摘要：精準(zhǔn)的反應(yīng)釜溫度控制是化學(xué)合成原料藥高質(zhì)量、高收率生產(chǎn)的重要保障。本文對(duì)溫控要求在-15℃~150℃的間歇反應(yīng)釜控溫方式進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括混合媒介控溫和單一媒介控溫，闡述了溫控過程及控制原理；提出未來原料藥多功能車間溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，希望為智能溫控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供參考。
關(guān)鍵詞：溫度控制；夾套溫控；冷熱交換；串級(jí)控制；模糊控制；智能溫控系統(tǒng)；單一/混合媒介
一、前言
反應(yīng)釜是化學(xué)合成原料藥行業(yè)主要的反應(yīng)設(shè)備，反應(yīng)釜的容積一般為0.5m3~8m3，其生產(chǎn)模式多為間歇式生產(chǎn)。在藥品合成過程中會(huì)涉及到多種有機(jī)反應(yīng)，這些反應(yīng)可以分為吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)又可以分為瞬間放熱反應(yīng)、快放熱反應(yīng)和慢放熱反應(yīng)，維持反應(yīng)過程溫度平穩(wěn)是保證反應(yīng)安全、產(chǎn)品高質(zhì)量、高收率的重要前提。
間歇反應(yīng)釜的溫控過程，主要分為以下幾個(gè)階段：
1、反應(yīng)前期：升溫或降溫至所需反應(yīng)溫度；
2、反應(yīng)過程：一般為恒溫反應(yīng)，將反應(yīng)溫度恒定在某一設(shè)定值，對(duì)于多功能間歇反應(yīng)釜來說每次所進(jìn)行的反應(yīng)各不相同，因此需要移除熱量或供熱量都存在不確定性，為滿足反應(yīng)需求，需要充分考慮此過程的控溫要求，如果控溫不穩(wěn)就容易導(dǎo)致產(chǎn)品的收率和質(zhì)量下降，更有甚者可能導(dǎo)致局部超溫，發(fā)生“飛溫”現(xiàn)象，造成安全事故，所以此階段控溫是否平穩(wěn)對(duì)反應(yīng)安全以及產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要；
3、反應(yīng)結(jié)束：一般也需要降溫或升溫至規(guī)定的溫度，生產(chǎn)過程中對(duì)間歇反應(yīng)釜從開始加熱到最后的冷卻都有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)定，一般要求按照某一升/降溫速率對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行升/降溫操作，這對(duì)間歇反應(yīng)釜傳熱的計(jì)算以及對(duì)控溫方式的選擇有很高的要求。
二、反應(yīng)釜的溫控方式
反應(yīng)釜溫控方式的選擇對(duì)于整個(gè)原料藥生產(chǎn)過程來說至關(guān)重要，反應(yīng)釜一般通過夾套、半管、內(nèi)盤管，或幾種組合起來移除反應(yīng)熱或?yàn)榉磻?yīng)供熱，不同設(shè)備控制策略不盡相同，對(duì)于超低溫反應(yīng)釜（使用液氮的工況）和超高溫反應(yīng)釜（150℃以上）溫控策略也不太一樣，本文僅針對(duì)一般溫控范圍（-15℃~150℃）不帶內(nèi)盤管的夾套溫控方式進(jìn)行討論。
夾套溫控方案的選擇按照控溫過程中使用的冷/熱媒介的種類來分可分為混合媒介和單一媒介。
1、混合媒介控溫
工業(yè)上常用蒸汽-循環(huán)水-冷凍水；其中冷凍水通常為冰鹽水或冷乙二醇。基本控制方式如圖1所示。加熱時(shí)使用蒸汽加熱，在加熱開始之前需將夾套內(nèi)的媒介用壓縮氣體（壓縮空氣或氮?dú)猓┐祪?。降溫過程中需要考慮大溫差對(duì)反應(yīng)釜的影響，尤其是針對(duì)搪玻璃反應(yīng)釜，如反應(yīng)釜內(nèi)外溫差較大，容易引起爆瓷，因此降溫時(shí)不可直接通冷凍水，一般要先通循環(huán)水將溫度降至室溫，再使用壓縮氣體將夾套內(nèi)循環(huán)水壓凈，然后通冷凍水進(jìn)行降溫，降溫結(jié)束后還要將冷凍水壓凈。由此可見，該方式在溫度控制過程中涉及蒸汽-循環(huán)水、循環(huán)水-冷凍水等之間的頻繁切換，在切換過程中極易出現(xiàn)媒介回水管互串和回水管路閥門忘關(guān)的情況，導(dǎo)致循環(huán)水和冷凍水互串，浪費(fèi)能源。同時(shí)如冷凍水為冰鹽水，由于殘留的鹽水中存在大量氯離子，對(duì)夾套有一定腐蝕性，再使用蒸汽進(jìn)行加熱更加劇了夾套的腐蝕，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期使用；如冷凍水為冷乙二醇，因夾套中同時(shí)使用蒸汽和循環(huán)水，長(zhǎng)期運(yùn)行后冷乙二醇的濃度會(huì)降低，需要定期補(bǔ)充乙二醇以維持冷媒濃度，增加運(yùn)行成本。此種控制方式的前期一次性投入成本低，但運(yùn)行成本偏高，且溫控精度不高，操作復(fù)雜，在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)慢慢被淘汰。
