高效换热器在渗透汽化溶剂脱水系统的应用

　　摘要：从渗透汽化技术原理与技术入手，阐述了螺旋螺纹管换热器的特点及其在溶剂脱水系统的应用。

    　关键词：渗透汽化；高效换热器；螺旋螺纹管换热器；脱水；应用

    　用渗透汽化技术对有机物脱水或分离是目前最先 进的液体分离方法之一，其广泛用于制药、精细化工等 行业中溶媒的回收再利用。采用渗透气化技术对有机 溶剂进行脱水处理比传统蒸馏工艺节能50%左右。作 为渗透气化装置的关键设备，换热器的效率直接关系 到分离效果和生产效率。SECESPOL换热器是一种螺 旋螺纹管换热器，是目前世界上最先进的管壳式换热 器之一，它继承了列管换热器耐高温高压、运行可靠和 板式换热器传热系数高、占地面积小、维护保养方便等 诸多优点。本文结合渗透汽化技术的工艺原理，分析 SECESPOL换热器在此工艺点中的应用优势。

    　1 渗透汽化技术原理与技术

    　1.1渗透汽化技术原理

    　渗透汽化（渗透蒸发，Pervaporation，简称PV）是一 种以混合物中组分渗透压差为推动力，依靠各组分在 膜中的溶解与扩散速率差异来实现混合物分离的新型 膜分离技术过程。

   　 渗透汽化膜将料液和渗透物分离为两股独立的物 流，料液侧一般维持常压，渗透物侧则通过抽真空的方 式维持较低的组分分压。在膜两侧组分分压差的推动 下，料液中各组分扩散通过膜，并在膜后侧汽化为渗透 物蒸汽。由于料液中各组分的物理化学性质不同，它 们在膜中的热力学性质（溶解度）和动力学性质（扩散 速度）存在差异，因而料液中各组分渗透通过膜的速度不同，易渗透组分在渗透物蒸汽中的份额增加，难渗透 组分在料液中的浓度则得以提高。

    　1.2渗透汽化技术

    　1.2.1渗透汽化工艺流程

　　膜将膜组件分隔为上游侧、下游侧两个室，上游侧 为液相室，下游侧为气相室，气相室与真空系统相连 接。含水的料液经过预热器、加热器加热到一定温度后 进入液相室，膜对料液中的水分子有选择通过性，水分 子溶解吸附于膜表面，在两侧蒸汽分压差的作用下优 先扩散通过，膜组件出口得到无水的产品；通过高分子 膜渗透到下侧的组分，由于蒸汽分压小于其饱和蒸汽 压而在膜表面汽化，随后进入冷凝器，经冷凝得到液体 渗透产物，可回收处理。渗透汽化工艺流程如图1所示。

　　1.2.2渗透汽化技术特点

    　节能（低能耗，一般比恒沸精馏节能1/2～2/3），清洁（过程不引入其他组分，产品和环境不会受到污染）， 便于放大、耦合和集成技术。

　　渗透气化特别适用于普通精馏难于分离或不能分 离的近沸点、恒沸点混合物的分离，对有机溶剂及混合 溶剂中微量水的脱除，对废水中少量有机物的回收，对有机物/有机物分离和与反应耦合、将反应生成物不断 脱除等具有明显的经济上和技术上的优势。

    　2 膜渗透汽化过程换热器的应用

    　通过膜渗透气化工艺流程可知，进入液相室之前 的物料需经过预热、加热达到一定温度，通过渗透膜后 气化的物料需要冷凝回收。在一套渗透气化系统中， 物料需要多次逐步通过渗透膜，没有通过渗透膜的物 料温度会降低，需要再次通过换热器加热，如此反复， 直至达到有效分离。因为渗透料液的温度直接影响渗 透气化效率，所以换热器的效率直接关系到渗透气化 系统的生产效率，因此换热器的选择非常重要。

    　2.1 SECESPOL换热器的特点

    　SECESPOL换热器，如图2所示，是欧洲原装进口的 管壳式螺旋螺纹管换热器，该换热器采用独特的螺旋 螺纹管作为传热管，换热效率是传统管壳式换热器的3 倍以上，是应用于冷凝系统最合适的换热器。其特点：

　　（1）效率高。采用独特的螺旋螺纹管，换热管采用 反向缠绕，这种结构极大地改变了流体的湍流效果，流 体再换热器内形成强烈的湍流效果。换热管长度是壳 体长度的4～6倍，流体在换热管内停留时间延长，换热更加充分，保证气态介质充分冷凝。在最佳工况条件 下，换热系数可达14 000 W/（m·2℃）。一般工况下，其 是传统管壳式换热器效率的5～7倍。

    　（2）安全性好。采用优质不锈钢整体焊接，材料具 有统一的热膨胀系数，不易发生泄露。整体焊接相对 于传统换热器的胶垫密封安全性更高，适用范围更广。 换热器最高耐温400℃。

