停產所造成的損失，其綜合成本絕對低於其他換熱器。
4.傳熱性能好
由於換熱器採用的是薄壁管，所以克服了聚四氟乙烯材料導熱係數低的缺點，使其總傳熱係數可達150-300（W/㎡K）。目前，我單位採用了強化傳熱技術，可做厚壁，大孔的換熱管，使其耐壓大大提高，使其總傳熱係數也有所提高，可達350W/㎡K。
5.體積小重量輕結構緊湊
本換熱器採用薄壁細管，因而製成的換熱器單位體積的換熱面積特別大，高達600㎡/m³（25×3的鋼管制作的只有130㎡/m³）。加之塑膠的質量輕，這樣在運輸、安裝、維修時就非常方便。
《管殼式聚四氟乙烯換熱器》的國家行業標準由泰安盛通化工設備有限公司、天華化工機械及自動化研究設計院、南通利泰非金屬化工設備有限公司共同制定。
2.雙向防腐型四氟換熱器，能同時對兩種強腐蝕物料進行換熱，用於液液或液汽換熱
3.四氟盤管式換熱器，適用於塔節、反應釜等容器內換熱
4.四氟框架式換熱器，適用於槽、池等換熱
二. 技術指標：
設計溫度：-20℃~170℃
設計壓力：殼程：≦0.3MPa，管程：≦0.4MPa。
“焊縫”剪下強度t>6×106Pa
三.注意事項：
1.進料、出料管道重量不能壓在接頭上，以免損傷封頭
2.使用時，先打開冷驅蚊水閥門，讓水充滿殼程後，再進需冷卻的物料
3.物料直徑不能大於管徑的1/4，以免堵塞四氟管子
4.管程、殼程內均不能有鐵屑、小玻璃等物質進入，以免損傷四氟管子
5.貯藏時，將進出水口封住，以免進異物損傷四氟管子
四.特點：
1.具有極好的耐腐蝕性能
由於聚四氟乙烯屬化學惰性材料，除高溫下的元素氟，熔融態鹼金屬、三氟化氯、六氟化鈾、全氟煤油外，幾乎可以在所有的介質中工作。
如：濃鹽酸、、氫氟酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、苛性鈉、次氯酸鈉、萘、苯、二甲苯、丙酮、王水、氯氣、甲苯、、各種有機溶劑等等。
2.抗污塞性好
由於聚四氟乙烯的化學惰性、表面光滑性、繞曲性和高膨脹係數，使其傳熱面很難結垢，大大減少了設備維修次數，保證了相對穩定的傳熱係數和生產的長期運行。
3.壽命長久綜合成本低
由於聚四氟乙烯中不含光敏基因，因而其具有優異的耐大氣老化性。在強腐蝕介質中其使用壽命是不鏽鋼的20-30倍，再加上免除了維修、事故停產所造成的損失，其綜合成本絕對低於其他換熱器。
4.傳熱性能好
由於換熱器採用的是薄壁管，所以克服了聚四氟乙烯材料導熱係數低的缺點，使其總傳熱係數可達150-300（W/㎡K）。目前，我單位採用了強化傳熱技術，可做厚壁，大孔的換熱管，使其耐壓大大提高，使其總傳熱係數也有所提高，可達350W/㎡K。
5.體積小重量輕結構緊湊
本換熱器採用薄壁細管，因而製成的換熱器單位體積的換熱面積特別大，高達600㎡/m³（25×3的鋼管制作的只有130㎡/m³）。加之塑膠的質量輕，這樣在運輸、安裝、維修時就非常方便。
《管殼式聚四氟乙烯換熱器》的國家行業標準由泰安盛通化工設備有限公司、天華化工機械及自動化研究設計院、南通利泰非金屬化工設備有限公司共同制定。
