摘要：精準的反應釜溫度控制是化學(xué)合成原料藥高質(zhì)量、高收率生產(chǎn)的重要保障。本文對溫控要求在-15℃~150℃的間歇反應釜控溫方式進(jìn)行詳細介紹，包括混合媒介控溫和單一媒介控溫，闡述了溫控過(guò)程及控制原理；提出未來(lái)原料藥多功能車(chē)間溫度控制系統的發(fā)展方向，希望為智能溫控系統的進(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；串級控制；模糊控制；智能溫控系統；單一/混合媒介
一、前言
反應釜是化學(xué)合成原料藥行業(yè)主要的反應設備，反應釜的容積一般為0.5m3~8m3，其生產(chǎn)模式多為間歇式生產(chǎn)。在藥品合成過(guò)程中會(huì )涉及到多種有機反應，這些反應可以分為吸熱反應和放熱反應，放熱反應又可以分為瞬間放熱反應、快放熱反應和慢放熱反應，維持反應過(guò)程溫度平穩是保證反應安全、產(chǎn)品高質(zhì)量、高收率的重要前提。
間歇反應釜的溫控過(guò)程，主要分為以下幾個(gè)階段：
1、反應前期：升溫或降溫至所需反應溫度；
2、反應過(guò)程：一般為恒溫反應，將反應溫度恒定在某一設定值，對于多功能間歇反應釜來(lái)說(shuō)每次所進(jìn)行的反應各不相同，因此需要移除熱量或供熱量都存在不確定性，為滿(mǎn)足反應需求，需要充分考慮此過(guò)程的控溫要求，如果控溫不穩就容易導致產(chǎn)品的收率和質(zhì)量下降，更有甚者可能導致局部超溫，發(fā)生“飛溫”現象，造成安全事故，所以此階段控溫是否平穩對反應安全以及產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要；
3、反應結束：一般也需要降溫或升溫至規定的溫度，生產(chǎn)過(guò)程中對間歇反應釜從開(kāi)始加熱到最后的冷卻都有嚴格的時(shí)間規定，一般要求按照某一升/降溫速率對反應體系進(jìn)行升/降溫操作，這對間歇反應釜傳熱的計算以及對控溫方式的選擇有很高的要求。
二、反應釜的溫控方式
反應釜溫控方式的選擇對于整個(gè)原料藥生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，反應釜一般通過(guò)夾套、半管、內盤(pán)管，或幾種組合起來(lái)移除反應熱或為反應供熱，不同設備控制策略不盡相同，對于超低溫反應釜（使用液氮的工況）和超高溫反應釜（150℃以上）溫控策略也不太一樣，本文僅針對一般溫控范圍（-15℃~150℃）不帶內盤(pán)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(guò)程中使用的冷/熱媒介的種類(lèi)來(lái)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?；究刂品绞饺鐖D1所示。加熱時(shí)使用蒸汽加熱，在加熱開(kāi)始之前需將夾套內的媒介用壓縮氣體（壓縮空氣或氮氣）吹凈。降溫過(guò)程中需要考慮大溫差對反應釜的影響，尤其是針對搪玻璃反應釜，如反應釜內外溫差較大，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循環(huán)水壓凈，然后通冷凍水進(jìn)行降溫，降溫結束后還要將冷凍水壓凈。由此可見(jiàn)，該方式在溫度控制過(guò)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(guò)程中極易出現媒介回水管互串和回水管路閥門(mén)忘關(guān)的情況，導致循環(huán)水和冷凍水互串，浪費能源。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，不利于設備的長(cháng)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(cháng)期運行后冷乙二醇的濃度會(huì )降低，需要定期補充乙二醇以維持冷媒濃度，增加運行成本。此種控制方式的前期一次性投入成本低，但運行成本偏高，且溫控精度不高，操作復雜，在工業(yè)應用中已經(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(guò)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、導熱油等，有混合式系統和封閉式系統?；旌鲜较到y是指夾套同時(shí)配置冷、熱、常溫媒介，根據溫控要求在夾套內或通過(guò)泵混合來(lái)進(jìn)行控溫（圖2、圖3）。封閉式系統是指為夾套配置循環(huán)泵和換熱器自成循環(huán)體系，通過(guò)換熱器與外界進(jìn)行冷熱交換（圖7）。
（1）混合式系統
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，根據溫控需求配置不同的濃度。分為無(wú)動(dòng)力混合系統（圖2）和有動(dòng)力混合系統（圖3）。此系統需要配備相應的公用工程系統（圖4、圖5、圖6）。
① 無(wú)動(dòng)力混合系統
