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复叠冷水机组在化学原料药及医药中间体反应中的应用

作者: 来源: 日期:2019-01-19 8:59:49 人气:66

摘要:对复叠式制冷原理在化学制药低温反应中的应用进行了论述,分析了深冷机组的结构原理,结合工作实践,按照环保和成本的要求,提出了载冷剂的替换办法,在化学制药生产中成功进行了应用。

关键词:深冷机组 复叠冷水机组 低温反应

1. 概述

中国是世界上第二大原料药生产国和主要出口国,目前我国医药企业生产的化学原料药及中间体达1300多个品种,年产总量超过80万吨,产量约占世界原料药市场份额的22%,其中近50%的产量是出口到国外市场的,占全球原料药贸易额四分之一左右。应该说医药化学原料药生产是当前我国医药工业中最具活力和国际竞争力的行业。然而,近几年对中国的原料药生产企业而言,却是压力重重,原料药生产企业面临的困难接踵而来,原材料价格在上升,能源交通成本不断上扬,出口退税率下调,环保成本逐渐加大。

放眼未来,行业竞争的加剧仍然将使原料药产品的价格大战硝烟滚滚,传统优势原料药的产品价格很可能将会继续下降,业内恶性竞争短期内无法缓解。近几年外资、民资纷纷跻身原料药生产行业,加之重复建设,造成原料药市场特别是抗生素市场供求严重失衡,这些更加加剧了原料药生产企业间的恶性竞争。那么,原料药企业如何面对这样的挑战呢?除了国家在宏观上的调控和行业的自律外,企业自身如何建立成本优势,仍然会是一个企业生存发展的关键。

化学原料药及医药中间体的生产中许多合成反应是需要在低温下进行的,将反应物料降温到要求的特定低温,通常采用的降温方法有液氮法或使用深冷设备降温法。对于一些液氮使用量较大的低温反应,如7-ACA和阿莫西林的低温反应,使用深冷所产生的经济效益要远远高于使用液氮制冷。所以进一步了解深冷和重视深冷运行费用的降低意义非常重大。

2. 制冷的概念、种类及常用制冷剂

2.1制冷的概念和分类

制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却,使其温度降低到环境温度以下,并保持这个温度。

按照所获得的的温度,通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域:120K以上,普通制冷; 120~20K,深度制冷;20~0.3K,低温制冷;0.3K以下,超低温制冷。用于7-ACA和阿莫西林生产的冷冻机组的设计工况一般是-75℃,从习惯上来讲,我们称其为深冷机组。

2.2 制冷的途径

制冷有两种途径,一种是天然冷源,如夏季的深井水和冬天贮藏下来的天然冰;一种是人工制冷,主要是利用制冷剂在低压下的汽化过程制冷,常用的有四种方式,即蒸汽压缩式、吸收式、喷射式、吸附式制冷。前两种在工业生产中应用较多,如氨、氟利昂是压缩式制冷,溴化锂是吸收式制冷。

2.3 常用制冷剂

制冷剂又称制冷工质,是制冷循环的工作介质,利用制冷剂的相变来传递热量,既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热,在冷凝器中凝结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种,最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。

1987年9月在加拿大的蒙特利尔室召开了专门性的国际会议,并签署了《关于消耗臭氧层的蒙特利尔协议书》,于1989年1月1日起生效,对氟里昂在的R11、R12、R113、R114、R115、R502及R22等CFC类的生产进行限制。1990年6月在伦敦召开了该议定书缔约国的第二次会议,增加了对全部CFC、四氯化碳(CCL4)和甲基氯仿(C2H3CL3)生产的限制,要求缔约国中的发达国家在2000年完全停止生产以上物质,发展中国家可推迟到2010年。另外对过渡性物质HCFC提出了2020年后的控制日程表。HCFC中的R123和R134a是R12和R22的替代品。

热力学的要求

在大气压力下,制冷剂的蒸发温度(沸点)ts要低。这是一个很重要的性能指标。ts愈低则不仅可以制取较低的温度,而且还可以在一定的蒸发温度to下,使其蒸发压力Po高于大气压力。以避免空气进入制冷系统,发生泄漏时较容易发现。要求制冷剂在常温下的冷凝压力Pc应尽量低些,以免处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排气管道等设备的强度要求过高。并且,冷凝压力过高也有导致制冷剂向外渗漏的可能和引起消耗功的增大。

制冷剂的临界温度要高些、冷凝温度要低些。临界温度的高低确定了制冷剂在常温或普通低温范围内能否液化。凝固温度是制冷剂使用范围的下限,冷凝温度越低制冷剂的适用范围愈大。

3. 复叠制冷介绍

3.1制取低温为什么采用复叠制冷

采取两级或多级压缩循环,在一定程度上扩大了循环的温度差,可以获得比单机压缩循环更低的制冷温度。但是单靠分级压缩并不能大范围地增大循环的工作温差,制约因素是制冷剂的性质。

要获得有效的蒸汽压缩式制冷,就要求制冷剂在其临界点以下和标准沸点附近的温度范围循环。任何流体物质的这段温度范围都是有限的。这就是说,低沸点的制冷剂的临界温度较低,高沸点的制冷剂的临界点温度较高。不可能有一种制冷剂,同时既有很高的临界温度,又有很低的沸点温度。

