淺談換熱器在原料藥生產中的分類與應用特點

王殿松

（東北制藥集團股份有限公司，遼寧沈陽110027）

0 引言

凡是把熱量從一種介質傳遞給另一種介質的設備都稱為換熱器，換熱器是進行熱交換操作的通用工藝設備，被廣泛應用于各個行業。在原料藥的生產過程中，常常需要將低溫物料加熱或者將高溫物料冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體，且所使用的換熱設備也大不相同，本文簡要闡述幾類換熱器在生產中的應用情況。

換熱器作為工藝過程中必不可少的單元設備廣泛應用于原料藥的生產過程中。由于使用條件不同，換熱器可以分成各種各樣的型式和結構，但基本要求是相同的，即傳熱效率高，流體阻力小，強度、剛度足夠，結構性能可靠，使用壽命長，材料及制造費用低，安裝和檢修方便。

1 換熱器分類

換熱器的分類方法有很多，可按不同的工作原理、用途、傳熱面結構、制造材料等進行分類。

按照不同的工作原理，可以將換熱器分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式、中間載熱體（傳媒）式和熱管式換熱器等類型。

按照不同的用途，可以將換熱器分為加熱器、預熱器、過熱器、蒸發器、再沸器、冷凝器、冷卻器、深冷器等。其中，加熱器用于將流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過程中不發生相變；預熱器用于預先加熱流體，以使整套工藝裝置效率得到改善；過熱器用于加熱飽和蒸汽到其過熱狀態；蒸發器用于加熱液體使其汽化；再沸器用于使裝置中冷凝的液體再受熱蒸發；冷凝器用于冷卻凝結性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結液化；冷卻器用于冷卻流體到必要的溫度；深冷器則用于使流體冷卻至0℃以下的深低溫。

按照不同的材料，可以將換熱器分為金屬材料、非金屬材料及稀有金屬材料換熱器等。在生產中使用最多的是由普通材料碳鋼、不銹鋼、鈦、鋁、銅、鎳及合金等制造的換熱器。由于原料藥生產的許多工藝過程多在高溫、高壓、高真空或深冷、劇毒等條件下進行的，而且常常伴隨著極強的腐蝕性，因此對換熱設備的材料提出了許多特殊的甚至苛刻的要求。金屬材料換熱器已遠不能滿足需要，因而開始使用非金屬及稀有金屬材料換熱器。非金屬換熱器有石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷換熱器等。其中，石墨具有優良的耐腐蝕及傳熱性能、線膨脹系數小、不易結垢、機械加工性能好，但易脆裂、不抗拉、不抗彎。石墨換熱器在強腐蝕性氣體或液體中應用最能發揮其優點，它幾乎可以處理除氧化酸外的一切酸堿溶液；用于制造換熱器的工程塑料很多，目前以聚四氟乙烯最佳，其性能可與金屬換熱器相比，但卻具有特殊的耐腐蝕性；玻璃換熱器能抗化學腐蝕，而且能保證被處理的介質不受或少受污染；稀有金屬換熱器是在解決高溫、強腐蝕等換熱問題時研制出來的，但材料價格昂貴，使用范圍受到限制，為了降低成本已研發了復合材料，如以復合鋼板和襯里等形式提供使用。

2 換熱器在原料藥生產過程中的應用特點

在原料藥生產過程中，換熱設備的使用可謂種類繁多，有板式換熱器、列管式換熱器、石墨換熱器、波節管管殼式換熱器、螺旋螺紋管換熱器等，下面分別闡述它們在使用過程中的優缺點和使用情況。

2.1 板式換熱器

板式換熱器具有結構緊湊、占地面積小、傳熱效率高等特點，傳熱系數為2 500～6 000W/m2，比一般管殼式換熱器高3～5倍。換熱器的板片可以根據物料的腐蝕情況及工藝要求，選擇不銹鋼或工業純鈦等相適應的材料，同時操作、拆卸、維修方便。在原料藥生產過程中，板式換熱器的使用最為廣泛，物料的加熱及有機溶媒的冷卻、加熱、冷凝回收均選用此類設備。單板換熱面積在0.2～1.6m2之間，在VC生產過程中共計使用此類板式換熱器近百套，經過生產實踐證明能夠充分滿足生產換熱的需要。但因生產過程中與物料換熱的水系統有大量的水垢或鹽泥在板片上沉積，若要保證換熱器的換熱效果，就需每6個月左右對換熱器進行拆卸并清洗板片，如膠墊老化或板片腐蝕，還需更換膠墊和被腐蝕的板片，每年都需要有一定的清洗維修費用。另外，受膠墊材料熱工性能的影響，板式換熱器只能在一定溫度以下使用。

