由于化工過(guò)程種類繁多，不一而足，能耗費(fèi)用是普通化工產(chǎn)品成本中最高的，為了企業(yè)效益就必須考慮降低成本，所以在儀表設(shè)計(jì)過(guò)程中必須嚴(yán)格要求冷卻系統(tǒng)的精確。昌暉儀表將從安全方面規(guī)定的重點(diǎn)內(nèi)容，怎樣完成冷卻系統(tǒng)的儀表控制設(shè)計(jì)等方面為大家?guī)?lái)關(guān)于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一線實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。
精細(xì)化工生產(chǎn)的主要安全風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自工藝反應(yīng)的熱風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)安監(jiān)總管三(2009)116號(hào)、 蘇應(yīng)急(2019)53號(hào)的文件精神，聯(lián)系現(xiàn)行藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范GMP，所以在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及維保過(guò)程中都要把冷卻系放到重要位置。下面首先結(jié)合53號(hào)文件中對(duì)化工反應(yīng)中冷卻過(guò)程的相關(guān)條款進(jìn)行摘錄和歸并，以便后面更好闡述冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則。
53號(hào)文件中規(guī)定，重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝安全控制基本要求中涉及反應(yīng)溫度、壓力報(bào)警及聯(lián)鎖的自動(dòng)控制方式至少滿足下列要求：
1、對(duì)于常壓、帶壓放熱；使用熱媒加熱的常壓、帶壓反應(yīng) 工藝以及反應(yīng)釜應(yīng)設(shè)進(jìn)料自動(dòng)控 制閥，通過(guò)改變進(jìn)料流量調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力和溫度。反應(yīng)釜應(yīng)設(shè)反應(yīng)壓力高報(bào)警并聯(lián)鎖切斷進(jìn)料、聯(lián)鎖打開(kāi)緊急冷卻系統(tǒng)、緊急泄放設(shè)施，或(和)反應(yīng)釜設(shè)反應(yīng)溫度高報(bào)警并聯(lián)鎖切斷進(jìn)料，并聯(lián)鎖打開(kāi)緊急冷卻系統(tǒng)、緊急泄放設(shè)施。
2、反應(yīng)過(guò)程中需要通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)控制或者輔助控制反應(yīng)溫度，應(yīng)當(dāng)設(shè)置自動(dòng)控制回路，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溫度升高時(shí)自動(dòng)提高冷卻劑流量；調(diào)節(jié)精細(xì)度要求較高的冷卻劑應(yīng)當(dāng)設(shè)流量控制回路。屬于同一種反應(yīng)工藝，多個(gè)反應(yīng)釜串連使用的，各釜應(yīng)設(shè)反應(yīng)溫度、壓力遠(yuǎn)傳以及報(bào)警。各反應(yīng)釜應(yīng)設(shè)溫度、壓力高高報(bào)警。任一反應(yīng)釜溫度或壓力高報(bào)警時(shí)應(yīng)聯(lián)鎖切斷總進(jìn)料，重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝安全控制基本要求中涉及反應(yīng)物料配比、液位以及進(jìn)出物料流 量等報(bào)警及聯(lián)鎖的自動(dòng)控制方式 應(yīng)同時(shí)滿足其要求。
3、當(dāng)一個(gè)反應(yīng)釜同時(shí)涉及2個(gè)或以上不同的危險(xiǎn)化工工藝， 涉及熱媒、冷媒(含預(yù)熱、預(yù)冷和反應(yīng)物的冷卻)切換操作的，應(yīng)分別設(shè)置獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)或具備切換控制的功能。
4、設(shè)有攪拌/外循環(huán)冷卻或加熱系統(tǒng)的反應(yīng)釜，應(yīng)設(shè)攪拌電流遠(yuǎn)傳指示，攪拌系統(tǒng)故障停機(jī)時(shí)應(yīng)聯(lián)鎖切斷進(jìn)料和熱媒。
某合成工藝流程簡(jiǎn)圖
5、在控制室CCR自動(dòng)控制系統(tǒng)DCS或反應(yīng)釜現(xiàn)場(chǎng)設(shè)緊急停車系統(tǒng)ESD或就地緊急停車按紐，控制室緊急停車按鈕應(yīng)在輔操臺(tái)上設(shè)置硬按鈕，就地緊急停車按鈕應(yīng)分區(qū)域集中設(shè)置在操作人員易于接近的地點(diǎn)。
6、精餾精制塔冷卻系統(tǒng)自動(dòng)控制，塔頂設(shè)置回流泵的應(yīng)在回流管道上設(shè)置遠(yuǎn)傳式流量計(jì)和溫度計(jì)，并設(shè)置低流量和溫度高報(bào)警。使用外置回流控制塔頂溫度的應(yīng)當(dāng)設(shè)置溫度自動(dòng)控制回路，通過(guò)調(diào)節(jié)回流量或冷媒自動(dòng)控制閥控制塔頂溫度。
7、精細(xì)化工企業(yè)應(yīng)按照反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告HAZOP確定的反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)和評(píng)估建議，設(shè)置相應(yīng)的安全設(shè)施和安全儀表SIS系統(tǒng)。
