真空蒸汽在熱敏性藥物濃縮的應用探討

王國君, 徐世富

（浙江誠信醫化設備有限公司，浙江 臺州 318012）

飽和水蒸汽在工業熱源中占有重要的地位，與熱水或熱油比較具有獨特的優勢。利用潛熱快速、均勻地加熱；壓力和溫度能精確地控制；傳熱系數高；來源于水，安全并且低成本。飽和水蒸汽按壓力來劃分，分為正壓蒸汽和真空蒸汽。正壓蒸汽在0.1～5 MPa的絕對壓力范圍內，溫度在110～250 ℃。真空蒸汽是指氣壓小于大氣壓，溫度低于100 ℃的蒸汽［1］，這種蒸汽的應用近年來得到了迅速的發展，像正壓蒸汽一樣使用，溫度可以通過調節壓力迅速改變，使精確控制溫度成為可能，而熱水不能實現這功能。

在精細化工、醫藥、食品等工業中，熱敏性物料在較高溫度或較長時間受熱蒸發時易發生分解、聚合或異構化等化學反應，從而影響產品的質量以及收率。工業中，通常采用減壓蒸發來降低熱敏性物料的沸點，阻止熱敏性物料的分解、聚合或少副反應［2］。選用持液量少，停留時間短的蒸發器以使降低熱敏性物料變質的機率。為了提高其產品品質，不僅在合成的工藝了上優化，同時在設備上尋求高效率、適用性強的裝備。常規設計都會采用熱水做為熱源。但熱水傳熱系數低，設備體積大，占地空間大，傳熱不均勻等缺點。目前國內外在真空蒸汽的研究越來越多，對熱敏性物料的濃縮提供了方便，不僅應用于醫藥化工，同時也可以應用于食品、取暖、電氣等行業，有其廣闊的前景。

乙酸乙酯是一種快干性溶劑，具有優異的溶解能力，是極好的工業溶劑。可用于硝酸纖維素、乙基纖維素、氯化橡膠和乙烯樹脂、醋酸纖維素酯、醋酸丁酸纖維素和合成橡膠，也可用于復印機用液體硝基纖維墨水。可作粘接劑的溶劑、噴漆的稀釋劑。在紡織工業中可用作清洗劑，在食品工業中可作為特殊改性酒精的香味萃取劑，還用作制藥過程和有機酸的萃取劑。在香料工業中是重要的香料添加劑，可作調香劑的組分。也是制造染料、藥物和香料的原料。是許多類樹脂的高效溶劑，廣泛應用于油墨、人造革生產中。能與醇、醚、氯仿、丙酮、苯等大多數有機溶劑混溶［3］。

1 熱敏性藥物濃縮工藝概況

某公司生產一種具有熱敏性、高附加值的藥物，該藥物遇熱不穩定，極易發生分解或聚合或氧化等變質反應，造成經濟上重大損失，在工業生產中應當極力避免。該藥物含乙酸乙酯溶劑，須將乙酸乙酯分離出去提高其質量含量，乙酸乙酯沸點77.1 ℃（101.3 kPa），本工藝要求蒸發溫度控制在35 ℃左右，否則該藥物易分解。加熱介質溫度控制在50～60 ℃。

2 蒸發器選型及加熱介質選擇

2.1 蒸發器選型—降膜式蒸發器

蒸發器的結構形式很多［4］，如夾套釜式蒸發器、中央循環管蒸發器、升膜蒸發器、降膜蒸發器、強制循環蒸發器、刮膜蒸發器等等，選用時應結合具體的蒸發任務，如被蒸發溶液的性質、處理量、蒸濃程度等工藝要求，選擇適宜的形式［5］。例如對熱敏性料液，要求較低的蒸發溫度，并盡量縮短溶液在蒸發器內的停留時間，以選擇膜式蒸發器為宜［6］；對于處理量不大的高粘度、有結晶析出或易結垢的溶液，則可選擇刮板式蒸發器。如果在選型時有幾種形式的蒸發器均能適應溶液的性質和蒸發要求，則應進一步作經濟比較來確定更適宜的形式。本工藝采用降膜式蒸發器，物料在蒸發器中停留時間不到1 min,已蒸發的物料不再重復進入蒸發器內［7］。

2.2 操作條件選擇—低溫真空蒸發

根據試驗結果及經驗可知，在濃縮結晶過程中，熱敏性物料的受熱溫度不能超過40 ℃，一般在工業生產中控制其料液溫度不超過35 ℃，蒸發溫度過高會造成原料變質或產品質量降低，由于受熱敏性的限制，傳熱溫差較少，產率較低，我們采用真空低溫蒸發操作。在經濟的真空度范圍可將熱敏性物料沸點降至35 ℃左右，適度加大了傳熱溫差。

