药剂研究开发中心站实验室换热间。

石化、精细化工及制药等流程工业中，换热是一种常用的工艺手段，换热过程是不同工艺介质之间热量交换和转移的过程。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高流程工业能源利用效率的主要突破点之一。

工艺换热包括加热和冷却两种热量传递方向不同的基本方式。根据冷却传热介质的工作温度或被冷却工艺物料所达到的温度，工艺冷却还可以被区分为撤热冷却（冷却介质和工艺物料在环境温度以上）、低温冷却（冷却介质和工艺物料在环境温度至-30℃之间）和深度冷却（冷却介质和工艺介质在-30℃以下）。在流程工业中，对上述区分尚没有一个统一的严格界定。

换热流程与传热系统

根据生产工艺要求，传热系统可以设计为采用单一温度加热或多种温度加热、单一温度冷却或多种温度冷却、加热和冷却交替进行等不同换热流程的系统。

在同一传热系统内通过同一设备对工艺物料进行加热和冷却交替的换热，或同时通过不同设备对工艺物料进行加热和冷却的换热过程是一种复杂的换热流程，此类系统与具有简单换热流程的传热系统相比，其复杂性在于加热和冷却过程的热量传递方向完全相反，同一系统中两个换热过程之间发生的相互作用，会使加热和冷却换热的功能和能力抵消或降低，且其能源利用效率会降低。此外，不同工作温度的换热对传热介质的性质和性能要求不同，加热和冷却换热之间的温差越大，所用传热介质在热态和冷态条件下的性质和性能差异就越大，对换热设备和系统在换热效率和安全运行方面的影响就越大。

以下仅针对具有加热和冷却需求的换热流程，根据一般性工艺要求的情况，就简化其换热流程，降低能源消耗，提高设备生产效率等问题进行分析。

加热和撤热冷却工艺

具有加热和撤热冷却需求的换热流程通常用于石油化工及精细化工流程中合成、加氢、分离及干燥等工艺，这些工艺过程一般被控制在适当的温度范围内进行，在此过程中需要通过换热以实现流程温度的控制。完成工艺过程后，需要将处理后物料的温度调整到下道工序所要求的温度，为了缩短操作时间，提高生产效率，一般会对高温物料进行撤热冷却并回收其中的余热加以利用。

根据工艺换热目的和工作温度的不同，加热和冷却可分别在两个设备中进行，并可以在换热过程中使用相同或不同的传热介质。而传热系统设备的增加，将会提高投资成本和系统的复杂性。

为了便于工艺流程切换和简化系统，加热和撤热冷却过程可在同一设备中完成，并使用同一种传热介质，该介质既能适用于加热条件又能适用于冷却条件，并应在工艺温度变化范围内具有良好的传热和安全性能。

如某化工厂15台反应釜，物料的合成反应温度为280℃，反应后物料退料温度为140℃，加热介质的工作温度为310℃。反应釜原设计仅有加热流程，反应后物料需要自然冷却至退料温度，生产效率较低。为了提高反应釜的生产效率，该厂在工艺系统中增加撤热冷却流程，传热介质的工作温度为120℃，撤出的余热用于加热生产用水。

为了最大限度缩短反应釜内的物料冷却时间，同时简化系统设计，采用了使用同一种传热介质THERMINOL 62（具有优良的热稳定性和良好的低温流动性的液相合成型有机热载体，可满足-20℃～330℃温度范围内加热和冷却的换热需求）完成物料的加热和撤热冷却过程，并采用在反应釜加热盘管的进出口处对加热和冷却的传热介质进行自动切换，使高温和低温传热介质依次通过原有反应釜加热盘管直接对物料进行加热及撤热冷却。

经过对该流程的简单改造，仅在原有生产系统中增加了一台低温传热介质循环泵和一台油/水换热器（作为该系统的冷源，并用于生产热水）。改造后每釜物料的冷却时间可以缩短2/3，同时系统耗能也有所下降。

