浅谈换热器在原料药生产中的分类与应用特点

2014-04-16王殿松

机电信息 2014年17期

王殿松

（东北制药集团股份有限公司，辽宁沈阳110027）

0 引言

凡是把热量从一种介质传递给另一种介质的设备都称为换热器，换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个行业。在原料药的生产过程中，常常需要将低温物料加热或者将高温物料冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体，且所使用的换热设备也大不相同，本文简要阐述几类换热器在生产中的应用情况。

换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备广泛应用于原料药的生产过程中。由于使用条件不同，换热器可以分成各种各样的型式和结构，但基本要求是相同的，即传热效率高，流体阻力小，强度、刚度足够，结构性能可靠，使用寿命长，材料及制造费用低，安装和检修方便。

1 换热器分类

换热器的分类方法有很多，可按不同的工作原理、用途、传热面结构、制造材料等进行分类。

按照不同的工作原理，可以将换热器分为间壁式、直接接触式、蓄热式、中间载热体（传媒）式和热管式换热器等类型。

按照不同的用途，可以将换热器分为加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷凝器、冷却器、深冷器等。其中，加热器用于将流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变；预热器用于预先加热流体，以使整套工艺装置效率得到改善；过热器用于加热饱和蒸汽到其过热状态；蒸发器用于加热液体使其汽化；再沸器用于使装置中冷凝的液体再受热蒸发；冷凝器用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化；冷却器用于冷却流体到必要的温度；深冷器则用于使流体冷却至0℃以下的深低温。

按照不同的材料，可以将换热器分为金属材料、非金属材料及稀有金属材料换热器等。在生产中使用最多的是由普通材料碳钢、不锈钢、钛、铝、铜、镍及合金等制造的换热器。由于原料药生产的许多工艺过程多在高温、高压、高真空或深冷、剧毒等条件下进行的，而且常常伴随着极强的腐蚀性，因此对换热设备的材料提出了许多特殊的甚至苛刻的要求。金属材料换热器已远不能满足需要，因而开始使用非金属及稀有金属材料换热器。非金属换热器有石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷换热器等。其中，石墨具有优良的耐腐蚀及传热性能、线膨胀系数小、不易结垢、机械加工性能好，但易脆裂、不抗拉、不抗弯。石墨换热器在强腐蚀性气体或液体中应用最能发挥其优点，它几乎可以处理除氧化酸外的一切酸碱溶液；用于制造换热器的工程塑料很多，目前以聚四氟乙烯最佳，其性能可与金属换热器相比，但却具有特殊的耐腐蚀性；玻璃换热器能抗化学腐蚀，而且能保证被处理的介质不受或少受污染；稀有金属换热器是在解决高温、强腐蚀等换热问题时研制出来的，但材料价格昂贵，使用范围受到限制，为了降低成本已研发了复合材料，如以复合钢板和衬里等形式提供使用。

2 换热器在原料药生产过程中的应用特点

在原料药生产过程中，换热设备的使用可谓种类繁多，有板式换热器、列管式换热器、石墨换热器、波节管管壳式换热器、螺旋螺纹管换热器等，下面分别阐述它们在使用过程中的优缺点和使用情况。

2.1 板式换热器

板式换热器具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高等特点，传热系数为2 500～6 000W/m2，比一般管壳式换热器高3～5倍。换热器的板片可以根据物料的腐蚀情况及工艺要求，选择不锈钢或工业纯钛等相适应的材料，同时操作、拆卸、维修方便。在原料药生产过程中，板式换热器的使用最为广泛，物料的加热及有机溶媒的冷却、加热、冷凝回收均选用此类设备。单板换热面积在0.2～1.6m2之间，在VC生产过程中共计使用此类板式换热器近百套，经过生产实践证明能够充分满足生产换热的需要。但因生产过程中与物料换热的水系统有大量的水垢或盐泥在板片上沉积，若要保证换热器的换热效果，就需每6个月左右对换热器进行拆卸并清洗板片，如胶垫老化或板片腐蚀，还需更换胶垫和被腐蚀的板片，每年都需要有一定的清洗维修费用。另外，受胶垫材料热工性能的影响，板式换热器只能在一定温度以下使用。

