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螺旋螺纹换热器将助推制药企业的节能减排
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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1.6MPa。
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1.6MPa。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6000W/(m·2℃),SECESPOL螺旋螺纹管换热器其换热系数k值可高达14000W/(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5.5m/(s传统设计为1.2m/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10874kW,需要换热面积总计1058.7m2,设备占地面积为800m2。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297.7m2,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400m2,可以减少约400m2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5000L的反应釜6h一个生产流程,采用螺旋螺纹管换热器只需要4h),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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