连续三效板式蒸发器在中药金银花浸膏浓缩中的应用研究

肖红涛 张伟 曹祥

摘要：介绍连续三效板式蒸发器的结构、原理和特点以及中药浸膏浓缩的工艺要求，总结了设备在产品浓缩过程中的常见问题和解决措施。为该设备更好的应用于中药制剂的生产提供参考。

关键词：三效板式蒸发器;浓缩;浸膏;制药设备

引言

金银花的提取物是江苏康缘药业股份有限公司主要产品热毒宁主要成分之一，该药品在提取制剂过程中需要进行浸膏的浓缩，而该过程常用的提取浓缩设备对产品的有效成分破坏较大，在此制剂生产过程中经与制剂设备厂家进行协作，采用连续三效板式蒸发器对金银花浸膏进行浓缩精制，保证了产品有效成分不被破坏。

1.三效板式蒸发器设备概述

板式蒸发器是广泛应用于食品加工、果汁浓缩、饮料生产、乳品生产、制药行业、淀粉行业和生物工程等领域。减压升膜三效板式蒸发器，带热压缩泵，用于金银花提取液的浓缩，突出优点是能源利用效率高，蒸汽耗量小。完成所要求的蒸发量——水蒸发能力不小于5000 kg/h，蒸汽耗量不超过1146 kg/h。

该系统的核心部件采用进口板式蒸发器，并可实现自动控制，蒸发器操作的关键是控制蒸发器内金银花提取液进料流量、生蒸汽进料压力和各效的蒸发温度与压力是否在合理的设计范围之内，有关技术规格如下：①采用升膜及泵辅助循环的工作方式，可以将金银花提取液浓缩到固含量60.0%以上，采用密度计保证浓缩液出料固含量;②采用减压浓缩，末效分离器内真空度可达到10 kPa以下，并可根据末效的真空度对最终浓缩液出料的温度进行控制。③物料进料流量为3000～6000L原料金银花提取液/小时，系统根据出料浓缩液的密度进行调节，亦可手动设定;④机组内配置热压缩泵（TVR），以达到高的蒸汽效率。⑤二次蒸汽冷却方式：列管式换热器;⑥冷却水温度：入口温度：35℃ /出口温度：40℃，流量约为162.4 m3/小时，压力2.5～4 barg;⑦动力蒸汽：7 barg压力，耗量约1146 kg/h （不含预热）;⑧采用中控室上位机操作方式，可实现自动开机运行、自动停机和紧急停机功能，亦可实现手动操作来控制蒸发器。控制柜中包括PLC，可以实现出料控制、蒸汽控制、进料流量控制、泵的变频控制、CIP清洗流程等功能，可实现设备自动操作;⑨整机可实现完全的CIP清洗，可通过控制室上位机来进行操作。

2.设备特点

（1）操作简单、方便。①蒸发器的开车、停车、操作简单快捷，实现自动控制，一键式操作，运行稳定。② 蒸发器开车时间短，停车后可在短时间内将蒸发器中的物料排空。③对进料浓度的变化适应性很强，可在很大的浓度范围内高效工作。④通过视镜能方便地进行蒸发观察，并可方便地进行调节。

（2）适宜热敏性物料的蒸发。①物料在蒸发器内的停留时间短，从而可保证热敏性物料的优良品质。②在真空操作下，更能可靠地保证热敏性物料的品质。

（3）适用性强。①可适用于不同进料浓度中药提取液的蒸发操作。②通过方便地调整蒸发温度可满足不同介质对蒸发温度的要求。

（4）能耗低、易实现多效操作。①与传统的管壳式蒸发器相比，板式蒸发器可适当降低各效间传热温差，仍能保证较高的传热系数，因此在总传热温差一定的条件下很容易实现多效操作，从而达到降低蒸汽消耗的目的。②带热泵的三效蒸发器使用相当于不带热泵的四效蒸发器，因此可以比简单的三效蒸发器节省更多的蒸汽。③三效蒸发器在真空状态下工作，降低金银花提取液沸点，提高中药提取液闪蒸的比例，从而可节省大量热能。

3.连续三效蒸发器工艺设备组成

该工艺流程主要由板式预热器、三效板式蒸发器和气液分离器、冷凝器、热泵、料液泵、以及抽真空系统等组成。

（1）平衡罐。平衡罐（图1）主要用于金银花提取液进料泵的平衡，同时平衡罐可以配合自动控制系统以实现药液进料浓度的控制，使药液经过三效蒸发后，得到的浓缩液浓度在一定的范围内，保证产量的稳定性。

