多效蒸餾水機的研究進展

修 允 陳 嵐 佀國寧

（上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093）

0 引言

《中華人民共和國藥典》規定，注射用水為純化水經蒸餾所得的水。蒸餾法對原水中的不揮發性有機物、無機物，包括懸浮物、膠體、細菌、病毒、熱原等有很好的去除作用。

早在1971年，美國STERIS公司引進了FINN-AQUA的蒸餾水機，推出了世界上第一套制藥級的多效蒸餾水系統。在20世紀80年代之前，我國國內工廠一般多使用單蒸餾水器、重蒸餾水器來制備蒸餾水。到了20世紀80年代，隨著國外先進技術的引進，上海遠東制藥機械有限公司等相繼推出國產的多效蒸餾水機。如今，我國國內已較普遍使用自動控制的多效蒸餾水器生產蒸餾水，其主要優點是節能，可將熱能多次合理利用，同時，采用汽—水分離的裝置去除熱原。

多效蒸餾水機主要由蒸發器、預熱器、冷凝器、機架等組成，其是利用工業蒸汽加熱純化水產生蒸汽，蒸汽進入冷凝器中冷凝為蒸餾水的一種大型換熱器。依據各效蒸發器之間工作壓力的不同，第一效產生的純蒸汽可以作為下一效的加熱蒸汽（一效加熱蒸汽為鍋爐蒸汽）,如此經過多效的換熱蒸發，原料水被充分汽化，各效產生的純蒸汽則在換熱過程中被冷卻為蒸餾水，從而達到節約加熱蒸汽和冷卻水的目的。

1 國內外多效蒸餾水機簡介

1.1 國外多效蒸餾水機介紹

1.1.1 意大利Stilmas

該多效蒸餾水機生產的注射用水滿足國際最新的藥典要求，包括USP、EP以及JP。該多效蒸餾水機為一種列管降膜式的蒸發器，與其他機型相比其加熱蒸發室與分離室分開，各為一體，蒸發室在上，經蒸發的水汽混合物沿漏斗狀管流入下面的分離室，轉向360℃進行一級重力分離，而后向上經過絲網除沫器完成二級分離。其冷凝器一分為二，進料水與冷卻水分開為2個單獨行程的熱交換器，殼腔串聯連通，可以有效地防止相互泄漏、滲透。

Stilmas蒸餾水機的熱回收系統符合機械熱動力學原理，蒸發器和冷凝器內的薄膜降膜蒸發過程保證了傳質傳熱的高效性，同時這一過程與短管技術相結合，能夠確保換熱面的潤濕性。

1.1.2 加拿大/美國AQUA-CHEM

AQUA-CHEM多效蒸餾水機如圖1所示，其蒸發器采用的是U型管式換熱器，換熱器只有一塊管板，結構簡單。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹；殼層介質適應性強，常用于高壓、高溫、黏度較大的場合。

該機型同樣采用了雙冷凝器，原料水冷凝器和冷卻水冷凝器相互獨立。原料水冷凝器既是第一道工序對原料水進行預熱，又是最后的工序對末效產出的剩余純蒸汽和各效預熱器產出的蒸餾水的汽液兩相混合液進行冷卻，使其變成蒸餾水。

1.1.3 英國SPIRX-SARCO

MES多效蒸餾水機廣泛應用于生物制藥學工業領域，在蒸汽控制和傳熱技術方面得到了深入的研究。與其他蒸餾水機相比，具有一定的技術優勢：（1）通過優化蒸發室的規模，達到加強蒸汽中夾帶液滴分離的目的。（2）根據需求可計算最優效數。（3）首效蒸發器PID水平監控確保系統的準確性及操作一致性。（4）外周圍繞多管的獨特管路設計，使得換熱面積最大化，提高了能源利用率。

1.2 國內多效蒸餾水機介紹

與國外多效蒸餾水機的快速發展相比，我國多效蒸餾水機行業起步較晚，20世紀80年代初期以來，國內廠家通過不斷引進美國、意大利、德國、芬蘭等國的多效蒸餾水機的先進機型，逐步提高了我國多效蒸餾水機的發展水平。

