淺談化學反應冷媒降溫制冷量計算方法

李峰

[摘 要]化學制藥過程中反應罐產生熱量，為了維持反應溫度，需對反應罐進行降溫，本文根據化學反應熱以及夾套換熱，原降溫用液氮直通，但因為液氮反應劇烈，揮發帶走物料，引起物料損失，因此設計一套冷媒循環，用設備的外夾套降溫，保證化學反應溫度.此方案已經在化學制藥生產中成功進行了應用。

[關鍵詞]液氮 雙級螺桿機組 汽化潛熱 密度 比熱

中圖分類號：TH125 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0028-01

一、概述

原車間工藝過程中反應物料反應產生反應熱，反應物料為水、乙睛、鹽酸，三乙胺，二氯甲烷，每臺設備的物料體積先是0.6立方米，持續加物料反應，最后每臺設備物料體積為1.5立方米，物料起始溫度為+37度，然后將物料降溫到-18攝氏度，維持此溫度2-3小時，過程中加物料反應。目前用液氮直通設備罐內，使用∮25的管路直接通進罐內，反應持續時間為60分鐘。目前反應罐為兩臺，反應罐容積為2立方米，其中冷媒走外夾套。

二、制冷量的計算方法如下

第一種方法是：利用制冷量的計算公式Q=m*c*（t1-t2）/hm：質量c：比熱t1：起始溫度、t2：降至溫度、h：時間

反應罐為兩個2立方米的罐，溶媒比例：水占v1=0.6立方米，乙腈占v2=0.9立方米，丙酮占v3=0.2立方米，固液溶媒v4=0.8立方米（含鹽酸，三乙胺，二氯甲烷）

水C1=1kcal/kg℃ 密度p1=1000kg/m3

乙腈C2=0.32kcal/kg℃ 密度p2=780kg/m3

丙酮C3=0.55kcal/kg℃ 密度p3=788kg/m3

固液溶媒C4=0.6kcal/kg℃ 密度p4=1200kg/m3

t1=37℃，t2=-18℃ ，h=1小時

Q1= m*c*（t1-t2）/h=0.6*1000*1*（37+18）/1=33000大卡。

Q2= m*c*（t1-t2）/h=0.9*780*0.32*（37+18）/1=12355.2大卡。

Q3= m*c*（t1-t2）/h=0.2*788*0.55*（37+18）/1=4767.4大卡。

Q4= m*c*（t1-t2）/h=0.8*1200*0.6*（37+18）/1=31680大卡。

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=81802.6大卡

其中Q4為估算。

第二種方法：每立方米液氮總產冷量約為40000大卡左右，（經驗值根據汽化潛熱，密度，質量、溫度算出），101車間液氮用量兩個罐2立方米，所以估算為8萬大卡。

i. 第三種方法：根據放熱量計算，H++OH-=57.3KJ/mol， 因此化學反應無酸堿中和反應，因此第三種方法不適用本次設計。

三、蒸發溫度的選定

1、由于反應罐采用夾套換熱，建議換熱溫差在20℃以上，即載冷劑溫度為-18度+（-20度）=-38度以下，則機組蒸發溫度為-45度。

2、按照物料降溫的要求，大致核算所需凈耗冷量為8萬大卡左右（降溫時間按照1小時考慮）。

四、制冷循環的設計

制冷循環應包含載冷儲罐、制冷壓縮機組、載冷劑循環系統。

1、載冷劑循環系統的流程

載冷罐內的載冷劑通過泵進入制冷機組的蒸發器，然后從蒸發器進入反應罐的外加套，通過外夾套在進入載冷罐內，完成整個載冷劑的循環。

2、載冷劑的選用

載冷劑又叫冷媒，是用來遠程傳遞冷量的介質。因為一些地方用冷時制冷劑不和被降溫介質直接換熱，常用的載冷劑有水、空氣、乙二醇、丙三醇、R11、二氯甲烷等。要求載冷劑在工作溫度下處于液體狀態，不發生相變。要求載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發溫低4～8℃，標準蒸發溫度比制冷系統所能達到的最高溫度高。因選用蒸發溫度為-45度，因此選用二氯甲烷凝固點-97℃，滿足設計要求。在深冷系統中作為載冷劑要求水分小于0.05%。由于二氯甲烷具有吸水性，故作為冷媒必須閉路循環，并且在系統中要設置防水和除水裝置。比如：在冷媒循環管道中安裝干燥過濾器，在冷媒儲灌上裝設氮氣保護，以防止空氣的滲入。

