螺旋板換熱器在精細(xì)化工生產(chǎn)上的應(yīng)用

摘要： 介紹了螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 總結(jié)了螺旋板換熱器在精細(xì)化工企業(yè)幾個(gè)單元操作工序中成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)， 提出了螺旋板換熱器的使用要領(lǐng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)意見。
　　關(guān)鍵詞： 螺旋板換熱器； 精細(xì)化工； 應(yīng)用
　　螺旋板換熱器是由瑞典的 Ｒｏｓｅｎｂｌａｄ 公司在１９３０ 年研究發(fā)明的一種新型高效的板式換熱器。我國于 ２０ 世紀(jì) ５０ 年代引進(jìn)并首先應(yīng)用在化工領(lǐng)域，６０ 年代開始批量仿制， 其后由機(jī)械工業(yè)部合肥通用機(jī)械研究所先后制定了螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等相關(guān)部頒標(biāo)準(zhǔn)， 并在各行業(yè)中得以推廣應(yīng)用。它是一種高效換熱設(shè)備， 介質(zhì)在換熱器內(nèi)為全逆流流動(dòng)， 兩種介質(zhì)可得到相同的流動(dòng)特性， 適用于液－液、氣－ 氣、氣－ 液對(duì)流傳熱， 可用于蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱， 廣泛用于醫(yī)藥、化工、輕工、食品、紡織、冶
金、染料等行業(yè)的熱量及廢熱回收。
　　作為一種板面式換熱設(shè)備， 螺旋板換熱器與列管式換熱器相比，螺旋板換熱器具有換熱效率高、體積小、自清理能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為液體加熱、冷卻過程的重要工藝設(shè)備。特別是精細(xì)化工行業(yè)， 由于溶劑的大量使用以及通常為常減壓的操作條件，加上近年國家對(duì)節(jié)能、安全、環(huán)保的高度重視， 令螺旋板換熱器的優(yōu)勢尤為凸現(xiàn)。
　?。?nbsp;螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　螺旋板換熱器是由兩塊薄金屬板焊接在一塊分隔擋板上并卷成螺旋形而成的。兩塊薄金屬板在器內(nèi)形成兩條螺旋形通道， 在頂、底部上分別焊有蓋板或封頭。其結(jié)構(gòu)見圖１。
            
     特點(diǎn)如下：
     （１） 傳熱系數(shù)大
     由于流體在螺旋通道中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 受離心力作用和兩板間定距柱的干擾， 在較低的雷諾值（一般 Ｒｅ＝１４００～１８００， 有時(shí)低到 ５００）下即可達(dá)到湍流，并且可選用較高的流速 （對(duì)液體為 ２ｍ／ｓ， 氣體為２０ｍ／ｓ）， 故總傳熱系數(shù)較大， 其傳熱系數(shù)約為列管式換熱器的 ２ 倍， 其傳熱效率為列管式換熱器的 １～３倍。
     （２） 回收低溫?zé)崮?BR>     換熱兩種流體分別流過螺旋板的兩側(cè)， 其中的一種流體沿螺旋信道由外向內(nèi)， 至中心出口流出； 而另一種流體則沿螺旋信道由中心進(jìn)口， 由內(nèi)向外流出。兩種流體呈純逆流方式流動(dòng)， 適于小溫差傳熱，回收低溫?zé)崮埽?nbsp;進(jìn)行廢熱回收。
     （３） 熱損失少
     外表面積小， 接近常溫流體從邊緣通道流出（入），不需保溫。
     （４） 自潔污垢