2.3 加熱介質選擇—真空蒸汽

對于熱敏性物料濃縮，常規設計加熱介質會選擇熱水。但熱水加熱傳熱系數低，受熱不均勻，蒸發器面積大的設備需配置大型離心泵，能耗高。正壓蒸汽溫度大于100 ℃，傳熱系數高，受熱均勻，但對物料有破壞作用。采用真空蒸發溫度低于 100℃，為彌補上述缺點，加熱介質選擇真空蒸汽（又稱負壓蒸汽），是理想的加熱介質。

3 真空蒸汽濃縮熱敏性藥物工藝流程及要求

3.1 工藝流程

真空蒸汽降膜脫溶工藝流程圖如圖1所示。

采用離心泵將原料液輸送至降膜蒸發器頂部經高效分布器分配進入表面光滑的降膜管［8-10］，以均勻的液膜狀沿加熱管的內壁向下流動，并與管外的真空水蒸汽進行熱交換。料液很快被加熱至沸點而沸騰，乙酸乙酯被蒸發并產生二次蒸汽，料液被濃縮，濃縮液與二次蒸汽一起向下流動，在二次蒸汽的誘導及分離器高真空的吸力下，被濃縮的物料及二次蒸汽以較快的速度沿切線方向進入分離器。在分離器離心力作用下，物料沿其周壁高速旋轉，并均勻分布于周壁及錐底上，物料液表面積增大，加速了乙酸乙酯的進一步汽化。二次蒸汽及其夾帶的物料液滴、經霧沫分離器進一步分離后，二次蒸汽導入冷凝器冷凝。冷凝后液體到溶劑貯罐內。整套工藝處真空狀態下工作。

圖1 真空蒸汽降膜脫溶工藝流程Fig.1 Process flow sheet of removing solvent with falling film evaporator

3.2 安裝注意事項

降膜式蒸發器蒸發強度大，停留時間短。此蒸發器不僅在制造中嚴格保證設備水平度及垂直度，而且在安裝過程中也確保設備水平度及垂直度，避免流體分布偏流，否則嚴重影響蒸發強度。

3.3 真空蒸汽發生器

真空水蒸汽系統由一臺離心泵、蒸發器、正壓飽和水蒸汽、溫控系統、電磁閥、真空泵等組成，采用正壓飽和水蒸氣直接加熱軟水，使得軟水在特定的真空度下汽化產生真空蒸汽，并在真空的牽引下進入蒸發器進行熱交換，類似司孟華等介紹熱泵蒸發原理［11］，可以通過溫控器精確控制溫度，確保不使熱敏性藥物受到破壞。此裝置熱量利用率高，產生蒸汽速率快。真空蒸汽設備必須配有真空泵，因為僅僅降低氣壓是不會使其低于大氣壓的［12］。

4 真空飽和水蒸汽的加熱優點

本裝備采用負壓飽和水蒸汽具有以下優點：1）真空飽和水蒸汽像正壓蒸汽使用一樣，可以通過調節氣壓迅速改變蒸汽的溫度，使精確控溫成為可能，而熱水則做不到這點［1］。2）蒸發器的有效溫度差△Tm,對于一側為水蒸汽冷凝、另一側為液體沸騰情況，理論上溫差即為加熱蒸汽的飽和溫度與液體在操作壓強下的沸點之差。比熱水加熱溫差△Tm值大。

3）流體在傳熱過程中有相變化，對流傳熱系數比無相變化時要大得多。4）真空飽和水蒸汽潛熱較大，其潛熱是隨著溫度的降低而增大的；5）受熱均勻；6）熱水中的雜質由于加熱分解，相互反應而生成水渣形成水垢，降低傳熱系數，而水蒸汽基本無此現象。

5 結 論

真空蒸汽降膜蒸發濃縮工藝，采用降低加熱介質的潛熱及高效液體分布器的降膜式蒸發器以及換熱器，解決了熱敏性物料由于受熱時間長，受熱溫度過高易變質的難題，使用專用低溫蒸汽發生器，充分利用蒸汽資源，節約能量。采用低溫真空蒸發、單效降膜蒸發器工藝處理熱敏性物料，得到較高收率及較高質量的產品。

［1］百度文庫.蒸汽是被廣泛使用的熱源[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/65355a0002020740be1e9b1d.html.

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［3］解一軍，楊宇嬰.溶劑應用手冊［M］. 第一版.北京：化學工業出版社，2009:234-235.

［4］時鈞，汪家鼎，余國琮，等.化學工程手冊［M］. 第二版 上卷.北京：化學工業出版社，1996:9-29.

［5］百度文庫.蒸發過程及其特點[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/1b9bb622bcd126fff7050b11.

［6］朱玉峰，王薇，崔海亭. 大型降膜蒸發器液體分布器的設計［J］.食品與機械，2007， 23(1):104-111.

［7］劉殿宇，翟志英. 用于乙酸乙酯蒸發的單效降膜式蒸發器的設計及應用［J］. 醫藥工程設計，2010，31（1）：10-12.

［8］ 巫振輝. 一種新型降膜蒸發器液體分布裝置的設計［J］. 輕工機械，2004， (3):35-36.

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［12］中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊［M］. 第四版.北京：化學工業出版社，2009: 656-663.