如今，一些高科技多效蒸餾水機也已經在國內被研制出來，例如淄博華周NLD系列多效蒸餾水機和寧波永泉NLD型多效蒸餾水機都是采用先進的內螺旋水汽三級分離技術，水汽分離的效果更明顯；吉林華通的MS-S系列和MS-T系列蒸餾水機各具特色，S系列預熱器加熱熱源使用的是水，分離形式較為簡單，而T系列加熱熱源使用的是蒸汽，分離形式是采用了華通專有的汽水分離裝置；石家莊冠宇多效蒸餾水機采用分體式汽水四分離技術（汽水離心分離、下旋片隔板分離、絲網捕捉水滴分離、上旋片隔板分離），保證蒸餾水熱源及內毒素含量更低，同時具有雙冷凝器設計，特制的多路往返結構，不需要專用冷卻水，使得換熱也更加充分。

2 多效蒸餾水機節能優化研究

2.1 最優效數選擇

工業上的多效蒸發中，將前一效的蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，節省了生蒸汽的消耗量。但效數不是越多越好，效數的選擇需要根據進口蒸汽壓力而定，效數越多，入口蒸汽壓力越高，需要的能耗也越高，而節省的生蒸汽量則越來越少。

P.K.Sen在理論研究中指出，多效蒸餾水機超過10效將會導致系統產生一系列問題：首先，入口蒸汽需要更高的壓力和溫度，這樣就需要消耗更多的能源；第二，首效中原料水溫度與飽和溫度之差增大，需要系統有更長的預熱管路。因此，在實際生產中多效蒸餾水機效數一般設計在三效至九效。P.K.Sen隨后在九效、六效和三效的系統中進行實驗，得到蒸餾水的產量與柴油消耗量的比值分別為36.7～38.8 kg、31.0～31.8 kg和25.9～26.8 kg，證實了多效蒸餾系統在效數一定情況下的節能效果。

2.2 工藝參數設定

2.2.1 原料水溫度和流速

傳熱學基本公式：

式中 Q—換熱量；

k—傳熱系數；

A—換熱面積；

（T-t）—傳熱溫度差。

由公式（1）可知，增強蒸餾水機換熱性能，可以通過增大其傳熱系數k的方法。傳熱系數k與管內傳熱系數ai、管外傳熱系數ao、管內管外的污垢系數ri和ro、換熱管的外徑與內徑之比do/di、換熱管材料、壁厚及熱導率λw有關。而換熱管的材料、規格一旦確定，則外徑與內徑之比、壁厚、熱導率等也隨之確定下來，因此主要矛盾集中在ai、ao、ri和ro上。可見，如何提高ai和ao，降低ri和ro，即可提高換熱器的傳熱系數。而ai、ao及ri、ro與流體的流動狀態有極大關系，流動狀態的改變一方面可借助流速的增加，另一方面是靠設計合理的界面狀態來實現。

增加流體在換熱器中的流速，將增大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數增大。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以，適宜的流速要通過經濟核算才能確定。

K.F.Lam等人通過實驗研究，分析得到了原料水的流速對于最后產品（如蒸餾水）成分的影響。實驗中原料流速為0.05 mL/h，蒸汽底部幾乎全部是純乙醇，80%的丙酮被蒸發；隨著流速增加，分離效率降低，當原料水流速大于蒸汽流速時，液體會通過容器底部直接排出。值得注意的是，當原料水流速過高，系統還將會出現溢流。

P.K.Sen通過參數研究法指出，若設計一個各效原料水蒸發量為30kg/h的多效蒸餾系統，流速最好控制在100kg/h，這樣可以確保在換熱管垂直外管壁形成液膜，而不是液滴。同時，100kg/h的流速宜于使原料水在殼程中達到其飽和溫度。