图1  平衡罐

（2）蒸汽喷射式热泵。当浓缩水溶液时，为了进一步提高热经济性，可以在原有的多效蒸发流程中加入一个蒸汽喷射式热泵，从第1效中带回一些二次蒸汽，与高温高压的动力蒸汽混合后进入第1效重新用来加热原料液，从而回收部分低品位的热能，并可减少生蒸汽的耗量，并提高蒸发操作的热经济性。例如三效热泵蒸发的蒸汽消耗可达到四效的水平。蒸汽喷射式热泵蒸发尤其适用于热敏性物料、沸点升高值小的物料和能够提供高压蒸汽的场合。蒸汽喷射式热泵稍加变化还可用作过热蒸汽变为饱和蒸汽的装置。蒸汽喷射式热泵的构造（图2）与Venturi管类似，结构简单，并无传动装置。

图2  热泵构造图

（3）板式蒸发器。金银花提取液进入板式蒸发器（图3）一侧，热介质蒸汽在另一侧进行加热，使金银花提取液发生部分汽化，然后含有气液两相的混合物同时进入气液分离器中，分离后的液体进入后一效冷侧继续蒸发浓缩，饱和汽体则进入后一效的热侧去加热料液，从而实现热能的最大化利用。

图3  板式蒸发器

（4）分离器。在分离器的设计上，通过找出二次蒸汽从介质液面蒸发逸出的最佳参数，确定最佳高径比。分离器内部构造的特殊设计，可使其在高浓度溶液里析出的浓液大部分在分离器内析出，有效避免在板片内析出后形成结垢，影响传热效率。

（5）冷凝器。冷凝器（图4）将从末效出来的二次蒸汽冷凝为液体，进行回收，同时和真空系统相连，保证了系统能在真空下进行操作。冷凝器形式：BEM管壳式，壳程数1，管程数4。

图4  冷凝器

（6）料液泵。分别用于原料液的进料、缓冲罐向一效内进液、一效循环、一效向二效内进液、二效循环、二效向三效内进液、三效循环、完成液出液、一效蒸发器内冷凝液的排放、二三效蒸发器内冷凝液的排放、冷凝器内冷凝液的排放等。每一效配備了一台单效循环泵和一台料液输送泵，即增强了流体在换热器内的湍动程度，又提高了对板壁的冲刷效果，从而起到防止料液粘壁的现象。

（7）真空泵。溶液的浓缩一般为负压下的多效蒸发。通过降低多效系统各效操作压力，使其在真空下蒸发，不仅可以降低料液的沸点，同时料液中的部分显热又可以转化为二次蒸汽的潜热，增大了溶剂的蒸发量，进而提高了热经济性。由于系统要在真空下完成任务，需要用真空系统来实现，真空泵的选择根据所在体系的抽气容积来确定，用于产生和维持蒸发器系统内的真空度。

（8）密封水供应系统。供应饮用水，作为离心泵的密封水，带全套阀门和管道系统。

（9）其他。密度计1台、电磁流量计2台和金属浮子流量计1台分别用于测量完成液的密度、进出液流量控制、测量蒸发量等。各类温度、压力测量仪器用于测量蒸汽压力和温度、分离器内的压力和温度、冷凝液和冷却水的温度等。

4.工艺流程说明

（1）物料管路走向及描述  采用并流操作方式，即料液和蒸汽流向相同，都由一效依序流至末效。原料液通过输液泵进入第一效蒸发器，由通过热泵后的蒸汽来加热。被部分汽化后的两相料液进入一效分离器，进行气液分离，分离得到的二次蒸汽进入第二效来作为加热介质，液体则分成两股，一股重新返回一效蒸发器，以用来控制蒸发比，另一股则进入第二效继续蒸发，依次类推。从第三效出来的即为完成液，可以收集在储罐中待处理;从第三效出来的二次蒸汽则进入与真空系统相连的冷凝器中，冷凝后由一台出液泵进行排液。在每班生产完成后，由纯水管路引来纯水进入物料缓冲罐，可用水顶料把设备系统内的物料处理排出，从而减少物料的浪费。

（2）蒸汽管路走向及描述  低压蒸汽（7 barg）由动力车间经稳压后进入本设备的节能装置蒸汽喷射式热泵，动力蒸汽高速流过热泵的同时按设计要求抽吸过来一定量的一效产生的二次蒸汽，经过压缩升温后进入一效热侧给物料进行加热蒸发;另一部分二次蒸汽给二效加热蒸发。一效的二次蒸汽给二效，二效的二次蒸汽给三效，三效的二次蒸汽进入列管式冷凝器，被冷却水冷却后回收利用。