可见,当制冷循环的温差大到一定程度时,无法用一种制冷剂有效地制冷。解决的办法是:将总的制冷循环温差分割成两个或多个区段,每个区段用性质相宜的制冷剂循环。将它们叠加起来,达到最终要求的制冷温度。这就是复叠制冷。

3.2深冷机组的结构

从美国约克和意大利安东尼托尼公司的深冷机组来看,复叠式制冷机组通常由两个单独的制冷系统组成,分别称为高温级和低温级部分。高温部分使用中温制冷剂,低温部分使用低温制冷剂,各自成为一个使用单一制冷剂的制冷系统(单级或两级压缩),其中高温部分系统中制冷剂的蒸发用来使低温部分系统中制冷剂冷凝,用一个冷凝蒸发器联系起来,它既是低温部分的冷凝器,也是高温部分的蒸发器。这样,低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量(即制取冷量),并将此热量传给高温部分制冷剂,然后再由高温部分的制冷剂将热量传给环境介质(空气或水)。

图3-1示出由两个单级压缩系统组成的最简单的复叠式制冷循环的原理图。

 

复叠冷水机组在化学原料药及医药中间体反应中的应用

 

A—低温压缩机 B—高温压缩机 C—冷凝器 D—节流装置 E一冷凝蒸发器 F一蒸发器

图3-1 两个单级压缩系统组成的复叠式制冷循环的系统图

复叠式制冷循环的高温部分使用的制冷剂,一般为R134a、R22、R502,也可使用R1270(丙烯)或R290(丙烷)。低温部分使用的制冷剂有:R23、R13、R1150(乙烯)和R170(乙烷)。对于复叠式制冷循环,R23适用的蒸发温度范围是-70~-110℃,R14适用的蒸发温度范围是-110~-140℃。R23是R13的过渡替代品,其价位比R13便宜。

由两个单级压缩系统组成的复叠式制冷循环,因受压缩机压比的限制,它通常只能获得-80℃左右的低温。如果采用一个单级压缩系统和一个两级压缩系统组成的复叠式循环系统,则可制取-110℃左右的低温。为了要得到更低的温度,可采用三元复叠循环(即在两个单级或单机双级复叠的基础上再增加一个低温工质的单级系统),例如在R22和R23复叠式系统的基础上再增加一个R1150为制冷剂的单级系统,就可得到-110~-140℃的低温,但是系统的复杂性和成本也随之增加。

4. 深冷机组应用中存在的问题

在合成反应中,一般来讲,采用深冷降温比液氮降温经济,北京一家科研机构人员已经在相关资料上做过论证,在此就不再比较。但是使用深冷机组也存在一定的问题,一是机组的购置费用昂贵,存在一定的投资风险,二是象7ACA这样的合成反应,料液的腐蚀性非常强,如果设备的内盘管焊缝泄漏,有腐蚀性的物料和载冷剂混合,将会进入深冷机组的蒸发器和相应管路,清理难度非常大,尤其是使用R11做载冷剂时,因为R11的价位比较高,更换时增大较多的运行费用。因此,虽然复叠式深冷机组操作比较简单,但运行中出现设备泄漏故障以后,造成的损失非常惨重。为降低运行费用,我们考虑了载冷剂的替代。

5. 载冷剂的替代

选择理想的载冷剂,应具备下列基本条件:

⑴载冷剂是依靠显热来运载热量的,所以要求载冷剂在工作温度下处于液体状态,不发生相变。要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温低4~8℃,标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高。

⑵比热要大,在传递一定热量时,可使载冷剂的循环量小,使输送载冷剂的泵耗功减少,管道的耗材量减少,从而提高循环的经济性。另外当一定量的流体运载一定量的热量时,比热大能使传热温差减小。

⑶热导率要大,可增加传热效果,减少换热设备的传热面积。

⑷粘度要小,以减少流动阻力和输送泵功率。

⑸化学性能要求稳定。载冷剂在工作温度内不分解;不与空气中的氧化合,不改变其物理化学性能;不燃烧、不爆炸,挥发性要小,如在特殊情况下,必须使用有燃烧性、有挥发性的载冷剂时,其闪点须高于65℃;载冷剂与制冷剂接触时化学性质应稳定,不发生化学变化。

⑹要求对人体和食品、环境无毒、无害,不会引起其它物质的变色、变味、变质。

⑺要求不腐蚀设备和管道,如果载冷剂稍带腐蚀性时,应能添加缓蚀剂阻滞腐蚀。

⑻要求价格低廉,易于获得。

对照上述条件,对于低温来讲,R11是一种理想的载冷剂,但由于其对臭氧层破坏严重,属于淘汰产品,价格上升很快,现在市面价格为27元/Kg,,为此我们综合比较,选择二氯甲烷成功替换了R11。首先将原R11系统放出,加入少量的二氯甲烷循环清洗,除去R11和原来7ACA物料残留物和苯胺等,然后加入经过分子筛脱水的二氯甲烷,降低其水分含量,防止出现冰堵。试验表明,如含水0.1%的二氯甲烷,当温度降低到-35℃时,二氯甲烷出现浑浊,温度上升后,又变澄清,所以用分子筛脱水很有必要。经过脱水的二氯甲烷,温度降低到-75℃,仍然比较清澈。当然用二氯甲烷替换R11,理论上是没有问题的,但因为使用时间短,是否会发生其他问题,尚需实践的检验,所以务必要求操作人员严格控制,精心操作,及时发现和解决新的问题。

参考文献:

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