進入首效蒸發器的原料水溫度對于給定換熱面大小的系統來說，也是極其重要的。原料水的入口溫度要使得管程外壁面液膜溫度與殼程蒸汽溫度產生合適的溫差。這個溫差既能夠使大部分蒸汽冷凝，同時冷凝潛熱透過壁面，將部分原料水蒸發。所以，為了得到較高溫度的原料水溫度，一般來說，在多效蒸餾水機中，進入冷凝器的生原料水需要從末效預熱器開始，依次經過各效預熱，達到過熱后再進入首效蒸發器中。當然，為了節省能源消耗，原料水的最高溫度應限制在110～112℃的范圍。

2.2.2 蒸汽壓力

蒸餾水機在制水過程中，進水量和蒸汽壓力是一一對應的，一定的蒸汽壓力對應一定的進水量。如果進氣壓力過高，就會造成純化水過度蒸發，濃縮水過少或沒有，造成制出的水不合格。如果進水量過大，就會造成積水現象，一部分水就會不經過蒸發直接流出，也導致制出不合格的水。

吳彩萍、牛泱平在實驗中研究得到：列管式螺旋離心式多效蒸餾水機在一定的蒸汽壓力下，對熱原有較強的去除作用。但是，螺旋離心式汽液分離過程需要一定的二次蒸汽壓力以進行充分的汽液分離，從而保證細菌內毒素不超過規定指標。蒸汽壓力、進料水流量是相互作用影響這一過程的完成情況。在蒸汽壓力降低、進料水流量過大的情況下，產生的二次壓力較低，無法使進料水完全蒸發或完全進行汽液分離，從而導致細菌內毒素超限。因此，在實際運行操作中，蒸汽壓力下降時，要適當降低進料水流量，從而避免導致注射用水細菌內毒素不合格。

在蒸餾水的實際生產過程中，二次蒸汽的壓力和溫度往往較低，為了能夠使二次蒸汽反復利用，而進氣壓力又不過高，史文樹通過采用熱泵技術，在一效蒸發器蒸汽進口和一效分離器二次蒸汽出口處設計了一個引射器，利用射流的紊動擴散作用，引發能量的交換，使得二次蒸汽的壓力和溫度得到了較大的提高，從而有效地提高熱能利用率，達到較好的節能效果。

2.3 如何選擇換熱管排列方式

管子在管板上的排列方式主要有正三角形（30°）、轉角三角形（60°）、正方形（90°）和轉角正方形（45°）4種，如圖2所示。在這4種換熱管束排列方式中，正三角形和轉角正三角形在同等面積內能布更多的換熱管，排列較緊湊，適用于殼程介質清潔，且不需要進行機械清洗的場合，而且管外流體湍動程度高，傳熱系數大；正方形排列和轉角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機械進行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。

由于正三角形（30°）排列和轉角三角形（60°）排列在設計中比較常見，而且這2種方式的傳熱效果是不同的，下面具體分析一下：正三角形（30°）排列在傳熱上稱為錯列，介質流動時形成湍流對傳熱有利，對無相變的換熱器，因其傳熱與其介質流動狀態關系較大，故宜用正三角排列；轉角三角形（60°）排列在傳熱上稱為直列，對有相變的冷凝器，因其傳熱與介質流動的關系較小，與管壁凝液流動方向關系較大，故宜用轉角三角形排列。正三角形（30°）布局管密度最大，且在2種流體操作壓差很大時優先選用。

王秋紅利用CFD方法，計算出了管殼式換熱器不同排列形式的二維壓力場、速度場和溫度場，并對不同排列形式的壓力損失速度分布和換熱效果進行了對比，分析得到正三角形排列的換熱器換熱效果強于轉角三角形排列，轉角正方形排列的換熱器換熱效果強于正方形排列；Sadik Kakac、Hongtan Liu在研究中也指出對于相同的管間距和流速，殼側熱傳遞系數和壓力降大小依次是：30°、45°、60°、90°，其中90°的布局具有最低的熱傳遞系數和最小的壓力降。