加热、撤热冷却和低温冷却工艺

具有加热、撤热冷却和低温冷却需求的换热流程通常用于精细化工、生物化工和制药等工业流程中合成、氢化、分离、提纯和萃取等工艺。生产工艺中的合成、氢化及气液分离等工序大多需要在较高的温度条件下实施，而固液分离、低温提纯和萃取等工序大多需要在较低的温度条件下实施。此类情况下如首先对高温物料进行撤热冷却，将高温物料中的热量回收，并利用环境温度条件对物料进一步冷却降温，即可提高传热系统的热能利用率和减少冷能消耗量。在撤热冷却的基础上，再对物料进行低温冷却，既节能又可降低生产成本。

如将此工艺过程设计在多个设备中进行，则传热系统至少需增加一台设备，增加了设备投资和系统的复杂性。

为了简化系统操作、减少设备投资，将此工艺过程设计在同一设备中完成，并在三个换热过程中使用同一种传热介质，该传热介质既能适用于加热条件又能适用于低温冷却条件，并在工艺温度变化范围内具有良好的传热和安全性能。

如某药业公司研发中心的研发及生产用反应釜，物料的合成反应温度为130℃，反应后物料的结晶温度为-20℃，加热介质的工作温度为150℃，撤热冷却介质的工作温度为40℃，低温冷却介质的工作温度为-25℃。如果采用三种不用的换热介质（即采用150℃的低压蒸汽、常温冷却水以及盐水或乙二醇水溶液），因其各自的物理性质或使用条件不同，三者不能混合，故只能通过多个换热设备完成三个换热过程，增加了生产成本和系统的复杂性。

根据国外工艺供应商的要求，该工艺系统需要使用同一种传热介质，并且应在同一个设备中完成三个换热过程。因此选择一种既适用于150℃以上加热又适用-25℃以下冷却，同时还应符合药品生产所要求安全条件的传热介质，是该工艺流程设计的一项重要工作。

该系统使用的传热介质是THERMINOL D12，一种具有良好的热稳定性、低温流动性和适中的高、低温传热性能的液相合成型有机热载体，可满足于-60℃~230℃温度范围内加热和冷却的换热需求。THERMINOL D12 具有良好的安全性，并获得了FDA认证，可以在食品和药品生产的间接加热系统中使用。

加热、撤热冷却、低温冷却和深度冷却工艺

同时具有加热、撤热冷却、低温冷却和深度冷却需求的换热流程在国内流程工业中并不多见。随着大量新技术和新工艺的引进和应用，精细化工、生物化工和制药等工业流程中将合成、氢化、分离、萃取和冻干等诸多工艺组合应用，成为工业领域工艺改造和技术发展的新趋势, 因而此类复杂的换热流程逐渐得到实际应用。

将上述四种换热工艺置于同一工艺系统，其难点在于如何根据工艺要求及其工作温度条件，设计一个简单合理的换热流程，既能符合工艺需求又可实现低能耗、低成本。

在4个换热过程中，各种换热流程之间的差异、工艺加热及冷却的负荷大小和分配方式以及传热介质的工作温度要求，是传热系统设计需要的基础条件。对于具有多种换热需求的复杂传热系统而言，设计中使用的传热介质种类越少，其换热流程和传热系统设计就越简单。

首先应根据各个过程在工艺目的和工作温度方面的差异，将需要由热源提供热量和由冷源提供冷量的两类换热情况区分开来，把操作负荷或工作温度差异最大的换热过程与其他换热过程分别处理，并尽可能避免将两个工作温度相差较大的换热过程安排在相邻的换热流程中；适合在同一设备中完成的换热过程可合并在同一个换热流程之中；需要在不同设备中完成的换热过程，尽可能采用与其他设备工作温度相近的同一种传热介质；不同的换热过程需要传热介质的工作温度差异不大时，应尽量选择使用同一种传热介质。