     介質(zhì)走單通道， 允許流速比其他換熱器高， 由于流體的流速較高， 流體中懸浮物不易沉積下來， 并且任何沉積物將減小單流道的橫斷面， 因而使速度增大， 對(duì)堵塞區(qū)域又起到?jīng)_刷作用， 故螺旋板換熱器不易被堵塞污垢不易沉積。生產(chǎn)實(shí)踐證明， 螺旋板換熱器與一般列管式換熱器相比是不容易堵塞的， 尤其是泥沙、小貝殼等懸浮顆粒雜質(zhì)不易在螺旋通道內(nèi)沉積。
    （５） 結(jié)構(gòu)緊湊
    單位體積的傳熱面積約為列管式換熱器的 ３倍。例如一臺(tái)傳熱面積為 １００ｍ２ 的螺旋板換熱器， 其直徑和高僅為 １．３ｍ 和 １．４ｍ， 其容積僅為列管式換熱器的幾分之一。
    （６） 價(jià)格低廉
    重量輕， 同是一臺(tái) ２０ｍ２ 換熱器， 列管式重約為８００ｋｇ， 而螺旋板式約為 ４８０ｋｇ。制造簡便， 材料利用率高， 以板代管， 成本低， 采用卷板保證質(zhì)量。采用螺旋板換熱器所用的設(shè)備費(fèi)僅為列管式換熱器的 １／２至 １／３。
    ２ 在精細(xì)化工行業(yè)的應(yīng)用
     由于螺旋板換熱器在操作壓力及操作溫度方面的局限， 在精細(xì)化工生產(chǎn)當(dāng)中主要應(yīng)用在如下幾個(gè)操作單元：
    ２．１ 溶解、反應(yīng)單元中的應(yīng)用
   為使反應(yīng)物混合均勻以便充分接觸、迅速反應(yīng)，一般需將固體溶解， 制成溶液。通常情況下， 大多數(shù)固體物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高而增大， 即加熱能使固體的溶解速度加快。因此在精細(xì)化工生產(chǎn)當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)根據(jù)物料的熱穩(wěn)定性采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行加熱， 促其溶解。此外， 在溶解、反應(yīng)過程中一般會(huì)產(chǎn)生大量的熱量， 對(duì)這部分熱量如果不能得到有效的控制勢必會(huì)引起低沸點(diǎn)溶劑的揮發(fā)。在精細(xì)化工生產(chǎn)中一般是通過換熱器的冷凝回流作用來實(shí)現(xiàn)， 這樣既有效地降低低沸點(diǎn)溶劑的損耗， 又利于操作環(huán)境的改善。常規(guī)的回流裝置見圖 ２。
     回流裝置的回流冷凝器在精細(xì)化工生產(chǎn)中占有相當(dāng)大的份額， 金華立信醫(yī)藥化工有限公司考慮到螺旋板換熱器換熱效果好、價(jià)格便宜、設(shè)備小巧， 基本淘汰了列管式換熱器而改用螺旋板換熱器， 經(jīng)多年使用下來， 在成本、能耗、安全、環(huán)保等多個(gè)方面反映的效果非常理想。
    ２．２ 在濃縮單元中的應(yīng)用
    精細(xì)化工的生產(chǎn)過程中， 真空濃縮是一步常見的單元操作， 尤其是在高真空條件要求下， 選擇適宜的換熱器顯得至關(guān)重要。比如： 在諾氟沙星的合成過程中需要一步薄膜濃縮的操作， 要配套高真空的真空機(jī)組。工藝流程如圖 ３ 所示。液體物料在高真空下經(jīng)薄膜蒸發(fā)器蒸發(fā)， 至冷凝器中冷卻， 溶劑進(jìn)入接收罐中。在此過程中， 物料在 ９０℃以上不穩(wěn)定， 極易分解， 分解后產(chǎn)生大量氣體和低沸物質(zhì)， 導(dǎo)致真空度下降， 影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收率， 所以工藝上要求控制物料溫度小于 ９０℃， 也即系統(tǒng)真空度要求相當(dāng)高。為此考慮到螺旋板冷凝器冷凝效果好、螺旋形通道流動(dòng)阻力小的特點(diǎn)選用了螺旋板冷凝器， 幾年使用下來系統(tǒng)的薄膜蒸發(fā)器內(nèi)溫度基本可控制在 ８５℃以下， 從而使該產(chǎn)品的質(zhì)量及收率得以明顯的提高， 經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。
          
