浅谈化学反应冷媒降温制冷量计算方法

李峰

[摘 要]化学制药过程中反应罐产生热量，为了维持反应温度，需对反应罐进行降温，本文根据化学反应热以及夹套换热，原降温用液氮直通，但因为液氮反应剧烈，挥发带走物料，引起物料损失，因此设计一套冷媒循环，用设备的外夹套降温，保证化学反应温度.此方案已经在化学制药生产中成功进行了应用。

[关键词]液氮 双级螺杆机组 汽化潜热 密度 比热

中图分类号：TH125 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0028-01

一、概述

原车间工艺过程中反应物料反应产生反应热，反应物料为水、乙睛、盐酸，三乙胺，二氯甲烷，每台设备的物料体积先是0.6立方米，持续加物料反应，最后每台设备物料体积为1.5立方米，物料起始温度为+37度，然后将物料降温到-18摄氏度，维持此温度2-3小时，过程中加物料反应。目前用液氮直通设备罐内，使用∮25的管路直接通进罐内，反应持续时间为60分钟。目前反应罐为两台，反应罐容积为2立方米，其中冷媒走外夹套。

二、制冷量的计算方法如下

第一种方法是：利用制冷量的计算公式Q=m*c*（t1-t2）/hm：质量c：比热t1：起始温度、t2：降至温度、h：时间

反应罐为两个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（含盐酸，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小时

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为估算。

第二种方法：每立方米液氮总产冷量约为40000大卡左右，（经验值根据汽化潜热，密度，质量、温度算出），101车间液氮用量两个罐2立方米，所以估算为8万大卡。

i. 第三种方法：根据放热量计算，H++OH-=57.3KJ/mol， 因此化学反应无酸碱中和反应，因此第三种方法不适用本次设计。

三、蒸发温度的选定

1、由于反应罐采用夹套换热，建议换热温差在20℃以上，即载冷剂温度为-18度+（-20度）=-38度以下，则机组蒸发温度为-45度。

2、按照物料降温的要求，大致核算所需净耗冷量为8万大卡左右（降温时间按照1小时考虑）。

四、制冷循环的设计

制冷循环应包含载冷储罐、制冷压缩机组、载冷剂循环系统。

1、载冷剂循环系统的流程

载冷罐内的载冷剂通过泵进入制冷机组的蒸发器，然后从蒸发器进入反应罐的外加套，通过外夹套在进入载冷罐内，完成整个载冷剂的循环。

2、载冷剂的选用

载冷剂又叫冷媒，是用来远程传递冷量的介质。因为一些地方用冷时制冷剂不和被降温介质直接换热，常用的载冷剂有水、空气、乙二醇、丙三醇、R11、二氯甲烷等。要求载冷剂在工作温度下处于液体状态，不发生相变。要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温低4～8℃，标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高。因选用蒸发温度为-45度，因此选用二氯甲烷凝固点-97℃，满足设计要求。在深冷系统中作为载冷剂要求水分小于0.05%。由于二氯甲烷具有吸水性，故作为冷媒必须闭路循环，并且在系统中要设置防水和除水装置。比如：在冷媒循环管道中安装干燥过滤器，在冷媒储灌上装设氮气保护，以防止空气的渗入。

3、制冷机组的选用

因在设计方案中计算出制冷量为选8万大卡，蒸发温度为-45度。因在化工行业制冷设备的应用中，活塞压缩机转速不高，机器大而重；结构复杂，易损件多，维修量大；排气不连续，造成气流脉动；运转时有较大的震动且使用寿命低，螺杆压缩机无吸、排气阀和活塞环等易损件，结构简单，运行可靠、寿命长。转速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，体积小，质量轻，占地小，输气脉动小。 无往复运动，不存在不平衡质量惯性力和力矩。 对湿压缩不敏感。无余隙容积和吸、排气阻力，容积效率高。调节范围宽，经济性好，无喘振现象制冷量可以在10%～100%之间无级调节； 因此选用压缩机组为螺杆压缩机组。制冷系统分为单级压缩、双级压缩、复叠压缩三种方式，此方案选用双级压缩制冷系统， 见下表。