圖1 混合媒介控溫
2、單一媒介控溫
單一媒介控溫是指夾套中只通過一種媒介進(jìn)行溫度控制。通常使用的媒介有乙二醇水溶液、導(dǎo)熱油等，有混合式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)?；旌鲜较到y(tǒng)是指夾套同時(shí)配置冷、熱、常溫媒介，根據(jù)溫控要求在夾套內(nèi)或通過泵混合來進(jìn)行控溫（圖2、圖3）。封閉式系統(tǒng)是指為夾套配置循環(huán)泵和換熱器自成循環(huán)體系，通過換熱器與外界進(jìn)行冷熱交換（圖7）。
（1）混合式系統(tǒng)
一般使用的媒介為乙二醇、丙二醇、改性乙二醇或改性丙二醇的水溶液，根據(jù)溫控需求配置不同的濃度。分為無(wú)動(dòng)力混合系統(tǒng)（圖2）和有動(dòng)力混合系統(tǒng)（圖3）。此系統(tǒng)需要配備相應(yīng)的公用工程系統(tǒng)（圖4、圖5、圖6）。
① 無(wú)動(dòng)力混合系統(tǒng)
如圖2所示，由公用工程系統(tǒng)提供不同溫度的媒介，在夾套總管進(jìn)口方向設(shè)置一調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)媒介流量，夾套出口方向設(shè)置一溫度變送器與反應(yīng)釜溫度形成串級(jí)控制。對(duì)于溫控精度要求較高的工況可在總管設(shè)置流量計(jì)用于精準(zhǔn)控溫。由于不同溫度的媒介組分相同，當(dāng)進(jìn)行媒介切換時(shí)不必使用壓縮氣體進(jìn)行壓空操作，也避免了媒介互串帶來的風(fēng)險(xiǎn)。此系統(tǒng)同時(shí)只能通一種溫度的媒介，當(dāng)夾套有區(qū)間溫度控制要求時(shí)，只能通過間歇性交替開關(guān)某兩種溫度的媒介在夾套內(nèi)進(jìn)行混合來實(shí)現(xiàn)溫度控制，會(huì)造成反應(yīng)釜夾套受熱不均，不適用于有區(qū)間溫控要求的高精度溫控。對(duì)于一些溫度控制精度要求不高，或沒有區(qū)間溫控要求的高精度溫控建議采用此方案。
圖2 單一媒介控溫?zé)o動(dòng)力混合系統(tǒng)
② 有動(dòng)力混合系統(tǒng)
如圖3所示，與無(wú)動(dòng)力混合系統(tǒng)相似，需要由公用工程系統(tǒng)供給不同溫度的媒介，不同的是在夾套設(shè)置了循環(huán)泵以及循環(huán)管路，并分別在夾套進(jìn)口、出口以及反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)置溫度變送器，采用串級(jí)控制+模糊控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。循環(huán)泵起到了快速混合以及增強(qiáng)傳熱的功能，可以將夾套溫度控制在最低媒介溫度~最高媒介溫度中的任何一個(gè)溫度值，且保證溫度均一。此系統(tǒng)主要有兩種溫控模式，以?shī)A套進(jìn)口或出口溫度為主控對(duì)象的溫控模式和以反應(yīng)釜溫度為主控對(duì)象的溫控模式，可以根據(jù)工藝實(shí)際需求靈活選擇。對(duì)于有較高溫控要求的工況建議采用此系統(tǒng)。
圖3 單一媒介控溫有動(dòng)力混合系統(tǒng)
公用工程系統(tǒng)：與混合式系統(tǒng)相配合，一般需要配備熱媒介系統(tǒng)（圖4）、常溫媒介系統(tǒng)（圖5）和冷凍媒介系統(tǒng)（圖6）。公用工程系統(tǒng)可以采用盤管式換熱或換熱器換熱，可根據(jù)工藝需求靈活選擇。
圖4 公用工程-熱媒介系統(tǒng)
圖5 公用工程-常溫媒介系統(tǒng)
圖6 公用工程-冷凍媒介系統(tǒng)
混合式系統(tǒng)有很好的系統(tǒng)集成性，可將反應(yīng)釜的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模塊化控制，集成在同一套DCS系統(tǒng)中以節(jié)省系統(tǒng)投資；有很好的系統(tǒng)兼容性，可以根據(jù)工藝實(shí)際情況個(gè)性化的增加安全儀表，接入安全儀表系統(tǒng)（SIS），可以與Batch管理系統(tǒng)相結(jié)合靈活切換生產(chǎn)產(chǎn)品，適應(yīng)醫(yī)藥行業(yè)小批量多產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，更方便的篩選黃金批次，提高產(chǎn)品質(zhì)量；有很好的設(shè)備集成性，每一個(gè)反應(yīng)釜的溫控以及公用工程系統(tǒng)均可做成一個(gè)模塊，在工廠外進(jìn)行組裝在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接，節(jié)省了工期；有很好的針對(duì)性，可以根據(jù)工藝情況，特別是針對(duì)一些快反應(yīng)將反應(yīng)過程特性、設(shè)備特性以及自控原理相結(jié)合，定制化的設(shè)計(jì)、開發(fā)、集成。
