超低溫冷凍機組 復疊式深冷機組制冷工藝及應用詳解

    半合成***是用化學或生物化學方法改變已知天然***的化學結構，或引入特定的功能基團而獲得的具有廣譜高效、抗耐藥、毒副作用小、使用方便等各種優(yōu)越性能的***衍生物。隨著人們醫(yī)療用藥水平的提高，半合成***的應用愈加廣泛，也促進了半合抗工業(yè)的發(fā)展，成為制藥行業(yè)主要發(fā)展方向之一。在半合成***生產(chǎn)過程中，一些工藝反應要求在一50℃以下深冷環(huán)境中進行．為保證反應條件，常將反應體系降溫到-60℃甚至更低，必須采取相應的制冷降溫措施。目前常用的深度低溫制冷方式有：液氮蒸發(fā)制冷和深冷機組制冷。經(jīng)過對兩種制冷方式的比較，復疊式深冷機組在半合成***類藥品生產(chǎn)過程中更具有其優(yōu)越性。

    1兩種制冷方式的原理

    1.1超低溫冷凍機組 復疊式深冷機的制冷原理

    制冷機組按照制冷循環(huán)級數(shù)分為單級制冷和復疊式制冷等形式。單級制冷系統(tǒng)一股采用中溫制冷劑。運行中制冷劑的蒸發(fā)溫度低于-70℃時，制冷劑蒸發(fā)壓力很低，蒸汽比容增大，輸氣系數(shù)降低，壓縮機吸氣困難，機組工作效率大大降低，因此用單級制冷系統(tǒng)提供蒸發(fā)溫度低于-70℃深冷時，其規(guī)模難以做大，經(jīng)濟性很低。

    超低溫冷凍機組 復疊式制冷系統(tǒng)由高溫部分和低溫部分組成．其低溫部分提供所需的深冷能力，采用R13、R23等低溫制冷劑，但這類制冷劑的冷凝溫度要求很低，同等壓力下用冷卻水難以將其冷凝。高溫部分使用中溫制冷劑循環(huán)，其作用是用于冷凝低溫制冷劑，高溫部分和低溫部分共用一個蒸發(fā)冷凝器而“復疊”，從而組成應用兩種制冷劑的復疊式制冷循環(huán)。

    生產(chǎn)工藝要求反應溫度為-50℃，因此深冷機組完全能滿足工藝要求的大規(guī)模降溫要求。

    1.2液氮蒸發(fā)制冷

    向反應溶液中直接通入液氮也能達到降溫的目的．但液氮降溫過程中存在以下缺陷：

    1.2.1在降溫過程中液氮與物料直接接觸，因液氮在常壓下的沸點為-196℃，當液氮目分布器噴出后瞬間溫差高達160℃～-200℃，反應物料局部遠遠偏離工藝控制溫度，造成強烈過冷區(qū)。局部工藝控制點的偏離必定造成反應過程不均衡，*終造成產(chǎn)品質量的下降：

    1.2.2液氮在使用過程中吸熱汽化．以氣態(tài)的形式排入大氣，在激烈的排放過程中會攜帶部分物料，因此造成產(chǎn)品收率的下降及溶媒消耗量的增加：

    1.2.3液氮降溫與其它物料加入不易同時進行。因為在使用液氮降溫過程中．由于液氮汽化膨脹，反應容器內(nèi)為正壓且壓力難以控制，此時要投加其它物料參與反應，必須先停止液氮降溫，這樣會造成反應溫度控制中斷，工藝控制出現(xiàn)偏差；

    1.2.4液氮使用后不可回收，造成生產(chǎn)費用的增加；

    1.2.5降溫過程不穩(wěn)定，可控性差．操作要求高。液氮的膨脹比高達600，蒸發(fā)溫度低，在使用過程中容易發(fā)生因操作不當而引發(fā)爆炸、跑料、物料凝固堵塞管道甚至人身事故。

    2超低溫冷凍機組與液氮降溫的比較

    復疊式深冷機組在半合抗生產(chǎn)過程中的用途主要是降低和控制物料體系溫度，保證在不同反應階段整個體系溫度有效維持在要求的范圍之內(nèi)，使**合成過程滿足工藝反應溫度要求。
工作時，由復疊式制冷機組制取低溫冷媒，冷媒與反應溶液之間不直接接觸，而通過間接換熱來影響反應過程，這樣可以避免冷媒對物料造成污染。某實際生產(chǎn)過程中制冷系統(tǒng)，該機組高、低溫級分別為采R22、R23為制冷劑的螺桿型壓縮機，機組的蒸發(fā)溫度可達-80℃以下，輸出-70％～-75℃深冷能力達4萬大卡／小時以上。
    通過對規(guī)模為半合抗產(chǎn)量達1200噸／年實際生產(chǎn)過程的統(tǒng)計分析，深冷機組與液氮降溫相比：

