聚四氟乙烯换热器科技发展及应用
郑州工业大学 马双林
氟塑料换热器是一种新型的耐腐蚀热交换设备，氟塑料换热器广泛应用于航天、航空、化工、医药、冶金等领域中。常用的氟塑料换热器的材料有可溶性聚四氟乙烯（PFA)、聚四氟乙烯（PTFE)、聚全氟乙丙稀（FEP）。聚四氟乙烯换热器的开发、发展和实际应用经历了二十多年的演变历程
关键词：聚四氟乙烯 换热器 技术转让
聚四氟乙烯换热器是一类重要的换热器设备，它的开发、发展和实际应用经历了二十多年的演变历程，1965年美国首先在工业生产中应用这种换热器。1990年郑州工业大学开展了聚四氟乙烯换热设备的制造工艺的研究工作。通过试制、试用并积累数据, 目前已探索出可行的聚四氟乙烯换热器制造工艺并设计、试制出适合我国工业应用的各种氟塑料换热器。现已拥有许多不同结构、不同用途及性能的聚四氟乙烯制品。当前工业生产中使用较为普遍的是列管式和盘管式换热器。常见的氟塑料换热器有管壳式换热器和沉浸式换热器两种形式。它们是由许多管束插在氟塑料的管板，采用F-4管板限胀施压加热焊接工艺进行管板焊接，此焊接技术不添加任何焊接剂，换热器成品内件全四氟结构材料以保证耐腐蚀性能要求。“氟塑料换热器F- 4 管板限脹施压加热焊接法”工艺, 解决了四氟管焊接技术关键。
氟塑料换热器适用于电镀、电解、磷化、除油、酸洗、化学镀镍磷、阳极氧化、铝泊、冶炼、电力、化工、医药、食品等行业中的液相加热、冷却、蒸发、浓缩等。
氟塑料换热设备是在工业上需要既耐腐蚀又具有高洁净率换热材质的局面下问世的。氟塑料具有耐热、耐寒、耐候、耐药品、耐溶剂，绝缘性能及高频电性能优异．并 具有不粘性、自润滑性、低磨擦系数等特点。良好的耐温性，工作温度在-50℃~+150℃，工作压力为0.3~0.4MPa，几乎不与所有的化学溶剂产生反应，可用于各种强腐蚀性液态介质如硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸、醋酸和苛性介质溶液的冷却和加热。
氟塑料换热设备管壁表面光滑，并有适度的挠性，优异的不粘性，使用时微有振动，故不易结垢，管束可按需要盘绕制成各种形状。优异的抗氧化性能，分子无光敏基因、臭氧紫外线等不能与之作用，耐大气老化性，耐辐照性能和较低的渗透性，浸入强腐蚀介质及长期暴露于恶劣大气中，表面及性能保持不变，抗氧化性能长达10年以上，具备以下显著特点：
★ 具有极好的耐腐蚀性能
由于聚四氟乙烯属化学惰性材料，除高温下的元素氟，熔融态碱金属、三氟化氯、六氟化铀、全氟煤油外，几乎可以在所有的介质中工作。
如：浓盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、苛性钠、次氯酸钠、萘、苯、二甲苯、丙酮、王水、氯气、甲苯、各种有机溶剂等等。
★ 抗污塞性好
由于聚四氟乙烯管的化学惰性、表面光滑性、绕曲性和高膨胀系数，使其传热面很难结垢，大大减少了设备维修次数，保证了相对稳定的传热系数和生产的长期运行。
★ 寿命长久综合成本低
由于聚四氟乙烯中不含光敏基因，因而其具有优异的耐大气老化性。在强腐蚀介质中其使用寿命是不锈钢的20至30倍，再加上免除了维修、事故停产所造成的损失，其综合成本绝对低于其它换热器。
★ 传热性能好
由于换热器采用的是薄壁管，克服了聚四氟乙烯材料导热系数低的缺点，使其总传热系数可达150—300（W/m²·K）.
