原料藥低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

王向遠(yuǎn)

（四川省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限公司， 成都 610041）

原料藥低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

王向遠(yuǎn)

（四川省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限公司， 成都 610041）

介紹和分析了原料藥低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的組成、工藝計(jì)算和設(shè)備選型，對(duì)冷媒的選擇及設(shè)備保溫進(jìn)行了闡述，從而為原料藥低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有益的幫助。介紹和分析了原料藥低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的組成。根據(jù)實(shí)際工作的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝計(jì)算及設(shè)備選型的方法、冷媒的選擇等方面做分析探討，并提出工程上的具體解決辦法。

原料藥；低溫；合成反應(yīng)；冷媒

在原料藥的生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常遇到需要在低于0℃的溫度下進(jìn)行的合成反應(yīng)或后處理過(guò)程，比如某些磺化、硝化、縮合等合成反應(yīng)，粗品結(jié)晶、重結(jié)晶純化等后處理過(guò)程。這就對(duì)反應(yīng)的條件提出了特殊要求。本文針對(duì)此問(wèn)題，根據(jù)筆者在實(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做以下的分析和介紹，并提出工程上的具體解決辦法。

1　低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)的組成

對(duì)于大多數(shù)的低溫反應(yīng)或后處理過(guò)程，工藝要求的溫度范圍一般為-5 ～ -20 ℃。對(duì)于此類常規(guī)的低溫反應(yīng)系統(tǒng)，主要由反應(yīng)釜、冷凍水泵、水箱、低溫冷水機(jī)組及管路組成。根據(jù)反應(yīng)釜的功能，可分為具有蒸汽加熱、冷卻水降溫及提供低溫反應(yīng)功能的多功能低溫配管系統(tǒng)和只具有低溫反應(yīng)功能的單一功能低溫配管系統(tǒng)。

1.1多功能低溫配管系統(tǒng)的組成

多功能低溫配管系統(tǒng)，除了滿足低溫反應(yīng)的需要外，還可以實(shí)現(xiàn)蒸汽加熱（或熱水）及保溫、冷卻水降溫和功能，可以滿足某些合成反應(yīng)需要在不同階段加熱、降溫及低溫反應(yīng)的需要，多步反應(yīng)可在同一反應(yīng)釜中實(shí)現(xiàn)。此類系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)圖示例見(jiàn)圖1。

此系統(tǒng)由反應(yīng)釜、低溫冷水機(jī)組、循環(huán)泵、載冷劑貯罐及相關(guān)管路組成。載冷劑（冷媒）通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入低溫冷水機(jī)機(jī)組的蒸發(fā)器降溫后回到載冷劑貯罐，如此往復(fù)循環(huán)使冷媒的溫度降到工藝所需要的溫度；另一臺(tái)循環(huán)泵將冷媒通過(guò)冷媒主管泵送至反應(yīng)釜夾套綜合管路，從反應(yīng)釜夾套下部接管進(jìn)入夾套內(nèi)，經(jīng)過(guò)釜壁與反應(yīng)釜內(nèi)物料換熱后，從夾套上口接管及綜合管路由冷媒回水管返回冷媒貯罐，實(shí)現(xiàn)釜內(nèi)物料的低溫條件。當(dāng)?shù)蜏胤磻?yīng)完成后，夾套內(nèi)的冷媒由壓縮空氣壓回冷媒貯罐。多功能低溫配管系統(tǒng)，除了實(shí)現(xiàn)低溫反應(yīng)的功能外，還同時(shí)具有對(duì)釜內(nèi)物料的加熱、保溫，冷卻水降溫、保溫等功能。

多功能低溫配管系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是對(duì)工藝條件和適應(yīng)性強(qiáng)，滿足多個(gè)品種的生產(chǎn)要求；缺點(diǎn)是管路較復(fù)雜，管道安裝一次性投入大，如閥門損壞及操作失誤容易造成冷媒的跑料損失。

1.2單一功能低溫配管系統(tǒng)的組成

單一功能低溫配管系統(tǒng)專門滿足低溫反應(yīng)的需要。此類系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)圖示例見(jiàn)圖2。

此系統(tǒng)的主要設(shè)備和圖1相同，區(qū)別在于管路系統(tǒng)只滿足低溫反應(yīng)的需要。當(dāng)?shù)蜏胤磻?yīng)完成后暫時(shí)不使用時(shí)，夾套內(nèi)的冷媒由壓縮空氣壓回冷媒貯罐。

單一功能低溫配管系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)適合于工藝條件固定、生產(chǎn)量大的品種，管路簡(jiǎn)單，冷媒損失量小；缺點(diǎn)是使用的靈活性差。

1.3同一介質(zhì)作冷媒、熱媒的低溫系統(tǒng)

