螺旋螺纹换热器将助推制药企业的节能减排

点击：1748 日期：[ 2014-04-26 21:36:04 ]

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。

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