摘要：從滲透汽化技術(shù)原理與技術(shù)入手，闡述了螺旋螺紋管換熱器的特點(diǎn)及其在溶劑脫水系統(tǒng)的應(yīng)用。

    　關(guān)鍵詞：滲透汽化；高效換熱器；螺旋螺紋管換熱器；脫水；應(yīng)用

    　用滲透汽化技術(shù)對(duì)有機(jī)物脫水或分離是目前最先 進(jìn)的液體分離方法之一，其廣泛用于制藥、精細(xì)化工等 行業(yè)中溶媒的回收再利用。采用滲透氣化技術(shù)對(duì)有機(jī) 溶劑進(jìn)行脫水處理比傳統(tǒng)蒸餾工藝節(jié)能50%左右。作 為滲透氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，換熱器的效率直接關(guān)系 到分離效果和生產(chǎn)效率。SECESPOL換熱器是一種螺 旋螺紋管換熱器，是目前世界上最先進(jìn)的管殼式換熱 器之一，它繼承了列管換熱器耐高溫高壓、運(yùn)行可靠和 板式換熱器傳熱系數(shù)高、占地面積小、維護(hù)保養(yǎng)方便等 諸多優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合滲透汽化技術(shù)的工藝原理，分析 SECESPOL換熱器在此工藝點(diǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

    　1 滲透汽化技術(shù)原理與技術(shù)

    　1.1滲透汽化技術(shù)原理

    　滲透汽化（滲透蒸發(fā)，Pervaporation，簡稱PV）是一 種以混合物中組分滲透壓差為推動(dòng)力，依靠各組分在 膜中的溶解與擴(kuò)散速率差異來實(shí)現(xiàn)混合物分離的新型 膜分離技術(shù)過程。

   　 滲透汽化膜將料液和滲透物分離為兩股獨(dú)立的物 流，料液側(cè)一般維持常壓，滲透物側(cè)則通過抽真空的方 式維持較低的組分分壓。在膜兩側(cè)組分分壓差的推動(dòng) 下，料液中各組分?jǐn)U散通過膜，并在膜后側(cè)汽化為滲透 物蒸汽。由于料液中各組分的物理化學(xué)性質(zhì)不同，它 們?cè)谀ぶ械臒崃�學(xué)性質(zhì)（溶解度）和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)（擴(kuò)散 速度）存在差異，因而料液中各組分滲透通過膜的速度不同，易滲透組分在滲透物蒸汽中的份額增加，難滲透 組分在料液中的濃度則得以提高。

    　1.2滲透汽化技術(shù)

    　1.2.1滲透汽化工藝流程

　　膜將膜組件分隔為上游側(cè)、下游側(cè)兩個(gè)室，上游側(cè) 為液相室，下游側(cè)為氣相室，氣相室與真空系統(tǒng)相連 接。含水的料液經(jīng)過預(yù)熱器、加熱器加熱到一定溫度后 進(jìn)入液相室，膜對(duì)料液中的水分子有選擇通過性，水分 子溶解吸附于膜表面，在兩側(cè)蒸汽分壓差的作用下優(yōu) 先擴(kuò)散通過，膜組件出口得到無水的產(chǎn)品；通過高分子 膜滲透到下側(cè)的組分，由于蒸汽分壓小于其飽和蒸汽 壓而在膜表面汽化，隨后進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝得到液體 滲透產(chǎn)物，可回收處理。滲透汽化工藝流程如圖1所示。

　　1.2.2滲透汽化技術(shù)特點(diǎn)

    　節(jié)能（低能耗，一般比恒沸精餾節(jié)能1/2～2/3），清潔（過程不引入其他組分，產(chǎn)品和環(huán)境不會(huì)受到污染）， 便于放大、耦合和集成技術(shù)。

　　滲透氣化特別適用于普通精餾難于分離或不能分 離的近沸點(diǎn)、恒沸點(diǎn)混合物的分離，對(duì)有機(jī)溶劑及混合 溶劑中微量水的脫除，對(duì)廢水中少量有機(jī)物的回收，對(duì)有機(jī)物/有機(jī)物分離和與反應(yīng)耦合、將反應(yīng)生成物不斷 脫除等具有明顯的經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的優(yōu)勢。

