蒸汽—冷水混合器原理、特点及其在制药生产中的应用

2014-01-31胡大文

机电信息 2014年17期

杨连胡大文包涵

（1.中国医药集团联合工程有限公司上海分公司，上海200235；2.Superklean上海办事处，上海201203）

0 引言

通常而言，制药生产企业设备的清洗、工器具清洗、地面清洗都需要大量的水。尤其是中药产品或生产工艺中需要添加含有糖分、油脂类的产品，往往带有一定的黏性，与其接触的设备在使用完毕后不容易清洗干净，通常需要使用热水清洗。因此，在制药生产中所用的中转容器、周转桶、物料罐体、设备、地面以及提取车间、制剂车间的清洗间往往需要使用大量的能源将冷水转换成热水进行冲洗或浸泡处理。

目前，国内大多数工厂利用板式或者管式换热器将蒸汽和冷水换热产生热水，其优势在于水与蒸汽不直接接触，特别适合有无菌要求的工艺用水，可对作为辅配料的流体进行直接加热或冷却。

这种方式的弊端：（1）板式或管式换热器通过热传导的加热时间长，从开启设备到有稳定热水产生大约需要20～30min，不能瞬间产生热水，费时费事，且延长了现场工人的清洗操作时间；（2）板式或管式换热器的内部直径小、通道长，容易结垢，板式或者管式换热器设备的使用时间越长，不但要求频繁保养和维修，而且板片间结垢后热转换效率会逐渐降低，浪费更多的能源；（3）清洗板式或管式换热器的成本以及板片的更换成本都比较高；（4）板式或管式换热器的换热温度无法精准调节；（5）需要提供专用的场地放置板式或管式换热器系统和增压泵等设备，占地面积大，投资大，维护保养费用高，换热后的尾气难处理，能源消耗量大[1]。

另外，还有一种换热器为自制汽水混合器，又称“汽水葫芦”，制作成本虽低，但是安全隐患大。

这种方式的弊端：（1）会产生水锤，导致管道震动，严重时会造成管道焊接处开裂；（2）噪音大，即使加装消音器，也只能消除外部声音，无法减少管道震动；（3）蒸汽跑漏，导致烫伤事故的发生。

如何在冷水转换成热水的过程中，既能降低能耗，又能节约用水是人们所关注的。蒸汽—冷水混合器便是其中的最佳方式之一，本文将介绍蒸汽—冷水混合套件（蒸汽冷水混合器/常压水枪/软管挂架）的工作原理及其在制药企业清洗中的应用。

1 Superklean蒸汽—冷水混合器的工作原理与优势

1.1 Superklean蒸汽—冷水混合器的工作原理

Superklean蒸汽—冷水混合器的工作原理如图1所示。

Superklean蒸汽—冷水混合器能有效地解决目前制热水方式所存的问题，其工作原理：蒸汽和冷水分别通过单向阀（Check Valve）进入蒸汽腔和冷水腔（由于单向阀的作用，蒸汽和冷水不会回流进入供水管道中），打开水枪后就会有水流，水的流动将会在活塞（piston）的纵向平面上形成向左方的净压差，并将蒸汽阀芯（Steam Poppet）向左推动使蒸汽进入混合腔。蒸汽进入混合腔即与冷水混合，并对其进行加热立即产生热水。如果供水突然中断或水流停止（例如关闭水枪），活塞（piston）的纵向平面上净压差随即消失，蒸汽阀芯弹簧（Steam Poppet Spring）立即将蒸汽阀芯（Steam Poppet）向右推动，并在5 s内关闭蒸汽。

图1 Superklean的蒸汽—冷水混合器工作原理

1.2 Superklean蒸汽—冷水混合器的优势

在欧美等国，Superklean蒸汽—冷水混合器已经广泛应用于制药厂的一般区域及C、D区域的清洗间达20多年，安全可靠，使用方便，节能环保。其具体优势如下：

（1）蒸汽—冷水混合器的热转换率可以接近100%。

（2）蒸汽—冷水混合器可以通过温度调节阀根据实际需求进行温度调节，无需调换内部零件就可在0.2～1.0 MPa范围内的各种饱和蒸汽压力和冷水压力下工作，只要输入的蒸汽和冷水的压力稳定，输出热水的温度也将是稳定的，能够最经济、安全可靠地连续不断地按照设定的温度全年24 h提供热水。