因为单级压缩循环所能够获得的最低制冷温度一般只有-20～-30℃，最低不超过-40℃。这主要是由于压缩机压缩比不能过大的原因造成的。压缩机的压缩比等于冷凝压力与蒸发压力的比值。压力比的增大将导致压缩机排气温度升高，汽缸壁的温度随之升高导致压缩机润滑状况恶化，严重影响压缩机正常运行。压缩机压缩比过大，会使得活塞式压缩机的输气系数下降，使得压缩机输气量减少，制冷量下降。当压缩比达到20的时候，压缩机几乎不能吸气，从而失去制冷能力。 因此制冷系统选择双级压缩制冷系统，制冷机组的分项要求：压缩机采用半封闭螺杆式压缩机，冷凝器选用壳管式换热器，蒸发器采用阿伐位伐板式钎焊板式换热器，膨胀阀采用丹佛斯热力膨胀阀，经济器采用阿伐位伐板式钎焊板式换热器。

结语：通过上述文章，可以计算出化学反应冷媒降温制冷量，进而方便选择合适的制冷设备来满足设备要求，并取代液氮，进而节约费用.

参考文献

[1] 袁作斌.新世纪中国低温医学的发展.制冷学报，2000，（4）：7

[2] 机械工业部冷冻设备标准化技术委员会汇编。制冷空调技术标准应用手册，北京：机械工业出版社，1998.

[3] 吴业正.制冷与低温技术原理，高等教育出版社，2005.

[4] 张金城.简明制冷工手册，机械工业出版社，1996.

[5] 沈志光.制冷工质热物理性质表和图.北京：机械工业出版社，1983.endprint

[摘 要]化学制药过程中反应罐产生热量，为了维持反应温度，需对反应罐进行降温，本文根据化学反应热以及夹套换热，原降温用液氮直通，但因为液氮反应剧烈，挥发带走物料，引起物料损失，因此设计一套冷媒循环，用设备的外夹套降温，保证化学反应温度.此方案已经在化学制药生产中成功进行了应用。

[关键词]液氮 双级螺杆机组 汽化潜热 密度 比热

中图分类号：TH125 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0028-01

一、概述

原车间工艺过程中反应物料反应产生反应热，反应物料为水、乙睛、盐酸，三乙胺，二氯甲烷，每台设备的物料体积先是0.6立方米，持续加物料反应，最后每台设备物料体积为1.5立方米，物料起始温度为+37度，然后将物料降温到-18摄氏度，维持此温度2-3小时，过程中加物料反应。目前用液氮直通设备罐内，使用∮25的管路直接通进罐内，反应持续时间为60分钟。目前反应罐为两台，反应罐容积为2立方米，其中冷媒走外夹套。

二、制冷量的计算方法如下

第一种方法是：利用制冷量的计算公式Q=m*c*（t1-t2）/hm：质量c：比热t1：起始温度、t2：降至温度、h：时间

反应罐为两个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（含盐酸，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小时

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为估算。

第二种方法：每立方米液氮总产冷量约为40000大卡左右，（经验值根据汽化潜热，密度，质量、温度算出），101车间液氮用量两个罐2立方米，所以估算为8万大卡。

i. 第三种方法：根据放热量计算，H++OH-=57.3KJ/mol， 因此化学反应无酸碱中和反应，因此第三种方法不适用本次设计。

三、蒸发温度的选定

1、由于反应罐采用夹套换热，建议换热温差在20℃以上，即载冷剂温度为-18度+（-20度）=-38度以下，则机组蒸发温度为-45度。

2、按照物料降温的要求，大致核算所需净耗冷量为8万大卡左右（降温时间按照1小时考虑）。

四、制冷循环的设计

制冷循环应包含载冷储罐、制冷压缩机组、载冷剂循环系统。

1、载冷剂循环系统的流程

载冷罐内的载冷剂通过泵进入制冷机组的蒸发器，然后从蒸发器进入反应罐的外加套，通过外夹套在进入载冷罐内，完成整个载冷剂的循环。

2、载冷剂的选用

载冷剂又叫冷媒，是用来远程传递冷量的介质。因为一些地方用冷时制冷剂不和被降温介质直接换热，常用的载冷剂有水、空气、乙二醇、丙三醇、R11、二氯甲烷等。要求载冷剂在工作温度下处于液体状态，不发生相变。要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温低4～8℃，标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高。因选用蒸发温度为-45度，因此选用二氯甲烷凝固点-97℃，满足设计要求。在深冷系统中作为载冷剂要求水分小于0.05%。由于二氯甲烷具有吸水性，故作为冷媒必须闭路循环，并且在系统中要设置防水和除水装置。比如：在冷媒循环管道中安装干燥过滤器，在冷媒储灌上装设氮气保护，以防止空气的渗入。