    　2 膜滲透汽化過程換熱器的應(yīng)用

    　通過膜滲透氣化工藝流程可知，進(jìn)入液相室之前 的物料需經(jīng)過預(yù)熱、加熱達(dá)到一定溫度，通過滲透膜后 氣化的物料需要冷凝回收。在一套滲透氣化系統(tǒng)中， 物料需要多次逐步通過滲透膜，沒有通過滲透膜的物 料溫度會(huì)降低，需要再次通過換熱器加熱，如此反復(fù)， 直至達(dá)到有效分離。因?yàn)闈B透料液的溫度直接影響滲 透氣化效率，所以換熱器的效率直接關(guān)系到滲透氣化 系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，因此換熱器的選擇非常重要。

    　2.1 SECESPOL換熱器的特點(diǎn)

    　SECESPOL換熱器，如圖2所示，是歐洲原裝進(jìn)口的 管殼式螺旋螺紋管換熱器，該換熱器采用獨(dú)特的螺旋 螺紋管作為傳熱管，換熱效率是傳統(tǒng)管殼式換熱器的3 倍以上，是應(yīng)用于冷凝系統(tǒng)最合適的換熱器。其特點(diǎn)：

　�。�1）效率高。采用獨(dú)特的螺旋螺紋管，換熱管采用 反向纏繞，這種結(jié)構(gòu)極大地改變了流體的湍流效果，流 體再換熱器內(nèi)形成強(qiáng)烈的湍流效果。換熱管長度是殼 體長度的4～6倍，流體在換熱管內(nèi)停留時(shí)間延長，換熱更加充分，保證氣態(tài)介質(zhì)充分冷凝。在最佳工況條件 下，換熱系數(shù)可達(dá)14 000 W/（m·2℃）。一般工況下，其 是傳統(tǒng)管殼式換熱器效率的5～7倍。

    �。�2）安全性好。采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼整體焊接，材料具 有統(tǒng)一的熱膨脹系數(shù)，不易發(fā)生泄露。整體焊接相對(duì) 于傳統(tǒng)換熱器的膠墊密封安全性更高，適用范圍更廣。 換熱器最高耐溫400℃。

    　（3）體積小。同樣工況條件下，選用SECESPOL換 熱器體積只有傳統(tǒng)列管換熱器的1/10，不需要特別設(shè) 計(jì)安裝平臺(tái)，大大節(jié)約安裝費(fèi)用。安裝時(shí)可以和管道 直接連接，輔助簡單固定即可。

    �。�4）結(jié)垢傾向低。應(yīng)用CFD（計(jì)算機(jī)流體力學(xué)）、FEM （有限元技術(shù)），提高了設(shè)計(jì)流速，最高為5.5 m/s，這是 換熱器不易結(jié)垢的主要原因。獨(dú)特的換熱管長度是殼 體的4～6倍，換熱過程溫度梯度低，降低結(jié)垢傾向。采 用100°連接，換熱器全部參與換熱，不留死角；流體自 動(dòng)沖刷管路，降低結(jié)垢傾向。

    �。�5）使用壽命長。采用執(zhí)行歐盟標(biāo)準(zhǔn)，利用歐文湍 流抖振頻率準(zhǔn)則，采用換熱管最小間隙設(shè)計(jì)，有效地消 除換熱器湍流抖振現(xiàn)象，延長使用壽命，設(shè)計(jì)壽命40年。

    　2.2應(yīng)用實(shí)例

    　下面以山東某制藥廠乙醇提純?yōu)槔�分析說明換熱 器在滲透氣化脫水中的使用，該滲透汽化膜裝置對(duì)乙 醇原料的最大處理能力為4 000 t/年，待處理乙醇原料 中水分含量不超過7%，pH值為6～8之間，客戶方要求 處理后產(chǎn)品水分含量≯0.5%。

