反应釜温度控制

浅谈夹套玻璃反应器的温控问题尧辉（中国上海张江高科技园区邮编201203）作者简介：2001年华东理工大学生物化学与分子生物学专业毕业获理学硕士学位，现任英国HEL集团全自动化学反应器事业部中国区技术支持，上海秉惠科技发展有限公司生化仪器研发总监，上海堪鑫仪器设备有限公司董事长兼总经理。夹套玻璃反应器在国内实现生产已经有十年的历史，但受到广泛的关注和欢迎还是近两年的事，这得益于国家和民间对绿色化工与民族制药工业的大力推动。笔者自2002年开始从事国外夹套玻璃反应器系统的引进工作，2005年开始设计并推广国产夹套玻璃反应器系统，接触了不少许多客户，反映较多的是配套温控设备的问题。笔者结合理论以及过内外同行开发实践经验，总结以下心得，以飨读者。一、分析温控设备对物料的升降温能力可以获得选择设备的基本依据对于用户来说，头痛的莫过于不知该选择什么样的温控设备来适合自己的试验或生产要求。如果没有科学的分析和计算方法，仅凭想象和经验，要想选择到适合自己项目的最佳性价比设备基本上是不可能的。用户最常见的需求是要根据所需升温速度与降温速度来计算所需加热功率与制冷功率。现将英国著名玻璃反应器生产商Redleys公司选用配套温控设备功率的计算方法介绍如下。需要注意以下几个变量和参数：1、单位时间内反应物质的升降温热量变化（△Q1/△t）（计算单位J/S）△Q1/△t=G1P1△T1/△tG1为反应物质重量（计算单位KG）；P1为反应物质比热（计算单位J/KG/℃）；△T1/△t为反应物质升降温速度（计算单位℃/S）2、单位时间内循环介质的升降温热量变化（△Q2/△t），计算单位（J/S）△Q2/△t=G2P2△T2/△tG2为循环介质重量（计算单位KG）；P2为循环介质比热（计算单位J/KG/℃）；△T2/△t为循环介质升降温速度（计算单位℃/S）3、单位时间内传热介质接触物的升降温热量变化（△Q3/△t），计算单位（J/S）△Q3/△t=G31P31△T31/△t+G32P32△T32/△tG31为反应器玻璃重量（计算单位KG）；P31为反应器玻璃比热（计算单位J/KG/℃）；△T31/△t为反应器玻璃升降温速度（计算单位℃/S）G32为循环器不锈钢储箱、不锈钢循环管道及附件等重量（计算单位KG）；P32为不锈钢比热（计算单位J/KG/℃）；△T32/△t为不锈钢升降温速度（计算单位℃/S）4、加热量及制冷量损耗率（n），计算单位%与传热介质接触物另一界面相接触的空气、设备其他部分的传热也应该考虑进去，因这一部分无法计算，只能估计，可视为冷热量损耗。即使传热介质接触物的保温措施做得很好，损耗也不可能避免，只能降低损耗率。5、设备输出功率PP=（△Q1/△t+△Q2/△t+△Q3/△t）/n油槽加热功率计算：水比热：4200J/KG/℃硅油比热：1630J/KG/℃玻璃平均比热：920J/KG/℃304不锈钢比热：460J/KG/℃物料（以水计算）要求升温速度：80℃/3600S（从室温20℃升到100℃）物料（以水计算）量：14KG油箱装油量：15KG油管装油量：0.5KG夹套装油量：6KG20升夹套玻璃反应器重量：16KG304不锈钢箱、泵、阀门及接头等重量：35KG根据经验，在保温措施较好和传热介质流速足够的情况下，20升反应器的物料（以水计算）达到要求温度（t℃）时，夹套平均油温约为：t+10℃；油管平均温度约为t+15℃；油槽平均温度为t+20℃。油直接受热部位为油槽。无加热量损耗的理想状态下的最小功率为（4200J/KG/℃×80℃×14KG＋1630J/KG/℃×100℃×21.5KG水的热量变化油的热量变化＋920J/KG/℃×90℃×16KG＋460J/KG/℃×100℃×35KG）÷3600S玻璃的热量变化不锈钢的热量变化单位时间＝3095.35W考虑到保温不完全导致的损耗、设备加热温控能力的弹性、泵速促进及时充分地进行热交换的水平，功率至少应设计为4KW。