防腐材料之星:炭与石墨(下)

仇晓丰、赵桂花主编的《防腐材料之星――炭与石墨（下）》比较全面地叙述了防腐蚀材料炭和石墨的性能及其应用概况，并介绍了靠前外炭和石墨制品的新产品、新技术，着重介绍了不透性石墨制品的种类、设计及其在化工及相关行业中的应用。全书共分为10章，上册靠前章和第2章主要介绍炭和石墨材料的物理、化学性质；第3章主要介绍了炭及石墨制品的应用；第4章讲述了石墨烯的制各与应用；第5章介绍了多孔炭及碳纤维：第6章和第7章分别介绍了不透性石墨材料和不透性石墨设备设计计算。下册第8章主要介绍了耐腐蚀不透性石墨设备与制品；第9章主要介绍了不透性石墨设备的制造；靠前0章讲述了石墨设备的应用。
本书可供冶金、化工、电子、航天和核工业等部门从事石墨设备设计、制造、安装、使用、维修及研究单位从事腐蚀与防护工作的同志和有关院校的师生参考。

丛书序
丛书前言
序
前言
第8章  耐腐蚀不透性石墨制设备与制品
8.1  不透性石墨制设备的分类及典型结构
8.1.1  不透性石墨制设备的分类
8.1.2  不透性石墨制设备的设计特点
8.1.3  不透性石墨制设备的典型结构
8.2  石墨换热器
8.2.1  列管式石墨换热器
8.2.2  块孔式石墨换热器
8.2.3  板式及板槽式石墨换热器
8.2.4  其他结构型式石墨换热器
8.2.5  石墨蒸发器
8.3  石墨降膜吸收器
8.3.1  概述
8.3.2  降膜吸收器的特点
8.3.3  结构型式
8.3.4  结构设计
8.3.5  石墨降膜吸收器系列
8.3.6  设计依据
8.4  石墨合成炉
8.4.1  概述
8.4.2  石墨合成炉的分类及演变
8.4.3  “二合一”氯化氢合成炉
8.4.4  “三合一”盐酸合成炉
8.4.5  副产蒸汽石墨合成炉
8.4.6  其他型合成炉
8.4.7  结构设计及选型依据
8.4.8  合成炉操作
8.5  硫酸稀释冷却器
8.5.1  管壳式石墨硫酸稀释冷却器
8.5.2  圆块式石墨硫酸稀释冷却器
8.5.3  自动稀释控制
8.5.4  设计依据
8.6  石墨塔设备
8.6.1  石墨填料塔
8.6.2  泡罩塔
8.6.3  筛板塔
8.6.4  组合塔
8.7  石墨泵
8.7.1  石墨离心泵
8.7.2  石墨喷射泵
8.8  石墨机械类设备
8.8.1  刮板式石墨薄膜干燥机
8.8.2  石墨搅拌机
8.9  石墨管道、管件
8.9.1  石墨管
8.9.2  管件
8.10  石墨衬里
8.10.1  材料
8.10.2  设备结构
8.10.3  衬里结构
参考文献
第9章  不透性石墨制设备的制造
9.1  不透性石墨加工制造工艺
9.1.1  材料的选择与拼接
9.1.2  石墨零部件机加工
9.2  换热设备的制造
9.2.1  列管式换热器
9.2.2  块孔式换热器
9.3  吸收设备
9.3.1  组装
9.3.2  零部件及成品检验
9.3.3  安装注意事项
9.4  设备衬里的施工
9.4.1  酚醛胶泥衬石墨砖板的施工
9.4.2  水玻璃胶泥衬石墨砖板的施工
9.4.3  施工注意事项
参考文献
第10章  石墨设备的应用
10.1  盐酸工业
10.1.1  氯化氢及盐酸合成系统
10.1.2  盐酸脱吸
10.1.3  试剂盐酸的生产
10.1.4  节能型无水HCl制造装置系统
10.1.5  VCM过量氯化氢全回收工艺
10.1.6  含醇盐酸净化工艺
10.2  硫酸工业
10.3  磷酸、磷肥工业
10.3.1  热法磷酸
10.3.2  湿法磷酸
10.3.3  湿法磷酸的浓酸
10.3.4  精制食品级磷酸
10.3.5  电子级磷酸生产技术成果简介
10.3.6  管式反应器
10.4  石油化工
10.4.1  环氧氯丙烷
10.4.2  一氯甲烷
10.5  “三废”处理
10.5.1  含氯废气的处理
10.5.2  含盐废水的处理
10.5.3  含氯化氢气体的烟气处理
10.6  无水氯化镁的制备
10.7  使用实例
10.7.1  列管式及块孔式石墨换热器的应用
10.7.2  在氯系统中的应用
10.7.3  我国石墨设备的使用实例
参考文献

