耐腐蚀换热设备及其应用

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1 概述
    换热器属于通用型设备，在石油化工、食品。制药、冶金等行业应用十分广泛，随着我国工业的不断发展，不论是生产工艺的要求还是能源回收的需要，都大量应用换热设备，但在使用过程中，由于腐蚀引起换热器损坏的问题相当严重。换热器的腐蚀破坏，不仅造成设备的报废、支出大量的维修费用，而且直接影响生产的顺利进行，因频繁停车所造成的损失是不可估量的。如能根据介质的要求、生产工艺的条件、经济指标等合理地确定换热器的材质及形式，对提高换热器的抗腐蚀能力，延长其使用寿命是很有帮助的。
2 耐腐蚀换热器的种类及应用
    现以材料分类介绍各种耐腐蚀换热器及其应用情况。
2.1 不锈钢换热器
    用于制造换热器的不锈钢，多采用的是以铬。镍为主要合金元素的奥氏体不锈钢，广泛应用于各行各业的耐腐蚀的换热设备，特别是对于食品。制药更是首选材料。在某些领域，换热器不锈钢材的研制有新的突破。如在炼油行业，原油硫含量的增加，使炼油设备腐蚀加剧。为了满足石化系统的需要，由上海材料研究所、上海炼油厂与江苏兴澄集团公司联合研制出了耐硫化氢应力腐蚀的O8Cr2AiMo换热器专用无缝钢管。O8Cr2AiMo钢不含钒、 碳含量低，使其不仅具有较好的抗硫化氢应力腐蚀的能力，而且与16Mn等常用管板相匹配，具有良好的可焊性。已在大连、茂名、南京、上海等炼油厂使用。
    又如在直流锅炉中，以往采用铜铁混合系统，铜离子在高温下离析，造成锅炉、汽机的电解腐蚀。用不锈钢螺旋槽管加热器取代电厂的铜管低压加热器，实现电厂锅炉水质无铜化，减少电化腐蚀。低导热系数不锈钢以螺旋槽管强化换热替代光滑铜管，可达到原来的出水口水温，同时不锈钢管胀接在管板后再加以封焊，克服了铜管易于泄漏的缺点，提高了运行的安全性。
2.2 钛和钛合金换热器
    钛和钛合金是一种新兴的很有前途的金属材料。用钛制作换热器具有优良的耐腐蚀性、传热效率高、表面光洁无结垢层水、比重小、强度高、设备体积和重量小等特点，广泛应用于航空、宇宙开发、海洋工程、石油、化工名工。食品加工、冶金。电子、医药卫生、仪器仪表等部门。但钛和钛合金价格昂贵，其延伸率和断面收缩差，故在结构设计、制造成本问题上要综合考虑。
    钛对氯具有很强的抗腐蚀性，是海水淡化设备换热器的首选材料民早在30多年前人们就已经把钛管作为表面换热器安装在诲水淡化设备上。在侵蚀性介质中，钦表面上所形成的稳定的二氧化钛薄膜具有优良的抗腐蚀能力。另外，钛制列管式换热器在氯碱工业中也得到了广泛的应用自；钦制螺旋板换热器是一种高效换热设备，已成功应用于联碱Ⅱ过程换热；在石油化工炼油厂常压塔顶油气混合物一原油换热器， 采用钛制U型管换热器，工况效果令人满意，取得了明显的经济效益和社会效益。
    钛螺旋波纹管可加工成柔性换热管，已开发有列管型、双管型、线圈型、投入式等几种形式，应用于海水。温泉、表面处理、制药、制油、食品、蒸馏水、纯水点热利用等领域。
2.3 石墨换热器
    石墨是迄今广泛应用的非金属换热器材料，石墨是情性、不受污染的物质，有很好的抗腐蚀性和耐热性。石墨换热器常用的有列管式、块孔式。板式等型式。石墨换热器在化工生产中得到广泛的应用，如环氧氯丙烷生产中与氯化氢介质有关的换热器、磷酸浓缩工艺中的换热器等。即使是最耐腐蚀的合金，在盐酸这类强腐蚀介质中的腐蚀速度也为0.1mm／a，而石墨的腐蚀速率几乎为0。 因此在强腐蚀性环境中，石墨换热器的寿命显然要比金属换热器的长。石墨换热器既有高度的耐腐蚀和耐热性，且具有良好的传热效果，从而使它在某些腐蚀场合成为取代金属换热器的首选。但由于石墨换热器造价较高、抗冲击强度较低，因此，必须注意因压力异常波动直接导致石墨换热器的意外损坏。
2.4 玻璃换热器
    对于有化学侵蚀的工况，石墨材质并不一定都能适用，这时可考虑采用玻璃材质。进硼玻璃能高度抗酸类、抗含盐溶液和有机物质。甚至卤素如氯和澳，仅受氢氟酸、磷酸和热碱的限制。采用玻璃质涂层是其中一种应用方式，如热风切削化铁炉余热回收工况中， 温烟气中的O2、SO2、H2S、NO2和H2O（g）等可使普通碳钢换热器在10～15天内被“烧穿”，而采用含30％Al2O3的玻璃质涂层在800～1000℃的高温烟气中非常稳定，满足热风炉换热器的耐热及防腐性能要求。
    玻璃换热器通常有两种基本类型：盘管换热器和管壳式换热器。搪衬玻璃制列管式换热器是一种较新型的玻璃换热器，通过组合，既克服了玻璃制列管式换热器承压低、易破损和搪玻璃换热器加工工艺复杂。成品率低、耐蚀性不可靠的缺点。又有效地降低了生产成本，延长换热器的使用寿命。能满足化学工业、制药工业和染料、食品等行业的卫生和防腐要求。
2.5 <;a
 
