螺旋螺纹换热器将助推制药企业的节能减排

螺旋螺纹换热器将助推制药企业的节能减排

韩强

（SECESPOL国际集团山东鸿基换热技术有限公司，山东济南250022）

    摘要：分析了SECESPOL螺旋螺纹管换热器的双面强化传热效果设计，介绍了其在制药企业的应用点及其节能减排特点。
    关键词：换热器；螺旋缠绕；安全；节能
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器（如图1）为欧盟EU原装进口产品，是SECESPOL国际集团结合波兰格坦斯克理工大学及多个研究院传热技术之精华，于1988年发明生产的一种螺旋螺纹管换热器。产品严格按照美国机械工程师（ASME）标准制造，是目前世界上最先进的管壳式换热器之一。综合其设计理论依据、结构特点、性能分析及客户案例，可看到其同时具有安全、高效节能、体积小、表面光洁维护费用低、使用寿命长等特点，相对于传统换热器，其为具有划时代意义的节能减排产品，这是通过国内上百家制药企业应用印证的。

              
    1·螺旋螺纹管换热器的设计
    1.1设计依据
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器依据以下的国际先进设计理论：（1）螺旋螺纹管设计，双侧强化传热设计；
    （2）利用欧文（OWEN）湍流抖振频率准则原理，消除换热器湍流抖振现象，热应力自消除；（3）利用声共鸣许用准则（Eisinger和Bevins准则），抑制声驻波，降低运行噪音；（4）利用CFD（计算流体力学技术），FEM（有限元技术），提高计算精度。
    1.2设计及机理
    1.2.1材质
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器换热管为316L不锈钢，壳程为316L不锈钢，以满足不同物料的换热要求。最高耐温400℃，最高耐压1.6 MPa。
    1.2.2螺纹管束
    SECESPOL螺旋螺纹管换热管采用双螺纹管形式，该管束表面设计周期变化的环形螺纹，当换热管内外物料流动时，由于流通截面和流动方向的不断变化，冲击层流底层，提高流体湍流强度和湍流的给热能力。
    1.2.3换热管螺旋缠绕结构
    换热管束经特殊工艺加工成盘旋缠绕结构。换热管束两端通过先强度胀接后焊接的工艺固定在管板上，管束与管板封装在换热器壳体内，管板焊接在两端封头上。单位体积内增大换热面积，经盘旋缠绕后的换热管束拉伸后长度可达壳体长度的4～6倍，使热媒体在换热管内停留时间长，换热更充分。双侧流体通过时，沿轴向运动，不断改变流体运动方向。在螺纹管增加湍流强度的同时，再次强化传热，保持稳定连续的强化作用，使传热效果显著提高。
    1.2.4专利100°连接方式
    SECESPOL螺旋螺纹缠绕换热器在接管连接方式上有一项与众不同的设计，即在两端封头上的两个接管中心线间的角度α为100°（如图2）。此设计对于提高换热器的传热性能、降低结垢倾向都具有显著的效果。该设计已获得国家专利（专利号：ZL200620127384.4）。

               
    1.2.5非对称流设计
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器管程壳程容积不相同，壳程容积最大能达到管程容积的4.2倍，以满足医药、化工等各种不同复杂工况要求。
     1.2.6主设计目的
    传热系数是传热设备的一个重要技术指标，强化换热表面对流传热是提高传热系数的有效措施。SECESPOL螺旋螺纹管换热器通过以上的独特结构设计，显著提高了换热系数，实现高效节能。
    2·螺旋螺纹管换热器的性能
    2.1耐温、耐压，寿命长
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器的换热管束和壳体采用不锈钢材质，具有统一的膨胀系数，不会由于压力和温度变化而引起换热器的变形。换热器耐高温、高压，无需加装减温、减压装置，最高耐温400℃，耐压1.6 MPa。同时，严格按照美国机械工程师（ASME）标准设计制造，设计寿命为40年。
    2.2高效节能
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器，因其独特的设计，显著地提高换热能力，尤其在有相变的换热工况时，较传统换热器更有显著优势。在汽水交换如蒸汽加热水的工况下，常规的管壳式换热器换热系数k值一般最高为6 000 W/（m·2℃），SECESPOL螺旋螺纹管换热器其换热系数k值可高达14 000 W/（m·2℃），是常规管壳式换热器的3～7倍。实现热量充分利用，节省能源。
    2.3体积小，重量轻，便于安装
    相对于传统换热器体积庞大，笨重，需要大型吊装而言，SECESPOL螺旋螺纹管换热器的螺旋缠绕方式，使其结构紧凑，满足相同热负荷的工况时，SECESPOL螺旋螺纹管换热器体积只有传统管壳式换热器的1/10左右，占地面积小，节省空间；同时也因为体积小、重量轻，更加便于安装、拆卸，减少了安装费用。图3为螺旋螺纹管换热器与传统换热器的对比。