（3）冷凝水走向及描述  在一效蒸发器中产生的蒸汽冷凝水通过泵輸送至锅炉，重新利用。第二效蒸发器热侧产生的冷凝水和第三效产生的二次蒸汽一同进入列管式冷凝器，冷凝后的冷凝水则通过一台离心泵输送至储罐，实现回收利用。

（4）不凝气的走向及描述  由于蒸汽或物料中会带有一定量的不凝性气体，在被冷却或被加热的同时会被释放出来。此外，由于设备的泄露也会产生一定量的不凝气体，不凝气的存在会在一定程度上削弱蒸发器的传热效果。所以从蒸发器热侧出来的冷凝水首先进入一台汽水分离器，冷凝水和不凝气直接被吸入冷凝器中，闪蒸的二次蒸汽则进入下一效中的热侧，进行热能的回收利用，进入冷凝器中的不凝性气体则可通过真空泵排至大气中。

5.工艺系统自控说明

（1）蒸汽系统的控制。生蒸汽进入蒸发系统由一个调节阀和测量完成液密度的质量流量计来构成的前反馈控制回路来进行蒸汽的稳定控制。当质量流量计检测到的三效出口料液密度小于设定值时，这个控制回路就会反馈给蒸汽管路调节阀，增大阀门开度，从而提高蒸汽进料量，这样一来，蒸发系统的蒸发量就上升了，三效出口料液的密度也就增大了。反之，当质量流量计检测到的三效出口料液密度增大至设定值时，这个控制回路就会反馈给蒸汽管路调节阀，减小阀门开度，从而减少蒸汽进料量，这样一来，蒸发系统的蒸发量就降低了，三效出口料液的密度也就会重新回落。

（2）料液的输送和循环控制。原料液的进料速率通过一个调节阀和流量计构成的控制回路来进行控制，然后这个回路又与蒸发量构成反馈控制系统。料液的输送和强制循环通过各效的输送泵和循环泵来完成，料液输送和循环量的比例可以通过手动阀由现场工作人员来进行微调，这一调节实际上调节了蒸发器内的蒸发比，很小的蒸发比可适用于高粘度物料的浓缩，即基本利用闪蒸来实现物料的浓缩。

（3）完成液终点的判断。完成液的判断终点则可以根据工艺的具体要求来定，参考的测量变量为密度。

6.连续三效蒸发器操作

（1）操作前的检查。①A.开启各效分离器视镜灯;②检查 蒸发器内的是否有残液;③供入泵的密封用水;④排放蒸汽管道冷凝水;⑤ 开启稀金银花提取液储罐V3000底部的阀门;⑥供入真空泵工作液;⑦ 供入冷凝器的冷却水⑧正确开/闭三效蒸发器系统各手动阀（金银花提取液管路、蒸汽管路、冷凝水管路）;⑨控制面板参数设定：药液进料流量，蒸汽压力，出液密度，P3020频率，P3370频率，LTI3000液位设定。

（2）开机。点击“系统控制”按钮，开机后，系统自动执行动作。当程序运行过程中，其中的任何一个或多个设备出现故障时，应立即自动关闭蒸汽阀3060PV01，并开始计时Timer II，一旦故障排除后自动解锁（自动解锁后Timer II自动清零）。这种保护功能只有在该程序正在运行过程中有效，程序结束后，自动取消这种保护功能。

7.连续三效蒸发系统CIP清洗

根据本设备处理物料的性质要求，增设CIP在线清洗系统。整个浓缩系统均可以实现CIP在位清洗。CIP的清洗模式可以根据具体要求来定，自控方案中提供各种备选方案：如清水洗、热水洗、热碱洗等的一项或多项组合清洗模式。整个清洗过程的先后次序可以按照下述顺序来进行。

（1）清水洗模式。顶料→清洗缓冲罐→清洗一效分离器和蒸汽管路→清洗二效分离器和蒸汽管路→清洗三效分离器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸发器→蒸发器内顺序CIP清洗。

（2）热水洗模式。清洗缓冲罐→清洗一效分离器和蒸汽管路→清洗二效分离器和蒸汽管路→清洗三效分离器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸发器→蒸发器内顺序CIP清洗

（3）热酸或热碱洗模式。配酸、碱液→清洗一效分离器和蒸汽管路→清洗二效分离器和蒸汽管路→清洗三效分离器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸发器→蒸发器内顺序CIP清洗。

8.总结

三效板式蒸发器设备原是广泛应用于食品加工、果汁浓缩等行业的生产，由于金银花等产品有效成分不耐热、容易损失的特殊性，我公司将此设备应用于药品有效成分的提取，发挥了设备的能源利用效率高，蒸汽耗量小，在较低温度下进行浓缩操作，有效成分保留高，设备操作方便等优点，明显提高了企业的经济效益。