 塑料材质换热器
    氟塑料换热器是在金属换热器的基础上随化学工业的发展而开发出来的，它是材料学、热力工程和塑料加工技术的综合成果。氟塑料换热器具有耐强蚀、不结垢、重量轻、小型紧凑等优点，价格低于其它换热器。但其机械性能受温度影响，故工作温度对工作压力有一定制约。
    用于换热器的氟塑料主要指PTFE（聚四氟乙烯） ，PFA（四氟乙烯与全氟代烷基乙烯基醚共聚物）和FEP（聚全氟代乙丙烯）。
     在氟塑料换热器中，聚四氟乙烯换热器因具有优异的化学稳定性、耐腐蚀性、无毒性、电绝缘性、抗老化期在十年以上、温度范围广（－180～250℃）、不粘附、不结垢等优点，是替代不锈钢、钛换热器的理想设备。适用于化工、医药、食品及电镀、电解、化学镀、阳极氧化等行业的加热、冷却、蒸发及浓缩工序，在硫酸、盐酸、氢氟酸。强碱、磷酸、王水等百余种强腐蚀、强氧化的化学物质中长期使用，不发生任何反应。如一汽、二汽集团所属厂家在涂装前线的酸洗、磷化工位上采用聚四氟乙烯换热器，取得了良好的抗结垢及热交换效果。
    涂氟塑料层板式换热器，是应用氟塑料树脂乳液经烧结固化后作为板片涂层的换热器。它综合了氟塑料抗腐蚀、防粘滞、防结垢的优点和金属板式换热器工作压力较高（可达到2MPa）的优点。目前已在石油、化工、制药、纺织。印染、交通运输、军事工业等领域得到了应用，并取得了明显的经济效益。
    氟塑料一石墨板式换热器则是80年代末期经济发达国家普遍采用的一种先进换热设备，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，使得换热器板片具有足够高的机械强度及导热性的同时，还具有极强的耐腐蚀性。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％的硝酸等场合。在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。
2.6 陶瓷换热器
    陶瓷材质具有优异的耐热性能和抗腐蚀性能，陶瓷换热器主要应用于工业窑炉和燃气轮机的排烟余热回收，能源利用率可提高20％～30％。陶瓷换热器的结构类型较多，应用较为普遍的有管壳式和叉流式两种型式。
    陶瓷高温回转式换热器，又称热轮。它由转轮、芯管、传动部件和排烟装置组成，转轮由蜂窝陶瓷件构成。借助于蜂窝陶瓷良好的蓄热和放热性能，在烟气侧吸蓄烟气的热量，随后在空气侧放出热量，使逆向流动的助燃空气急剧受热升温，每旋转一周完成一次换热过程。由于蜂窝优异的热性能和极高的比表面积，使得换热器不仅结构紧凑，能承受1100℃高温，而且热回收率大大优于一般金属换热器。
    在新型陶瓷材料研究方面，碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）等陶瓷材料的抗热震性好，是陶瓷换热器理想用材，但价格较昂贵。董青石的抗热震性也比较好，由华东冶金学院材料系以国内丰富廉价的耐火粘土、高铝矾土及滑石为原料，研制新型堇青石陶瓷材料，与单纯的堇青石陶瓷材料相比，抗热震性更高，价格低廉。为陶瓷换热器的进一步开发提供了更好的基础。
3 结语
    以上仅是从材质分类方面介绍近几年来部分换热器在防腐方面的发展状况。有关换热器防腐材料的实际应用还有不少例子，如在空调制冷、汽车换热器一般采用铝材；而应用SY－92防腐阻垢涂料，可提高碳钢换热器防腐阻垢性能；表面涂敷碳化硅敷料可延长直接受炉内高温火焰冲击作用的换热器的使用寿命；用Cr－Mo、Ni－Mo及其组合镀层可防止不锈钢换热器缝隙腐蚀等等。总的说来，换热器要达到防腐的最佳效果，需考虑的因素很多，如腐蚀介质、结构型式、＄糙工艺。使用工艺指标控制、维修保养技术等，所以在选用耐腐蚀换热器时，一定要从实际出发，综合考虑方方面面的因素，以达到低成本。高效益的目的。 

      《中国石油化工网》 

       作者：赵少贞（广东省化学工业学校，广州 510320）