3、制冷機組的選用

因在設計方案中計算出制冷量為選8萬大卡，蒸發溫度為-45度。因在化工行業制冷設備的應用中，活塞壓縮機轉速不高，機器大而重；結構復雜，易損件多，維修量大；排氣不連續，造成氣流脈動；運轉時有較大的震動且使用壽命低，螺桿壓縮機無吸、排氣閥和活塞環等易損件，結構簡單，運行可靠、壽命長。轉速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，體積小，質量輕，占地小，輸氣脈動小。 無往復運動，不存在不平衡質量慣性力和力矩。 對濕壓縮不敏感。無余隙容積和吸、排氣阻力，容積效率高。調節范圍寬，經濟性好，無喘振現象制冷量可以在10%～100%之間無級調節； 因此選用壓縮機組為螺桿壓縮機組。制冷系統分為單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮三種方式，此方案選用雙級壓縮制冷系統， 見下表。

因為單級壓縮循環所能夠獲得的最低制冷溫度一般只有-20～-30℃，最低不超過-40℃。這主要是由于壓縮機壓縮比不能過大的原因造成的。壓縮機的壓縮比等于冷凝壓力與蒸發壓力的比值。壓力比的增大將導致壓縮機排氣溫度升高，汽缸壁的溫度隨之升高導致壓縮機潤滑狀況惡化，嚴重影響壓縮機正常運行。壓縮機壓縮比過大，會使得活塞式壓縮機的輸氣系數下降，使得壓縮機輸氣量減少，制冷量下降。當壓縮比達到20的時候，壓縮機幾乎不能吸氣，從而失去制冷能力。 因此制冷系統選擇雙級壓縮制冷系統，制冷機組的分項要求：壓縮機采用半封閉螺桿式壓縮機，冷凝器選用殼管式換熱器，蒸發器采用阿伐位伐板式釬焊板式換熱器，膨脹閥采用丹佛斯熱力膨脹閥，經濟器采用阿伐位伐板式釬焊板式換熱器。

結語：通過上述文章，可以計算出化學反應冷媒降溫制冷量，進而方便選擇合適的制冷設備來滿足設備要求，并取代液氮，進而節約費用.

參考文獻

[1] 袁作斌.新世紀中國低溫醫學的發展.制冷學報，2000，（4）：7

[2] 機械工業部冷凍設備標準化技術委員會匯編。制冷空調技術標準應用手冊，北京：機械工業出版社，1998.

[3] 吳業正.制冷與低溫技術原理，高等教育出版社，2005.

[4] 張金城.簡明制冷工手冊，機械工業出版社，1996.

[5] 沈志光.制冷工質熱物理性質表和圖.北京：機械工業出版社，1983.endprint

[摘 要]化學制藥過程中反應罐產生熱量，為了維持反應溫度，需對反應罐進行降溫，本文根據化學反應熱以及夾套換熱，原降溫用液氮直通，但因為液氮反應劇烈，揮發帶走物料，引起物料損失，因此設計一套冷媒循環，用設備的外夾套降溫，保證化學反應溫度.此方案已經在化學制藥生產中成功進行了應用。

[關鍵詞]液氮 雙級螺桿機組 汽化潛熱 密度 比熱

中圖分類號：TH125 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0028-01

一、概述

原車間工藝過程中反應物料反應產生反應熱，反應物料為水、乙睛、鹽酸，三乙胺，二氯甲烷，每臺設備的物料體積先是0.6立方米，持續加物料反應，最后每臺設備物料體積為1.5立方米，物料起始溫度為+37度，然后將物料降溫到-18攝氏度，維持此溫度2-3小時，過程中加物料反應。目前用液氮直通設備罐內，使用∮25的管路直接通進罐內，反應持續時間為60分鐘。目前反應罐為兩臺，反應罐容積為2立方米，其中冷媒走外夾套。

二、制冷量的計算方法如下

第一種方法是：利用制冷量的計算公式Q=m*c*（t1-t2）/hm：質量c：比熱t1：起始溫度、t2：降至溫度、h：時間

反應罐為兩個2立方米的罐，溶媒比例：水占v1=0.6立方米，乙腈占v2=0.9立方米，丙酮占v3=0.2立方米，固液溶媒v4=0.8立方米（含鹽酸，三乙胺，二氯甲烷）