    第8章 耐腐蚀不透性石墨制设备与制品[1]

    8.1 不透性石墨制设备的分类及典型结构

    目前应用的石墨设备，绝大多数是由不透性石墨制造的。但也有某些设备所用的石墨材料可以是微渗透的，如氯化氢合成炉；有的则必须是渗透性的，如转鼓式石墨真空过滤机、石墨过滤器、炭质动力形成膜。因后者出现的较晚，尤其是透性石墨设备直到20世纪70年代才问世，应用又较少，因而习惯上将石墨设备称为“不透性石墨设备”。

    由于石墨设备优异的防腐蚀与导热性能，至今它已发展成能适应不同类型工艺条件、各种不同结构型式及不同规格的独立体系。

    8.1.1 不透性石墨制设备的分类

    根据不同的分类方式，不透性石墨制设备可以划分为不同的型式。按工作压力不同可以分为压力容器和常压容器。下面重点介绍压力容器的相关规定。

    石墨制压力容器及其零部件的设计、制造、检验、安装、使用、维修及改造必须遵守国家及有关部门颁布的相关法令、规章和标准，如GB/T 21432—2008《石墨制压力容器》及TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》等。一般规定如下。

    （1） 石墨制压力容器适用范围，需要同时具备以下条件：①工作压力大于或等于0.1MPa、小于或等于2.4MPa；②压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa?L；③介质是气体、液化气体和优选工作温度高于或等于其标准沸点的液体，适用温度为?60～400℃。

    （2） 对于有不同工况要求的容器，应按很苛刻的工况来设计，并在图样或相应技术文件中注明各种工况的压力和温度。

    （3） 材料。靠前外生产厂商一般把不透性石墨材料分为A类和B类两种。

    A类材料是颗粒度为微颗粒和超微颗粒的石墨材料，其粒径为0.3～0.001mm。此类材料，由于颗粒度微小、孔隙率小、机械性能高，适用于制作承受较高压力的化工容器设备。

    B类材料是颗粒度为普通颗粒度的石墨材料，一般来说，其颗粒度较大，在4mm左右，因此孔隙率大，在20%左右，机械强度低，只能用于承受较低压力的化工容器，靠前制作石墨设备的石墨材料，一般用B类石墨材料。

    表8-1所介绍的是法国罗兰集团用于化工设备的两类石墨材料S类和X类的有关数据，从中可以看出，国外所用的石墨材料颗粒度小、孔隙率小、机械强度高，相应的石墨设备所承受的压力也高。

    表8-1 罗兰集团用于化工设备的两类石墨材料

    石墨材料

    注：（1）S——标准型；X——极微粒型。

    （2）适用范围：A类：设计压力≤l.0MPa，使用温度≥180℃；B类：设计压力≤0.3MPa，使用温度≤170℃。

    （4） 许用应力值。该材料的许用应力值为在相应的设计温度下各项强度数值除以安全系数所得或根据所用材料给出的数据选用。

    《石墨制压力容器》标准中对浸渍石墨材料强度及安全系数做了规定，如表8-2所示。

    表8-2 浸渍石墨材料强度分级

    *可根据近期新标准更新。

    （5） 载荷。设计时应考虑以下载荷：①内压、外压或优选压差；②液体静压力。

    需要时，还应考虑以下载荷：①容器的自重，以及正常工作条件下或压力实验状态下内装物料的重力载荷；②附属设备及隔热材料、管道、扶梯、平台等的重力载荷；③风载荷、地震力、雪载荷；④支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件的反作用力；⑤连接管道和其他部件的作用力；⑥温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；⑦包括压力急剧波动的冲击载荷；⑧冲击反力，如流体冲击引起的反力等；⑨运输或吊装时的作用力。

    （6） 石墨制材料零部件间的连接推荐采用非金属软垫片。

    按安装型式可以分为立式设备和卧式设备；按石墨原材料的形态可以分为列管式、块孔式、板式、衬里式设备等；按作用原理结合结构型式可以分为换热器、降膜吸收器等，详见表8-3。