2.2 列管式换热器

列管式换热器具有结构简单、换热系统阻力小、换热物质流量大、壳体结垢堵塞后不易清洗的特点，也是应用很广的一类换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。在原料药的生产中冷冻机的冷凝器、填料塔的再沸器以及物料的加热器等都选用了此类设备，而三效浓缩器、多效蒸馏水机等也是将列管式换热器进行组合利用或梯级利用。传热管的形状、尺寸和材质以及布置对换热器的性能和经济效益影响很大，所以要根据物料的特点来选择列管式换热器的传热管的尺寸和形式，同时壳程必须是洁净不易结垢的物料。在VC生产的浓缩循环系统中，使用的钛列管加热器，其列管为工业纯钛，上下封头为衬钛复合板，壳程为碳钢，管壳直径700mm，换热管高度3 000mm，换热面积20～30m2，在使用中列管内为浓缩的物料由下至上通过列管，壳程为低压蒸汽，在给物料的循环加热过程中约有5 000 L的物料通过循环泵在系统内循环加热低压浓缩，同时物料温度控制在42℃以内，在使用中偶尔有出现换热管与管板焊口开裂现象，需要补焊维修，无其他维修费用产生。

2.3 石墨换热器

石墨换热器按其结构可分为块孔式、管壳式和板式3种类型。石墨换热器耐腐蚀性能好、传热面不易结垢、传热性能较好，但石墨易脆裂、抗弯和抗拉强度低，因而只能用于低压状态，即使承压能力最好的块孔状结构，其工作压力一般也仅为0.3～0.5 MPa。石墨换热器的成本高、体积大，因而使用并不广泛。在原料药生产中主要用于磷霉素产品的酯化反应的物料加热（块孔式，换热面积20～25m2）、尾气冷却和回收（管壳式，换热面积40～60 m2）等，块孔式换热器的使用寿命要强于管壳式，每2～3年需要维修浸渍或更新，需要一定的维修和更新费用。

2.4 波节管管壳式换热器

波节管管壳式换热器是一种强化传热、高效节能的设备，当流体在波节管换热器管内流动时可分为层流、湍流和过渡流3种流动状态。每种流动状态都会在靠近管壁处形成边界层，这是因为流体具有黏滞性、润湿性，即使是湍流边界层，在靠近管壁面仍存在一层极薄的滞流内层，此层内流体的流动仍为层流。在波节管内侧，当流体由缩径处进入扩径处时会发生边界层分离现象，此时在扩径处产生流体空白区，一部分流体会倒流回来填充空白区，这样在扩径腔内产生流向相反的2种流体，即形成旋涡。由于旋涡的存在，加剧了流体质点之间的碰撞，极大地破坏了边界层和滞流内层，使其厚度减薄，减少了滞流内层的热阻，同时减轻了污垢在管内壁的沉积，这样就大大提高了内侧的对流传热系数。波节管管壳式换热器的独特结构，使其具有坚固、耐用、热效率高、体积小、性能稳定、安全可靠、不易结垢等优点。原料生产过程中多采用波节管换热器（筒体直径700mm，换热面积12m2）为溶解物料水加热，每次能加热1 200 L纯水，温度可加热至60℃，使用状态完好，无维修费用发生。

2.5 螺旋螺纹管式换热器

螺旋螺纹管式换热器是近年来推出的一种新型高效节能的换热设备，它在设计上完全突破了传统管壳式换热器的设计思路，在材料选择到结构形式、外形体积等方面与传统管壳式换热器相比均有很大变化，多项技术创新使该换热器从外观到性能等各方面明显超越了传统管壳式换热器，改变了传统换热器结构简单、体积庞大、外形粗糙、效率低下等缺点，是传统换热器的更新换代产品。

螺旋螺纹管式换热器最大的特点来自于其超高的换热系数，一般可为传统管壳式换热器的2～3倍，同时具备较好的节能效果，耐高温、高压。现我公司的磷霉素系列产品的无水乙醇精制过程使用了SECESPOL公司的21台螺旋螺纹管式换热器，使蒸汽通过换热器给95%浓度的乙醇加热，与传统管壳式换热器相比，其节能效果明显，节能可达15%以上。螺旋螺纹管式换热器的外形也一改传统换热器的粗放形象，外壳从筒体到法兰，全部选用不锈钢材料，换热器外表面作镜面抛光处理，美观性大大提高。螺旋螺纹管式换热器的优势还来自于其体积和重量仅为传统管壳式换热器的1/3，我公司使用2年来未产生维修费用。