水C1=1kcal/kg℃ 密度p1=1000kg/m3

乙腈C2=0.32kcal/kg℃ 密度p2=780kg/m3

丙酮C3=0.55kcal/kg℃ 密度p3=788kg/m3

固液溶媒C4=0.6kcal/kg℃ 密度p4=1200kg/m3

t1=37℃，t2=-18℃ ，h=1小時

Q1= m*c*（t1-t2）/h=0.6*1000*1*（37+18）/1=33000大卡。

Q2= m*c*（t1-t2）/h=0.9*780*0.32*（37+18）/1=12355.2大卡。

Q3= m*c*（t1-t2）/h=0.2*788*0.55*（37+18）/1=4767.4大卡。

Q4= m*c*（t1-t2）/h=0.8*1200*0.6*（37+18）/1=31680大卡。

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=81802.6大卡

其中Q4為估算。

第二種方法：每立方米液氮總產冷量約為40000大卡左右，（經驗值根據汽化潛熱，密度，質量、溫度算出），101車間液氮用量兩個罐2立方米，所以估算為8萬大卡。

i. 第三種方法：根據放熱量計算，H++OH-=57.3KJ/mol， 因此化學反應無酸堿中和反應，因此第三種方法不適用本次設計。

三、蒸發溫度的選定

1、由于反應罐采用夾套換熱，建議換熱溫差在20℃以上，即載冷劑溫度為-18度+（-20度）=-38度以下，則機組蒸發溫度為-45度。

2、按照物料降溫的要求，大致核算所需凈耗冷量為8萬大卡左右（降溫時間按照1小時考慮）。

四、制冷循環的設計

制冷循環應包含載冷儲罐、制冷壓縮機組、載冷劑循環系統。

1、載冷劑循環系統的流程

載冷罐內的載冷劑通過泵進入制冷機組的蒸發器，然后從蒸發器進入反應罐的外加套，通過外夾套在進入載冷罐內，完成整個載冷劑的循環。

2、載冷劑的選用

載冷劑又叫冷媒，是用來遠程傳遞冷量的介質。因為一些地方用冷時制冷劑不和被降溫介質直接換熱，常用的載冷劑有水、空氣、乙二醇、丙三醇、R11、二氯甲烷等。要求載冷劑在工作溫度下處于液體狀態，不發生相變。要求載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發溫低4～8℃，標準蒸發溫度比制冷系統所能達到的最高溫度高。因選用蒸發溫度為-45度，因此選用二氯甲烷凝固點-97℃，滿足設計要求。在深冷系統中作為載冷劑要求水分小于0.05%。由于二氯甲烷具有吸水性，故作為冷媒必須閉路循環，并且在系統中要設置防水和除水裝置。比如：在冷媒循環管道中安裝干燥過濾器，在冷媒儲灌上裝設氮氣保護，以防止空氣的滲入。

3、制冷機組的選用

因在設計方案中計算出制冷量為選8萬大卡，蒸發溫度為-45度。因在化工行業制冷設備的應用中，活塞壓縮機轉速不高，機器大而重；結構復雜，易損件多，維修量大；排氣不連續，造成氣流脈動；運轉時有較大的震動且使用壽命低，螺桿壓縮機無吸、排氣閥和活塞環等易損件，結構簡單，運行可靠、壽命長。轉速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，體積小，質量輕，占地小，輸氣脈動小。 無往復運動，不存在不平衡質量慣性力和力矩。 對濕壓縮不敏感。無余隙容積和吸、排氣阻力，容積效率高。調節范圍寬，經濟性好，無喘振現象制冷量可以在10%～100%之間無級調節； 因此選用壓縮機組為螺桿壓縮機組。制冷系統分為單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮三種方式，此方案選用雙級壓縮制冷系統， 見下表。

