淺析氨基酸行業(yè)發(fā)酵罐的換熱冷卻系統(tǒng)

戴悅華

（浙江國光生化股份有限公司，浙江衢州324004）

淺析氨基酸行業(yè)發(fā)酵罐的換熱冷卻系統(tǒng)

戴悅華

（浙江國光生化股份有限公司，浙江衢州324004）

從氨基酸發(fā)酵罐的常見冷卻管型式的利弊分析為起點，結合發(fā)酵罐的換熱冷卻系統(tǒng)改造實踐，較為系統(tǒng)地論述了如何構建一個高效的發(fā)酵罐換熱冷卻系統(tǒng)。

常見冷卻管；利弊；新型式冷卻管；冷卻循環(huán)水溫度

前言

氨基酸的發(fā)酵罐內(nèi)部結構相對比較復雜，需要控制的參數(shù)比較多，產(chǎn)生熱交換是發(fā)酵罐必不可少的要求，罐內(nèi)換熱管的結構型式對發(fā)酵罐產(chǎn)生的熱效應有著舉足輕重的作用。本文對幾種發(fā)酵罐常見冷卻管型式進行利弊分析，結合發(fā)酵罐的換熱冷卻系統(tǒng)改造實踐，較為系統(tǒng)地論述了如何構建一個高效的發(fā)酵罐換熱冷卻系統(tǒng)，以供同行商榷及參考。

1　常見冷卻管型式的利弊分析

下面對幾種常見冷卻管的優(yōu)缺點進行分析，主要包括外壁螺旋管（外壁夾套）、多組螺旋列管、大螺旋管以及集束管。

1.1外壁螺旋管（外壁夾套）［1］

其優(yōu)點是：發(fā)酵罐內(nèi)壁簡潔，對發(fā)酵罐的內(nèi)部清洗比其他型式要好許多，另外造價比較節(jié)省（冷卻半管可以用碳鋼制作；由于外壁的冷卻半管對筒體有加強作用，所以罐體的不銹鋼材料厚度可以相應減少；發(fā)酵罐制作加工工藝也比較簡單），即使冷卻半管有滲漏也不會影響到發(fā)酵液。

其缺點是：受到發(fā)酵罐直筒外表面積所限，冷卻面積不能根據(jù)發(fā)酵換熱比的需要做大。發(fā)酵罐筒體一般比較厚，尤其是后來一般都選用不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼的熱惰性比較大，傳熱效果比較差，所以本來就不寬裕的換熱面積還要大打折扣。所以該換熱型式只在對換熱比要求不高的氨基酸品種中使用。

改良換熱效果的方法：早期的外盤管冷卻循環(huán)水一般是一進一出，口徑也不大，在DN50～DN80間，以120 m3發(fā)酵罐（Φ 3 600×10 600）為例，冷卻盤管達到790 m，按流速3 m/s估算，冷卻水流過發(fā)酵罐筒體約需要260 s，大約為4.3 min，流量僅2.6 m3，折合為36 m3/h，換熱量較小。要增加換熱量，增加流速也是一種方法，但一味的增加流速，會增大循環(huán)水泵的功率，而且流速快后，管道的壓力損失又會急速增大，所以增加循環(huán)水的流速，不是理想的方法。受機械領域的多頭螺紋啟發(fā)，可以將單線外盤管設計成多頭外盤管，這樣就能夠有效增加流量，有效增加換熱量。還是上述例子，如果改為3頭螺旋半管，單根螺旋半管為260 m，還是按3 m/s流速估算，冷卻水流過發(fā)酵罐筒體約需要87 s，大約為1.44 min，流量為0.86 m3。3根螺旋冷卻半管同時運行，流量能夠達到108 m3/h。同理還可以根據(jù)需要將冷卻半管制成4頭螺旋線來進一步提高流量（效果就是增加了參與換熱介質(zhì)的量）。該方法可以用于所有螺旋換熱管型式。

