反应釜温度控制剖析

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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 = G1 P1△T1/△t

G1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/△t

G2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/△t

G31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P

P=（△Q1/△t+△Q2/△t+△Q3/△t）/ n

油槽加热功率计算：

水比热：4200J/KG/℃

硅油比热：1630 J/KG/℃

玻璃平均比热：920J/KG/℃

304不锈钢比热：460 J/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：6KG

20升夹套玻璃反应器重量：16 KG

304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

＋920 J/KG/℃×90℃×16KG ＋460 J/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Danfoss NTZ048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：

T c Q O P e Q O P e Q O P e Q O P e Q O P e Q O P e Q O P e Q O P e NTZ048 30 466 0.50 774 0.70 1160 0.90 1636 1.10 2211 1.27 2896 1.42 3700 1.54 4635 1.62

35 371 0.47 655 0.67 1010 0.89 1445 1.10 1972 1.31 2600 1.49 3340 1.64 4202 1.76

T o：蒸发温度（℃）T c：冷凝温度（℃）Q o：制冷量（W）P e：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/℃