因為單級壓縮循環所能夠獲得的最低制冷溫度一般只有-20～-30℃，最低不超過-40℃。這主要是由于壓縮機壓縮比不能過大的原因造成的。壓縮機的壓縮比等于冷凝壓力與蒸發壓力的比值。壓力比的增大將導致壓縮機排氣溫度升高，汽缸壁的溫度隨之升高導致壓縮機潤滑狀況惡化，嚴重影響壓縮機正常運行。壓縮機壓縮比過大，會使得活塞式壓縮機的輸氣系數下降，使得壓縮機輸氣量減少，制冷量下降。當壓縮比達到20的時候，壓縮機幾乎不能吸氣，從而失去制冷能力。 因此制冷系統選擇雙級壓縮制冷系統，制冷機組的分項要求：壓縮機采用半封閉螺桿式壓縮機，冷凝器選用殼管式換熱器，蒸發器采用阿伐位伐板式釬焊板式換熱器，膨脹閥采用丹佛斯熱力膨脹閥，經濟器采用阿伐位伐板式釬焊板式換熱器。

結語：通過上述文章，可以計算出化學反應冷媒降溫制冷量，進而方便選擇合適的制冷設備來滿足設備要求，并取代液氮，進而節約費用.

參考文獻

[1] 袁作斌.新世紀中國低溫醫學的發展.制冷學報，2000，（4）：7

[2] 機械工業部冷凍設備標準化技術委員會匯編。制冷空調技術標準應用手冊，北京：機械工業出版社，1998.

[3] 吳業正.制冷與低溫技術原理，高等教育出版社，2005.

[4] 張金城.簡明制冷工手冊，機械工業出版社，1996.

[5] 沈志光.制冷工質熱物理性質表和圖.北京：機械工業出版社，1983.endprint

[摘 要]化學制藥過程中反應罐產生熱量，為了維持反應溫度，需對反應罐進行降溫，本文根據化學反應熱以及夾套換熱，原降溫用液氮直通，但因為液氮反應劇烈，揮發帶走物料，引起物料損失，因此設計一套冷媒循環，用設備的外夾套降溫，保證化學反應溫度.此方案已經在化學制藥生產中成功進行了應用。

[關鍵詞]液氮 雙級螺桿機組 汽化潛熱 密度 比熱

中圖分類號：TH125 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0028-01

一、概述

原車間工藝過程中反應物料反應產生反應熱，反應物料為水、乙睛、鹽酸，三乙胺，二氯甲烷，每臺設備的物料體積先是0.6立方米，持續加物料反應，最后每臺設備物料體積為1.5立方米，物料起始溫度為+37度，然后將物料降溫到-18攝氏度，維持此溫度2-3小時，過程中加物料反應。目前用液氮直通設備罐內，使用∮25的管路直接通進罐內，反應持續時間為60分鐘。目前反應罐為兩臺，反應罐容積為2立方米，其中冷媒走外夾套。

二、制冷量的計算方法如下

第一種方法是：利用制冷量的計算公式Q=m*c*（t1-t2）/hm：質量c：比熱t1：起始溫度、t2：降至溫度、h：時間

反應罐為兩個2立方米的罐，溶媒比例：水占v1=0.6立方米，乙腈占v2=0.9立方米，丙酮占v3=0.2立方米，固液溶媒v4=0.8立方米（含鹽酸，三乙胺，二氯甲烷）