    　（3）体积小。同样工况条件下，选用SECESPOL换 热器体积只有传统列管换热器的1/10，不需要特别设 计安装平台，大大节约安装费用。安装时可以和管道 直接连接，辅助简单固定即可。

    　（4）结垢倾向低。应用CFD（计算机流体力学）、FEM （有限元技术），提高了设计流速，最高为5.5 m/s，这是 换热器不易结垢的主要原因。独特的换热管长度是壳 体的4～6倍，换热过程温度梯度低，降低结垢倾向。采 用100°连接，换热器全部参与换热，不留死角；流体自 动冲刷管路，降低结垢倾向。

    　（5）使用寿命长。采用执行欧盟标准，利用欧文湍 流抖振频率准则，采用换热管最小间隙设计，有效地消 除换热器湍流抖振现象，延长使用寿命，设计寿命40年。

    　2.2应用实例

    　下面以山东某制药厂乙醇提纯为例分析说明换热 器在渗透气化脱水中的使用，该渗透汽化膜装置对乙 醇原料的最大处理能力为4 000 t/年，待处理乙醇原料 中水分含量不超过7%，pH值为6～8之间，客户方要求 处理后产品水分含量≯0.5%。

    　2.2.1该系统3个工艺点需使用换热器

   　 （1）预热器：利用液相室提纯后的乙醇预热需要渗 透提纯的乙醇溶液，该过程高温乙醇约为88℃，通过换 热器后温度将为45℃；低温侧乙醇由常温被加热到40℃。 该过程利用高温乙醇预热物料，充分利用热媒能量，可 以有效地降低能源消耗。处理量为1.5 t/h左右的系统 采用传统列管换热器需要12～15 m2的换热面积，采用 SECESPOL换热器后仅需一台换热面积为2.1 m2的换 热器即可满足工艺需求。体积仅为原换热器的1/5左右。

    　（2）加热器：利用蒸汽将预热过的乙醇溶液加热至 渗透气化所需的温度，乙醇渗透气化过程需要将物料由40℃加热至90℃，热媒为0.25～0.3 kg饱和蒸汽。处 理量为1.5 t/h左右的系统，采用传统列管换热器需要 12～15 m2的换热面积，采用SECESPOL换热器仅需一 台换热面积为2.1 m2的换热器即可满足工艺需求。换 热器体积仅为原来换热器体积的1/5左右。经过一次渗 透后的乙醇溶液浓度得以提高，温度会略有降低，为了 保证再次渗透的效果，需要通过换热器加热至90℃， 该过程采用传统列管换热器需要1.3～2 m2，采用 SECESPOL换热器只需0.5 m2即可。

　　（3）冷凝器：通过渗透膜的乙醇水蒸汽需要冷凝回 收，换热器的换热效率直接影响乙醇的回收率，由于渗 透工艺需要采用高真空保持渗透膜两侧的压差，在高真 空状态，如果换热器效率不高必然造成物料的损失。传 统换热器为了满足高真空下的冷凝效果，通常采用加大 换热器的换热面积的方法，这不但增加了设备投资，还需 要增加基建、安装、维护等过程的费用。在处理量为1.5t/h 的乙醇提纯过程，该工艺点需要一台80 m2左右的换热 器。采用SECESPOL换热器只需21.6 m2，即可满足工艺 需求，换热器体积也只有原换热器体积的1/10。

　　2.2.2采用SECESPOL换热器与列管换热器的对比

　　采用SECESPOL换热器与列管换热器的对比如表 1所示。通过表1可知，选用SECESPOL换热器所需换热 面积仅为原设计换热面积的1/4，换热器体积仅为原换热器体积的1/5左右。

　　采用SECESPOL换热器后渗透装置更加紧凑，可 节约基建投资，更关键的是冷凝过程采用SECESPOL 换热器可以提高溶剂回收率，同时由于SECESPOL换 热效率高，在工艺许可的情况下，可以将冷介质提高到 较高的温度，减少冷媒消耗量，降低设备的运行费用， 最为关键的换热器效率高可以将溶剂冷凝到更低的温 度，有效地减少溶剂损失，提高溶媒回收率。

 　　3 结语

　　采用渗透汽化技术对有机物脱水或分离，节能、环 保、操作简便，能够代替蒸馏、萃取、吸附等传统分离方 法，并能实现这些常规方法很难或无法实现的分离要求，在有机物或多种组分的混合有机物物中少量或微 量水分的脱除上更具有明显的优势，已被广泛用于制 药、精细化工等行业中溶媒的回收再利用。随着渗透气 化分离在医药化工企业的广泛应用，SECESPOL换热器 作为高效、节能、环保产品将会被广泛推广使用。
                 

［参考文献］

［1］马晓驰.国内外新型高效换热器.化工进展，2001

［2］SECESPOL换热器设计选型手册 

本文地址：http://www.51spjx.com/tech-detail/t213336.html