摘要： 介紹了螺旋板換熱器的結構特點， 總結了螺旋板換熱器在精細化工企業幾個單元操作工序中成功應用的經驗， 提出了螺旋板換熱器的使用要領及結構設計方面的改進意見。
　　關鍵詞： 螺旋板換熱器； 精細化工； 應用
　　螺旋板換熱器是由瑞典的 Ｒｏｓｅｎｂｌａｄ 公司在１９３０ 年研究發明的一種新型高效的板式換熱器。我國于 ２０ 世紀 ５０ 年代引進并首先應用在化工領域，６０ 年代開始批量仿制， 其后由機械工業部合肥通用機械研究所先后制定了螺旋板式換熱器設計、制造、檢驗等相關部頒標準， 并在各行業中得以推廣應用。它是一種高效換熱設備， 介質在換熱器內為全逆流流動， 兩種介質可得到相同的流動特性， 適用于液－液、氣－ 氣、氣－ 液對流傳熱， 可用于蒸汽冷凝和液體蒸發傳熱， 廣泛用于醫藥、化工、輕工、食品、紡織、冶
金、染料等行業的熱量及廢熱回收。
　　作為一種板面式換熱設備， 螺旋板換熱器與列管式換熱器相比，螺旋板換熱器具有換熱效率高、體積小、自清理能力強等諸多優點，已成為液體加熱、冷卻過程的重要工藝設備。特別是精細化工行業， 由于溶劑的大量使用以及通常為常減壓的操作條件，加上近年國家對節能、安全、環保的高度重視， 令螺旋板換熱器的優勢尤為凸現。
　　１ 螺旋板換熱器的結構特點
　　螺旋板換熱器是由兩塊薄金屬板焊接在一塊分隔擋板上并卷成螺旋形而成的。兩塊薄金屬板在器內形成兩條螺旋形通道， 在頂、底部上分別焊有蓋板或封頭。其結構見圖１。
            
     特點如下：
     （１） 傳熱系數大
     由于流體在螺旋通道中作旋轉運動時， 受離心力作用和兩板間定距柱的干擾， 在較低的雷諾值（一般 Ｒｅ＝１４００～１８００， 有時低到 ５００）下即可達到湍流，并且可選用較高的流速 （對液體為 ２ｍ／ｓ， 氣體為２０ｍ／ｓ）， 故總傳熱系數較大， 其傳熱系數約為列管式換熱器的 ２ 倍， 其傳熱效率為列管式換熱器的 １～３倍。
     （２） 回收低溫熱能
     換熱兩種流體分別流過螺旋板的兩側， 其中的一種流體沿螺旋信道由外向內， 至中心出口流出； 而另一種流體則沿螺旋信道由中心進口， 由內向外流出。兩種流體呈純逆流方式流動， 適于小溫差傳熱，回收低溫熱能， 進行廢熱回收。
     （３） 熱損失少
     外表面積小， 接近常溫流體從邊緣通道流出（入），不需保溫。
     （４） 自潔污垢
     介質走單通道， 允許流速比其他換熱器高， 由于流體的流速較高， 流體中懸浮物不易沉積下來， 并且任何沉積物將減小單流道的橫斷面， 因而使速度增大， 對堵塞區域又起到沖刷作用， 故螺旋板換熱器不易被堵塞污垢不易沉積。生產實踐證明， 螺旋板換熱器與一般列管式換熱器相比是不容易堵塞的， 尤其是泥沙、小貝殼等懸浮顆粒雜質不易在螺旋通道內沉積。
    （５） 結構緊湊
    單位體積的傳熱面積約為列管式換熱器的 ３倍。例如一臺傳熱面積為 １００ｍ２ 的螺旋板換熱器， 其直徑和高僅為 １．３ｍ 和 １．４ｍ， 其容積僅為列管式換熱器的幾分之一。
    （６） 價格低廉
    重量輕， 同是一臺 ２０ｍ２ 換熱器， 列管式重約為８００ｋｇ， 而螺旋板式約為 ４８０ｋｇ。制造簡便， 材料利用率高， 以板代管， 成本低， 采用卷板保證質量。采用螺旋板換熱器所用的設備費僅為列管式換熱器的 １／２至 １／３。
    ２ 在精細化工行業的應用
     由于螺旋板換熱器在操作壓力及操作溫度方面的局限， 在精細化工生產當中主要應用在如下幾個操作單元：
    ２．１ 溶解、反應單元中的應用
   為使反應物混合均勻以便充分接觸、迅速反應，一般需將固體溶解， 制成溶液。通常情況下， 大多數固體物質的溶解度隨溫度的升高而增大， 即加熱能使固體的溶解速度加快。因此在精細化工生產當中，經常會根據物料的熱穩定性采取適當的方法進行加熱， 促其溶解。此外， 在溶解、反應過程中一般會產生大量的熱量， 對這部分熱量如果不能得到有效的控制勢必會引起低沸點溶劑的揮發。在精細化工生產中一般是通過換熱器的冷凝回流作用來實現， 這樣既有效地降低低沸點溶劑的損耗， 又利于操作環境的改善。常規的回流裝置見圖 ２。
