淺談?chuàng)Q熱器在原料藥生產(chǎn)中的分類與應(yīng)用特點(diǎn)

王殿松

（東北制藥集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽110027）

0 引言

凡是把熱量從一種介質(zhì)傳遞給另一種介質(zhì)的設(shè)備都稱為換熱器，換熱器是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在原料藥的生產(chǎn)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(shè)備也大不相同，本文簡要闡述幾類換熱器在生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

換熱器作為工藝過程中必不可少的單元設(shè)備廣泛應(yīng)用于原料藥的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，但基本要求是相同的，即傳熱效率高，流體阻力小，強(qiáng)度、剛度足夠，結(jié)構(gòu)性能可靠，使用壽命長，材料及制造費(fèi)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(jié)構(gòu)、制造材料等進(jìn)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(yù)熱器、過熱器、蒸發(fā)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(fā)生相變；預(yù)熱器用于預(yù)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(tài)；蒸發(fā)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(fā)；冷凝器用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行的，而且常常伴隨著極強(qiáng)的腐蝕性，因此對(duì)換熱設(shè)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(yuǎn)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(yōu)良的耐腐蝕及傳熱性能、線膨脹系數(shù)小、不易結(jié)垢、機(jī)械加工性能好，但易脆裂、不抗拉、不抗彎。石墨換熱器在強(qiáng)腐蝕性氣體或液體中應(yīng)用最能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，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(xué)腐蝕，而且能保證被處理的介質(zhì)不受或少受污染；稀有金屬換熱器是在解決高溫、強(qiáng)腐蝕等換熱問題時(shí)研制出來的，但材料價(jià)格昂貴，使用范圍受到限制，為了降低成本已研發(fā)了復(fù)合材料，如以復(fù)合鋼板和襯里等形式提供使用。

2 換熱器在原料藥生產(chǎn)過程中的應(yīng)用特點(diǎn)

在原料藥生產(chǎn)過程中，換熱設(shè)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(jié)管管殼式換熱器、螺旋螺紋管換熱器等，下面分別闡述它們?cè)谑褂眠^程中的優(yōu)缺點(diǎn)和使用情況。

2.1 板式換熱器

板式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱效率高等特點(diǎn)，傳熱系數(shù)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(jù)物料的腐蝕情況及工藝要求，選擇不銹鋼或工業(yè)純鈦等相適應(yīng)的材料，同時(shí)操作、拆卸、維修方便。在原料藥生產(chǎn)過程中，板式換熱器的使用最為廣泛，物料的加熱及有機(jī)溶媒的冷卻、加熱、冷凝回收均選用此類設(shè)備。單板換熱面積在0.2～1.6m2之間，在VC生產(chǎn)過程中共計(jì)使用此類板式換熱器近百套，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明能夠充分滿足生產(chǎn)換熱的需要。但因生產(chǎn)過程中與物料換熱的水系統(tǒng)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(gè)月左右對(duì)換熱器進(jìn)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(fèi)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(jié)構(gòu)簡單、換熱系統(tǒng)阻力小、換熱物質(zhì)流量大、殼體結(jié)垢堵塞后不易清洗的特點(diǎn)，也是應(yīng)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(chǎn)中冷凍機(jī)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(shè)備，而三效濃縮器、多效蒸餾水機(jī)等也是將列管式換熱器進(jìn)行組合利用或梯級(jí)利用。傳熱管的形狀、尺寸和材質(zhì)以及布置對(duì)換熱器的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大，所以要根據(jù)物料的特點(diǎn)來選擇列管式換熱器的傳熱管的尺寸和形式，同時(shí)殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。在VC生產(chǎn)的濃縮循環(huán)系統(tǒng)中，使用的鈦列管加熱器，其列管為工業(yè)純鈦，上下封頭為襯鈦復(fù)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(nèi)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(huán)加熱過程中約有5 000 L的物料通過循環(huán)泵在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)加熱低壓濃縮，同時(shí)物料溫度控制在42℃以內(nèi)，在使用中偶爾有出現(xiàn)換熱管與管板焊口開裂現(xiàn)象，需要補(bǔ)焊維修，無其他維修費(fèi)用產(chǎn)生。

