螺旋板换热器在精细化工生产上的应用

摘要： 介绍了螺旋板换热器的结构特点， 总结了螺旋板换热器在精细化工企业几个单元操作工序中成功应用的经验， 提出了螺旋板换热器的使用要领及结构设计方面的改进意见。
　　关键词： 螺旋板换热器； 精细化工； 应用
　　螺旋板换热器是由瑞典的 Ｒｏｓｅｎｂｌａｄ 公司在１９３０ 年研究发明的一种新型高效的板式换热器。我国于 ２０ 世纪 ５０ 年代引进并首先应用在化工领域，６０ 年代开始批量仿制， 其后由机械工业部合肥通用机械研究所先后制定了螺旋板式换热器设计、制造、检验等相关部颁标准， 并在各行业中得以推广应用。它是一种高效换热设备， 介质在换热器内为全逆流流动， 两种介质可得到相同的流动特性， 适用于液－液、气－ 气、气－ 液对流传热， 可用于蒸汽冷凝和液体蒸发传热， 广泛用于医药、化工、轻工、食品、纺织、冶
金、染料等行业的热量及废热回收。
　　作为一种板面式换热设备， 螺旋板换热器与列管式换热器相比，螺旋板换热器具有换热效率高、体积小、自清理能力强等诸多优点，已成为液体加热、冷却过程的重要工艺设备。特别是精细化工行业， 由于溶剂的大量使用以及通常为常减压的操作条件，加上近年国家对节能、安全、环保的高度重视， 令螺旋板换热器的优势尤为凸现。
　　１ 螺旋板换热器的结构特点
　　螺旋板换热器是由两块薄金属板焊接在一块分隔挡板上并卷成螺旋形而成的。两块薄金属板在器内形成两条螺旋形通道， 在顶、底部上分别焊有盖板或封头。其结构见图１。
            
     特点如下：
     （１） 传热系数大
     由于流体在螺旋通道中作旋转运动时， 受离心力作用和两板间定距柱的干扰， 在较低的雷诺值（一般 Ｒｅ＝１４００～１８００， 有时低到 ５００）下即可达到湍流，并且可选用较高的流速 （对液体为 ２ｍ／ｓ， 气体为２０ｍ／ｓ）， 故总传热系数较大， 其传热系数约为列管式换热器的 ２ 倍， 其传热效率为列管式换热器的 １～３倍。
     （２） 回收低温热能
     换热两种流体分别流过螺旋板的两侧， 其中的一种流体沿螺旋信道由外向内， 至中心出口流出； 而另一种流体则沿螺旋信道由中心进口， 由内向外流出。两种流体呈纯逆流方式流动， 适于小温差传热，回收低温热能， 进行废热回收。
     （３） 热损失少
     外表面积小， 接近常温流体从边缘通道流出（入），不需保温。
     （４） 自洁污垢
     介质走单通道， 允许流速比其他换热器高， 由于流体的流速较高， 流体中悬浮物不易沉积下来， 并且任何沉积物将减小单流道的横断面， 因而使速度增大， 对堵塞区域又起到冲刷作用， 故螺旋板换热器不易被堵塞污垢不易沉积。生产实践证明， 螺旋板换热器与一般列管式换热器相比是不容易堵塞的， 尤其是泥沙、小贝壳等悬浮颗粒杂质不易在螺旋通道内沉积。
    （５） 结构紧凑
    单位体积的传热面积约为列管式换热器的 ３倍。例如一台传热面积为 １００ｍ２ 的螺旋板换热器， 其直径和高仅为 １．３ｍ 和 １．４ｍ， 其容积仅为列管式换热器的几分之一。
    （６） 价格低廉
    重量轻， 同是一台 ２０ｍ２ 换热器， 列管式重约为８００ｋｇ， 而螺旋板式约为 ４８０ｋｇ。制造简便， 材料利用率高， 以板代管， 成本低， 采用卷板保证质量。采用螺旋板换热器所用的设备费仅为列管式换热器的 １／２至 １／３。
    ２ 在精细化工行业的应用
     由于螺旋板换热器在操作压力及操作温度方面的局限， 在精细化工生产当中主要应用在如下几个操作单元：
    ２．１ 溶解、反应单元中的应用
   为使反应物混合均匀以便充分接触、迅速反应，一般需将固体溶解， 制成溶液。通常情况下， 大多数固体物质的溶解度随温度的升高而增大， 即加热能使固体的溶解速度加快。因此在精细化工生产当中，经常会根据物料的热稳定性采取适当的方法进行加热， 促其溶解。此外， 在溶解、反应过程中一般会产生大量的热量， 对这部分热量如果不能得到有效的控制势必会引起低沸点溶剂的挥发。在精细化工生产中一般是通过换热器的冷凝回流作用来实现， 这样既有效地降低低沸点溶剂的损耗， 又利于操作环境的改善。常规的回流装置见图 ２。
     回流装置的回流冷凝器在精细化工生产中占有相当大的份额， 金华立信医药化工有限公司考虑到螺旋板换热器换热效果好、价格便宜、设备小巧， 基本淘汰了列管式换热器而改用螺旋板换热器， 经多年使用下来， 在成本、能耗、安全、环保等多个方面反映的效果非常理想。
    ２．２ 在浓缩单元中的应用
    精细化工的生产过程中， 真空浓缩是一步常见的单元操作， 尤其是在高真空条件要求下， 选择适宜的换热器显得至关重要。比如： 在诺氟沙星的合成过程中需要一步薄膜浓缩的操作， 要配套高真空的真空机组。工艺流程如图 ３ 所示。液体物料在高真空下经薄膜蒸发器蒸发， 至冷凝器中冷却， 溶剂进入接收罐中。在此过程中， 物料在 ９０℃以上不稳定， 极易分解， 分解后产生大量气体和低沸物质， 导致真空度下降， 影响产品的质量和收率， 所以工艺上要求控制物料温度小于 ９０℃， 也即系统真空度要求相当高。为此考虑到螺旋板冷凝器冷凝效果好、螺旋形通道流动阻力小的特点选用了螺旋板冷凝器， 几年使用下来系统的薄膜蒸发器内温度基本可控制在 ８５℃以下， 从而使该产品的质量及收率得以明显的提高， 经济效益十分显著。
          