多功能低溫配管系統(tǒng)需要頻繁切換熱媒導(dǎo)熱液與冷媒導(dǎo)熱液對(duì)物料進(jìn)行加熱和冷卻。但冷媒、熱媒往往不是同一種物質(zhì)，冷媒、熱媒切換需用氣體吹掃，操作過(guò)程中易導(dǎo)致冷媒、熱媒交叉污染，造成浪費(fèi)。近年來(lái)出現(xiàn)了冷媒、熱媒采用同一種導(dǎo)熱液對(duì)工藝物料進(jìn)行加熱和冷卻和工藝流程［1］。在此系統(tǒng)中安裝制冷加熱控溫系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)控制多臺(tái)反應(yīng)釜溫度的目標(biāo)，詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)［2］。此類系統(tǒng)初始投資較常規(guī)系統(tǒng)大，須進(jìn)行二次熱交換，加熱和冷卻的時(shí)間較長(zhǎng)，熱損失會(huì)有所增加，加熱溫度受介質(zhì)的使用范圍限制。因此在滿足工藝要求的前提下才能建議采用此類系統(tǒng)。

圖1　多功能低溫配管系統(tǒng)工藝流程Fig.1 The process of low temperature piping system schematic function

圖2　單一功能配管低溫系統(tǒng)工藝流程Fig.2 Single function low temperature process piping system schematic

2　工藝計(jì)算和設(shè)備選型

2.1低溫冷水機(jī)組制冷量的計(jì)算及設(shè)備選型

在一般情況下，低溫冷水機(jī)組的制冷量可用下式計(jì)算：

式中 Q — 制冷量，kW；

c—冷媒比熱容，kJ/（kg·℃）；

m—冷媒質(zhì)量流量，kg/s；

Δt—冷媒進(jìn)出水溫差，℃。

其中冷媒的質(zhì)量流量可根據(jù)工藝需要及流速等確定，可參考相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，冷媒進(jìn)出水溫差可根據(jù)設(shè)備廠家選型樣本確定，一般為5 ℃。

根據(jù)制冷量的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行低溫冷水機(jī)組的設(shè)備選型，目前工程上普遍采用中低溫螺桿式冷水機(jī)組，該設(shè)備可提供-45 ～ 0 ℃的中低溫載冷劑，適用于有各種冷源需求的場(chǎng)所，如醫(yī)藥、化工、食品、電子、食品等行業(yè)的生產(chǎn)工藝過(guò)程中。該設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

（1）采用新型高效螺桿壓縮機(jī)，噪音低、振動(dòng)小、可靠性高；

（2）冷凝器為水冷殼式，采用高效換熱器，體積小、重量輕；

（3）油冷卻器采用液冷油冷或水冷油冷，換熱效果好，運(yùn)行可靠；

（4）小型機(jī)組為整體結(jié)構(gòu)，大型機(jī)組采用撬裝，安裝現(xiàn)場(chǎng)總體組裝，方便快捷；

（5）具有節(jié)能控制器，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)冷媒水出水溫度，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)載位；

（6）設(shè)備自動(dòng)控制采用人機(jī)界面+PLC控制器，可選用遠(yuǎn)程控制方式；

（7）可根據(jù)需要選用多種載冷劑。

選型時(shí)要根據(jù)冷媒的出水溫度、制冷量、富余量等因素綜合考慮，并仔細(xì)參照廠家提供的機(jī)組變工況參數(shù)表進(jìn)行設(shè)備型號(hào)的選定，以保證機(jī)組投入運(yùn)行后的正常使用。

此外，針對(duì)工藝要求-45 ～ -120 ℃（或更低溫度）的情況，通常的方法是使用液氮進(jìn)行降溫。其優(yōu)點(diǎn)是絕對(duì)溫度低、系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、初期投資少；缺點(diǎn)是運(yùn)行成本較高、存儲(chǔ)設(shè)備有潛在安全隱患。近年來(lái)，已經(jīng)有國(guó)內(nèi)廠家開(kāi)發(fā)了可提供-45 ～ -120 ℃超低溫冷媒的超低溫制冷機(jī)組（冷媒采用乙醇溶液），可供設(shè)計(jì)時(shí)選用。

2.2輔助設(shè)備選型

2.2.1冷卻塔及冷卻水泵的選型

與低溫冷水機(jī)組配套的冷卻塔宜專用，與其它工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)置，以避免水溫波動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成不利的影響。冷卻水塔及水泵的選擇根據(jù)冷水機(jī)組產(chǎn)品樣本中與機(jī)組型號(hào)對(duì)應(yīng)的冷卻水用量進(jìn)行選擇，同時(shí)應(yīng)考慮20 %左右的富裕量。 不同的冷卻水進(jìn)水溫度所需的冷卻水用量會(huì)有所不同，有些樣本會(huì)提供30 ℃和32 ℃兩種情況下的冷卻水用量，便于選擇不同型號(hào)的冷卻塔。水泵根據(jù)流量及所需揚(yáng)程加上管道阻力損失選定。