     回流裝置的回流冷凝器在精細化工生產中占有相當大的份額， 金華立信醫藥化工有限公司考慮到螺旋板換熱器換熱效果好、價格便宜、設備小巧， 基本淘汰了列管式換熱器而改用螺旋板換熱器， 經多年使用下來， 在成本、能耗、安全、環保等多個方面反映的效果非常理想。
    ２．２ 在濃縮單元中的應用
    精細化工的生產過程中， 真空濃縮是一步常見的單元操作， 尤其是在高真空條件要求下， 選擇適宜的換熱器顯得至關重要。比如： 在諾氟沙星的合成過程中需要一步薄膜濃縮的操作， 要配套高真空的真空機組。工藝流程如圖 ３ 所示。液體物料在高真空下經薄膜蒸發器蒸發， 至冷凝器中冷卻， 溶劑進入接收罐中。在此過程中， 物料在 ９０℃以上不穩定， 極易分解， 分解后產生大量氣體和低沸物質， 導致真空度下降， 影響產品的質量和收率， 所以工藝上要求控制物料溫度小于 ９０℃， 也即系統真空度要求相當高。為此考慮到螺旋板冷凝器冷凝效果好、螺旋形通道流動阻力小的特點選用了螺旋板冷凝器， 幾年使用下來系統的薄膜蒸發器內溫度基本可控制在 ８５℃以下， 從而使該產品的質量及收率得以明顯的提高， 經濟效益十分顯著。
          
     ２．３ 在溶劑回收單元中的應用
    在精細化工生產中， 由于使用到大量的溶劑， 因此溶劑的回收已成為一個非常重要的操作單元。在回收過程當中， 換熱器的選型起到非常重要的作用。比如： 金華立信醫藥化工有限公司有一套乙醇回收裝置（見圖 ４）， 其中的冷凝器以前選用 ２ 臺總計 ４０ｍ２的列管式換熱器（塔頂氣體走管內， 冷卻水走管間，逆流方式， 管程數為 ２ 程）， 幾年使用下來， 反映： 由于傳熱面積有限及傳熱系數較低， 致使部分乙醇蒸汽未能完全冷凝即通過冷凝器散失到空氣中， 造成損失， 而且由于污垢的產生， 回收效果越來越差， 期間管板密封處還時常會出現泄漏， 此外設備笨重， 安裝檢修極為不便。后改用 ２ 臺總計 ３０ｍ２ 螺旋板冷凝器， 回收率提高了近 ５％。因此就設備成本一項就下降了一半多， 這還未包括設備安裝檢修平臺等費用的明顯下降。更為顯著的是， 由于冷卻水進口由６５ｍｍ 改為 ４０ｍｍ， 因此冷卻水的用量也得以大幅度的下降， 綜合起來， 經濟效益十分顯著。更有， 螺旋板換熱器在溶劑的回收工藝中， 特別在中低沸點溶劑的回收中， 在許多情況下甚至可以利用循環水取代冷凍鹽水作為冷卻介質， 由此可以為企業節約大量的能源。
    ３ 小結
    螺旋板換熱器在精細化工生產領域具有節能、安全、環保、體積小重量輕 、安裝方便等優勢。在適宜使用的場合可大膽選用該設備， 不僅利用了其占地面積小、換熱系數大、自清理能力強等特點－ － 如在廢熱回收等場合利用， 還可充分發揮其完全逆流換熱的特性，提高熱能利用率，迅速收回項目投資，產生長遠的經濟效益和社會效益。
     在選用過程中應當注意的是：
     （１） 堵塞問題。盡管它有自清洗作用， 但由于設計或操作不當也會發生堵塞， 這時即使用可拆式結構也難于用機械方法清洗。常用的清洗方法是用蒸汽吹凈或堿洗， 即蒸汽吹入時要朝向接管， 把雜質從設備內吹出。
     （２） 結構設計時應根據物料的特性數據、適用單元操作的特點要求，通過適當的工藝計算， 選擇適宜的高徑比、合理的通道面積、進出物料的口徑等等以使設備通道內的流體達到湍流狀態 （ 一般液體流速≥１ｍ／ｓ， 氣體流速≥１０ｍ／ｓ）， 且需控制冷卻水出口溫度在結垢溫度以下。
  （３） 在化工生產過程中， 應嚴防冷凝器因冷量過大導致物料通道凍結堵死。
  （４） 因為螺旋通道內有定距柱支撐通道間距， 所以在使用時不得有纖維狀雜質（棉紗， 草棍， 樹葉等）進入換熱器內部， 日常的清洗排污更是不可缺少。操作完畢要將換熱器排盡， 嚴防冬季設備凍裂情況的發生。