原料药低温合成反应系统的设计探讨

王向远

（四川省医药设计院有限公司， 成都 610041）

原料药低温合成反应系统的设计探讨

王向远

（四川省医药设计院有限公司， 成都 610041）

介绍和分析了原料药低温合成反应系统的组成、工艺计算和设备选型，对冷媒的选择及设备保温进行了阐述，从而为原料药低温合成反应系统的设计提供有益的帮助。介绍和分析了原料药低温合成反应系统的组成。根据实际工作的经验，对该类系统的结构设计、工艺计算及设备选型的方法、冷媒的选择等方面做分析探讨，并提出工程上的具体解决办法。

原料药；低温；合成反应；冷媒

在原料药的生产过程中，经常遇到需要在低于0℃的温度下进行的合成反应或后处理过程，比如某些磺化、硝化、缩合等合成反应，粗品结晶、重结晶纯化等后处理过程。这就对反应的条件提出了特殊要求。本文针对此问题，根据笔者在实际工作中的经验，对低温合成反应系统的设计做以下的分析和介绍，并提出工程上的具体解决办法。

1　低温合成反应系统的组成

对于大多数的低温反应或后处理过程，工艺要求的温度范围一般为-5 ～ -20 ℃。对于此类常规的低温反应系统，主要由反应釜、冷冻水泵、水箱、低温冷水机组及管路组成。根据反应釜的功能，可分为具有蒸汽加热、冷却水降温及提供低温反应功能的多功能低温配管系统和只具有低温反应功能的单一功能低温配管系统。

1.1多功能低温配管系统的组成

多功能低温配管系统，除了满足低温反应的需要外，还可以实现蒸汽加热（或热水）及保温、冷却水降温和功能，可以满足某些合成反应需要在不同阶段加热、降温及低温反应的需要，多步反应可在同一反应釜中实现。此类系统的工艺流程简图示例见图1。

此系统由反应釜、低温冷水机组、循环泵、载冷剂贮罐及相关管路组成。载冷剂（冷媒）通过循环泵进入低温冷水机机组的蒸发器降温后回到载冷剂贮罐，如此往复循环使冷媒的温度降到工艺所需要的温度；另一台循环泵将冷媒通过冷媒主管泵送至反应釜夹套综合管路，从反应釜夹套下部接管进入夹套内，经过釜壁与反应釜内物料换热后，从夹套上口接管及综合管路由冷媒回水管返回冷媒贮罐，实现釜内物料的低温条件。当低温反应完成后，夹套内的冷媒由压缩空气压回冷媒贮罐。多功能低温配管系统，除了实现低温反应的功能外，还同时具有对釜内物料的加热、保温，冷却水降温、保温等功能。

多功能低温配管系统的优缺点：优点是对工艺条件和适应性强，满足多个品种的生产要求；缺点是管路较复杂，管道安装一次性投入大，如阀门损坏及操作失误容易造成冷媒的跑料损失。

1.2单一功能低温配管系统的组成

单一功能低温配管系统专门满足低温反应的需要。此类系统的工艺流程简图示例见图2。

此系统的主要设备和图1相同，区别在于管路系统只满足低温反应的需要。当低温反应完成后暂时不使用时，夹套内的冷媒由压缩空气压回冷媒贮罐。

单一功能低温配管系统的优缺点：优点适合于工艺条件固定、生产量大的品种，管路简单，冷媒损失量小；缺点是使用的灵活性差。

1.3同一介质作冷媒、热媒的低温系统

多功能低温配管系统需要频繁切换热媒导热液与冷媒导热液对物料进行加热和冷却。但冷媒、热媒往往不是同一种物质，冷媒、热媒切换需用气体吹扫，操作过程中易导致冷媒、热媒交叉污染，造成浪费。近年来出现了冷媒、热媒采用同一种导热液对工艺物料进行加热和冷却和工艺流程［1］。在此系统中安装制冷加热控温系统还可以实现一台主机控制多台反应釜温度的目标，详见相关文献［2］。此类系统初始投资较常规系统大，须进行二次热交换，加热和冷却的时间较长，热损失会有所增加，加热温度受介质的使用范围限制。因此在满足工艺要求的前提下才能建议采用此类系统。

图1　多功能低温配管系统工艺流程Fig.1 The process of low temperature piping system schematic function

图2　单一功能配管低温系统工艺流程Fig.2 Single function low temperature process piping system schematic

2　工艺计算和设备选型

2.1低温冷水机组制冷量的计算及设备选型

在一般情况下，低温冷水机组的制冷量可用下式计算：

式中 Q — 制冷量，kW；

c—冷媒比热容，kJ/（kg·℃）；

m—冷媒质量流量，kg/s；

Δt—冷媒进出水温差，℃。

其中冷媒的质量流量可根据工艺需要及流速等确定，可参考相关设计手册，冷媒进出水温差可根据设备厂家选型样本确定，一般为5 ℃。

根据制冷量的计算结果，进行低温冷水机组的设备选型，目前工程上普遍采用中低温螺杆式冷水机组，该设备可提供-45 ～ 0 ℃的中低温载冷剂，适用于有各种冷源需求的场所，如医药、化工、食品、电子、食品等行业的生产工艺过程中。该设备具有如下特点：

