液氮深冷

适用于制药、化工、制冷量需求大、降温速率快、深冷等工况
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   适用于制药、化工、制冷量需求大、降温速率快、深冷等工况

 
  半合成抗生素生产中许多合成反应涉及超低温制冷,记在-50℃低温下进行化学反应。从制冷的角度来看,有些半合成抗生素的合成是特殊的,不仅反应需在超低温下(-50~-90℃)进行,而且需要制冷机在瞬间加载,增大制冷量,以应对反应时热负荷剧烈的变化。这些要求影响到制冷系统的选择和设计,即制冷系统在选型和设计时要考虑两个因素:一是制冷温度,另一个是制冷速度(制冷量)。制冷温度和制冷速度基本确定了制冷系统的选型,但又需要综合考虑其投资和运行成本,以最终确定适合的制冷系统。

  现在市场上有两类超低温制冷系统供选择。一是液氮制冷系统,包括以液氮为冷源的特殊设计的注射器和热交换器;二是双级压缩或复叠式机械制冷系统。、复叠式机械制冷系统,发现两者有着不同的制冷温度、制冷能力、传热效率和冷却能耗,各有优缺点。
 
1、液氮制冷系统
  典型的液氮制冷系统有3种类型:液氮既可以直接接触冷却反应物或流体;也可以间接冷却,如先冷却冷媒,再冷却反应物;或直接注入反应器盘管或夹套来实现冷却。过去,许多公司在使用液氮直接注入反应器盘管或夹套冷却时发现盘管或夹套换热表面结冰,这给系统的制冷能力和生产带来不利影响。也有报道说,由于结构的限制,液氮直接注入反应器盘管或夹套冷却仅仅利用了液氮的潜热,没有利用氮气的显热,液氮的利用率只有67%,现在这种情况已经改变。

  其非结霜的直接接触冷却或间接接触冷却装置可以避免换热表面结冰,并充分利用液氮的冷量,其液氮制冷效率可达98%,相比液氮直接注入反应器盘管或夹套冷却,现代的液氮制冷系统可节省30%的液氮消耗。

  另外,运动部件很少是现代液氮制冷系统的特点,其可靠性高,相比复杂的机械制冷系统,可大幅节约维修费用。

  典型的不结霜的直接接触冷却液氮制冷系统取决于操作温度,其制冷量可高达283KW。系统由不锈钢、哈氏合金或其他防腐合金喷嘴和PLC流量控制系统组成,它根据反应釜内热电偶输出信号来自动准确调节液氮注入量。该系统能快速冷却到-196℃内任一深冷温度,且反应物或溶媒不会冻成固体,其换热效率可达98%。

  不结霜的间接冷却液氮制冷系统也可提供相同的制冷量。来自储罐的液氮,现在液氮换热器中气化,再将冷媒冷却到指定温度,然后再由循环泵送到反应器盘管或夹套冷却反应物。液氮的加入量是由PLC来控制调节的。该系统具有非常高的换热效率,可以满足反应不同阶段的冷量要求。
        
2、机械深冷制冷系统

   机械深冷制冷系统的冷量是由电力驱动的压缩机提供能量补偿,通过制冷机组获得。采用双级压缩制冷或复叠式制冷两种形式,由于制冷剂性质的制约,需要获得比较低的蒸发温度时,则大多采用复叠式制冷系统完成。复叠式制冷系统通常由两个独立的制冷系统组成,分别称为高温级及低温级部分。高温部分使用中温制冷剂,低温部分使用低温制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝,用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来,它既是高温部分的蒸发器,又是低温部分的冷凝器。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,然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质(水或空气)。

   复叠式制冷系统中的每一个独立的制冷系统都分别由压缩机、冷凝器、节流膨胀装置和蒸发器组成。该系统本身根据设计需要还可以配有气液分离器、油分离器、油冷却器等在内的辅助设备,此外还需包括冷却塔及冷却水泵在内的冷却水系统以及变电系统作为公共支持部分。

   通常低温制冷压缩机有活塞式和螺杆式两大类,近来,螺杆式压缩机由于较高的可靠性被广泛应用。在制冷循环中应有合适的制冷剂,如R-22、R-23、R-404a、R-507和R-508b等,经过压缩、冷凝、节流膨胀,再在蒸发器内蒸发吸热,同事载冷剂被冷却。这些制冷剂属HCFC和HFC卤代烃类有机化合物,其中HCFC对臭氧层具有破坏作用,HCFC和HFC则均对全球变暖有一定影响。《蒙特利尔协定书》和《京都协定书》对各种制冷剂的使用期限做了明确的规定和说明。

   总之,机械深冷制冷系统占地较大,且结构复杂,维护工作量大。由于制冷剂本身需要间接换热冷却,机械制冷冷却速度受到限制。机械深冷制冷系统的制冷量、冷却速度和能达到的温度取决于系统的设计、制冷剂的选择和设备(能力)大小。
 
3、液氮制冷与机械深冷制冷性能比较
      
  液氮制冷与机械深冷机组各有千秋,当操作温度低于-50℃,机械制冷系统在性能、效率和可靠性方面不及液氮制冷系统。其原因在于机械深冷制冷系统在低于-20℃时,其降温速度和效率开始下降。


(1)某步反应温度为-40℃,单放热剧烈,需提前降温至-55℃以下。单独用机械深冷机组在降至一定温度后,降温速度减缓为1℃/3min,不能满足工艺要求,而在此时使用液氮制冷机NCOOL,降温速度可达2℃/3min,完全可满足工艺要求;(2)某两步反应,温度分别为-55℃和-70℃,仅用机械深冷机组难以满足工艺要求,此时需要使用液氮制冷机;(3)液氮制冷机(NCOOL)制冷效果好,温度控制精度高,排出系统的尾气温度仅比载冷剂低5~7℃,说明液氮冷量利用率高。

(2)液氮制冷机和机械深冷机组各有所长,可用于不同的供冷场合。机械深冷机组适合于-50℃以下的快速冷却,以及要求降温速度迅速的场合。通常,机械深冷机组投资大于液氮制冷机,液氮制冷机的直接运行成本稍高于机械深冷机组。

 (3)正确选择深冷机组,需综合考虑其性能、投资和运行成本。如将液氮制冷机和机械深冷机组和使用,可最大限度地发挥各自的长处,达到安全、可靠和经济运行的目的。

 

 

 


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