在传热系统中，作为热源的设备应按照加热过程所需的最高工作温度和该系统最大加热负荷确定其供热能力，对于系统中各加热过程所需工作温度更低的传热介质（包括撤热冷却传热介质），一般可按照其需要的工作温度，将系统中具有不同温度的同一种传热介质按比例直接混合而获得，或通过与外界低温介质换热后获得；作为冷源的设备则应按照低温冷却负荷和深度冷却负荷的大小及其工作温度分别配置系统的制冷能力，因为在制冷过程中，与低温冷却负荷相比，相同冷量的深度制冷需要消耗更多能量，故从节能角度考虑，需对其冷却负荷分类管理，并推荐将经一级制冷后的低温冷却用传热介质，经二级制冷系统换热后，使其达到深度冷却所需的工作温度，有利于减少制冷设备的投资、降低能耗。

如某精细化工公司的医药中间体生产车间，其生产工艺中包括4个换热过程，即加热过程（传热介质工作温度为300℃）、撤热冷却过程（两种传热介质的工作温度分别为150℃和40℃）、低温冷却过程（传热介质工作温度为-25℃）和深度冷却过程（传热介质工作温度为-50℃），其中深度冷却为间歇性操作，其余为连续操作。

根据需求，该生产工艺需要通过一个热源向加热介质提供热量，故在该系统内设置一台电加热有机热载体锅炉作为热源；同时需要通过冷源向3个冷却过程提供冷却及冷量，按照设计温度要求，在该系统内设置四种不同型式的冷源。对于撤热过程使用的两种传热介质采用两段分别冷却方式，即第一段是将生产原料作为冷源，采用余热回收利用方式将第一种传热介质冷却至150℃，第二段采用循环冷却水作为冷源传热介质冷却至40℃；通过一级制冷系统为低温冷却过程使用的传热介质提供冷量；深度冷却过程使用的传热介质，是经一级制冷系统冷却后，又通过二级制冷系统循环并由其提供冷量的传热介质。

该系统首先利用撤热过程中得到的余热对原料罐中的生产原料预热，缩短了物料在反应釜内的预热时间，采用经锅炉加热后的高温有机热载体对釜内工艺物料加热至反应温度。由于物料的撤热过程和预热过程需要在同一步骤的流程中连续进行，而加热过程与撤热过程需要在同一反应釜中完成，所以物料的加热、撤热和预热过程需要在反应釜和原料储罐两个设备中完成，但三个换热过程可由同一种传热介质完成。

反应后的物料经第一段撤热冷却达到退料温度时，物料将进入低温分离器进行第二段撤热冷却和低温冷却，即使用40℃的传热介质继续对物料撤热，并在达到其撤热冷却温度后，切换低温传热介质对其进行低温冷却，直至物料达到工艺要求的低温分离温度。完成低温分离后的物料被送入速冻干燥器进行深度冷却以脱水干燥。虽然第二段撤热冷却和低温冷却过程在同一设备中完成，而深度冷却过程是在独立的设备中完成，由于深度冷却与低温冷却过程采用同一种传热介质，故3个换热过程使用同一种传热介质。

该系统在加热和第一段撤热冷却过程使用的传热介质为THERMINOL 66（适合用于高温低压条件的液相合成有机热载体，具有优异的热稳定性和热物理性质，适用于-7~350℃的操作范围）。该系统在撤热冷却、低温冷却和深度冷却过程使用的传热介质为THERMINOL D12.

换热流程的简化和传热介质的选择

可以看到，对复杂换热过程中使用的换热设备及传热介质进行合理地设计和选择，能够达到简化换热流程、减少设备投资、提高设备生产效率和节能增效的目的。

提高换热效率是换热过程中达到节能增效的核心要求。传热介质的性质及其选择和使用方式对换热过程起到直接作用，在同一工艺系统中减少所使用传热介质的种类，即简化了整个工艺的复杂性。

根据工艺换热要求正确地选择复杂换热过程需要的传热介质，其选择要点是适用于宽泛的工作温度、化学性质稳定、在工艺温度变化范围内具有良好的热物理性质和高/低温操作性能。同时，所选择传热介质还应符合与工艺物料不发生反应、对设备不腐蚀、对操作人员健康不具危害且环境友好的基本条件。