（1）采用新型高效螺杆压缩机，噪音低、振动小、可靠性高；

（2）冷凝器为水冷壳式，采用高效换热器，体积小、重量轻；

（3）油冷却器采用液冷油冷或水冷油冷，换热效果好，运行可靠；

（4）小型机组为整体结构，大型机组采用撬装，安装现场总体组装，方便快捷；

（5）具有节能控制器，机组运行过程中，可自动监测冷媒水出水温度，调节压缩机载位；

（6）设备自动控制采用人机界面+PLC控制器，可选用远程控制方式；

（7）可根据需要选用多种载冷剂。

选型时要根据冷媒的出水温度、制冷量、富余量等因素综合考虑，并仔细参照厂家提供的机组变工况参数表进行设备型号的选定，以保证机组投入运行后的正常使用。

此外，针对工艺要求-45 ～ -120 ℃（或更低温度）的情况，通常的方法是使用液氮进行降温。其优点是绝对温度低、系统安装简单、初期投资少；缺点是运行成本较高、存储设备有潜在安全隐患。近年来，已经有国内厂家开发了可提供-45 ～ -120 ℃超低温冷媒的超低温制冷机组（冷媒采用乙醇溶液），可供设计时选用。

2.2辅助设备选型

2.2.1冷却塔及冷却水泵的选型

与低温冷水机组配套的冷却塔宜专用，与其它工艺冷却水系统分开设置，以避免水温波动对机组运行造成不利的影响。冷却水塔及水泵的选择根据冷水机组产品样本中与机组型号对应的冷却水用量进行选择，同时应考虑20 %左右的富裕量。 不同的冷却水进水温度所需的冷却水用量会有所不同，有些样本会提供30 ℃和32 ℃两种情况下的冷却水用量，便于选择不同型号的冷却塔。水泵根据流量及所需扬程加上管道阻力损失选定。

2.2.2冷媒贮罐的选型

冷媒贮罐的作用是缓冲冷媒循环与用冷用户使用之间的不平衡性，同时存放用户压回的冷媒。贮罐的大小可按10～20 min冷水机组的冷冻水流量计算，可适当考虑1.1～1.2倍的富余系数。贮罐为常压贮罐，材质根据冷媒的不同有所区别，建议采用304不锈钢为设备材料，并进行保温。

3　冷媒的选择

冷媒的选择应根据工艺所需的蒸发温度、冷媒的腐蚀性、价格等因素综合考虑。常用的冷媒有乙二醇水溶液、氯化钙或氯化钠水溶液、丙三醇水溶液等。选用时应查阅载冷剂的热物理性质计算曲线（浓度与起始凝固温度、密度、比热之前的关系）以选定冷媒的种类及使用浓度要求。不同冷媒的蒸发温度有一定的下限，比如冷水机组蒸发器出水温度低于-30 ℃，不建议采用乙二醇水溶液。图3为乙二醇溶液和氯化钙溶液的热物理性质计算用曲线。

此外因为氯化钙与氯化钠水溶液对金属管道及设备有一定的腐蚀性，会影响管道及设备的使用寿命，另外还须增加配液槽等设备，运行管理劳动强度较大，药品生产企业已不建议使用。

最近10年以来，国内已有厂家开发有专用冷媒产品（如辽宁朝阳光达化工有限公司开发的冰河媒），具有环保、防腐高导热、低损耗、低成本的优点［3］。此类产品已经开始广泛使用。可根据工艺要求单独使用或与水、乙二醇等传统医药行业载冷剂混合稀释成适当浓度后应用。

图3　乙二醇溶液和氯化钙溶液的热物理性质计算用曲线Fig.3 Calculation of thermal physical properties of ethylene glycol solution and calcium chloride solution

4　设备及管道的保冷

冷媒管道及设备保冷采用的材料一般有聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃［4］等，具体绝热计算和绝热结构参照《工业设备及管道绝热工程设计规范》（GB 50264—2013）进行。

5　结束语

原料药低温合成反应系统在原料药生产企业中广泛使用，本文对此类系统的组成、工艺计算及设备选型的方法、冷媒的选择等方面做了初步的探讨。具体项目的设计需要根据具体的工艺条件和要求，按照经济、节能、实用的原则进行详细设计，以保证低温合成反应系统建成后的有效、安全运行。

［1］常嘉琳，唐培亮. 乙二醇水溶液作为冷/热媒的应用［J］.制冷与空调，2013，13（5）：84-87.

［2］赖文珊. 同一介质作冷、热媒流程的优化探讨［J］.化工与医药工程，2015，36（4）：30-32 .

［3］朝阳光达化工有限公司冰河冷媒产品样本［Z］，2011.

［4］GB 50264—2013，工业设备及管道绝热工程设计规范［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

王向远 （1975—），男， 注册化工工程师，主要从事医药与化工项目工艺设计工作。