    2.1在產(chǎn)品收率和消耗方面，收率提高l.88％，生產(chǎn)溶媒消耗降低36.1％：

    2.2質量上，產(chǎn)品含量提高0.43％，在產(chǎn)品穩(wěn)定性和其他雜質等指標方面也都好于液氮降溫：

    2.3在投資及動力運行成本方面，盡管深冷機組及配套冷卻水裝置等一次性投資相對較大．折舊也是不容忽視的因素，但外購液氮的費用卻是數(shù)倍于深冷機組降溫方式．兩者相比，液氮降溫的費用是深冷機降溫的5.13倍。

    通過以上對比分析表明．在實際生產(chǎn)過程中，深冷機組與傳統(tǒng)液氮降溫相比．從產(chǎn)品收率、溶媒消耗、工藝控制和產(chǎn)品質量以及投資、動力費用等方面都有明顯優(yōu)勢，其降低了產(chǎn)品成本，提高了市場競爭力。深冷機組制冷是構建大規(guī)模深冷環(huán)境的優(yōu)選方法。

    深冷機組的應用也要考慮到其他因素。比如制冷機組屬于轉動設備，其結構較為復雜，因此，設備運行維護要求較高，為保證在生產(chǎn)中充分發(fā)揮機組的優(yōu)勢，必須對機組正確選型和科學地維護保養(yǎng)。另外．設備等硬件的一次性投資相應增大。

    3復疊式深冷機組的選型及維護保養(yǎng)

    3.1機組選型

    深度制冷壓縮機一般有：活塞、螺桿等型式，深冷機組應優(yōu)選螺桿式制冷機組，主要原因：

    (1)運動部件少，使用**可靠。由于螺桿壓縮機沒有閥片、活塞環(huán)、曲軸連桿等易損部件，結構相對簡單，它的主要運動部件——螺桿轉子運行方式平穩(wěn)，無故障運行時間可達80000小時以上，故使用比較可靠，更能符合***合成生產(chǎn)中反應溫度控制苛刻的要求。

    (2)能量可實現(xiàn)無級調節(jié)。由于在生產(chǎn)過程中對冷量的需**動態(tài)的．因此要求制冷機組能夠有效地進行能量調節(jié)。一般活塞式壓縮機是梯度調節(jié)，也就是采用通過機組開、停車方式來實現(xiàn)冷量供應的調節(jié)，機組的頻繁啟動很容易造成電氣、機械等部件的損壞，同時因電機功率較大，電機的頻繁啟動易對電網(wǎng)的**運行造成沖擊：螺桿式壓縮機采用滑閥調節(jié)其能級，可實現(xiàn)10％~100％之間無級調節(jié)，因此在機組運行能耗及穩(wěn)定性上優(yōu)于其它形式機組。

    (3)復疊式深冷機組在運行時，高溫部分蒸發(fā)溫度在-30℃左右，低溫部分蒸發(fā)溫度在-80℃左右，運行過程中可能存在一部分未蒸發(fā)的液體制冷劑，對于活塞式壓縮機很容易產(chǎn)生液擊，嚴重時造成壓縮機的報廢，而螺桿式壓縮機對于少量進液不敏感

    3.2制冷劑、載冷劑

    復疊式制冷機組的制冷劑、載冷劑在設備選型過程中同樣重要，制冷劑、載冷劑選型介紹如下。
制冷劑選型考慮因素：

    (1)**性。應選用無毒、不可燃的制冷劑；

    (2)經(jīng)濟性。在同樣工作循環(huán)中COP值要高，設備運行壓力不能過高，否則將增加設備的電耗等運行費用；

    (3)環(huán)保性。使用的制冷劑應滿足《蒙特利爾議定書》及其修正案的承諾，不應選用被列為淘汰之列的制冷劑，優(yōu)先選用環(huán)保性能好的制冷劑。

    3.2.1在復疊式深冷機組中高溫級制冷劑一般選用中溫制冷劑(R22、R407C、R410A、R404A)

    通過以上各種制冷劑性質的比較，R22除ODP值比其它制冷劑略高之外，它的經(jīng)濟性、循環(huán)穩(wěn)定性都具有一定的優(yōu)越性，是一種優(yōu)良的過度型制冷劑。到目前為止，國家在執(zhí)行《議定書》倫敦修止案過程中，允許使用HCFC類制冷劑至2030年，因此R22應作為優(yōu)先選用之列。同時要隨著制冷劑技術的發(fā)展，密切注意新型環(huán)保、高效制冷劑的開發(fā)情況。