1.2多組螺旋列管

多組螺旋列管是早期最常見的一種換熱管型式，一般味精廠普遍都采用這一換熱管型式。其優(yōu)點是：制作工藝很成熟，換熱面積在一定程度上可以滿足發(fā)酵過程的需要（換熱比一般在1∶1.5之間）。其缺點是：冷卻盤管里面的冷卻水無法排放干凈，在發(fā)酵罐實消過程中，發(fā)酵罐體振動很大。對發(fā)酵罐相關的管道、儀表有較大的影響。該換熱管型式正被其他換熱管型式所替代。

圖1　螺旋列管（單組）

圖2　大螺旋管

1.3大螺旋管

該換熱管型式在早期也有出現(xiàn)。其優(yōu)點是：螺旋管制作比較簡便，支撐一般在下封頭，所以發(fā)酵罐內(nèi)壁很少有支撐點，罐壁比較整潔、容易清洗。換熱管里面的循環(huán)水能夠徹底排放干凈。實消時，在操作工認真操作的情況下基本上能夠做到?jīng)]有汽振情況。其缺點是：螺旋管制作必須在發(fā)酵罐上封頭未加蓋前完成，因施工困難，無法增加換熱面積。該換熱型式換熱比較低（單層換熱比僅為1∶1左右；如果是內(nèi)外雙層的大螺旋管，瘦長型發(fā)酵罐螺旋管布置有困難，即使矮胖型發(fā)酵罐能夠布置下去，焊補滲漏點檢修也比較困難）。

所以針對換熱比要求不高的氨基酸品種，該型式的換熱管一般能夠滿足其工藝要求。

1.4集束管［2］

該換熱型式也是比較常見的。其優(yōu)點是：換熱比能夠做到1∶1.7左右，換熱管里面的循環(huán)水能夠徹底排放干凈。實消時，在操作工認真操作的情況下基本上能夠做到?jīng)]有汽振情況。其缺點是：由于換熱管均為并聯(lián)運行，換熱管的橫截面積從進水口以后劇增，循環(huán)水流速急劇下降，如果要達到發(fā)酵罐的發(fā)酵熱換熱平衡，循環(huán)水泵流量理論要求會很大。甚至會無法匹配。為了減緩換熱管的橫截面積劇增，一些單位對集束式換熱管“組間”進行了串并聯(lián)混合配置，這樣能夠緩解橫截面積的急劇增大，但串聯(lián)的管道，在發(fā)酵罐內(nèi)部布置比較困難，并且該管道直徑還比較大，影響發(fā)酵罐的有效容積。

圖3　集束管

2　新型式冷卻管的探討

2.1多組小直徑螺旋管

2006年，筆者將多組小直徑螺旋管的換熱管型式設計進氨基酸發(fā)酵罐，當時是上萬噸級蘇氨酸項目，發(fā)酵罐的設計碰到了難題，工藝方提出了1.8～2的換熱比問題。針對270 m3的發(fā)酵罐，工藝要求冷卻面積達到486～540 m3。以往的所有型式換熱管均難以做到如此高的換熱比。雖然螺旋列管能夠通過添加圈數(shù)來增加換熱面積，但是添加圈數(shù)會逐漸向發(fā)酵罐軸心線逼近，發(fā)酵罐的徑向是有限度的，到攪拌漿附近就無法再繼續(xù)添加圈數(shù)。于是提出將螺旋列管橫過來的方案，當然螺旋列管“橫”過來，必須解決其長度問題，必須要“縮短”，“縮短”的結果就形成了小直徑螺旋管了。后來經(jīng)CAD多次繪制及計算，證明小直徑螺旋管能夠達到1.8以上的換熱比。并且發(fā)酵罐越大，螺旋管的優(yōu)點就越明顯。經(jīng)過電腦模擬和實際發(fā)酵，均收到不錯的效果。后在發(fā)酵行業(yè)得到推廣，尤其在制藥行業(yè)取得比較好的效果。下面筆者將討論該換熱型式的優(yōu)缺點。