（3）蒸汽—冷水混合器无污染、零排放，无需插电，即开即用，可瞬间将冷水转换为高达93℃的热水。

（4）蒸汽—冷水混合器独特的内部结构设计使得蒸汽在任何情况下都不会渗出。如果冷水突然断流（如关闭出水口、关闭水枪、停水），蒸汽—冷水混合器的蒸汽阀将在5～10 s内自动关闭蒸汽，蒸汽阀芯将把蒸汽和冷水隔离，使蒸汽与冷水不能混合，避免了因蒸汽泄漏导致工伤事故的发生，也避免能源浪费。

（5）蒸汽—冷水混合器的上下双出水口设计便于用户能从两端分别利用热水。底部主出水口可与软管和水枪连接用于清洗设备、生产场地、周转箱等。上部的次出水口可与硬管连接，在主出水口完成清洗工作后关闭，用户就可将次出水口作为热水器继续连续不断地产生热水，解决工厂内部的工人生活用热水的需要。蒸汽—冷水混合器的上下双出水口设计能够大幅度地节约用户的能源成本和投资成本。其设计精巧，可安装在墙壁，不占场地面积。实际应用案例如图2所示。

（6）蒸汽—冷水混合器使用蒸汽说明：1）商业用的蒸汽生产中一般都会加入一定的软化剂以防止锅炉结垢。另外在蒸汽输送过程中，因受到管道内部杂质影响，蒸汽管路焊接时会有一定焊渣残留，影响蒸汽质量和纯度，因此与冷水直接混合时，会有一定杂质和软化剂混入到热水里，不建议食品和制药行业应用于工艺用水。2）蒸汽压力在0.2～1 MPa内都适用，无需减压。3）必须依靠0.2 MPa以上冷水水压才能打开蒸汽阀开关，使蒸汽进入混合腔。如果单独打开蒸汽阀，蒸汽也不会进入混合腔，不会造成蒸汽泄漏。

（7）产品的零部件都采用符合医药级别要求的材质，故其能应用于医药生产中。

2 板式换热器与Superklean蒸汽—冷水混合器的比较

2.1 板式换热器

（1）产品特点：板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器的优点是蒸汽与水不直接接触，所以最适用于有无菌要求的生产现场。（2）驱动方式：通过增压泵增压冷水方可运行；使用饱和蒸汽。（3）换热方式：通过蒸汽加热换热器板片，使板片另一侧的冷水升温或降温。（4）加热时间：通过加热2～5mm的换热板片，通过热传递加热冷水，需要一定的加热时间。根据所需热水温度及流量不同，所需加热时间不等。（5）出水温度调节：温度可调。（6）热转换率：85%～90%。（7）恒温控制：可恒温。（8）进水水质：为减少板片结垢，最低条件为软化水。（9）出水水质：与原水相同。（10）进水水压要求：根据所需流量而定，必须加增压泵。（11）适用环境：洁净室可注入生产线，不可与胶管、水枪直接连接，可作循环水保温系统。（12）使用成本：水、蒸汽、电、增压泵、加热板片。（13）保养成本：定期清洗或更换加热板片，密封件、易损易耗件、增压泵保养，保养频率和成本高。

2.2 Superklean蒸汽—冷水混合器

（1）产品特点：利用现有蒸汽和冷水管道，通过蒸汽与冷水直接混合，可全年24 h即时且连续不断地产生恒温的高温热水，可任意调节。蒸汽—冷水混合器的上下双出水口设计，主出水口可与软管和水枪连接用于清洗生产场地、设备、中转容器等，上部的出水口可与硬管连接，用于生活用水。产品独特的内部结构设计使得蒸汽在任何情况下都不会渗出，如冷水断流，可自动关闭蒸汽阀，不会造成蒸汽跑漏，保障使用安全。（2）驱动方式：常压自来水和蒸汽压力。（3）换热方式：通过蒸汽与冷水直接混合。（4）加热时间：即热式。即开即有即用，即关即停。（5）出水温度调节：所供冷水温度至93℃之间任意调节。（6）热转换率：100%。（7）恒温控制：蒸汽和冷水压力稳定情况下可恒温。（8）进水水质：自来水即可，水质要求低。（9）出水水质：与原水相同。（10）进水水压要求：0.2 MPa冷水和饱和蒸汽。（11）适用环境：在C/D级洁净区，用于清洗设备、地面、中转箱、周转盘、物料罐体、提取车间和制剂车间中的清洗间都需要使用热水进行冲洗或浸泡处理，循环水保温系统。（12）使用成本：水、饱和蒸汽。（13）保养成本：易损易耗件、保养频率和成本都很低。

