新型弹性管束螺纹缠绕换热器特点及在深冷系统应用

　　深冷系统应用于-20 ℃以下的工艺操作条件。在制药工艺中利用一种制冷剂(液氮或氟利昂等)将溶媒(乙醇或乙二醇)冷却到-15～-60 ℃的低温状态，使料液在低温状态下进行化学反应，管壳式换热器作为通用设备在此工艺中得到广泛应用。随着科技水平的进步，换热设备也得到不同程度的提高，保证换热器的运行安全可靠、节约能源是其研发的重中之重。空气中含有78%的氮气，因此液氮的制取十分方便。另外，由于采用液氮制冷，不再使用压缩机和水冷却器，所以，噪声低、运行可靠，无需心脏部件的维护保养，维修简单，耗电减少50%以上等等，都会给企业带来长远的经济效益。

　　换热器的作用就是完成热量传递的过程，该过程有热传递就有热胀冷缩的现象，所以换热设备的温度应力是设备设计的一重要环节。另外，其用于深冷系统对于设备的选用材料及制造工艺也有严格的要求。换热系数的提高可以有效地减少设备的体积，减少占地面积方便维修。但如何提高换热器换热系数需根据流体力学及传热学技术加以综合分析。

　　1深冷系统换热设备的现状

　　现有深冷反应冷媒的冷却主要采用传统管壳换热器，换热管采用不锈钢、管板为低温碳钢，管程采用U形管或在壳程设置膨胀节。因此，其设备性能差、换热系数小、壳程与管程容积大、换热器体积庞大。以某制药低温溶媒反应为例(图1)：物料化学反应须在-60 ℃的条件下进行，反应工艺与设备大致如下：(1)反应釜：总容积500 L;冷媒循环罐：100 L;冷媒种类：乙醇。(2)冷凝器：换热面积：64 m2，安装尺寸：800×2 620 mm，接口尺寸：DN125。(3)循环泵：流量12.5 t/h。

　　由上述可知，完成该反应冷却剂的循环利用量是实际需求量的3～5倍，即本来500 L的反应釜夹套容积只有100 L，理论上需要填充冷却剂100 L，加上管道循环及循环冷却槽100 L总计需要300～350 L即可满足要求。为保证工艺需要，传统管壳式换热器选用的换热器壳程容积为700 L;为保证制冷系统的正常循环，需要至少填充900 L的冷却剂;为保证反应釜内的反应温度，就需要将900 L的冷却剂降低到-70 ℃。这样就会消耗3倍的制冷剂，造成能源极大浪费，再加上内外温差达90 ℃，通过换热器表面积向空气散失的冷量也很多，再次造成浪费。导致目前制冷系统制冷剂的冷量利用率不到40%，浪费严重。

　　由于使用环境的因素，用于-20 ℃以下的设备材质必须选用奥氏体不锈钢或含P≤0.025%/S≤0.015%的低温用碳钢，且焊接的要求也极为严格，原来使用的管壳式换热器换热面积64 m2，液氮走管程，冷却剂走壳程，换热管与壳程膨胀节采用304L不锈钢，壳程及管板采用16MnDR材质，在材料选择上虽符合技术要求，但在焊接材料及工艺方面却掌握不好，壳程膨胀节与壳程筒体的焊缝材料为H1Cr18Ni10，且焊接采用了手工电弧焊，而没有采用氩气保护焊，致使膨胀节的焊缝在使用中多次发生低温脆化而开裂，不得不停车复焊检修;在管子与管板的连接上采用了强度胀接加强度焊的方式，由于胀管操作不均匀使得有的管子胀接过度，再加上由于304L的膨胀系数比碳钢的膨胀系数大，使用中过度胀接的管子在管板处出现切口应力而断裂。此类换热器投用1年来，发生断管事件已有3次，只好在现场把断管的管口堵死后继续使用。上述事故已严重影响到工艺操作，造成巨大损失。