如圖2所示，由公用工程系統提供不同溫度的媒介，在夾套總管進(jìn)口方向設置一調節閥用于調節媒介流量，夾套出口方向設置一溫度變送器與反應釜溫度形成串級控制。對于溫控精度要求較高的工況可在總管設置流量計用于精準控溫。由于不同溫度的媒介組分相同，當進(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(lái)的風(fēng)險。此系統同時(shí)只能通一種溫度的媒介，當夾套有區間溫度控制要求時(shí)，只能通過(guò)間歇性交替開(kāi)關(guān)某兩種溫度的媒介在夾套內進(jìn)行混合來(lái)實(shí)現溫度控制，會(huì )造成反應釜夾套受熱不均，不適用于有區間溫控要求的高精度溫控。對于一些溫度控制精度要求不高，或沒(méi)有區間溫控要求的高精度溫控建議采用此方案。
圖2 單一媒介控溫無(wú)動(dòng)力混合系統
② 有動(dòng)力混合系統
如圖3所示，與無(wú)動(dòng)力混合系統相似，需要由公用工程系統供給不同溫度的媒介，不同的是在夾套設置了循環(huán)泵以及循環(huán)管路，并分別在夾套進(jìn)口、出口以及反應釜內設置溫度變送器，采用串級控制+模糊控制實(shí)現精準控溫。循環(huán)泵起到了快速混合以及增強傳熱的功能，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象的溫控模式和以反應釜溫度為主控對象的溫控模式，可以根據工藝實(shí)際需求靈活選擇。對于有較高溫控要求的工況建議采用此系統。
圖3 單一媒介控溫有動(dòng)力混合系統
公用工程系統：與混合式系統相配合，一般需要配備熱媒介系統（圖4）、常溫媒介系統（圖5）和冷凍媒介系統（圖6）。公用工程系統可以采用盤(pán)管式換熱或換熱器換熱，可根據工藝需求靈活選擇。
圖4 公用工程-熱媒介系統
圖5 公用工程-常溫媒介系統
圖6 公用工程-冷凍媒介系統
混合式系統有很好的系統集成性，可將反應釜的各項參數進(jìn)行模塊化控制，集成在同一套DCS系統中以節省系統投資；有很好的系統兼容性，可以根據工藝實(shí)際情況個(gè)性化的增加安全儀表，接入安全儀表系統（SIS），可以與Batch管理系統相結合靈活切換生產(chǎn)產(chǎn)品，適應醫藥行業(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；有很好的設備集成性，每一個(gè)反應釜的溫控以及公用工程系統均可做成一個(gè)模塊，在工廠(chǎng)外進(jìn)行組裝在使用現場(chǎng)進(jìn)行對接，節省了工期；有很好的針對性，可以根據工藝情況，特別是針對一些快反應將反應過(guò)程特性、設備特性以及自控原理相結合，定制化的設計、開(kāi)發(fā)、集成。
（2）封閉式系統
如圖7所示，反應釜夾套配備2臺換熱器，1臺膨脹罐，1臺循環(huán)泵，構成一套封閉系統。換熱器反應釜側一般填充導熱油。一臺換熱器用于加熱，可采用蒸汽、熱油等；另一臺換熱器用于冷卻，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，此系統可實(shí)現夾套的精準控溫，是市場(chǎng)上TCU/ECU常見(jiàn)的溫控方式，可做成一對一也可做成一對多的形式。這種系統從目前使用情況來(lái)看，其系統集成性比較差，每一臺TCU均需要配備獨立的PLC系統不便于系統集成管理；雖然可以做成一對多的模式，但是其出口溫度只有一個(gè)，各反應釜溫度要求在一定范圍內，一定程度上受TCU調控能力限制，反應釜溫控精度受TCU與反應釜的相對擺放位置影響較大；針對于快放熱反應以及涉及到有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比較高。
圖7 單一媒介控溫封閉式系統
三、原料藥多功能車(chē)間溫度控制系統展望
1、針對慢放熱反應單一TCU系統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(kāi)發(fā)智能溫控系統：現有的溫控系統，只是停留在操作人員輸入溫控要求然后控制系統根據輸入的需求進(jìn)行溫度控制，針對一些慢反應，此種模式還可以應付，但對于一些快反應不能達到很好的效果，究其原因在于控制過(guò)程只是在控制原理的維度對其進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，最多加入一些復雜控制策略如串級控制、分程控制等，沒(méi)有將控制、工藝、設備有機的集合在一起。
3、未來(lái)的智能溫控系統還應包含以下模塊
① 設備專(zhuān)家系統：包含如不同攪拌的傳熱傳質(zhì)特性、反應釜器壁的傳熱特性、反應釜特性數據庫等；
② 工藝反應放熱專(zhuān)家系統：包含如不同反應類(lèi)型的放熱曲線(xiàn)數據庫、不同產(chǎn)品的反應放熱曲線(xiàn)數據庫、不同溶媒傳熱數據庫等；
③ 自控策略選擇專(zhuān)家系統：包含針對間歇反應各種控制策略的選擇指南、系統辨識系統等。
以上三個(gè)系統+硬件共同組成智能溫控系統，達到只需操作人員選擇反應類(lèi)型、反應介質(zhì)等，系統就會(huì )根據輸入的反應情況以及當前設備情況選擇合適的控制策略，并實(shí)時(shí)進(jìn)行系統辨識，調整控制策略，達到溫控系統的自識別、自適應，實(shí)現精準控溫的目的。
四、結束語(yǔ)
在智能化多功能車(chē)間設計中反應釜的溫度控制要達到真正的智能溫控還有很長(cháng)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、讓溫度控制更智能、讓溫度控制更先進(jìn)。