制冷设备功率计算如下：油泵制冷功率稍微要复杂一些，因为压缩机的制冷输入功率与制冷量是两个概念，而且这两项还是随不同制冷剂蒸发温度和冷凝温度而异，以本公司DL-45-20全封闭制冷恒温循环油泵(无氟制冷)采用的丹麦DanfossNTZ048制冷压缩机（2匹）与R404A制冷剂组合为例，其在不同蒸发温度和冷凝温度的制冷量与输入功率见下表：型号To-45-40-35-30-25-20-15-10TcQOPeQOPeQOPeQOPeQOPeQOPeQOPeQOPeNTZ048304660.507740.7011600.9016361.1022111.2728961.4237001.5446351.62353710.476550.6710100.8914451.1019721.3126001.4933401.6442021.76To：蒸发温度（℃）Tc：冷凝温度（℃）Qo：制冷量（W）Pe：输入功率（kW）而且计算还应以所需最低温度时的制冷量来计算。但计算方式与油槽加热功率基本相同。以本公司生产的DL-45系列全封闭低温恒温循环油泵为例，油泵制冷功率（制冷量）计算如下：水比热：4200J/KG/℃硅油比热：1630J/KG/℃玻璃平均比热：920J/KG/℃304不锈钢比热：460J/KG/℃物料（以水计算）要求降温速度：40℃/3600S（从室温20℃降到-20℃）物料（以水计算）量：14KG油箱装油量：2KG油管装油量：0.5KG夹套装油量：6KG交换器装油量：0.5KG20升夹套玻璃反应器重量：16KG304不锈钢箱、泵、阀门及接头等重量：20KG根据经验，在保温措施较好和传热介质流速足够的情况下，20升反应器的物料（以水计算）达到要求温度（t℃）时，夹套平均油温约为：t-10℃；油管平均温度约为t-15℃；制冷剂和油热交换器平均温度为t-20℃。油直接受冷部位为热交换器即制冷设备的蒸发器。无制冷量损耗的理想状态下的最小功率为（4200J/KG/℃×40℃×14KG＋1630J/KG/℃×60℃×9KG水的热量变化油的热量变化＋920J/KG/℃×50℃×16KG＋460J/KG/℃×60℃×20KG）÷3600S玻璃的热量变化不锈钢的热量变化单位时间＝1255.59W制冷剂蒸发温度要求至少-35℃。从上表中可以看到丹麦DanfossNTZ048制冷压缩机（2匹）制冷剂蒸发温度-35℃、冷凝温度30℃时，制冷量为1160W。此时该型压缩机制冷量虽接近1255.59W的数值，但考虑到保温不完全导致的损耗、设备制冷温控能力的弹性、制冷剂蒸发器热交换面积发挥压缩机制冷能力的水平、泵速促进充分及时进行热交换的水平，该型压缩机也不能满足要求，所以应该选择使用3匹以上的制冷压缩机。二、用户选择反应器及温控设备应该注意的几个问题1、反应器及保温措施1）循环介质进、出口的选择目前国内生产的夹套玻璃反应器循环介质进出口主要有宝塔头、法兰口两种，以宝塔头居多。笔者认为宝塔头接口虽然方便，但却有许多弊端：首先，外型上呈逐渐缩小的造型容易产生阻力影响循环介质的流速，高速流动的液体还会因此形成对玻璃的冲力进而形成对夹套的压力，对玻璃反应器具有潜在的破坏力；其次宝塔形和玻璃的脆性决定了它只能与软管直接连接，因为目前软橡胶类材料的耐温能力不超过250℃，因此使用宝塔头接口意味着您选择的产品物料温度很难超过210℃，对于20升以上的中试级反应器而言，传热阻力更大，可达到的温度值只会更低；而且，使用橡胶软管还不能避免橡胶会老化的问题。所以，笔者推荐使用法兰接口，这也是国外同行通用的接口，它可以避免宝塔头接口的许多弊端，唯一的缺点就是装卸较烦琐一些。现在也有快开式连接，其实使用起来也很方便快捷，比宝塔头与橡胶类软管连接还更省力些。笔者所在公司开发的夹套玻璃反应器全部使用法兰接口，目前尚无用户提出不同意见。2）内置耐腐蚀盘管该配件也可起到加热、冷却器的功能，还可充当支撑骨架固定柔性温度测量探头，不影响搅拌桨的尽量放大，可谓功能多多。