3、制冷机组的选用

因在设计方案中计算出制冷量为选8万大卡，蒸发温度为-45度。因在化工行业制冷设备的应用中，活塞压缩机转速不高，机器大而重；结构复杂，易损件多，维修量大；排气不连续，造成气流脉动；运转时有较大的震动且使用寿命低，螺杆压缩机无吸、排气阀和活塞环等易损件，结构简单，运行可靠、寿命长。转速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，体积小，质量轻，占地小，输气脉动小。 无往复运动，不存在不平衡质量惯性力和力矩。 对湿压缩不敏感。无余隙容积和吸、排气阻力，容积效率高。调节范围宽，经济性好，无喘振现象制冷量可以在10%～100%之间无级调节； 因此选用压缩机组为螺杆压缩机组。制冷系统分为单级压缩、双级压缩、复叠压缩三种方式，此方案选用双级压缩制冷系统， 见下表。

因为单级压缩循环所能够获得的最低制冷温度一般只有-20～-30℃，最低不超过-40℃。这主要是由于压缩机压缩比不能过大的原因造成的。压缩机的压缩比等于冷凝压力与蒸发压力的比值。压力比的增大将导致压缩机排气温度升高，汽缸壁的温度随之升高导致压缩机润滑状况恶化，严重影响压缩机正常运行。压缩机压缩比过大，会使得活塞式压缩机的输气系数下降，使得压缩机输气量减少，制冷量下降。当压缩比达到20的时候，压缩机几乎不能吸气，从而失去制冷能力。 因此制冷系统选择双级压缩制冷系统，制冷机组的分项要求：压缩机采用半封闭螺杆式压缩机，冷凝器选用壳管式换热器，蒸发器采用阿伐位伐板式钎焊板式换热器，膨胀阀采用丹佛斯热力膨胀阀，经济器采用阿伐位伐板式钎焊板式换热器。

结语：通过上述文章，可以计算出化学反应冷媒降温制冷量，进而方便选择合适的制冷设备来满足设备要求，并取代液氮，进而节约费用.

参考文献

[1] 袁作斌.新世纪中国低温医学的发展.制冷学报，2000，（4）：7

[2] 机械工业部冷冻设备标准化技术委员会汇编。制冷空调技术标准应用手册，北京：机械工业出版社，1998.

[3] 吴业正.制冷与低温技术原理，高等教育出版社，2005.

[4] 张金城.简明制冷工手册，机械工业出版社，1996.

[5] 沈志光.制冷工质热物理性质表和图.北京：机械工业出版社，1983.endprint

[摘 要]化学制药过程中反应罐产生热量，为了维持反应温度，需对反应罐进行降温，本文根据化学反应热以及夹套换热，原降温用液氮直通，但因为液氮反应剧烈，挥发带走物料，引起物料损失，因此设计一套冷媒循环，用设备的外夹套降温，保证化学反应温度.此方案已经在化学制药生产中成功进行了应用。

[关键词]液氮 双级螺杆机组 汽化潜热 密度 比热

中图分类号：TH125 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0028-01

一、概述

原车间工艺过程中反应物料反应产生反应热，反应物料为水、乙睛、盐酸，三乙胺，二氯甲烷，每台设备的物料体积先是0.6立方米，持续加物料反应，最后每台设备物料体积为1.5立方米，物料起始温度为+37度，然后将物料降温到-18摄氏度，维持此温度2-3小时，过程中加物料反应。目前用液氮直通设备罐内，使用∮25的管路直接通进罐内，反应持续时间为60分钟。目前反应罐为两台，反应罐容积为2立方米，其中冷媒走外夹套。

二、制冷量的计算方法如下

第一种方法是：利用制冷量的计算公式Q=m*c*（t1-t2）/hm：质量c：比热t1：起始温度、t2：降至温度、h：时间

反应罐为两个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（含盐酸，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小时

