热压蒸馏水机的应用及技术探析

2013-08-27邵春林

机电信息 2013年26期

邵春林

(常州朗脉洁净技术有限公司，江苏常州213149)

0 引言

热泵技术是当今能够有效利用低温热源中蕴藏能源的主要方法之一，是一种十分有效的节能技术。顾名思义，热泵就像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源(如空气、土壤、低压水蒸气、太阳能、工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤、燃气、油、电等)的目的。热泵虽然消耗了一定的高位能，但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和，故采用热泵装置可以节约高位能。

自20世纪70年代的世界能源危机以来，各个国家都意识到了能源的稀缺性及能源对国家发展的战略重要性。因此，各国加大了对各种节能产品的研究开发的投入，不少国家对热泵这一节能技术产生了浓厚的兴趣，在工业生产中得到积极应用。

在我国，热泵技术的应用尚在初级阶段，目前已将热泵技术应用于空调、地热利用、造纸厂黑液的浓缩、制药厂注射用水的生产、化工厂亚硫酸钠和氯化钡的制备、淀粉厂玉米浸泡液的凝缩、处理燃料废水等方面。

1 热压蒸馏水机的节能意义

长期以来，采用蒸馏法生产注射用水(简称蒸馏水)的技术装备发展过程比较缓慢，目前在我国制药行业，90%的制药厂家在注射用水生产过程中，采用多效蒸馏水机，这是因为多效蒸馏水机具有结构简单易操作、节能效果较好、操作稳定、出水温度高等优点。其实还有另外一种更加节能的蒸馏水机——热压蒸馏水机，它比多效蒸馏水机的节能效率要高60%。

热压蒸馏水机是根据热泵蒸发理论应用于注射用水生产的高效节能设备，主要原理是利用蒸汽压缩机(又称热泵)，将一次蒸发后产生的二次蒸汽压缩后，提高其热焓量及温度，使其中本来由于压力较低而无法利用的潜热得到再利用，然后将压缩后的二次蒸汽再送回蒸发器的壳程，作为主要的加热源来加热未被蒸发的原水，将热能交换后，其本身冷凝下来成为蒸馏水。表1为热压蒸馏水机、多效蒸馏水机能耗指标对比表(以产量为1 000 L/h的注射用水为例)。

表1 热压蒸馏水机、多效蒸馏水机能耗指标对比表

若成本依据蒸汽240元/t、电费0.8元/kW·h、冷却水(软化水)2.50元/t计算，由表1可见，热压蒸馏水机能耗仅为现在的多效蒸馏水机的32%，现阶段研制的符合新版GMP要求的洁净型热压蒸馏水机具有重要的经济意义和环保价值，符合国家的节能环保政策。

2 热泵蒸发理论及其在注射用水生产上的应用

2.1 蒸汽压缩式热泵技术在蒸发单元的应用

按照热泵系统的热力循环形式，通常将热泵分为如下几类：蒸汽压缩式热泵、气体压缩式热泵、蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵，现只讨论蒸汽压缩式热泵。

蒸汽压缩式热泵主要采用的是离心式、罗茨式、活塞式、漩涡式等压缩机。机械压缩式蒸发器的简单示意图如图1所示，蒸发器产生的二次蒸汽经蒸汽压缩机压缩后提高压力，再作为加热蒸发器的加热源，当压缩机运行后几乎无需补充加热蒸汽。

图1 带机械压缩式热泵的蒸发

二次蒸汽压缩的主要优点是节能效率高，每压缩1 kg二次蒸汽，若温差为22℃，每小时仅需压缩机的轴功率54.12 W；若温差为5～10℃，每小时1 kW压缩机的轴功率的蒸发量可达13.5～40 kg。图2为蒸发量与蒸发温度之间的关系，表示1 kW·h电能输入到压缩机在不同蒸发温度下的可蒸发水量，图中Δt是传递面的蒸汽冷凝侧与蒸发侧之间的温度差，3条直线表明采用较高的蒸发温度、较低的平均温度差，则节能效果越好。

图2 蒸发量与蒸发温度之间的关系

绝热压缩的动力Wad计算公式：

式中r——绝热指数，r=1.33；

P1——蒸发侧压力；

P2——冷凝侧压力；

V1——二次蒸汽量。

利用莫里尔(Mollier)蒸汽焓熵图，可以求出压缩过程焓的增值。压缩机的单极最大压缩比为1.8，一般以1.5倍左右为最经济。衡量热泵工作效率的指标是热泵的致热系数(Coefficent Of Performance，通常可缩写为COP)，则COP=输入蒸发器热量-热介质显热压缩机耗功，即可利用的能量与全部输入的操作能量的比值，COP值越高，则表明热泵输入能量利用率越高。