★ 体积小重量轻结构紧凑
本换热器采用薄壁细管，因而制成的换热器单位体积的换热面积特别大，高达600m²/m³（φ25X3的钢管制作的只有130m²/m³）。塑料的重量很轻，运输、安装、维修方便
1 聚四氟乙烯换热器的研制
（1） 概述
聚四氟乙烯换热器是国际上化工设备的新品种, 由于聚四氟乙烯材质的耐蚀性冠于多种合金、非金属甚至贵金属, 如黄金、银、锆等,故此类设备对解决制药、石油化工等工业中的强腐蚀性流体物料的换热问题具有重要意义。据资料报道, 美、英、法、德、意、日等国家已广泛使用了这种新设备, 而我国此项设备的制造和应用尚没有全面展开。但随着我国工业和科技的发展, 必将有利地促进聚四氟乙烯材料的研究和应用。聚四氟乙烯换热设备是在工业上需要既耐腐蚀又具有高洁净率换热材质的局面下问世的。据资料介绍, 1965 年美国杜邦公司研制成功聚四氟乙烯盐酸冷凝吸收器, 代替了传统的陶瓷盐酸冷凝吸收器、玻璃冷凝吸收器及石墨设备, 极大地提高了换热设备的耐蚀性和换热介质的洁净率, 此后在石油化工、硫酸、医药、电镀、轻工等领域逐步得到广泛的应用。
研究成果：氟塑料换热器制造工艺方面
聚四氟乙烯换热器制造工艺:研制了一种“氟塑料换热器F- 4 管板限脹施压加热焊接法”工艺, 解决了四氟管焊接技术关键。经试验检测焊缝强度高于四氟管本身强度，耐疲劳使用周期长。目前此工艺已用于工业性生产, 其技术为郑州工业大学独创（仿造品焊缝拉脱强度低）。其特点为所需设备简单, 投资少并能解决实际问题。
聚四氟乙烯换热器制造方面；
聚四氟乙烯换热器制造分为A焊接设备制造(自制)、B工装夹具制造、C工序工艺、流程三个步骤
焊接设备制造—焊接炉
聚四氟乙烯换热器采用F-4管板限胀施压加热焊接工艺进行管板焊接，此焊接技术不添加任何焊接剂，换热器成品内件全四氟结构材料以保证耐腐蚀性能要求。在所有工序中，焊接工艺是换热器制造的关键技术工序。
自制焊接炉所需投资少，设备简单，易于工人操作控制，便于定期维护维修。焊接牢固性高，焊接面质量好。其焊接后焊缝机械强度等指标高于四氟管本身的物理机械性能所以焊接炉是四氟换热器制造中最重要设备。
工装制造
主要工装部件为各系列限胀模具，焊接加热钢芯、辅助工装夹具等，具体附分系列详细制造图纸。
工业用的各种聚四氟乙烯换热器设计、试制方面 自1995 年到今已设计、试制了多种结构不同的氟塑换热器, 如管壳式、盘管浸入式和U型管浸入式, 经工业实际应用, 有数种效果较理想, 并在国内已实施工业化生产。目前在工业上应用的聚四氟乙烯换热器最大换热面积达280 平方米台。换热管达2000 根。
2 我国聚四氟乙烯换热器的应用
目前聚四氟乙烯换热器的类型较多, 性能各有特色, 大体上可以分为以下几种:
(1) 管壳式: 是应用领域最广, 使用量最大的一类, 目前单台最大面积达280m 2。
(2) 浸入式: 又分为U 型浸入式和盘管浸入式两类。由于采用的材质F4 化学性能稳定, 即使将F4 材料溶于“王水”中煮沸亦不会发生反应, 故其制品可用于强酸、强碱、强氧化剂等流体物料的换热过程, 例如用来作苛性溶液、氢氟酸、硝酸混合物、20% 发烟硫酸、各种有机酸、氯气、溴、有机溶剂等流体物料的加热、冷凝之用。由于F4 表面的自由能很低, 只有119Pa, 加上其膨胀系数较一般污垢为大, 所用管子具有挠性, 易于震动, 这就大大减少了结垢堵塞的机会。由于列管管束采用薄壁细管, 单位体积内包容的换热面积比普通列管式增加了数倍, 弥补了F4 用做传热材料其导热系数过低的缺点。在一般情况下, 设备的总传热系数K 为209_ 291W öm 2·K。同时由于采用了小口径换热管, 设备在使用温度范围内管程壳程均能承受一定的介质压力, 许用温度范围及压力如下:
许用温度范围: - 50—150℃
许用压力范围: 管程压力015M Pa
壳程压力013M Pa
3 聚四氟乙烯换热器在工业中的应用实例
自1995年至今已制造了一大批不同类型的工业用F4 换热器制品, 这些制品已投入生产应用, 绝大部分应用成功, 其中FHL K- 6×015- 325- 10 型在生产中取得了较显著的效果, 现举一例介绍如下。
(1) 设备型号: FHL K- 6×015- 325- 10;
(2) 应用单位: 北京第二制药厂;
(3) 使用工艺条件: 维生素B6 生产流程有机溶媒、盐酸、水蒸气混合工段冷凝; 其中
管程:
介质: 有机溶媒、盐酸、水蒸气
温度: 100℃
压力: 微负压
壳程:
介质: 冷却水
温度: 常温
压力: 012M Pa
(4) 测定数据:
管程进口: 平均温度100℃。
管程出口: 平均温度45℃。
操作时间: 约3 小时。
产量: 有机溶媒、盐酸冷凝液150 公斤左右(约50kgöh )。
(5) 使用时间: 从1998 年起至今已正常运转13 年, 目前仍在继续使用。
(6) 效果: ①钢制设备安装后使用一次就发现腐蚀, 后改用石墨冷凝器, 平均寿命约1
年, 且安装维修易出现问题。换上F4 换热器后已正常运转10 年, 较前者寿命长10 倍, 仍在继续使用, 且传热效率较稳定; ②安装简易, 运输方便, 制品由郑州用汽车运送北京, 途中经受颠簸震动, 安装使用均未发现由此而造成的异常现象。北京第二制药厂的应用结果显示了聚四氟乙烯换热器具有小巧玲珑、高效耐用的特点, 其技术经济效果十分明显。
4 存在的问题及发展方向
就目前来讲, 聚四氟乙烯换热器管板焊接技术较难掌握, 制作远达不到机械化和自动化,尚待进一步探索改进。与其它任何材质的换热器一样, 氟塑料换热器不是任何条件下都能使用的设备, 应用时必须根据它的特性, 合理使用才能收到预期技术经济效果。由于采用小口径薄聚四氟乙烯换热管, 故其温度使用范围和耐压程度受到极大限制, 同时必须预防机械性损伤。为预防较大介质颗粒产生堵塞, 有必要在换热器入口处安装颗粒分离器, 如果颗粒浓度不高, 可定期使流体反向流动, 这样从一定程度上增加了设备的适用性。由于聚四氟乙烯的管板焊接工艺原理不同于钢制换热器管板焊接, 就目前来讲还无法进行内部焊接质量检测,只能通过宏观检验手段, 如水压试验或气密性试验, 来确定焊接面的牢固性。对焊接面上存在的个别缺陷无法立即测定, 只能在使用一段时间后定期检查弥补。 聚四氟乙烯换热器具有十分广阔的发展前景,郑州工业大学研制成功“聚四氟乙烯(简称F一4)管板限胀施压加热焊接” 工艺，解决了氟塑料管子与管板连接的关键技术。随后，国产各种类型的氟塑料换热器陆续投入实际生产应用并取得良好的效果。聚四氟乙烯塑料换热器在电厂低温工业应用正逐步展开。目前，氟塑料换热器也由制造厂家从单一的按需生产，发展到按行业标准控制的有定型设计的系列化。 加强对F4 基材料研究、开发新品种新系列以提高产品的应用范围是今后发展的主要方向。我国市场广阔, 氯碱、硫酸、化肥、医药等行业设备也要更新换代, 因而需要大量的、先进的聚四氟乙烯设备。
本文公开发表于《化工装备技术》第16卷第6期，论文作者马双林（原郑州工业大学氟塑换热器项目负责人）郑重声明: 聚四氟乙烯换热器是高校科研与市场需求结合形成之典范产品，任何公司假冒学校名义营销及广告摘录论文均为侵权行为。郑州工业大学推广转让聚四氟乙烯换热器制造工艺技术设备工，欢迎咨询合作。
