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精細化工合成反應的冷卻系統設計
發(fā)布時(shí)間：
2024-01-30 09:50
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精細化工生產(chǎn)的主要安全風(fēng)險來(lái)自工藝反應的熱風(fēng)險，根據安監總管三 （2009）116 號、 蘇 應 急 (2019) 53 號的文件精神，聯(lián)系現行藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規范 GMP，所以在設 計、生產(chǎn)及維保過(guò)程中都要把冷 卻系放到重要位置。下面首先結合 53 號文件中對化工反應中冷卻過(guò)程的相關(guān)條款進(jìn)行摘錄和歸并， 以便后面更好闡述冷卻系統設計的原則。
53 號文件中規定，重點(diǎn)監管危險化工工藝安全控制基本要求中涉及反應溫度、壓力報警及聯(lián) 鎖的自動(dòng)控制方式至少滿(mǎn)足下列要求：
（1）對于常壓、帶壓放熱；使用熱媒加熱的常壓、帶壓反應 工藝以及反應釜應設進(jìn)料自動(dòng)控 制閥，通過(guò)改變進(jìn)料流量調節反應壓力和溫度。反應釜應設反應壓力高報警并聯(lián)鎖切斷進(jìn)料、聯(lián)鎖打開(kāi)緊急冷卻系統、緊急泄放設施，或（和）反應釜設反應溫度高報警并聯(lián)鎖切斷進(jìn)料，并聯(lián)鎖打開(kāi)緊急冷卻系統、緊急泄放設施。
（2）反應過(guò)程中需要通過(guò)調節冷卻系統控制或者輔助控制反應溫度，應當設置自動(dòng)控制回路， 實(shí)現反應溫度升高時(shí)自動(dòng)提高冷卻劑流量；調節精細度要求較高的 冷卻劑應當設流量控制回路。屬 于同一種反應工藝，多個(gè)反應釜串連使用的，各釜應設反應溫度、 壓力遠傳以及報警。各反應釜應 設溫度、壓力高高報警。任一反應釜溫度或壓力高報警時(shí)應聯(lián)鎖切斷總進(jìn)料 , 重點(diǎn)監管危險化工工藝安全控制基本要求中涉及反應 物料配比、液位以及進(jìn)出物料流 量等報警及聯(lián)鎖的自動(dòng)控制方式 應同時(shí)滿(mǎn)足其要求。
（3）當一個(gè)反應釜同時(shí)涉及 2 個(gè)或以上不同的危險化工工藝， 涉及熱媒、冷媒（含預熱、預冷 和反應物的冷卻）切換操作的 , 應分別設置獨立的自動(dòng)控制系統或具備切換控制的功能。
（4）設有攪拌 / 外循環(huán)冷卻或加熱系統的反應釜，應設攪拌電流遠傳指示，攪拌系統故障停機時(shí)應聯(lián)鎖切斷進(jìn)料和熱媒。
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某合成工藝流程簡(jiǎn)圖
（5）在控制室 CCR 自動(dòng)控制 系統 DCS 或反應釜現場(chǎng)設緊急停車(chē)系統 ESD 或就地緊急停車(chē)按紐，控制室緊急停車(chē)按鈕應在輔操臺上設置硬按鈕，就地緊急停車(chē)按鈕應分區域集中設置在操作人員易于接近的地點(diǎn)。
（6）精餾精制塔冷卻系統自動(dòng)控制，塔頂設置回流泵的應在回流管道上設置遠傳式流量計和 溫度計，并設置低流量和溫度高 報警。使用外置回流控制塔頂溫度的應當設置溫度自動(dòng)控制回路， 通過(guò)調節回流量或冷媒自動(dòng)控制 閥控制塔頂溫度。
（7）精細化工企業(yè)應按照反應風(fēng)險評估報告 HAZOP 確定的反應工藝危險度等級和評估建議， 設置相應的安全設施和安全儀表 SIS 系統。
以上是安全方面規定的重點(diǎn)內容，下面簡(jiǎn)述怎樣完成冷卻系統的設計。
