Návrh výměníků tepla s aplikacemi - farmaceutické výměníky a jiné speciální případy

Trubkové výměníky tepla zaměřené do oblasti farmaceutického průmyslu se vyznačují speciálními požadavky na jakost a konstrukci jejich provedení. Tyto požadavky vyplývají z hlediska technologických kritérií mikrobiální nezávadnosti produktu a kladou zvýšené nároky na výrobce. Následující koncept zapadá do širšího pojetí návrhu trubkových výměníků tepla do energetického, chemického a potravinářského průmyslu se sledováním kritických bodů při jejich návrhu.

Výměníky tepla P-Line
Trubkové výměníky řady P-Line jsou společností SECESPOL-CZ navrženy přímo pro potřeby farmaceutických a jiných biotechnologických či potravinářských provozů s podmínkami přísně aseptického prostředí, které se vyznačují závažnými technologickými a ekonomickýmí ztrátami v případě jakékoli nežádoucí mikrobiální kontaminace.

Obr.1 - Pohled na oblast dvojité trubkovnice

Pohled na oblast dvojité trubkovnice

Jedním z klíčových prvků pro udržení potřebné čistoty produktu je zamezení jeho kontaktu s provozními látkami z nečistých prostor v případě havárie zařízení. Proto jsou výměníky P-Line konstruovány se systémem dvojité trubkovnice (double-tubesheet), zabraňující vzájemnému styku
fází provozních látek při jejich úniku v místech spojů trubek s trubkovnicí. V případě takových okolností, které vedou k úniku, nedochází ke kontaminaci čisté látky a netěsnost je odhalena viditelným úkapem vně výměníku.

Vnitřní konstrukce vrtání trubkovnice a upravený tvar hlavic rovněž umožňuje úplné vypuštění výměníku. Ten neobsahuje slepá místa, ve kterých by mohlo docházet k rozmnožování mikroorganismů ve zbytcích kapalin, typicky právě v prostorech hlavic.

Obr. 2 – Upravený tvar odnímatelné hlavice výměníku

Odnímatelná hlavice výměníku

Použití rovných trubek s demontovatelnými dny navíc zajišťují snadný přístup do pracovního prostoru trubek, čímž je zaručena možnost mechanického čištění např. v případech technologických odstávek.
Pomocí vyměnitelných hlavic je umožněno provedení výměníků s více pracovními chody
ze strany trubek (jednochodé, dvouchodé a čtyřchodé provedení). Tato konstrukce vyjadřuje důležitou variabilitu při návrhu pro různé aplikace, efektivní využití teplosměnné plochy a minimalizaci rizika jejího zanášení. Vysoká teplotní napětí působící na trubkové spoje se eliminují vlnovcovým kompenzátorem na plášti výměníku. Výměníky jsou vyráběny s drsností nerezového povrchu
0,5 μm a 0,8 μm podle požadavků zákazníka, samozřejmostí je připojení pomocí tri-clampů (či jiné dle kompatibilních norem DIN 32676, EN 1092-1, ASME B16.5).

Software pro návrh trubkových výměníků
Pravdivý teplotechnický výpočet výměníků tepla je závislý na mnoha faktorech, mezi nejdůležitější patří přesný popis fyzikálních vlastností pracovních látek, v oblasti chemie a jejích odvětvích často popis složitých směsí či organických látek nejrůznějšího původu. Druhým faktorem je přesný výpočet pro zadanou geometrii výměníku a její konfigurace, kam můžeme zahrnout vícechodé výměníky, výměníky s křížovým tokem, výměníky se souproudým či protiproudým uspořádáním apod. Souproudé uspořádání lze využít např. v aplikacích s chemicky nestálými látkami či ve speciálních případech rychlého ohřevu. Všechna tato úskalí kvalitního tepelného výpočtu napomáhá překonávat software Aspen Exchanger Design, jedna ze světově nejuznávanějších aplikací pro návrh výměníků tepla. Software obsahuje širokou databázi chemických látek a jejich vlastností, fyzikálně chemické metody popisu směsí a rozsáhlý numerický model pro výpočet výměníku. V řadě případů, kde dochází k nelineárním změnám fyz. vlastností v závislosti na teplotě je numerický aparát výpočtu zcela nezbytný.

Trubkové výměníky tepla a jejich aplikace
Za pomocii výše zmíněného výpočtového SW se společnost SECESPOL-CZ zabývá designem trubkových výměníků tepla pro speciální aplikace energetiky a chemického průmyslu. Může se jednat například o kondenzátory kolon s výměnou hmoty, ohřev nástřikových proudů u kolon či chemických reaktorů, parní výměníky do tepelných elektráren či o jakoukoli aplikaci integrace tepla v potravinářských a jiných technologiích. Jedná se o projekty, které se z nejrůznějších důvodu vymykají možnosti použití standardních, sériově vyráběných výměníků tepla, ať už z důvodů maximálních přenášených výkonů (např. 20 MW U-trubkové výměníky pára-voda), maximální průtočné kapacity (výměníky tepla s nízkým teplotním spádem), z důvodu použití nebezpečných látek za vysokých teplot
(výměníky tepla pro vysokoteplotní transportní oleje či spalinové výměníky) nebo kombinace těchto důvodů. Mezi nejnovější projekty patřily např. výměníky tepla pro černouhelnou smolu s konstrukcí plovoucí hlavy. V jiných aplikacích lze s výhodou použít U-trubkové výměníky, často používané také jako vyvíječe páry (Kettle reboiler).

Obr. 3 – Trubkový výměník tepla s vyhřívanou hlavou. Aplikace do chemie pro viskózní olej

Trubkový výměník tepla

Z výše uvedeného vyplývají jisté nároky na specifikaci požadavků od zákazníka (čistitelnost ze strany pláště nebo trubek, dispozice, požadavky na materiál a konstrukční parametry či dochlazení kondenzátu). Je proto třeba promyšlený výběr správné koncepce, která značně ovlivňuje konečné provedení a cenu výměníku. Návrh se však vždy řídí doporučením a konstrukcí TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).

Ing. Martin ČERNÝ, SECESPOL-CZ,
www.secespol.cz

zdroj: CHEMAGAZÍN • Číslo 1 • Ročník XXII (2012)