     ２．３ 在溶剂回收单元中的应用
    在精细化工生产中， 由于使用到大量的溶剂， 因此溶剂的回收已成为一个非常重要的操作单元。在回收过程当中， 换热器的选型起到非常重要的作用。比如： 金华立信医药化工有限公司有一套乙醇回收装置（见图 ４）， 其中的冷凝器以前选用 ２ 台总计 ４０ｍ２的列管式换热器（塔顶气体走管内， 冷却水走管间，逆流方式， 管程数为 ２ 程）， 几年使用下来， 反映： 由于传热面积有限及传热系数较低， 致使部分乙醇蒸汽未能完全冷凝即通过冷凝器散失到空气中， 造成损失， 而且由于污垢的产生， 回收效果越来越差， 期间管板密封处还时常会出现泄漏， 此外设备笨重， 安装检修极为不便。后改用 ２ 台总计 ３０ｍ２ 螺旋板冷凝器， 回收率提高了近 ５％。因此就设备成本一项就下降了一半多， 这还未包括设备安装检修平台等费用的明显下降。更为显著的是， 由于冷却水进口由６５ｍｍ 改为 ４０ｍｍ， 因此冷却水的用量也得以大幅度的下降， 综合起来， 经济效益十分显著。更有， 螺旋板换热器在溶剂的回收工艺中， 特别在中低沸点溶剂的回收中， 在许多情况下甚至可以利用循环水取代冷冻盐水作为冷却介质， 由此可以为企业节约大量的能源。
    ３ 小结
    螺旋板换热器在精细化工生产领域具有节能、安全、环保、体积小重量轻 、安装方便等优势。在适宜使用的场合可大胆选用该设备， 不仅利用了其占地面积小、换热系数大、自清理能力强等特点－ － 如在废热回收等场合利用， 还可充分发挥其完全逆流换热的特性，提高热能利用率，迅速收回项目投资，产生长远的经济效益和社会效益。
     在选用过程中应当注意的是：
     （１） 堵塞问题。尽管它有自清洗作用， 但由于设计或操作不当也会发生堵塞， 这时即使用可拆式结构也难于用机械方法清洗。常用的清洗方法是用蒸汽吹净或碱洗， 即蒸汽吹入时要朝向接管， 把杂质从设备内吹出。
     （２） 结构设计时应根据物料的特性数据、适用单元操作的特点要求，通过适当的工艺计算， 选择适宜的高径比、合理的通道面积、进出物料的口径等等以使设备通道内的流体达到湍流状态 （ 一般液体流速≥１ｍ／ｓ， 气体流速≥１０ｍ／ｓ）， 且需控制冷却水出口温度在结垢温度以下。
  （３） 在化工生产过程中， 应严防冷凝器因冷量过大导致物料通道冻结堵死。
  （４） 因为螺旋通道内有定距柱支撑通道间距， 所以在使用时不得有纤维状杂质（棉纱， 草棍， 树叶等）进入换热器内部， 日常的清洗排污更是不可缺少。操作完毕要将换热器排尽， 严防冬季设备冻裂情况的发生。