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为估算。

第二种方法：每立方米液氮总产冷量约为40000大卡左右，（经验值根据汽化潜热，密度，质量、温度算出），101车间液氮用量两个罐2立方米，所以估算为8万大卡。

i. 第三种方法：根据放热量计算，H++OH-=57.3KJ/mol， 因此化学反应无酸碱中和反应，因此第三种方法不适用本次设计。

三、蒸发温度的选定

1、由于反应罐采用夹套换热，建议换热温差在20℃以上，即载冷剂温度为-18度+（-20度）=-38度以下，则机组蒸发温度为-45度。

2、按照物料降温的要求，大致核算所需净耗冷量为8万大卡左右（降温时间按照1小时考虑）。

四、制冷循环的设计

制冷循环应包含载冷储罐、制冷压缩机组、载冷剂循环系统。

1、载冷剂循环系统的流程

载冷罐内的载冷剂通过泵进入制冷机组的蒸发器，然后从蒸发器进入反应罐的外加套，通过外夹套在进入载冷罐内，完成整个载冷剂的循环。

2、载冷剂的选用

载冷剂又叫冷媒，是用来远程传递冷量的介质。因为一些地方用冷时制冷剂不和被降温介质直接换热，常用的载冷剂有水、空气、乙二醇、丙三醇、R11、二氯甲烷等。要求载冷剂在工作温度下处于液体状态，不发生相变。要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温低4～8℃，标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高。因选用蒸发温度为-45度，因此选用二氯甲烷凝固点-97℃，满足设计要求。在深冷系统中作为载冷剂要求水分小于0.05%。由于二氯甲烷具有吸水性，故作为冷媒必须闭路循环，并且在系统中要设置防水和除水装置。比如：在冷媒循环管道中安装干燥过滤器，在冷媒储灌上装设氮气保护，以防止空气的渗入。

3、制冷机组的选用

因在设计方案中计算出制冷量为选8万大卡，蒸发温度为-45度。因在化工行业制冷设备的应用中，活塞压缩机转速不高，机器大而重；结构复杂，易损件多，维修量大；排气不连续，造成气流脉动；运转时有较大的震动且使用寿命低，螺杆压缩机无吸、排气阀和活塞环等易损件，结构简单，运行可靠、寿命长。转速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，体积小，质量轻，占地小，输气脉动小。 无往复运动，不存在不平衡质量惯性力和力矩。 对湿压缩不敏感。无余隙容积和吸、排气阻力，容积效率高。调节范围宽，经济性好，无喘振现象制冷量可以在10%～100%之间无级调节； 因此选用压缩机组为螺杆压缩机组。制冷系统分为单级压缩、双级压缩、复叠压缩三种方式，此方案选用双级压缩制冷系统， 见下表。

因为单级压缩循环所能够获得的最低制冷温度一般只有-20～-30℃，最低不超过-40℃。这主要是由于压缩机压缩比不能过大的原因造成的。压缩机的压缩比等于冷凝压力与蒸发压力的比值。压力比的增大将导致压缩机排气温度升高，汽缸壁的温度随之升高导致压缩机润滑状况恶化，严重影响压缩机正常运行。压缩机压缩比过大，会使得活塞式压缩机的输气系数下降，使得压缩机输气量减少，制冷量下降。当压缩比达到20的时候，压缩机几乎不能吸气，从而失去制冷能力。 因此制冷系统选择双级压缩制冷系统，制冷机组的分项要求：压缩机采用半封闭螺杆式压缩机，冷凝器选用壳管式换热器，蒸发器采用阿伐位伐板式钎焊板式换热器，膨胀阀采用丹佛斯热力膨胀阀，经济器采用阿伐位伐板式钎焊板式换热器。

结语：通过上述文章，可以计算出化学反应冷媒降温制冷量，进而方便选择合适的制冷设备来满足设备要求，并取代液氮，进而节约费用.

参考文献

[1] 袁作斌.新世纪中国低温医学的发展.制冷学报，2000，（4）：7

[2] 机械工业部冷冻设备标准化技术委员会汇编。制冷空调技术标准应用手册，北京：机械工业出版社，1998.

[3] 吴业正.制冷与低温技术原理，高等教育出版社，2005.

[4] 张金城.简明制冷工手册，机械工业出版社，1996.

[5] 沈志光.制冷工质热物理性质表和图.北京：机械工业出版社，1983.endprint