郑州工业大学氟塑研制组 马双林
1383807284
郑州工业大学 马双林
氟塑料换热器是一种新型的耐腐蚀热交换设备，氟塑料换热器广泛应用于航天、航空、化工、医药、冶金等领域中。常用的氟塑料换热器的材料有可溶性聚四氟乙烯（PFA)、聚四氟乙烯（PTFE)、聚全氟乙丙稀（FEP）。聚四氟乙烯换热器的开发、发展和实际应用经历了二十多年的演变历程
关键词：聚四氟乙烯 换热器 技术转让
聚四氟乙烯换热器是一类重要的换热器设备，它的开发、发展和实际应用经历了二十多年的演变历程，1965年美国首先在工业生产中应用这种换热器。1990年郑州工业大学开展了聚四氟乙烯换热设备的制造工艺的研究工作。通过试制、试用并积累数据, 目前已探索出可行的聚四氟乙烯换热器制造工艺并设计、试制出适合我国工业应用的各种氟塑料换热器。现已拥有许多不同结构、不同用途及性能的聚四氟乙烯制品。当前工业生产中使用较为普遍的是列管式和盘管式换热器。常见的氟塑料换热器有管壳式换热器和沉浸式换热器两种形式。它们是由许多管束插在氟塑料的管板，采用F-4管板限胀施压加热焊接工艺进行管板焊接，此焊接技术不添加任何焊接剂，换热器成品内件全四氟结构材料以保证耐腐蚀性能要求。“氟塑料换热器F- 4 管板限脹施压加热焊接法”工艺, 解决了四氟管焊接技术关键。
氟塑料换热器适用于电镀、电解、磷化、除油、酸洗、化学镀镍磷、阳极氧化、铝泊、冶炼、电力、化工、医药、食品等行业中的液相加热、冷却、蒸发、浓缩等。
氟塑料换热设备是在工业上需要既耐腐蚀又具有高洁净率换热材质的局面下问世的。氟塑料具有耐热、耐寒、耐候、耐药品、耐溶剂，绝缘性能及高频电性能优异．并 具有不粘性、自润滑性、低磨擦系数等特点。良好的耐温性，工作温度在-50℃~+150℃，工作压力为0.3~0.4MPa，几乎不与所有的化学溶剂产生反应，可用于各种强腐蚀性液态介质如硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸、醋酸和苛性介质溶液的冷却和加热。
氟塑料换热设备管壁表面光滑，并有适度的挠性，优异的不粘性，使用时微有振动，故不易结垢，管束可按需要盘绕制成各种形状。优异的抗氧化性能，分子无光敏基因、臭氧紫外线等不能与之作用，耐大气老化性，耐辐照性能和较低的渗透性，浸入强腐蚀介质及长期暴露于恶劣大气中，表面及性能保持不变，抗氧化性能长达10年以上，具备以下显著特点：
★ 具有极好的耐腐蚀性能
由于聚四氟乙烯属化学惰性材料，除高温下的元素氟，熔融态碱金属、三氟化氯、六氟化铀、全氟煤油外，几乎可以在所有的介质中工作。
如：浓盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、苛性钠、次氯酸钠、萘、苯、二甲苯、丙酮、王水、氯气、甲苯、各种有机溶剂等等。
★ 抗污塞性好
由于聚四氟乙烯管的化学惰性、表面光滑性、绕曲性和高膨胀系数，使其传热面很难结垢，大大减少了设备维修次数，保证了相对稳定的传热系数和生产的长期运行。
★ 寿命长久综合成本低
由于聚四氟乙烯中不含光敏基因，因而其具有优异的耐大气老化性。在强腐蚀介质中其使用寿命是不锈钢的20至30倍，再加上免除了维修、事故停产所造成的损失，其综合成本绝对低于其它换热器。
★ 传热性能好
由于换热器采用的是薄壁管，克服了聚四氟乙烯材料导热系数低的缺点，使其总传热系数可达150—300（W/m²·K）.