圖4　多組小螺旋管發(fā)酵罐立面示意圖

其優(yōu)點是：換熱比高、發(fā)酵液翻動順暢、換熱效果好（由于多組小螺旋管，相當于多個導流筒，發(fā)酵液的運動軌跡一般是發(fā)酵罐中心部位在上、中兩檔下壓式攪拌漿的推動下往下流，碰到橢圓形下封頭后，順著下封頭內(nèi)壁向四周上翻，發(fā)酵罐筒體內(nèi)壁一周的發(fā)酵液往上翻，上翻的發(fā)酵液在螺旋管內(nèi)、外上升，和螺旋管能夠很好的接觸換熱），另外各組螺旋管里面的循環(huán)水同樣能夠徹底排放干凈。實消時，能夠避免“汽振”情況。

其缺點是：螺旋管制作加工有一定的難度，好在目前彎管機械已經(jīng)比較成熟，所以還是能夠保證螺旋管制作的質(zhì)量。

設計該型式換熱管系統(tǒng)需要注意的地方：

1）根據(jù)發(fā)酵罐的直徑來確定螺旋管的直徑，小直徑螺旋管的直徑一般在Φ 600～800為佳，根據(jù)實踐經(jīng)驗，換熱管換熱良好的區(qū)域，是離開換熱管約300 mm間，離開過遠，由于溫差逐漸變小，換熱效果會變差。

2）兩組螺旋管之間的空間也需要在300 mm左右，不然還是會發(fā)生換熱效果差的弊病。圖5為比較明顯的設計誤區(qū)，看起來換熱面積很多，但由于布置過密，其換熱效果肯定大打折扣，發(fā)酵液的換熱流動均勻度也會受影響。

3）關于螺旋管的支撐問題，和其他型式換熱管一樣，存在換熱管的自身重量和充滿循環(huán)水的螺旋管支撐問題，以往均在發(fā)酵罐的罐壁上焊接多組不銹鋼型鋼做支撐，用U型螺栓固定換熱管，這樣的支撐方法有許多弊病。如果我們將換熱管的質(zhì)量用掛載的方法，將重量掛載在發(fā)酵罐上封頭上，或者是在上封頭線附件增加橫梁來承擔換熱管的重量，那么就可以減少罐壁上的支撐數(shù)量及降低型鋼的規(guī)格。

圖5　布置過密的小螺旋管

2.2改進型集束管

為了改善集束管橫截面積急劇增大的缺陷，將集束管結構進行“改型”設計，將全并聯(lián)運行改為串并聯(lián)混合運行（見圖6），有效地改善了集束型冷卻管的缺陷。2.3其他衍生型換熱管

圖6　改進型集束管示意圖

筆者在工作實踐當中，根據(jù)各種工藝要求，針對發(fā)酵罐的換熱管進行了多項方案設計，鼠籠型換熱管就是其中之一，該型式尚未有機會投入實踐。

該換熱型式可以根據(jù)發(fā)酵罐的大小變化為多種組合：

1）兩圈立管間可以再添加1至2圈列管，增大換熱面積。

2）可以在上面制作兩個大圓環(huán)，作為進出總管，下部的大圓環(huán)就作為周轉(zhuǎn)換向管。

3）根據(jù)發(fā)酵罐的筒身高度，可分上、下兩區(qū)域做兩組環(huán)形換熱管等。

圖7　鼠籠型換熱管

2.4關于冷卻循環(huán)水溫度問題

考慮發(fā)酵液冷卻時，循環(huán)水溫度是一個關鍵要素，在無法滿足發(fā)酵熱平衡時，往往考慮用更冷的冰水來解決問題。對此，筆者有不同的看法，暫且撇開能耗不說（冷水機組的功耗也確實不可小歔），對發(fā)酵液的影響也是不利的。冷卻換熱管內(nèi)部通冰水（一般為15℃左右），換熱管內(nèi)和發(fā)酵液的溫差就比較大，換熱就快，但帶來的弊病就是，換熱管附近的發(fā)酵液接近15℃，這部分的發(fā)酵液溫度對要求30℃左右生長環(huán)境的菌種不利。