     ２．３ 在溶劑回收單元中的應(yīng)用
    在精細(xì)化工生產(chǎn)中， 由于使用到大量的溶劑， 因此溶劑的回收已成為一個(gè)非常重要的操作單元。在回收過程當(dāng)中， 換熱器的選型起到非常重要的作用。比如： 金華立信醫(yī)藥化工有限公司有一套乙醇回收裝置（見圖 ４）， 其中的冷凝器以前選用 ２ 臺(tái)總計(jì) ４０ｍ２的列管式換熱器（塔頂氣體走管內(nèi)， 冷卻水走管間，逆流方式， 管程數(shù)為 ２ 程）， 幾年使用下來， 反映： 由于傳熱面積有限及傳熱系數(shù)較低， 致使部分乙醇蒸汽未能完全冷凝即通過冷凝器散失到空氣中， 造成損失， 而且由于污垢的產(chǎn)生， 回收效果越來越差， 期間管板密封處還時(shí)常會(huì)出現(xiàn)泄漏， 此外設(shè)備笨重， 安裝檢修極為不便。后改用 ２ 臺(tái)總計(jì) ３０ｍ２ 螺旋板冷凝器， 回收率提高了近 ５％。因此就設(shè)備成本一項(xiàng)就下降了一半多， 這還未包括設(shè)備安裝檢修平臺(tái)等費(fèi)用的明顯下降。更為顯著的是， 由于冷卻水進(jìn)口由６５ｍｍ 改為 ４０ｍｍ， 因此冷卻水的用量也得以大幅度的下降， 綜合起來， 經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。更有， 螺旋板換熱器在溶劑的回收工藝中， 特別在中低沸點(diǎn)溶劑的回收中， 在許多情況下甚至可以利用循環(huán)水取代冷凍鹽水作為冷卻介質(zhì)， 由此可以為企業(yè)節(jié)約大量的能源。
    ３ 小結(jié)
    螺旋板換熱器在精細(xì)化工生產(chǎn)領(lǐng)域具有節(jié)能、安全、環(huán)保、體積小重量輕 、安裝方便等優(yōu)勢。在適宜使用的場合可大膽選用該設(shè)備， 不僅利用了其占地面積小、換熱系數(shù)大、自清理能力強(qiáng)等特點(diǎn)－ － 如在廢熱回收等場合利用， 還可充分發(fā)揮其完全逆流換熱的特性，提高熱能利用率，迅速收回項(xiàng)目投資，產(chǎn)生長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
     在選用過程中應(yīng)當(dāng)注意的是：
     （１） 堵塞問題。盡管它有自清洗作用， 但由于設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)也會(huì)發(fā)生堵塞， 這時(shí)即使用可拆式結(jié)構(gòu)也難于用機(jī)械方法清洗。常用的清洗方法是用蒸汽吹凈或堿洗， 即蒸汽吹入時(shí)要朝向接管， 把雜質(zhì)從設(shè)備內(nèi)吹出。
     （２） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物料的特性數(shù)據(jù)、適用單元操作的特點(diǎn)要求，通過適當(dāng)?shù)墓に囉?jì)算， 選擇適宜的高徑比、合理的通道面積、進(jìn)出物料的口徑等等以使設(shè)備通道內(nèi)的流體達(dá)到湍流狀態(tài) （ 一般液體流速≥１ｍ／ｓ， 氣體流速≥１０ｍ／ｓ）， 且需控制冷卻水出口溫度在結(jié)垢溫度以下。
  （３） 在化工生產(chǎn)過程中， 應(yīng)嚴(yán)防冷凝器因冷量過大導(dǎo)致物料通道凍結(jié)堵死。
  （４） 因?yàn)槁菪ǖ纼?nèi)有定距柱支撐通道間距， 所以在使用時(shí)不得有纖維狀雜質(zhì)（棉紗， 草棍， 樹葉等）進(jìn)入換熱器內(nèi)部， 日常的清洗排污更是不可缺少。操作完畢要將換熱器排盡， 嚴(yán)防冬季設(shè)備凍裂情況的發(fā)生。