★ 体积小重量轻结构紧凑
本换热器采用薄壁细管，因而制成的换热器单位体积的换热面积特别大，高达600m²/m³（φ25X3的钢管制作的只有130m²/m³）。塑料的重量很轻，运输、安装、维修方便
1 聚四氟乙烯换热器的研制
（1） 概述
聚四氟乙烯换热器是国际上化工设备的新品种, 由于聚四氟乙烯材质的耐蚀性冠于多种合金、非金属甚至贵金属, 如黄金、银、锆等,故此类设备对解决制药、石油化工等工业中的强腐蚀性流体物料的换热问题具有重要意义。据资料报道, 美、英、法、德、意、日等国家已广泛使用了这种新设备, 而我国此项设备的制造和应用尚没有全面展开。但随着我国工业和科技的发展, 必将有利地促进聚四氟乙烯材料的研究和应用。聚四氟乙烯换热设备是在工业上需要既耐腐蚀又具有高洁净率换热材质的局面下问世的。据资料介绍, 1965 年美国杜邦公司研制成功聚四氟乙烯盐酸冷凝吸收器, 代替了传统的陶瓷盐酸冷凝吸收器、玻璃冷凝吸收器及石墨设备, 极大地提高了换热设备的耐蚀性和换热介质的洁净率, 此后在石油化工、硫酸、医药、电镀、轻工等领域逐步得到广泛的应用。
研究成果：氟塑料换热器制造工艺方面
聚四氟乙烯换热器制造工艺:研制了一种“氟塑料换热器F- 4 管板限脹施压加热焊接法”工艺, 解决了四氟管焊接技术关键。经试验检测焊缝强度高于四氟管本身强度，耐疲劳使用周期长。目前此工艺已用于工业性生产, 其技术为郑州工业大学独创（仿造品焊缝拉脱强度低）。其特点为所需设备简单, 投资少并能解决实际问题。
聚四氟乙烯换热器制造方面；
聚四氟乙烯换热器制造分为A焊接设备制造(自制)、B工装夹具制造、C工序工艺、流程三个步骤
焊接设备制造—焊接炉
聚四氟乙烯换热器采用F-4管板限胀施压加热焊接工艺进行管板焊接，此焊接技术不添加任何焊接剂，换热器成品内件全四氟结构材料以保证耐腐蚀性能要求。在所有工序中，焊接工艺是换热器制造的关键技术工序。
自制焊接炉所需投资少，设备简单，易于工人操作控制，便于定期维护维修。焊接牢固性高，焊接面质量好。其焊接后焊缝机械强度等指标高于四氟管本身的物理机械性能所以焊接炉是四氟换热器制造中最重要设备。
工装制造
主要工装部件为各系列限胀模具，焊接加热钢芯、辅助工装夹具等，具体附分系列详细制造图纸。
工业用的各种聚四氟乙烯换热器设计、试制方面 自1995 年到今已设计、试制了多种结构不同的氟塑换热器, 如管壳式、盘管浸入式和U型管浸入式, 经工业实际应用, 有数种效果较理想, 并在国内已实施工业化生产。目前在工业上应用的聚四氟乙烯换热器最大换热面积达280 平方米台。换热管达2000 根。
2 我国聚四氟乙烯换热器的应用
目前聚四氟乙烯换热器的类型较多, 性能各有特色, 大体上可以分为以下几种:
(1) 管壳式: 是应用领域最广, 使用量最大的一类, 目前单台最大面积达280m 2。
(2) 浸入式: 又分为U 型浸入式和盘管浸入式两类。由于采用的材质F4 化学性能稳定, 即使将F4 材料溶于“王水”中煮沸亦不会发生反应, 故其制品可用于强酸、强碱、强氧化剂等流体物料的换热过程, 例如用来作苛性溶液、氢氟酸、硝酸混合物、20% 发烟硫酸、各种有机酸、氯气、溴、有机溶剂等流体物料的加热、冷凝之用。由于F4 表面的自由能很低, 只有119Pa, 加上其膨胀系数较一般污垢为大, 所用管子具有挠性, 易于震动, 这就大大减少了结垢堵塞的机会。由于列管管束采用薄壁细管, 单位体积内包容的换热面积比普通列管式增加了数倍, 弥补了F4 用做传热材料其导热系数过低的缺点。在一般情况下, 设备的总传热系数K 为209_ 291W öm 2·K。同时由于采用了小口径换热管, 设备在使用温度范围内管程壳程均能承受一定的介质压力, 许用温度范围及压力如下:
许用温度范围: - 50—150℃
许用压力范围: 管程压力015M Pa
壳程压力013M Pa
3 聚四氟乙烯换热器在工业中的应用实例
自1995年至今已制造了一大批不同类型的工业用F4 换热器制品, 这些制品已投入生产应用, 绝大部分应用成功, 其中FHL K- 6×015- 325- 10 型在生产中取得了较显著的效果, 现举一例介绍如下。
(1) 设备型号: FHL K- 6×015- 325- 10;
(2) 应用单位: 北京第二制药厂;
(3) 使用工艺条件: 维生素B6 生产流程有机溶媒、盐酸、水蒸气混合工段冷凝; 其中
管程:
介质: 有机溶媒、盐酸、水蒸气
温度: 100℃
压力: 微负压
壳程:
介质: 冷却水
温度: 常温
压力: 012M Pa
(4) 测定数据:
管程进口: 平均温度100℃。
管程出口: 平均温度45℃。
操作时间: 约3 小时。
产量: 有机溶媒、盐酸冷凝液150 公斤左右(约50kgöh )。
(5) 使用时间: 从1998 年起至今已正常运转13 年, 目前仍在继续使用。
(6) 效果: ①钢制设备安装后使用一次就发现腐蚀, 后改用石墨冷凝器, 平均寿命约1
年, 且安装维修易出现问题。换上F4 换热器后已正常运转10 年, 较前者寿命长10 倍, 仍在继续使用, 且传热效率较稳定; ②安装简易, 运输方便, 制品由郑州用汽车运送北京, 途中经受颠簸震动, 安装使用均未发现由此而造成的异常现象。北京第二制药厂的应用结果显示了聚四氟乙烯换热器具有小巧玲珑、高效耐用的特点, 其技术经济效果十分明显。
4 存在的问题及发展方向
就目前来讲, 聚四氟乙烯换热器管板焊接技术较难掌握, 制作远达不到机械化和自动化,尚待进一步探索改进。与其它任何材质的换热器一样, 氟塑料换热器不是任何条件下都能使用的设备, 应用时必须根据它的特性, 合理使用才能收到预期技术经济效果。由于采用小口径薄聚四氟乙烯换热管, 故其温度使用范围和耐压程度受到极大限制, 同时必须预防机械性损伤。为预防较大介质颗粒产生堵塞, 有必要在换热器入口处安装颗粒分离器, 如果颗粒浓度不高, 可定期使流体反向流动, 这样从一定程度上增加了设备的适用性。由于聚四氟乙烯的管板焊接工艺原理不同于钢制换热器管板焊接, 就目前来讲还无法进行内部焊接质量检测,只能通过宏观检验手段, 如水压试验或气密性试验, 来确定焊接面的牢固性。对焊接面上存在的个别缺陷无法立即测定, 只能在使用一段时间后定期检查弥补。 聚四氟乙烯换热器具有十分广阔的发展前景,郑州工业大学研制成功“聚四氟乙烯(简称F一4)管板限胀施压加热焊接” 工艺，解决了氟塑料管子与管板连接的关键技术。随后，国产各种类型的氟塑料换热器陆续投入实际生产应用并取得良好的效果。聚四氟乙烯塑料换热器在电厂低温工业应用正逐步展开。目前，氟塑料换热器也由制造厂家从单一的按需生产，发展到按行业标准控制的有定型设计的系列化。 加强对F4 基材料研究、开发新品种新系列以提高产品的应用范围是今后发展的主要方向。我国市场广阔, 氯碱、硫酸、化肥、医药等行业设备也要更新换代, 因而需要大量的、先进的聚四氟乙烯设备。
本文公开发表于《化工装备技术》第16卷第6期，论文作者马双林（原郑州工业大学氟塑换热器项目负责人）郑重声明: 聚四氟乙烯换热器是高校科研与市场需求结合形成之典范产品，任何公司假冒学校名义营销及广告摘录论文均为侵权行为。郑州工业大学推广转让聚四氟乙烯换热器制造工艺技术设备工，欢迎咨询合作。
郑州工业大学氟塑研制组 马双林
1383807284
