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,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。