作为加热器时可通蒸汽、热水或热油；作为冷却器时可通水、冷的醇水混合液和冷油甚至液氮。常见的制作方法有薄壁PTFE包被金属管道。有不少人排斥使用内置盘管，认为它清洗不方便，其实包被薄壁PTFE的金属管道与固定在大型金属反应釜体上的盘管不一样，前者很容易拆卸和清洗，而且造价并不高，可更换使用。须注意不锈钢喷镀PTFE的方法并不可取，不仅是因为渡层太薄易剥落而且喷镀成本高，最重要的原因是喷镀完毕后形成的是有细小网孔的网状镀层，并不能起到防止化学腐蚀的作用。3）真空夹层其原理在于消除热传导中的空气对流因素，就象保温瓶胆抽真空。玻璃反应容器采用三层设计时，对外层夹套抽真空并封闭形成真空夹层，这样反应保温效果好。而且低温时，外层玻璃表面无水雾亦不会结霜，反应清晰可见；高温时外层玻璃表面不炙热，可免除烫伤危险。但三层玻璃反应器的应力点很多，烧制成功率不高，容积越大的反应器越是这样。4）测温套及测温点目前市场上大多数玻璃反应器使用的是固定式温度计玻璃套管来测物料温度，套管从盖子上固定处深入釜内某一深度。这样做的缺点很多：1）搅拌棒在某一转速段可能出现强烈的共振，可能撞击温度计玻璃套管；2）中试级的反应器（20~50升）的玻璃套管处于搅拌轴与内壁的中央，使用涡轮式搅拌桨时很容易被页片打到，致使叶片不能做到尽可能的大而影响搅拌效果；3）当物料装得多的时候，套管受力大易折裂，物料装得少的时候则套管可能接触不到物料而无法测温。我们开发了插入深度可调的温度计套管可弥补第三种缺陷。另外还开发了可与内置换热盘管捆绑使用的可任意弯曲的温度探头，这样就可将测温点置于靠近反应器内壁的任一深度，并且不影响使用更大搅拌半径的搅拌桨页。当然这种应用的前提是须同时使用内置换热盘管。另外，国外已有从底部阀门中央突出部位内置温度探头来进行温度的数字测量，一般突出部位最高点比釜底高1~2cm。这种方式测量的是底部物料的温度，比较适合于小型反应器和应搅动混匀的液体，对于较大的反应器或粘度大的物料不合适。而且，对于较大的反应器而言，夹套高度也大，因为高温流体密度小，低温流体密度大，一般在夹套下部循环介质温度要比上部低。所以对大型反应器而言，底部测温的方式测得物料温度是偏低的。如果循环介质的流速足够的快，这种偏差要小些，但高速流体也同时对反应器的强度提出了更高的要求，这恰恰是大型玻璃反应器夹套不如小型玻璃反应器的地方。5）保温措施玻璃反应器配套一般使用仪器级温控设备，其价值不菲，因此配套时用户不会选择加热制冷功率过大的设备。利用釜体外层保温套和循环介质管道保温套可以有效地降低设备与外界空气的热交换，从而提高升降温速度，也避免选择功率更高价格也更高的设备。玻璃反应器与空气接触的面积大，不能因为要求反应过程的可视化而牺牲升降温速度，选择带可视窗的釜体外层保温套，可以解决这一矛盾。2、导热介质1）升降温使用同一种传热介质在夹套中使用同一种循环介质，这样做的优点很多。首先，夹套内壁清洗很不方便，如果将两种液体介质互换使用，在换用第二种介质时夹套壁上可能会有第一种介质的残余，多次换用后，就成混合介质了，这时原来两种介质的传热性能等物理性质都会发生改变；其次，高温用油低温用醇类水溶液会使夹套玻璃内壁表面出现油污，玻璃夹套变得模糊而影响反应的观察。第三，对于温控设备的循环介质内腔的清洗与保养也很有益处。缺点是可操作温度范围受循环介质的倾点与闪点限制，因而对循环介质要求较高。2）升降温使用不同的传热介质，两者互不接触即夹套中使用一种加热制冷循环介质，而内置换热盘管使用另一种加热制冷循环介质，控制两套不同的设备，并进行协同使物料达到某一所需温度，会相对更烦琐一些。还有另一种方式很少见，目前笔者只了解到一家外国公司使用这种夹套形式：复合贴壁夹套，同时与内壁接触的是多层夹套，可通两种循环介质，并且不会混合，该容器制作难度高，尤其容积越大的釜越难制作。3）有关蒸汽加热的问题常有客户提出想用蒸汽进行加热。笔者认为不适合。蒸汽的温度与锅炉压力有关，因此