石墨设备(graphite equipment)

以石墨材料为基材制造的设备。

简史 石墨设备是在解决人造石墨制品的渗透性后，并因盐酸工业发展之需要而问世的。1934年，德国用酚醛树脂浸渍，并经热固化后得到的不透性石墨制成板槽式石墨吸收器。1936年，美国按照当时流行的钢制列管式热交换器的结构，用酚醛树脂浸渍的挤压石墨管试制成功列管式石墨降膜吸收器。上述板槽式及列管式石墨设备应用到盐酸生产上，使HCl吸收由原来使用坛坛罐罐改为间壁式冷却吸收，从而极大地提高了盐酸的生产效率，改进了长期以来盐酸生产落后于工业需求的被动局面。因此，当时曾被誉为是一次技术革命。从此，石墨设备即迅速地在盐酸及氯产品工业中得到广泛应用。随后，由于其优异的导热性与耐腐蚀性能而很快被推广应用到其他领域，诸如硫酸、磷酸、磷肥、石油化工、医药、农药、生物化学、轻纺、冶金、电子、机械、食品、建筑、航天、原子能等众多工业部门。并在这个过程中，使石墨设备发展成为具有多种材质、品种、结构型式的可适应不同工艺条件因而应用更为广泛的工业设备。到了20世纪60～70年代，人们回过头来发挥炭质材料或石墨材料多孔的特点，制成了透性石墨设备，例如转鼓式真空过滤机、多孔炭(或石墨)过滤器，以及炭(石墨)质支撑体动力形成膜元件与设备等，用以对腐蚀性物料进行过滤与分离，后者甚至可对分子、原子、离子、细菌、病毒进行分离，并已实现了对这些材料孔隙率、孔径及其分布的定向控制。

制造工艺  制造石墨设备用的石墨材料可以是透性石墨，但绝大多数是不透性石墨；可以是不含添加物的石墨材料，但绝大多数是添加有高分子物质或其他成分的石墨材料。

石墨设备的制造过程见石墨设备制造工艺流程图。

石墨聚丙烯热交换器和石墨聚氯乙烯热交换器需按塑料制设备的生产工艺制造，设备衬里需按衬里工艺制造，设备中部分材料需要增强的，则按增强工艺流程处置。

分类  石墨设备按结构与应用原理相结合的分类方法见表。

特性  石墨设备具有以下一些特点：

耐腐蚀性 没有添加其他成分的石墨设备可耐除强氧化性介质，如浓H₂SO₄、HNO₃、H₂CrO₄、HClO、H₂O₂、Br₂、高温F₂气及强氧化性盐类溶液外的各种酸、碱、盐类溶液和各种溶剂的腐蚀。但在较高温度下，石墨材料会与某些物质发生氧化还原反应。会与石墨材料发生氧化反应的有450℃的空气、700℃的水蒸气、900℃的CO₂等；会与石墨材料化合的金属有400℃时的Na、500℃时的Li、600～800℃时的Fe、800℃时的Al、900℃时的Be、1310℃时的Ni、1400℃时的W等；会与石墨材料发生还原反应的金属氧化物有485℃时的Fe₂O₃、930℃时的TiO₇、1250℃时的SiO₂、1280～1350℃时的Al₂O₃等。在这些情况下，石墨设备不能长期使用。

对于添加有高分子物质，如树脂或其他成分的石墨设备来说，则可通过选用不同添加物(包括浸渍剂、黏结剂及配料中的黏结剂、改性剂等)来适应不同的工艺条件。

传热效率  由于石墨设备的传热部件绝大多数用热导率高的浸渍石墨制造的，因而石墨换热设备具有高的传热效率。在用饱和水蒸气加热酸液且酸液无相变的情况下，列管式或块孔式石墨热交换器的总传热系数K可达800～1700W/(m²•K)，介质有相变(如再沸、蒸发)时，列管式石墨热交换器的K值可达3000W/(m²•K)以上，在液一液换热情况下，列管式与块孔式石墨热交换器的K值也可达600～1500W/(m²•K)。而按金属板式热交换器原理设计、制造的板式石墨交换器，在液一液换热(无相变)的情况下，K值可达2500W/(m²•K)以上，但石墨聚氯乙烯列管式热交换器的传热效率较低。在液一液换热情况下，其K值仅为150～200W/(m²•K)。

同时，由于石墨与污垢或物料结晶的亲和力低于金属，因而石墨设备换热表面结垢速度及传热性能的衰变均较慢。

耐热性   石墨设备的耐热性取决于所用石墨材料中添加的其他成分。例如，应用最广的酚醛树脂浸渍石墨制造的设备，使用温度一般不超过170℃，而石墨聚丙烯及石墨聚氯乙烯热交换器的允许使用温度分别为200℃及70℃。用酚醛树脂浸渍石墨制造的HCl合成炉在炉内火焰温度高达1550～2500℃的情况下，可使用一二十年，这主要是因为浸渍石墨热导率高，火焰辐射及传递给石墨炉壁的热量很快被炉筒外的冷却水传导走，以致石墨炉筒壁温并不高(通常不超过100℃)的缘故。

石墨设备的耐热性能除由材质决定外，还受结构的影响。如挤压酚醛石墨管本身可在170℃温度下长期使用，但在制造列管式热交换器时，若采用管子两端均与管板粘接的常规结构，由于不同管子的热胀冷缩量常常不等，并相互影响，为防止较高温度下管子间伸缩差异过大而引起设备损坏，具有这种结构的浮头列管式石墨热交换器的许用温度仅为120～130℃。

强度及使用压力   石墨设备的结构设计及使用均要考虑到石墨材料抗拉强度与抗弯强度较低而抗压强度较高的特点。由于承压设备主要零件的强度计算主要考虑抗拉及抗弯强度，这就使目前在化工过程中应用的石墨设备绝大多数属低压容器，即设计内压力小于1.6MPa，通常在0.7MPa以下，仅个别的可达2.5MPa。现在，已可通过将材料增强来进一步提高设备的设计压力。

展望   随着科学技术的发展，石墨设备继续向提高强度、提高效率、系统电脑控制及扩大应用领域等方向发展。例如，对石墨管道及块材采用纤维、陶瓷或金属材料增强，使设备的允许使用压力大大提高；改进材料及结构以提高设备的效率(传热效率或容积效率)；设计与制造一些新型设备来扩展新的应用领域；发展多效蒸发和利用吸收热及合成炉的燃烧热来节约和更充分地利用能源，以及对系统(最典型的是对HCl合成炉及三合一炉盐酸生产装置)实行全电脑控制，以达到最佳工作状态和确保生产安全。