以上是安全方面規(guī)定的重點(diǎn)內(nèi)容，下面簡(jiǎn)述怎樣完成冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
冷卻系統(tǒng)大致包括自然風(fēng)冷卻、自來(lái)水冷卻、循環(huán)水冷卻、冷凍水冷卻、冷凍鹽水冷卻以及液氮冷卻等。冷卻的目的是為了帶走反應(yīng)熱，所以設(shè)計(jì)的前提是對(duì)工藝過(guò)程中的各步反應(yīng)進(jìn)行熱量衡算，沒(méi)有理論計(jì)算的設(shè)計(jì)肯定會(huì)對(duì)日后的生產(chǎn)造成影響。在對(duì)兩重點(diǎn)19種工藝(含格式反應(yīng)) 一重大74種的危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)貯存過(guò)程中的安全性要有可靠的冗余。停止反應(yīng)時(shí)或停車系統(tǒng)ESD要有迅速停止反應(yīng)的措施。自然風(fēng)冷卻、自來(lái)水冷卻不是化工生產(chǎn)的方法，不在這里介紹。
循環(huán)水冷卻是冷卻塔、水泵和反應(yīng)設(shè)備組成的密閉系統(tǒng)，冷卻塔的工作原理是將熱水噴撒至散熱材料表面與通過(guò)的冷空氣接觸，此時(shí)熱水與冷空氣進(jìn)行顯熱交換，同時(shí)部分熱水蒸發(fā)，部分潛熱被帶到空氣中。冷卻塔有逆流、順流等模式。塔的降溫溫差一般在3-5℃之間?；み^(guò)程用此系統(tǒng)都是大流量，冷卻供水溫度以天氣溫侯為基礎(chǔ)，可冷卻至30℃左右。此系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)常檢修，青苔、結(jié)垢和銹渣對(duì)熱交換的影響非常大。尤其是夏季高溫天氣時(shí)，可能會(huì)停止熱交換，白白浪廢電力。這個(gè)現(xiàn)象不論是進(jìn)行化工系統(tǒng)的熱交換還是進(jìn)行冷凍機(jī)運(yùn)行都要注意。此系統(tǒng)一般用在常溫反應(yīng)裝置中。
冷凍水系統(tǒng)氟立昂壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)、湨化鋰吸收制冷系統(tǒng)。壓縮機(jī)系統(tǒng)有活塞式、螺桿式以 及離心式，系統(tǒng)循環(huán)由壓縮機(jī)、 膨脹閥、蒸發(fā)器以及冷凝器構(gòu)成。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，是以溴化鋰溶液為吸收劑材料，以水為制冷劑溶液，利用水在高真空中蒸發(fā)吸熱達(dá)到制冷的目的。循環(huán)冷卻水溫度常在7-12℃，控制回水溫度在12-15℃，是化工常溫反應(yīng)的基本冷卻方式，一般通過(guò)反應(yīng)器的夾套、半管夾套以及內(nèi)盤管等，設(shè)備材質(zhì)是金屬、非金屬以及搪玻璃等均可，此系統(tǒng)在冷卻水以軟化水或去離子水為佳，避免管道產(chǎn)生青苔、結(jié)垢和銹渣等影響傳熱效果。此系統(tǒng)是化工反應(yīng)的必備裝置。
冰機(jī)系統(tǒng)，也稱冷凍鹽水系統(tǒng)，冰機(jī)氟立昂壓縮機(jī)氨壓縮機(jī)系統(tǒng)，以鹽水或防凍液做為冷媒，循環(huán)冷媒溫度常在零下25-40℃以反應(yīng)器內(nèi)的即時(shí)溫度調(diào)節(jié)冷媒流量，也是化工低溫反 應(yīng)的基本冷卻方式，一般通過(guò)反 應(yīng)器的夾套、半管夾套以及內(nèi)盤管等，設(shè)備材質(zhì)是金屬、非金屬或者搪玻璃等均可。如果反應(yīng)器容量不大的話也有用復(fù)疊式(兩級(jí)壓縮)進(jìn)行超低溫冷凍(零下70～80℃)，冷媒一般用424(乙二醇水乙醇)或硅油(注意在超低溫時(shí)的粘度)。此系統(tǒng)用于不連續(xù)的超低溫反應(yīng)的裝置中(小于500L)。
液氮制冷系統(tǒng)，通過(guò)液氮?dú)饣瘜?duì)反應(yīng)器進(jìn)行深度降溫或通過(guò)液氮?dú)饣鋬龉栌?循環(huán))再對(duì) 反應(yīng)器進(jìn)行深度降溫，以反應(yīng)器內(nèi)的即時(shí)溫度調(diào)節(jié)冷媒流量，是化工超低溫反應(yīng)的冷卻方式，一 般通過(guò)反應(yīng)器的夾套、內(nèi)盤管等，有的反應(yīng)器較小也可用杜瓦瓶裝液氮直接通入反應(yīng)器中。設(shè)備及管道材質(zhì)選擇304不銹鋼或雙相不銹鋼。此系統(tǒng)在較大的或連續(xù)超低溫反應(yīng)裝置中是最有溫度保證的，能耗費(fèi)用也是最經(jīng)濟(jì)的。
以上4種冷卻方式，不僅要對(duì)設(shè)備類別、型號(hào)以及管徑進(jìn)行仔細(xì)選擇和核算，閥門、各類自動(dòng)儀表也要進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)，同時(shí)設(shè)備及管道 的絕熱(保溫)也要做特別說(shuō)明。關(guān)于化工過(guò)程中冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然國(guó)家和行業(yè)頒布了各種規(guī)范和文件，但是在生產(chǎn)過(guò)程中還是出現(xiàn)各種問(wèn)題，這就要求設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中設(shè)計(jì)人員與工藝和安全技術(shù)人員共同把關(guān)，最后由設(shè)備部門來(lái)實(shí)現(xiàn)工程的可靠及安全性。
作者：王廷福