2.2 热泵技术在制药行业的应用——热压式蒸馏水机

水是药品生产中用量最大、使用最广的一种原料，而在所有无菌制剂制备中必不可少、用量最大的原料就是注射用水，按《中国药典(2010版)》规定，注射用水的制取必须采用蒸馏法制取。

在蒸馏水设备中采用机械压缩式热泵蒸发技术具有突出的优点，由于热泵的作用，原水的蒸发在接近负压和较低的温度差(5℃左右)下进行，而且热泵的工质就是物料本身，从而大大减少蒸发冷凝时所消耗的能量，使热泵的致热系数COP值大为提高，一般可达25～40，有的甚至更高。因此，热压蒸馏水机只消耗极少的能耗即可制得注射用水，是目前所知的耗能最低的注射用水生产设备。

2.3 热压式蒸馏水机的最大优点——节能效果显著

用百分率焓流图表示多效蒸馏水机和热压蒸馏水机的耗能情况，分别如图3、图4所示。

图4 RY1000型热压式蒸馏水机的百分率焓流图

由图3可以看出，当采用多效蒸馏水机蒸发时，其进入的热量大部分都从冷凝器散失了。图4表示热压蒸馏水机的热焓流情况，蒸发产生的二次蒸汽，经热泵提高压力和温度，重新作为加热蒸汽使用，大量的热量在系统内循环，因而耗能很少。由于水的蒸发潜热在热泵系统中被循环使用，这样既节约了蒸发水所需要的热量，又省去了二次蒸汽冷凝所需要的冷却水。在蒸馏过程中需要外加的补充能量只是驱动热泵运转所需要的电能和为了保持系统正常工作所消耗的少量补充能量(蒸汽或电能)，这些补充能量可以补充排出蒸馏水和不凝性气体所带走的预热、环境热损失等。

图5为热压蒸馏水机的流程图，常温原料水经蒸馏水换热器E及不凝型气体换热器F被预热，进入蒸发冷凝器B的管程，在换热管内被蒸发成二次蒸汽，然后经过顶部迷宫分离器除去水滴，再经侧面的蒸汽管进入蒸汽压缩机A(即热泵)，二次蒸汽被热泵压缩后，其温度升高5～7℃，驱动蒸汽压缩机的电能转换为饱和蒸汽的热能。经过压缩后热焓量提高的二次蒸汽，经由蒸汽排出管进入蒸发冷凝器B的壳程，在加热换热管内原料水的同时自身冷凝为蒸馏水。由于其在冷凝时释放出大量的冷凝潜热，正好作为换热管内原料水的加热源，这样就既节省了加热蒸汽，又省去了冷却水。蒸发冷凝器B内生成的热蒸馏水经回流罐D及蒸馏水泵进入蒸馏水换热器E的壳程，和管程内的原料水进行热交换；回流罐D上部的不凝型气体含有一定的剩余热量，进入不凝型气体换热器E的壳程，和管程内的原料水进行热交换。经过以上的流程，几乎所有的热量都在机器内部被充分的热交换利用，蒸发过程中除了压缩机的耗电以外，只需要补充极少量的外部加热蒸汽即可，以抵消外壳散热等热损失。

图5 RY型热压蒸馏水机流程图

2.3 热压蒸馏水机的特点

热压蒸馏水机的特点有：

(1)节能效果显著，仅为多效蒸馏水机的32%。

(2)不消耗冷却水。

(3)可全部采用电能，不消耗加热蒸汽。

(4)不属于压力容器，制造检验管理成本低。

由于以上的特点，使得热压蒸馏水机具有多效蒸馏水机不可取代的优点，在一些项目和地区具有很强的优势，如大输液项目、缺水缺煤地区、电力富裕地区、只能用电无蒸汽的开发区等。但热压蒸馏水机和多效蒸馏水机相比，也存在一些缺点：(1)由于换热面积庞大，成本较高，约高出多效蒸馏水机30%。(2)机器的维护需要较高的人力成本。(3)耗电量较高。