所以，選擇排列方式時不僅需要考慮清洗、殼程的介質性質，還要考慮換熱效率，從而選擇最優的換熱管布置方式。

2.4 高效換熱管管型分析

從公式（1）分析可知，增強蒸餾水機換熱性能還可以通過增大換熱面積的方法。增大管道的換熱面積可以選用特殊材料的換熱管，即用波紋管、螺紋槽管、翅片管等代替光管，如圖3所示，這里應特別注意的是肋片（擴展表面）要加在換熱系數小的一側，否則不能達到增強傳熱的效果。

肖金花等通過數值模擬和實驗驗證考察了流體在波紋管內的流動與傳熱情況，研究了不同的雷諾數、波形螺距及管徑大小對波紋管傳熱性能的影響，并發現在湍流范圍內，波紋管的傳熱效率是相同條件下直管的2～4倍。David J.Kukulka等列出了不同翅片管換熱器和Vipertube EHT新型強化管在不同應用條件下的傳熱情況，得到了在合適的雷諾數條件下，相對于光管設備,新型強化管可大大提高換熱器的換熱效率，減少換熱器尺寸，在熱性能和經濟上具有明顯優勢；張良棟、Paul A.Sanders等通過建立翅片管換熱特性實驗平臺，綜合評價了翅片節距、厚度、高度對平均傳熱系數的影響，其中有實驗表明平均傳熱系數隨翅片高度的增大而增大；隨翅片間距的減小而增大；隨翅片厚度的增大，先增大后減小；翅片間距對平均傳熱系數影響最大，翅片厚度次之，翅片高度最小；而對螺紋槽管的研究結果表明：在冷卻水質量流量以及水阻相等的條件下，螺紋槽管冷凝器的換熱面積可比光管減少30.6%～33.8%，而且認為小導程、淺槽深、大螺旋角較好。

S.Pethkool等通過實驗驗證了不同螺距（P/DH=0.18，0.22，0.27）和肋高徑比（e/DH=0.02，0.04，0.06）的螺紋管在雷諾數范圍為5500～60000的湍流流動中，對等溫摩擦和熱性能參數的影響，結果表明：傳熱速率相比于光管提高了123%～232%，同時由摩擦引起的熱損失是光管的1.46～1.93倍；在雷諾數較小，P/DH=0.27及e/DH=0.06情況下，換熱器熱力性能最好。

3 多效蒸餾水機發展方向

3.1 新材料開發

關于新材料的開發是國外很多專家學者一直努力研究的方向。隨著稀有金屬價格的下降，鈦、鋯等稀有金屬使用量將擴大。國內對于多效蒸餾水機材質的研究相對比較匱乏，目前蒸發器、預熱器、冷凝器及管道等與純蒸汽和蒸餾水接觸部位均采用316L材質，研究指出在對流傳熱系數相同的情況下，使用高分子膜等代替316L的材料可大大減少鋼材的用量，降低能源消耗。未來多效蒸餾水機材質將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕等方向發展。

3.2 蒸餾水機結構優化

換熱器肋片的研究有待進一步深化，確定肋片在換熱管表面散布的最佳換熱規律。對于槽紋管等強化管，槽深、節距、螺旋角等特性的最優化，能提高強化管傳熱與流體動力學特性。對單根換熱管的強化傳熱與合理預測殼程的流場和溫度場分布，二者的優化組合研究也是換熱器強化傳熱技術還需要努力的方向。

同時隨著科學技術的發展，利用膜分離技術和太陽能換熱器來制備蒸餾水，也成為越來越多國內外學者研究的方向。

4 結語

本文通過討論多效蒸餾水機效數、管束排列方式、換熱管型以及系統工藝參數的選擇等內容，探究了多效蒸餾水機節能的方法。由于多效蒸餾水機設備的大型化和參數化，使得其實驗研究難度較大，效率較低，所以數值模擬方法得到重視，有了一定發展。但是，目前國內對多效蒸餾水機的數值計算研究還大多基于一維、二維換熱，對三維換熱模型的研究并不深入。另一方面，對于多效蒸餾水機換熱管的排布方式、數目研究等多以實驗為主，具有一定局限性。隨著數值模擬技術及實驗方法的發展，二者的有機結合逐漸成為設計和優化多效蒸餾水機結構的有效手段。 （興業杯參賽論文）

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