（2）封閉式系統(tǒng)
如圖7所示，反應(yīng)釜夾套配備2臺(tái)換熱器，1臺(tái)膨脹罐，1臺(tái)循環(huán)泵，構(gòu)成一套封閉系統(tǒng)。換熱器反應(yīng)釜側(cè)一般填充導(dǎo)熱油。一臺(tái)換熱器用于加熱，可采用蒸汽、熱油等；另一臺(tái)換熱器用于冷卻，可采用冰鹽水、冷凍乙二醇等。夾套的溫控范圍為冷卻換熱器的極限冷卻溫度~加熱換熱器的極限加熱溫度，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)夾套的精準(zhǔn)控溫，是市場(chǎng)上TCU/ECU常見的溫控方式，可做成一對(duì)一也可做成一對(duì)多的形式。這種系統(tǒng)從目前使用情況來看，其系統(tǒng)集成性比較差，每一臺(tái)TCU均需要配備獨(dú)立的PLC系統(tǒng)不便于系統(tǒng)集成管理；雖然可以做成一對(duì)多的模式，但是其出口溫度只有一個(gè)，各反應(yīng)釜溫度要求在一定范圍內(nèi)，一定程度上受TCU調(diào)控能力限制，反應(yīng)釜溫控精度受TCU與反應(yīng)釜的相對(duì)擺放位置影響較大；針對(duì)于快放熱反應(yīng)以及涉及到有SIS要求的工藝情況，其靈活性較差；其體積較大一次性投入成本也相對(duì)比較高。
圖7 單一媒介控溫封閉式系統(tǒng)
三、原料藥多功能車間溫度控制系統(tǒng)展望
1、針對(duì)慢放熱反應(yīng)單一TCU系統(tǒng)雖然具有較高的溫控精度但其體積較大、成本較高；混合式控制系統(tǒng)兼具靈活性高、溫控精度高、成本低、集成性好的特點(diǎn)，逐漸成為主流。
2、開發(fā)智能溫控系統(tǒng)：現(xiàn)有的溫控系統(tǒng)，只是停留在操作人員輸入溫控要求然后控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的需求進(jìn)行溫度控制，針對(duì)一些慢反應(yīng)，此種模式還可以應(yīng)付，但對(duì)于一些快反應(yīng)不能達(dá)到很好的效果，究其原因在于控制過程只是在控制原理的維度對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，最多加入一些復(fù)雜控制策略如串級(jí)控制、分程控制等，沒有將控制、工藝、設(shè)備有機(jī)的集合在一起。
3、未來的智能溫控系統(tǒng)還應(yīng)包含以下模塊
① 設(shè)備專家系統(tǒng)：包含如不同攪拌的傳熱傳質(zhì)特性、反應(yīng)釜器壁的傳熱特性、反應(yīng)釜特性數(shù)據(jù)庫(kù)等；
② 工藝反應(yīng)放熱專家系統(tǒng)：包含如不同反應(yīng)類型的放熱曲線數(shù)據(jù)庫(kù)、不同產(chǎn)品的反應(yīng)放熱曲線數(shù)據(jù)庫(kù)、不同溶媒傳熱數(shù)據(jù)庫(kù)等；
③ 自控策略選擇專家系統(tǒng)：包含針對(duì)間歇反應(yīng)各種控制策略的選擇指南、系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)等。
以上三個(gè)系統(tǒng)+硬件共同組成智能溫控系統(tǒng)，達(dá)到只需操作人員選擇反應(yīng)類型、反應(yīng)介質(zhì)等，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)輸入的反應(yīng)情況以及當(dāng)前設(shè)備情況選擇合適的控制策略，并實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，調(diào)整控制策略，達(dá)到溫控系統(tǒng)的自識(shí)別、自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫的目的。
四、結(jié)束語(yǔ)
在智能化多功能車間設(shè)計(jì)中反應(yīng)釜的溫度控制要達(dá)到真正的智能溫控還有很長(zhǎng)的路要走，但只要我們不斷探索終有一天我們會(huì)成功。希望我們共同努力讓溫度控制更精準(zhǔn)、讓溫度控制更智能、讓溫度控制更先進(jìn)。