3 洁净型热压蒸馏水机技术要点

3.1 洁净型热泵技术

洁净型热泵应采用旋涡式蒸汽压缩机，材质为316L不锈钢，精密铸造，表面粗糙度Ra0.4 mm，易制造、成本低、体积小、稳定性高，采用自排尽结构，设计符合医药行业的洁净要求。

3.2 自紧式洁净型(热泵)机械密封

热压蒸馏水机的蒸汽压缩机工作时的转速在4 500 r/min，其压缩的介质纯蒸汽本身就是产品(冷凝液就是注射用水)，由此对蒸汽压缩机的密封结构要求符合医药的洁净度要求，即结构简单无死角、无磨损不易脱落、表面光滑微生物不易生长等。

常规机械密封只能用在转速1 500 r/min以下，而转速在3 000 r/min以上的机械密封则通常结构复杂，并且其动静环的材质很难达到医药行业的洁净要求，应采用独特的高硬度填充聚四氟乙烯作为静环，高耐磨的二氧化硅陶瓷作为动环，并经磨床研磨表面粗糙度达到Ra0.2 mm；静环在安装时和动环保持一个向压力高的一面的角度，当正常工作时由于压力差的作用，静环上始终保持一个压力达到自紧的作用。这样既能依靠自紧力保持高转速下的密封，又有高强度高耐磨材质保证符合医药洁净度的要求。

3.3 采用洁净式大直径双管板换热器

热压蒸馏水机中除了蒸汽压缩机，其余制药部件均为换热器结构，如蒸发冷凝器、蒸馏水换热器、不凝型气体换热器等。

由于医药行业的特殊性，药品生产管理规范(GMP)要求注射用水的制备、贮存和分配应当能够防止微生物的滋生，要避免死角、盲管、2种介质的交叉污染。其体现在换热器的设计中就要求不能有死角、圆滑过渡、料液水要能够排除干净不残留、双管板结构设计防止冷热媒体介质交叉污染料液等。

大直径双管板换热器为医药级列管式双管板结构，列管结构无死角容易清洗，双管板的结构可以有效防止注射用水和非洁净的加热或冷却介质交叉污染。常州朗脉公司在大直径双管板洁净式换热器的设计制造中已经具有丰富的经验，完全可以将这种技术运用到热压蒸馏水机中。

3.4 洁净式可在位消毒管路系统

多效蒸馏水机可以在冷态状态下迅速启动，在启动前无法对原料水管路进行消毒灭菌，在多效蒸馏水机启动后的一段时间内，若生产出的蒸馏水不能满足GMP的标准则必须排放掉，造成原料和能源的浪费，不利于节约生产成本。

热压蒸馏水机在冷态状态下启动时间较长，需要将原水加热至沸腾，产生的二次蒸汽要连续流过蒸汽压缩机，使压缩机的叶轮和机壳受热后膨胀，直至达到其顶间隙和侧间隙均匀一致，不会发生剐磨的风险，此时压缩机才能启动，这个启动时间约1 h。这样一段较长的预热时间内，热压蒸馏水机可以有充足的时间对原料水管路进行消毒灭菌，采用洁净型气动隔膜阀连接各个管路，组成可在位消毒的管路系统，利用预热产生的流动二次蒸汽，在设备启动前即可完成所有管路的消毒。

4 市场前景

4.1 国内市场情况

目前国外医药行业使用热压蒸馏水机的市场占有率约为15%左右，所知的品牌有STILMAS、PANZINI、BRAM-COR等。国内情况是使用进口的热压蒸馏水机约30余台，宝鸡制药机械厂是国内唯一生产热压蒸馏水机的厂家，目前的累计销量约300余台，近年由于各种原因已经基本停产。目前国内热压蒸馏水机的生产制造的市场是空白。

4.2 未来市场预测

按照市场占有率15%计算，热压蒸馏水机的年销售量应在80台左右，按每台每年节能34.74万元计(以2 000 L/h规格为例)，每年节能约为2 779万元。

按照热压蒸馏水机的优点，市场开拓可以按照如下的方向发展：(1)煤炭能源紧张的地区，可有效减少锅炉吨位的投资；(2)电力资源丰富的地区；(3)缺水地区，热压蒸馏水机不消耗冷却水；(4)不能使用蒸汽的开发区等厂区，热压蒸馏水机可完全采用电加热，最大规格可至2 000 L/h(电功率90 kW)，而多效蒸馏水机完全达不到；(5)注射用水用量大的用户，使用热压蒸馏水机产量越大，单位蒸馏水的能耗就越低；(6)以后可以考虑向食品行业发展。