水C1=1kcal/kg℃ 密度p1=1000kg/m3

乙腈C2=0.32kcal/kg℃ 密度p2=780kg/m3

丙酮C3=0.55kcal/kg℃ 密度p3=788kg/m3

固液溶媒C4=0.6kcal/kg℃ 密度p4=1200kg/m3

t1=37℃，t2=-18℃ ，h=1小時

Q1= m*c*（t1-t2）/h=0.6*1000*1*（37+18）/1=33000大卡。

Q2= m*c*（t1-t2）/h=0.9*780*0.32*（37+18）/1=12355.2大卡。

Q3= m*c*（t1-t2）/h=0.2*788*0.55*（37+18）/1=4767.4大卡。

Q4= m*c*（t1-t2）/h=0.8*1200*0.6*（37+18）/1=31680大卡。

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=81802.6大卡

其中Q4為估算。

第二種方法：每立方米液氮總產冷量約為40000大卡左右，（經驗值根據汽化潛熱，密度，質量、溫度算出），101車間液氮用量兩個罐2立方米，所以估算為8萬大卡。

i. 第三種方法：根據放熱量計算，H++OH-=57.3KJ/mol， 因此化學反應無酸堿中和反應，因此第三種方法不適用本次設計。

三、蒸發溫度的選定

1、由于反應罐采用夾套換熱，建議換熱溫差在20℃以上，即載冷劑溫度為-18度+（-20度）=-38度以下，則機組蒸發溫度為-45度。

2、按照物料降溫的要求，大致核算所需凈耗冷量為8萬大卡左右（降溫時間按照1小時考慮）。

四、制冷循環的設計

制冷循環應包含載冷儲罐、制冷壓縮機組、載冷劑循環系統。

1、載冷劑循環系統的流程

載冷罐內的載冷劑通過泵進入制冷機組的蒸發器，然后從蒸發器進入反應罐的外加套，通過外夾套在進入載冷罐內，完成整個載冷劑的循環。

2、載冷劑的選用

載冷劑又叫冷媒，是用來遠程傳遞冷量的介質。因為一些地方用冷時制冷劑不和被降溫介質直接換熱，常用的載冷劑有水、空氣、乙二醇、丙三醇、R11、二氯甲烷等。要求載冷劑在工作溫度下處于液體狀態，不發生相變。要求載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發溫低4～8℃，標準蒸發溫度比制冷系統所能達到的最高溫度高。因選用蒸發溫度為-45度，因此選用二氯甲烷凝固點-97℃，滿足設計要求。在深冷系統中作為載冷劑要求水分小于0.05%。由于二氯甲烷具有吸水性，故作為冷媒必須閉路循環，并且在系統中要設置防水和除水裝置。比如：在冷媒循環管道中安裝干燥過濾器，在冷媒儲灌上裝設氮氣保護，以防止空氣的滲入。

3、制冷機組的選用

因在設計方案中計算出制冷量為選8萬大卡，蒸發溫度為-45度。因在化工行業制冷設備的應用中，活塞壓縮機轉速不高，機器大而重；結構復雜，易損件多，維修量大；排氣不連續，造成氣流脈動；運轉時有較大的震動且使用壽命低，螺桿壓縮機無吸、排氣閥和活塞環等易損件，結構簡單，運行可靠、壽命長。轉速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，體積小，質量輕，占地小，輸氣脈動小。 無往復運動，不存在不平衡質量慣性力和力矩。 對濕壓縮不敏感。無余隙容積和吸、排氣阻力，容積效率高。調節范圍寬，經濟性好，無喘振現象制冷量可以在10%～100%之間無級調節； 因此選用壓縮機組為螺桿壓縮機組。制冷系統分為單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮三種方式，此方案選用雙級壓縮制冷系統， 見下表。

因為單級壓縮循環所能夠獲得的最低制冷溫度一般只有-20～-30℃，最低不超過-40℃。這主要是由于壓縮機壓縮比不能過大的原因造成的。壓縮機的壓縮比等于冷凝壓力與蒸發壓力的比值。壓力比的增大將導致壓縮機排氣溫度升高，汽缸壁的溫度隨之升高導致壓縮機潤滑狀況惡化，嚴重影響壓縮機正常運行。壓縮機壓縮比過大，會使得活塞式壓縮機的輸氣系數下降，使得壓縮機輸氣量減少，制冷量下降。當壓縮比達到20的時候，壓縮機幾乎不能吸氣，從而失去制冷能力。 因此制冷系統選擇雙級壓縮制冷系統，制冷機組的分項要求：壓縮機采用半封閉螺桿式壓縮機，冷凝器選用殼管式換熱器，蒸發器采用阿伐位伐板式釬焊板式換熱器，膨脹閥采用丹佛斯熱力膨脹閥，經濟器采用阿伐位伐板式釬焊板式換熱器。

結語：通過上述文章，可以計算出化學反應冷媒降溫制冷量，進而方便選擇合適的制冷設備來滿足設備要求，并取代液氮，進而節約費用.

參考文獻

[1] 袁作斌.新世紀中國低溫醫學的發展.制冷學報，2000，（4）：7

[2] 機械工業部冷凍設備標準化技術委員會匯編。制冷空調技術標準應用手冊，北京：機械工業出版社，1998.

[3] 吳業正.制冷與低溫技術原理，高等教育出版社，2005.

[4] 張金城.簡明制冷工手冊，機械工業出版社，1996.

[5] 沈志光.制冷工質熱物理性質表和圖.北京：機械工業出版社，1983.endprint