             
    2.4结垢低，维护方便
    换热器结垢会直接降低换热效果，进而达不到工艺要求，影响生产，增加维护费用，因此尽量降低结构倾向是换热器设计重要因素。
    SECESPOL螺旋螺纹管换热器从以下方面来降低结垢倾向：（1）换热过程降低温度梯度，减少设备内部结垢因素；独特的螺旋螺纹管长度是壳体的4～6倍，有效地减小了温度梯度；（2）采用100°连接，可以使换热器全部参与换热，不留死角。也使流体自动冲刷管路，降低结垢倾向；（3）提高换热管的表面光洁度，降低污垢系数；（4）采用螺旋缠绕结构，极大地改变流体的流动状态，形成了强烈的湍流效果。由于流体是螺旋流动的，在离心力的作用下对管壁有较强的冲刷作用，因此不易结垢；（5）最关键是提高流速为5.5 m/（s传统设计为1.2 m/s），起到不易结垢并且可以冲刷污垢作用。
     3·螺旋螺纹管换热器的应用
    螺旋螺纹管换热器在制药行业可应用于反应釜蒸馏回流系统、精馏塔精馏回流系统、尾气回收系统、干燥系统、高温灭菌系统、CIP系统、发酵液或物料冷却、纯化水或物料加热、注射液冷却系统。
    某药业有限公司按照原设计为四种物料的塔顶冷凝回流，根据医药设计院的原始设计，冷凝换热量合计为10 874 kW，需要换热面积总计1 058.7 m2，设备占地面积为800 m2。选用螺旋螺纹换热器进行优化设计，在保证工艺需求的前提下，取得较高的经济效益：（1）换热面积大大降低，使用螺旋螺纹换热器换热面积为297.7 m2，是原设计的1/3左右，大大节约设备投资；（2）占地面积减少，采用螺旋螺纹换热器占地面积不足400 m2，可以减少约400 m2的基建费用；（3）螺旋螺纹管换热器体积小，安装方便，安装费用降低30%；（4）设备安装方便，大大缩短了50%安装工期。通过上述数据可知，螺旋螺纹管冷凝器性价比高，在医药中间体生产中物料的冷凝回流应用有很大优势。该用户应用后认为：冷凝效果好，充分体现了螺旋螺纹换热器螺旋缠绕换热管的高技术优势；冷凝速度快（原5 000 L的反应釜6 h一个生产流程，采用螺旋螺纹管换热器只需要4 h），大大提高了生产效率，同时因螺旋螺纹换热器全焊接耐高压的特点，大大减少了设备的检修费用和工时。随着节能减排工作的深入，目前如浙江东邦药业公司、浙江昂利康制药、新时代药业、鲁抗集团、新合成股份、石药集团、华药集团、瑞阳制药、齐都制药、华海制药、无锡制药等上百家企业都选用螺旋螺纹管换热器，其均能在节能减排方面起到积极作用。
    4·结语
    综上所述，SECESPOL螺旋螺纹管换热器是实现了双面强化传热的高效换热器，同时具有安全、高效节能、体积小、维护费用低、使用寿命长等特点，相对于传统换热器其为具有划时代意义的节能减排产品。但是，螺旋螺纹换管换热器不能适用下述情况：（1）含Cl-量超标等对不锈钢强腐蚀的物料；（2）物料加热冷却过程中易结晶造成换热管严重堵塞的工况。
    [参考文献]
    [1]贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京：化学工业出版社，2002
    作者简介：韩强（1983—），男，山东济南人，工艺工程师，研究方向：制药行业换热技术。