    　2.2.1該系統(tǒng)3個(gè)工藝點(diǎn)需使用換熱器

   　 （1）預(yù)熱器：利用液相室提純后的乙醇預(yù)熱需要滲 透提純的乙醇溶液，該過程高溫乙醇約為88℃，通過換 熱器后溫度將為45℃；低溫側(cè)乙醇由常溫被加熱到40℃。 該過程利用高溫乙醇預(yù)熱物料，充分利用熱媒能量，可 以有效地降低能源消耗。處理量為1.5 t/h左右的系統(tǒng) 采用傳統(tǒng)列管換熱器需要12～15 m2的換熱面積，采用 SECESPOL換熱器后僅需一臺(tái)換熱面積為2.1 m2的換 熱器即可滿足工藝需求。體積僅為原換熱器的1/5左右。

    �。�2）加熱器：利用蒸汽將預(yù)熱過的乙醇溶液加熱至 滲透氣化所需的溫度，乙醇滲透氣化過程需要將物料由40℃加熱至90℃，熱媒為0.25～0.3 kg飽和蒸汽。處 理量為1.5 t/h左右的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)列管換熱器需要 12～15 m2的換熱面積，采用SECESPOL換熱器僅需一 臺(tái)換熱面積為2.1 m2的換熱器即可滿足工藝需求。換 熱器體積僅為原來換熱器體積的1/5左右。經(jīng)過一次滲 透后的乙醇溶液濃度得以提高，溫度會(huì)略有降低，為了 保證再次滲透的效果，需要通過換熱器加熱至90℃， 該過程采用傳統(tǒng)列管換熱器需要1.3～2 m2，采用 SECESPOL換熱器只需0.5 m2即可。

　�。�3）冷凝器：通過滲透膜的乙醇水蒸汽需要冷凝回 收，換熱器的換熱效率直接影響乙醇的回收率，由于滲 透工藝需要采用高真空保持滲透膜兩側(cè)的壓差，在高真 空狀態(tài)，如果換熱器效率不高必然造成物料的損失。傳 統(tǒng)換熱器為了滿足高真空下的冷凝效果，通常采用加大 換熱器的換熱面積的方法，這不但增加了設(shè)備投資，還需 要增加基建、安裝、維護(hù)等過程的費(fèi)用。在處理量為1.5t/h 的乙醇提純過程，該工藝點(diǎn)需要一臺(tái)80 m2左右的換熱 器。采用SECESPOL換熱器只需21.6 m2，即可滿足工藝 需求，換熱器體積也只有原換熱器體積的1/10。

　　2.2.2采用SECESPOL換熱器與列管換熱器的對(duì)比

　　采用SECESPOL換熱器與列管換熱器的對(duì)比如表 1所示。通過表1可知，選用SECESPOL換熱器所需換熱 面積僅為原設(shè)計(jì)換熱面積的1/4，換熱器體積僅為原換熱器體積的1/5左右。

　　采用SECESPOL換熱器后滲透裝置更加緊湊，可 節(jié)約基建投資，更關(guān)鍵的是冷凝過程采用SECESPOL 換熱器可以提高溶劑回收率，同時(shí)由于SECESPOL換 熱效率高，在工藝許可的情況下，可以將冷介質(zhì)提高到 較高的溫度，減少冷媒消耗量，降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用， 最為關(guān)鍵的換熱器效率高可以將溶劑冷凝到更低的溫 度，有效地減少溶劑損失，提高溶媒回收率。

 　　3 結(jié)語

　　采用滲透汽化技術(shù)對(duì)有機(jī)物脫水或分離，節(jié)能、環(huán) 保、操作簡便，能夠代替蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)分離方 法，并能實(shí)現(xiàn)這些常規(guī)方法很難或無法實(shí)現(xiàn)的分離要求，在有機(jī)物或多種組分的混合有機(jī)物物中少量或微 量水分的脫除上更具有明顯的優(yōu)勢，已被廣泛用于制 藥、精細(xì)化工等行業(yè)中溶媒的回收再利用。隨著滲透氣 化分離在醫(yī)藥化工企業(yè)的廣泛應(yīng)用，SECESPOL換熱器 作為高效、節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品將會(huì)被廣泛推廣使用。
                 

［參考文獻(xiàn)］

［1］馬曉馳.國內(nèi)外新型高效換熱器.化工進(jìn)展，2001

［2］SECESPOL換熱器設(shè)計(jì)選型手冊(cè) 

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