    3.2.2在復疊式深冷機組中低溫級制冷劑一般選用R13、R23，由于R13的環(huán)保性能比較差：ODP值為1.0，屬于《國家逐步淘汰ODS國家方案》中10種受控物質之列，按照國家淘汰計劃，20l0年1月1日全部淘汰R13．因此在選用低溫制冷劑應優(yōu)先選用可長期使用的環(huán)保制冷劑R23。

    3.2.3深冷機組由于其蒸發(fā)溫度在-80℃以下，因此選用的載冷劑凝固點必須低于-80℃，常用的載冷劑有R11(CFCL3凝固點為-111.O℃)、R30(CH2CL2凝固點為-97.0℃)。在選用時應考慮：R11環(huán)保性能差，屬于《國家逐步淘汰ODS國家方案》中10種受控物質之列，但是凝固點低，系統(tǒng)運行更可靠；R30環(huán)保性能好，但是凝固點高，因此對機組蒸發(fā)溫度控制要求高，必須保證蒸發(fā)溫度高于R30的凝固點。

    3.3深冷機組維護保養(yǎng)

    深冷機組的維護保養(yǎng)對于設備的穩(wěn)定運行起著關鍵作用，因此必須建立完善的維護保養(yǎng)制度，對于此方面介紹如下幾點：

    (1)維護保養(yǎng)人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓，要對設備原理、性能等**掌握；

    (2)應嚴格按照規(guī)定周期對設備進行檢修、維護保養(yǎng)，操作和維修人員應相對固定；

    (3)設備的控制元件及傳感元件必須定期校驗，以對機組起到有效的**保護及獲取客觀的運行原始數(shù)據(jù)；

    (4)設備所需的制冷劑、冷凍油等應按照操作手冊規(guī)定牌號、數(shù)量填充，不得隨意更換制冷劑、冷凍油的牌號，對于低溫制冷劑的填充量更要嚴格控制，一般應以0.lkg為計量單位，不得超量填充。

    4 kassel螺桿式復疊深冷機組實際應用

    由于深冷機組的熱力循環(huán)過程對設備、控制等部件的技術要求較高，以前用于***生產(chǎn)的深冷機組主要依賴國外進口，隨著國內(nèi)制冷裝備技術水平的不斷提高，特別是對深冷機組的開發(fā)有了跨越式發(fā)展，國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家設計生產(chǎn)的螺桿式深冷機組以其運行穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)勢贏得了市場競爭優(yōu)勢，目前這種設備在***合成生產(chǎn)過程得到了廣泛應用。
4.1可靠性、制冷效率及設備經(jīng)濟性

    kassel螺桿式復疊深冷機組的壓縮機、熱變換器、膨脹閥、測控部件及控制系統(tǒng)均采用國際知名品牌產(chǎn)品，高標準的軟、硬件為機組穩(wěn)定運行提供了可靠的基礎保障，設備的整體性能與進口設備性能相當。實際運行情況表明，在相同熱負荷下，國產(chǎn)機組的降溫能力能夠運到進口機組的水平，滿足生產(chǎn)的需求；在設備投資的經(jīng)濟性方面，純進口機組和kassel深冷機組雖然在硬件水平上基本相同，但購置價格卻有很大差異，一般相同制冷量、相同類型的機組，純進口設備的投資是kassel設備的2.5倍以上。因此，采用kassel深冷機組能夠大大降低設備的前期投資，同時也能使設備折舊費用下降、配件便宜而降低運行成本。

    4.2售后服務

    售后服務方面，kassel深冷組比純進口設備更具有明顯的優(yōu)勢，無論設備故障處理還是備件供應，其效率更高。而純進口設備的故障處理和技術支持比較滯后，再有備件的采購周期比較長，應對突發(fā)故障的備件難以得到及時供應。

    在當今***市場競爭激烈，產(chǎn)品利潤微薄的形勢下，保證產(chǎn)品質量、降低制造成本是占有市場的先決條件。在半合成抗生索生產(chǎn)過程中，深冷機組只要正確選型，采用科學的維護保養(yǎng)方法，無論在生產(chǎn)成本、工藝控制、產(chǎn)品收率、產(chǎn)品質量等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)液氮降溫等方式：kassel深冷機組與進口機組相比具有一定的優(yōu)越性，尤其在經(jīng)濟性方面更為突出。因此，kassel深冷機組在***臺成生產(chǎn)制冷工藝中具有較高的推廣價值。