2.2 列管式換熱器

列管式換熱器具有結構簡單、換熱系統阻力小、換熱物質流量大、殼體結垢堵塞后不易清洗的特點，也是應用很廣的一類換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。在原料藥的生產中冷凍機的冷凝器、填料塔的再沸器以及物料的加熱器等都選用了此類設備，而三效濃縮器、多效蒸餾水機等也是將列管式換熱器進行組合利用或梯級利用。傳熱管的形狀、尺寸和材質以及布置對換熱器的性能和經濟效益影響很大，所以要根據物料的特點來選擇列管式換熱器的傳熱管的尺寸和形式，同時殼程必須是潔凈不易結垢的物料。在VC生產的濃縮循環系統中，使用的鈦列管加熱器，其列管為工業純鈦，上下封頭為襯鈦復合板，殼程為碳鋼，管殼直徑700mm，換熱管高度3 000mm，換熱面積20～30m2，在使用中列管內為濃縮的物料由下至上通過列管，殼程為低壓蒸汽，在給物料的循環加熱過程中約有5 000 L的物料通過循環泵在系統內循環加熱低壓濃縮，同時物料溫度控制在42℃以內，在使用中偶爾有出現換熱管與管板焊口開裂現象，需要補焊維修，無其他維修費用產生。

2.3 石墨換熱器

石墨換熱器按其結構可分為塊孔式、管殼式和板式3種類型。石墨換熱器耐腐蝕性能好、傳熱面不易結垢、傳熱性能較好，但石墨易脆裂、抗彎和抗拉強度低，因而只能用于低壓狀態，即使承壓能力最好的塊孔狀結構，其工作壓力一般也僅為0.3～0.5 MPa。石墨換熱器的成本高、體積大，因而使用并不廣泛。在原料藥生產中主要用于磷霉素產品的酯化反應的物料加熱（塊孔式，換熱面積20～25m2）、尾氣冷卻和回收（管殼式，換熱面積40～60 m2）等，塊孔式換熱器的使用壽命要強于管殼式，每2～3年需要維修浸漬或更新，需要一定的維修和更新費用。

2.4 波節管管殼式換熱器

波節管管殼式換熱器是一種強化傳熱、高效節能的設備，當流體在波節管換熱器管內流動時可分為層流、湍流和過渡流3種流動狀態。每種流動狀態都會在靠近管壁處形成邊界層，這是因為流體具有黏滯性、潤濕性，即使是湍流邊界層，在靠近管壁面仍存在一層極薄的滯流內層，此層內流體的流動仍為層流。在波節管內側，當流體由縮徑處進入擴徑處時會發生邊界層分離現象，此時在擴徑處產生流體空白區，一部分流體會倒流回來填充空白區，這樣在擴徑腔內產生流向相反的2種流體，即形成旋渦。由于旋渦的存在，加劇了流體質點之間的碰撞，極大地破壞了邊界層和滯流內層，使其厚度減薄，減少了滯流內層的熱阻，同時減輕了污垢在管內壁的沉積，這樣就大大提高了內側的對流傳熱系數。波節管管殼式換熱器的獨特結構，使其具有堅固、耐用、熱效率高、體積小、性能穩定、安全可靠、不易結垢等優點。原料生產過程中多采用波節管換熱器（筒體直徑700mm，換熱面積12m2）為溶解物料水加熱，每次能加熱1 200 L純水，溫度可加熱至60℃，使用狀態完好，無維修費用發生。

2.5 螺旋螺紋管式換熱器

螺旋螺紋管式換熱器是近年來推出的一種新型高效節能的換熱設備，它在設計上完全突破了傳統管殼式換熱器的設計思路，在材料選擇到結構形式、外形體積等方面與傳統管殼式換熱器相比均有很大變化，多項技術創新使該換熱器從外觀到性能等各方面明顯超越了傳統管殼式換熱器，改變了傳統換熱器結構簡單、體積龐大、外形粗糙、效率低下等缺點，是傳統換熱器的更新換代產品。

螺旋螺紋管式換熱器最大的特點來自于其超高的換熱系數，一般可為傳統管殼式換熱器的2～3倍，同時具備較好的節能效果，耐高溫、高壓。現我公司的磷霉素系列產品的無水乙醇精制過程使用了SECESPOL公司的21臺螺旋螺紋管式換熱器，使蒸汽通過換熱器給95%濃度的乙醇加熱，與傳統管殼式換熱器相比，其節能效果明顯，節能可達15%以上。螺旋螺紋管式換熱器的外形也一改傳統換熱器的粗放形象，外殼從筒體到法蘭，全部選用不銹鋼材料，換熱器外表面作鏡面拋光處理，美觀性大大提高。螺旋螺紋管式換熱器的優勢還來自于其體積和重量僅為傳統管殼式換熱器的1/3，我公司使用2年來未產生維修費用。

3 結語

在原料藥生產中使用的換熱器多種多樣，除以上介紹的幾類外還有螺旋板式換熱器、搪玻璃碟片式換熱器、壓縮機的冷凝器（內展翅）、空調機組的加熱器（外展翅）、廠房樓頂的冷卻塔等，傳統的板式換熱器和管式換熱器就其數量或使用條件來看仍居主導地位。

目前換熱器的基本發展趨勢是提高傳熱效率和緊湊性，降低材料的消耗，增強承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕的能力，保證互換性并擴大容量的靈活性，通過減少污塞和除垢以減少操作事故，從材料選擇、結構設計以及運行操作等各方面延長使用壽命，并向大型化發展。