2.3 板式换热器与Superklean蒸汽—冷水混合器的比较

由2.1与2.2中可看到：

（1）板式换热器由于设计的限定，其热转换的最高效率（理论上）为85%～90%。实际上由于板片结垢，可能还要低的多。由于设计原因，板式换热器的输入端与输出端的压差很大，在运行过程中必须使用增压泵（耗电）来保证输出端的压力。若要暂停使用，必须人工关闭蒸汽源和切断水泵的电源，费时费事，因此这类产品适用于连续不间断工作。通过对比可知，板式换热器适用于工艺用水，但板式换热器的耗能大、体积大、成本高、投资大，需要定期清洗板片污垢，因此保养维护成本高。

（2）Superklean蒸汽—冷水混合器是一款节能环保的产品，无需插电，瞬间加热，即开即用，振动小、噪音低、无水锤现象、体积小巧，购买及维护保养成本低，100%热转换，既能节约生产成本，又可提高卫生标准，但Superklean蒸汽—冷水混合器只适用于非工艺用水。在非工艺用水方面使用蒸汽—冷水混合器转换热水，至少可以节约15%的能源费用，按照大型企业每年花费4 000万～5 000万人民币的蒸汽能源费用估计，每年就可节约600万～750万人民币的能源费用（其中还不包括板式换热器所需增压泵的电能消耗），其他中小企业节约的能源费用可以以此类推。

3 Superklean蒸汽—冷水混合器在制药生产中的应用

高压水枪是通过动力装置使高压柱塞泵产生高压水来冲洗物体表面，水的冲击力大于污垢与物体表面的附着力，高压水就会将污垢剥离、冲走，达到清洗物体表面的目的。高压水枪的增压泵一般采用陶瓷泵、柱塞或斜盘泵，电机均为水冷方式。一般连续工作4 h，不可用于全天24 h连续工作，适用于重工、工矿设备的检修维护等行业。高压水枪需要电源或燃油发动机驱动运行，出水压力大，便于移动，适合在取电方便或者对燃油排放无要求的环境下运行。热水高压清洗机的最高温度可达155℃，即蒸汽状态，所需加热方式是燃油锅炉加热，有一定排放。电加热锅炉的最高温度可达80℃，无污染，但是需要一定的加热时间，连续出水时流量低，因此清洗效率较低。

国内制药厂目前在一般区域主要是用自来水管冲洗，或在C、D区域的清洗间的不锈钢水池中清洗。较之热水，常温自来水洗涤的洗净力较差，水资源浪费多。因为单独使用胶管冲洗不但用水量大，而且由于出口水压下降明显，清洁效果差、清洗效率低，虽然普通胶管购买成本低，但是每天清洗量越大，水资源浪费越多，因此，单独使用胶管冲洗不但不利于环保和节约成本，而且从产品卫生安全方面考虑，也存在很大的隐患。因为一般工人冲洗之后会直接将胶管放在地上，而胶管是敞口，没有密封装置，胶管里面的水会流出在地面形成积水，很容易繁殖细菌，且顺着胶管向纵深繁殖，下一次工人再用胶管冲洗生产线上的灌装设备或者其他设备，这些细菌就会对生产线上的药物等直接或者间接造成二次污染。

制药行业的外围C、D区域的清洗间内极少有高度污染的工况，所需要清洗的设备、生产场地、中转箱、罐体等，使用低压（0.2MPa水压即可）一般热水就可以完全清洗干净。采用Superklean的常压水枪有如下优点：（1）可以避免细菌滋生产生二次污染，因为一旦水枪关闭后，即使水枪与胶管放在地上，细菌也不可能通过关闭的水枪在胶管里面繁殖，且水枪可放在专门设计的U形环上，国内用户使用如图3所示；（2）水枪进水口和喷嘴的设计可以提高清洗效率，因为水枪能够增加进入水枪腔体内水的压强，增大冲击压力，可以大大提高清洗的速度和效果，降低劳动强度。另外，Superklean的常压水枪还设计有自动关闭水枪的功能，对比胶管冲洗或者清洗同类物体，至少可以节约30%用水量。适宜对固体制剂车间内周转桶的冲洗，同时热水对洗涤含淀粉类的黏附物比冷水清洗效果要好。

图3 国内用户使用点实景

按照0.35 MPa水压、3/4英寸管径的水管的内流量为29.73 L/m in，若每天清洗4 h，每年用水量为3 720.62 t。如果使用Superklean常压水枪，出水流量为24.75 L/m in，每年用水量为2604.44 t，这样每年可节约用水量1116.18 t。按照上海地区工业用水价格3.62元/t计算，每把Superklean常压水枪可节约4 040元/年。如工厂需要的清洗点有20～100个，那么使用常压水枪每年可节约80 800～404 000元。