冷卻系統大致包括自然風(fēng)冷卻、自來(lái)水冷卻、循環(huán)水冷卻、 冷凍水冷卻、冷凍鹽水冷卻以及液氮冷卻等。冷卻的目的是為了帶走反應熱，所以設計的前提是對工藝過(guò)程中的各步反應進(jìn)行熱量衡算，沒(méi)有理論計算的設計肯定會(huì )對日后的生產(chǎn)造成影響。在對兩重點(diǎn) 19 種工藝（含格式反應） 一重大 74 種的危險化學(xué)品生產(chǎn)貯存過(guò)程中的安全性要有可靠的冗余。停止反應時(shí)或停車(chē)系統 ESD 要有迅速停止反應的措施。自然 風(fēng)冷卻、自來(lái)水冷卻不是化工生 產(chǎn)的方法，不在這里介紹。
循環(huán)水冷卻是冷卻塔、水泵和反應設備組成的密閉系統，冷卻塔的工作原理是將熱水噴撒至 散熱材料表面與通過(guò)的冷空氣接觸，此時(shí)熱水與冷空氣進(jìn)行顯熱交換，同時(shí)部分熱水蒸發(fā)，部分潛熱被帶到空氣中。冷卻塔有逆流、順流等模式。塔的降溫溫差一般在 3 ～ 5 ℃之間?；み^(guò)程用此系統都是大流量，冷卻供水溫度以天氣溫侯為基礎，可冷卻 至 30 ℃左右。此系統應經(jīng)常檢修， 青苔、結垢和銹渣對熱交換的影響非常大。尤其是夏季高溫天氣時(shí)，可能會(huì )停止熱交換，白白浪廢電力。這個(gè)現象不論是進(jìn)行化工系統的熱交換還是進(jìn)行冷凍機運行都要注意。此系統一般用在常溫反應裝置中。
冷凍水系統氟立昂壓縮機制冷系統、湨化鋰吸收制冷系統。壓縮機系統有活塞式、螺桿式以 及離心式，系統循環(huán)由壓縮機、 膨脹閥、蒸發(fā)器以及冷凝器構成。溴化鋰吸收式制冷機組，是以溴化鋰溶液為吸收劑材料，以水為制冷劑溶液，利用水在高真空中蒸發(fā)吸熱達到制冷的目的。循環(huán)冷卻水溫度常在 7～12 ℃，控制回水溫度在 12～15 ℃，是化工常溫反應的基本冷卻方式，一般通過(guò)反應器的夾套、半管夾套以及內盤(pán)管等，設備材質(zhì)是金屬、非金屬以及搪玻璃等均可，此系統在冷卻水以軟化水或去離子水為佳，避免管道產(chǎn)生青苔、結垢和銹渣等影響傳熱效果。此系統是化工反應的必備裝置。
冰機系統，也 稱(chēng)冷凍鹽水系統，冰機氟立昂壓縮機氨壓縮機系統，以鹽水或防凍液做為冷媒，循環(huán)冷媒溫度常在零下 25～40 ℃以反應器內的即時(shí)溫度調節冷媒流量，也是化工低溫反 應的基本冷卻方式，一般通過(guò)反 應器的夾套、半管夾套以及內盤(pán)管等，設備材質(zhì)是金屬、非金屬或者搪玻璃等均可。如果反應器容量不大的話(huà)也有用復疊式（兩級壓縮）進(jìn)行超低溫冷凍（零下70 ～80 ℃），冷媒一般用 424（乙二醇水乙醇）或硅油（注意在超低溫時(shí)的粘度）。此系統用于不連續的超低溫反應的裝置中（小于500 L）。
液氮制冷系統，通過(guò)液氮氣化對反應器進(jìn)行深度降溫或通過(guò)液氮氣化冷凍硅油（循環(huán)）再對 反應器進(jìn)行深度降溫，以反應器 內的即時(shí)溫度調節冷媒流量，是化工超低溫反應的冷卻方式，一 般通過(guò)反應器的夾套、內盤(pán)管等，有的反應器較小也可用杜瓦 瓶裝液氮直接通入反應器中。設備及管道材質(zhì)選擇304 不銹鋼或雙相不銹鋼。此系統在較大的或連續超低溫反應裝置中是最有溫度保證的，能耗費用也是最經(jīng)濟的。
以上 4 種冷卻方式，不僅要對設備類(lèi)別、型號以及管徑進(jìn)行仔細選擇和核算，閥門(mén)、各類(lèi)自 動(dòng)儀表也要進(jìn)行危險與可操作性分析（HAZOP），同時(shí)設備及管道 的絕熱（保溫）也要做特別說(shuō)明。關(guān)于化工過(guò)程中冷卻系統設計，雖然國家和行業(yè)頒布了各種規范和文件，但是在生產(chǎn)過(guò)程中還是出現各種問(wèn)題，這就要求設計過(guò)程當中設計人員與工藝和安全技術(shù)人員共同把關(guān)，最后由設備部門(mén)來(lái)實(shí)現工程的可靠及安全性。
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