2.2.2冷媒貯罐的選型

冷媒貯罐的作用是緩沖冷媒循環(huán)與用冷用戶使用之間的不平衡性，同時(shí)存放用戶壓回的冷媒。貯罐的大小可按10～20 min冷水機(jī)組的冷凍水流量計(jì)算，可適當(dāng)考慮1.1～1.2倍的富余系數(shù)。貯罐為常壓貯罐，材質(zhì)根據(jù)冷媒的不同有所區(qū)別，建議采用304不銹鋼為設(shè)備材料，并進(jìn)行保溫。

3　冷媒的選擇

冷媒的選擇應(yīng)根據(jù)工藝所需的蒸發(fā)溫度、冷媒的腐蝕性、價(jià)格等因素綜合考慮。常用的冷媒有乙二醇水溶液、氯化鈣或氯化鈉水溶液、丙三醇水溶液等。選用時(shí)應(yīng)查閱載冷劑的熱物理性質(zhì)計(jì)算曲線（濃度與起始凝固溫度、密度、比熱之前的關(guān)系）以選定冷媒的種類及使用濃度要求。不同冷媒的蒸發(fā)溫度有一定的下限，比如冷水機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度低于-30 ℃，不建議采用乙二醇水溶液。圖3為乙二醇溶液和氯化鈣溶液的熱物理性質(zhì)計(jì)算用曲線。

此外因?yàn)槁然}與氯化鈉水溶液對(duì)金屬管道及設(shè)備有一定的腐蝕性，會(huì)影響管道及設(shè)備的使用壽命，另外還須增加配液槽等設(shè)備，運(yùn)行管理勞動(dòng)強(qiáng)度較大，藥品生產(chǎn)企業(yè)已不建議使用。

最近10年以來(lái)，國(guó)內(nèi)已有廠家開(kāi)發(fā)有專用冷媒產(chǎn)品（如遼寧朝陽(yáng)光達(dá)化工有限公司開(kāi)發(fā)的冰河媒），具有環(huán)保、防腐高導(dǎo)熱、低損耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)［3］。此類產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始廣泛使用。可根據(jù)工藝要求單獨(dú)使用或與水、乙二醇等傳統(tǒng)醫(yī)藥行業(yè)載冷劑混合稀釋成適當(dāng)濃度后應(yīng)用。

圖3　乙二醇溶液和氯化鈣溶液的熱物理性質(zhì)計(jì)算用曲線Fig.3 Calculation of thermal physical properties of ethylene glycol solution and calcium chloride solution

4　設(shè)備及管道的保冷

冷媒管道及設(shè)備保冷采用的材料一般有聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃［4］等，具體絕熱計(jì)算和絕熱結(jié)構(gòu)參照《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50264—2013）進(jìn)行。

5　結(jié)束語(yǔ)

原料藥低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)在原料藥生產(chǎn)企業(yè)中廣泛使用，本文對(duì)此類系統(tǒng)的組成、工藝計(jì)算及設(shè)備選型的方法、冷媒的選擇等方面做了初步的探討。具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的工藝條件和要求，按照經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、實(shí)用的原則進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，以保證低溫合成反應(yīng)系統(tǒng)建成后的有效、安全運(yùn)行。

［1］常嘉琳，唐培亮. 乙二醇水溶液作為冷/熱媒的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2013，13（5）：84-87.

［2］賴文珊. 同一介質(zhì)作冷、熱媒流程的優(yōu)化探討［J］.化工與醫(yī)藥工程，2015，36（4）：30-32 .

［3］朝陽(yáng)光達(dá)化工有限公司冰河冷媒產(chǎn)品樣本［Z］，2011.

［4］GB 50264—2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Discussion of Design of Low Temperature Synthesis Reaction System for Crude Drugs

Wang Xiangyuan
（Sichuan Province Pharmaceutical Design Institute Co.， Ltd， Chengdu 610041）

In this article， the composition of low temperature synthesis reaction system for crude drugs was introduced and analyzed. Based on the experiences in engineering practice， the structural design， process calculation， equipment type selection and cold medium for this system were analyzed and discussed. The engineering methods then proposed.

crude drug； low temperature； synthesis reaction； cold medium

TQ 460.6

A

2095-817X（2016）03-0028-004

2016-01-08

王向遠(yuǎn) （1975—），男， 注冊(cè)化工工程師，主要從事醫(yī)藥與化工項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)工作。