    表8-3 石墨设备分类

    8.1.2 不透性石墨制设备的设计特点

    根据石墨材料的性能特点，在进行不透性石墨制化工设备（以下简称石墨设备）设计时，应注意以下几方面的特点。

    （1） 应尽量发挥石墨材料抗压强度高的特点，使石墨制元件处于承受压应力状态而避免或减小承受拉应力和弯曲应力。

    （2） 换热器的通道走向必须符合石墨各向异性所带来的很好导热方向。因为石墨制品垂直于挤压轴线方向的导热系数比平行于轴线方向的小25%，所以设计传热元件时，应尽量使传热热流的方向沿石墨挤压的轴线方向。

    （3） 作为加热设备，在采用树脂浸渍石墨、压型石墨及其胶结剂等与金属材料或其他材料相组合制造加热设备时，由于热膨胀系数的差异，引起过大的温度应力，应尽量减少用黏接结构。在进行列管式换热器的设计时，尤其要合理地选择材料和结构型式。

    （4） 设备的主要石墨零件，同样应尽量避免用带黏接缝的结构。因胶结剂与石墨材料的热膨胀系数不同，黏接缝在较高的操作温度下，将产生温度应力，而且它在介质温度及时效的作用下，可能引起脆化，使零件断裂。目前，我国用于制造设备的人造石墨毛坯的优选尺寸：方形截面为500mm×500mm，圆形截面一般为 300～1600mm，优选达到 1800mm，而所需要的石墨零件往往超过石墨毛坯的优选尺寸。这时，不可避免地需采用黏接结构。此时，石墨零件的胶合缝应严密均匀，缝宽度一般不大于1mm。

    （5） 金属材料的连接件，如螺栓、双头螺栓，不宜直接拧在石墨元件上。

    （6） 零件的几何形状和设备结构不宜过于复杂。

    （7） 石墨接管伸出设备外壁不宜太长，以免运输或使用中碰坏。

    （8） 应考虑设备吊装部位，一般不宜直接在不透性石墨构件上吊装。

    （9） 由于石墨材料的不均质性，强度计算时采用较大的安全系数，过去一般取7～9，现在由于石墨材料质量水平的提高，TSG 21—2016中将安全系数降低了。

    8.1.3 不透性石墨制设备的典型结构

    1. 黏接结构

    常见的黏接结构有下列几种（详细内容见第9章）：①单层平板黏接；②多层平板黏接；③板与板的垂直黏接；④筒体的黏接（环向黏接与轴向黏接）；⑤接管与筒体的黏接；⑥接管与封头或平盖板的黏接；⑦管子与管件的黏接。

    2. 法兰连接结构

    石墨材料的抗弯强度较低，故石墨设备的部件之间，设备接管与管件及管件与管件之间的连接较多采用钢或铸铁制的活套法兰。根据使用要求不同并考虑维修装拆方便，金属法兰有整体法兰、对开式法兰和带对开环整体法兰三种结构型式。整体法兰多用于管道连接和与设备的金属盖板连为一体的接管法兰。对开式法兰常用于设备接管与外部管道的连接。带对开环的整体法兰一般用于较大尺寸的活套法兰连接，如设备筒体之间、设备筒体或浮头管板与封头之间的连接。

    1） 活套法兰连接

    活套法兰连接主要用于管道连接（图8-1）、管口连接（图8-2）和浮头管式换热器中浮动管板与封头的连接（图8-3）。

    图8-1 管道法兰连接结构

    （a）带凸缘法兰连接；（b）黏接环法兰连接；（c）附卡环法兰连接；（d）可伸缩管道法兰连接

    图8-2 管口法兰连接结构

    图8-3 浮动管板与封头的连接结构

    1. 封头；2. 浮头管板

    采用活套法兰的石墨件上应留有凸缘，凸缘可以由石墨件整体加工制成[图8-1（a）]。也可采用黏接结构[图8-1（b）和（c）]，前者加工方便，没有黏接缝，连接和密封可靠性优于后者，但较费石墨材料。采用这种连接的石墨凸缘角度 不宜太大，以免凸缘受剪切应力过大而断裂，一般取 =10°～30°（图8-4）。

    图8-4 法兰凸缘结构

    α取10°～30°，R=10～30mm

    图8-1（d）为管道本身可伸缩的活套法兰连接，它常用于温度较高的管道中，作为管道热补偿器或用在操作中沿管道轴线产生位移而需要补偿的场合。

    2） 设备接管法兰的连接结构

    石墨设备的接管法兰对外连接结构，除上述对开式活套法兰连接外，图8-5所示