2.3 石墨換熱器

石墨換熱器按其結(jié)構(gòu)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(jié)垢、傳熱性能較好，但石墨易脆裂、抗彎和抗拉強(qiáng)度低，因而只能用于低壓狀態(tài)，即使承壓能力最好的塊孔狀結(jié)構(gòu)，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(chǎn)中主要用于磷霉素產(chǎn)品的酯化反應(yīng)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(qiáng)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(fèi)用。

2.4 波節(jié)管管殼式換熱器

波節(jié)管管殼式換熱器是一種強(qiáng)化傳熱、高效節(jié)能的設(shè)備，當(dāng)流體在波節(jié)管換熱器管內(nèi)流動(dòng)時(shí)可分為層流、湍流和過渡流3種流動(dòng)狀態(tài)。每種流動(dòng)狀態(tài)都會(huì)在靠近管壁處形成邊界層，這是因?yàn)榱黧w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(nèi)層，此層內(nèi)流體的流動(dòng)仍為層流。在波節(jié)管內(nèi)側(cè)，當(dāng)流體由縮徑處進(jìn)入擴(kuò)徑處時(shí)會(huì)發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，此時(shí)在擴(kuò)徑處產(chǎn)生流體空白區(qū)，一部分流體會(huì)倒流回來填充空白區(qū)，這樣在擴(kuò)徑腔內(nèi)產(chǎn)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(zhì)點(diǎn)之間的碰撞，極大地破壞了邊界層和滯流內(nèi)層，使其厚度減薄，減少了滯流內(nèi)層的熱阻，同時(shí)減輕了污垢在管內(nèi)壁的沉積，這樣就大大提高了內(nèi)側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。波節(jié)管管殼式換熱器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其具有堅(jiān)固、耐用、熱效率高、體積小、性能穩(wěn)定、安全可靠、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。原料生產(chǎn)過程中多采用波節(jié)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(tài)完好，無維修費(fèi)用發(fā)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(jié)能的換熱設(shè)備，它在設(shè)計(jì)上完全突破了傳統(tǒng)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)思路，在材料選擇到結(jié)構(gòu)形式、外形體積等方面與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比均有很大變化，多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新使該換熱器從外觀到性能等各方面明顯超越了傳統(tǒng)管殼式換熱器，改變了傳統(tǒng)換熱器結(jié)構(gòu)簡單、體積龐大、外形粗糙、效率低下等缺點(diǎn)，是傳統(tǒng)換熱器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

螺旋螺紋管式換熱器最大的特點(diǎn)來自于其超高的換熱系數(shù)，一般可為傳統(tǒng)管殼式換熱器的2～3倍，同時(shí)具備較好的節(jié)能效果，耐高溫、高壓。現(xiàn)我公司的磷霉素系列產(chǎn)品的無水乙醇精制過程使用了SECESPOL公司的21臺(tái)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(tǒng)管殼式換熱器相比，其節(jié)能效果明顯，節(jié)能可達(dá)15%以上。螺旋螺紋管式換熱器的外形也一改傳統(tǒng)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(yōu)勢還來自于其體積和重量僅為傳統(tǒng)管殼式換熱器的1/3，我公司使用2年來未產(chǎn)生維修費(fèi)用。

3 結(jié)語

在原料藥生產(chǎn)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(jī)的冷凝器（內(nèi)展翅）、空調(diào)機(jī)組的加熱器（外展翅）、廠房樓頂?shù)睦鋮s塔等，傳統(tǒng)的板式換熱器和管式換熱器就其數(shù)量或使用條件來看仍居主導(dǎo)地位。

目前換熱器的基本發(fā)展趨勢是提高傳熱效率和緊湊性，降低材料的消耗，增強(qiáng)承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕的能力，保證互換性并擴(kuò)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行操作等各方面延長使用壽命，并向大型化發(fā)展。