筆者認為要解決發(fā)酵熱平衡問題就要增加換熱面積及循環(huán)水流量。冷卻循環(huán)水由于受到冷卻塔及氣溫的限制，一般夏天能夠做到28～32℃之間，對于37℃左右發(fā)酵溫度的菌種來說還是比較適宜的。只要循環(huán)水流量設計合理，換熱管的換熱面積足夠，還是能夠保證發(fā)酵罐的正常運行。這里還有一個區(qū)域問題，南方氣溫比較高，夏天對循環(huán)水系統(tǒng)要求就比較高一些，需要根據(jù)不同區(qū)域區(qū)別對待。

根據(jù)以上的論點，在發(fā)酵熱得不到平衡的情況下，到底是直接通冰水進發(fā)酵罐還是將冰水通入冷卻塔循環(huán)水池以調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度。筆者認為是后者比較合理，因為后者僅需要解決冷卻塔循環(huán)水池水溫偏高的那一部分，比如，循環(huán)水池里面的水溫已經(jīng)達到34℃了，那么通入冰水調(diào)整水溫，只要解決“高”出的2～3℃溫差，而不是讓冰水去承擔所有發(fā)酵熱的平衡。可以采用分區(qū)域添加方法在冷卻塔循環(huán)水池里添加冰水（或者是溫度比較低的深井水），在離開循環(huán)水泵進水口附近設置一個冰水進水口，離開循環(huán)水泵進水口遠一些再設置1～2個冰水進水口，這樣就可以根據(jù)發(fā)酵冷卻循環(huán)水的回水溫度來調(diào)節(jié)從哪一個冰水進水口補充冰水更合理。由于溫度的變化有時間差，所以調(diào)節(jié)要有耐心一些，不然收不到預期效果。

3　結語

發(fā)酵行業(yè)的節(jié)能是一個長期的課題，發(fā)酵罐的換熱系統(tǒng)運行是能耗的關鍵，設計出換熱效果優(yōu)良的換熱管型式是氨基酸項目工程設計人員的努力方向，鑒于目前國內(nèi)部分氨基酸產(chǎn)能過剩的艱難囧境，節(jié)能降耗更顯得尤為重要，希望本文能夠給相關氨基酸行業(yè)的技術改造、新建項目工程起拋磚引玉及借鑒作用。

［1］沈玲娟，徐建茹，李蘭，等.大發(fā)酵罐外半管的制作工藝［J］.石油和化工設備，2008，11（5），30-32.

［2］汪國剛，劉巍.發(fā)酵罐冷卻排管的改進［C］.2004年氨基酸、呈味核苷酸生產(chǎn)技術交流會論文集.2004，171-173.

（責任編輯：朱小惠）

Analysis on heat transfer cooling system of amino acid fermentor

DAI Yuehua
（Zhejiang Guoguang Biochemistry Co.，Ltd.，Quzhou 324004，China）

This paper analyzed the advantages and disadvantages of usual cooling pipes of amino acid fermentor.Combining with the modification practices of heat exchange cooling system，method for installation of a fermentor with highly efficient heat exchange cooling system was systematically discussed.

cooling pipe；advantages and disadvantages；new type cooling pipe；temperature of the cooling circulating water

TQ920.5

A

1674-2214（2015）03-0052-04

2014-09-01

戴悅華（1946—），男，浙江衢州人，工程師，主要從事氨基酸發(fā)酵項目工程設計，E-mail：7385a@163.com.