蒸汽—冷水混合器原理、特點及其在制藥生產中的應用

楊 連 胡大文 包 涵

（1.中國醫藥集團聯合工程有限公司上海分公司，上海200235；2.Superklean上海辦事處，上海201203）

0 引言

通常而言，制藥生產企業設備的清洗、工器具清洗、地面清洗都需要大量的水。尤其是中藥產品或生產工藝中需要添加含有糖分、油脂類的產品，往往帶有一定的黏性，與其接觸的設備在使用完畢后不容易清洗干凈，通常需要使用熱水清洗。因此，在制藥生產中所用的中轉容器、周轉桶、物料罐體、設備、地面以及提取車間、制劑車間的清洗間往往需要使用大量的能源將冷水轉換成熱水進行沖洗或浸泡處理。

目前，國內大多數工廠利用板式或者管式換熱器將蒸汽和冷水換熱產生熱水，其優勢在于水與蒸汽不直接接觸，特別適合有無菌要求的工藝用水，可對作為輔配料的流體進行直接加熱或冷卻。

這種方式的弊端：（1）板式或管式換熱器通過熱傳導的加熱時間長，從開啟設備到有穩定熱水產生大約需要20～30min，不能瞬間產生熱水，費時費事，且延長了現場工人的清洗操作時間；（2）板式或管式換熱器的內部直徑小、通道長，容易結垢，板式或者管式換熱器設備的使用時間越長，不但要求頻繁保養和維修，而且板片間結垢后熱轉換效率會逐漸降低，浪費更多的能源；（3）清洗板式或管式換熱器的成本以及板片的更換成本都比較高；（4）板式或管式換熱器的換熱溫度無法精準調節；（5）需要提供專用的場地放置板式或管式換熱器系統和增壓泵等設備，占地面積大，投資大，維護保養費用高，換熱后的尾氣難處理，能源消耗量大[1]。

另外，還有一種換熱器為自制汽水混合器，又稱“汽水葫蘆”，制作成本雖低，但是安全隱患大。

這種方式的弊端：（1）會產生水錘，導致管道震動，嚴重時會造成管道焊接處開裂；（2）噪音大，即使加裝消音器，也只能消除外部聲音，無法減少管道震動；（3）蒸汽跑漏，導致燙傷事故的發生。

如何在冷水轉換成熱水的過程中，既能降低能耗，又能節約用水是人們所關注的。蒸汽—冷水混合器便是其中的最佳方式之一，本文將介紹蒸汽—冷水混合套件（蒸汽冷水混合器/常壓水槍/軟管掛架）的工作原理及其在制藥企業清洗中的應用。

1 Superklean蒸汽—冷水混合器的工作原理與優勢

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圖1所示。

Superklean蒸汽—冷水混合器能有效地解決目前制熱水方式所存的問題，其工作原理：蒸汽和冷水分別通過單向閥（Check Valve）進入蒸汽腔和冷水腔（由于單向閥的作用，蒸汽和冷水不會回流進入供水管道中），打開水槍后就會有水流，水的流動將會在活塞（piston）的縱向平面上形成向左方的凈壓差，并將蒸汽閥芯（Steam Poppet）向左推動使蒸汽進入混合腔。蒸汽進入混合腔即與冷水混合，并對其進行加熱立即產生熱水。如果供水突然中斷或水流停止（例如關閉水槍），活塞（piston）的縱向平面上凈壓差隨即消失，蒸汽閥芯彈簧（Steam Poppet Spring）立即將蒸汽閥芯（Steam Poppet）向右推動，并在5 s內關閉蒸汽。

圖1 Superklean的蒸汽—冷水混合器工作原理

1.2 Superklean蒸汽—冷水混合器的優勢

在歐美等國，Superklean蒸汽—冷水混合器已經廣泛應用于制藥廠的一般區域及C、D區域的清洗間達20多年，安全可靠，使用方便，節能環保。其具體優勢如下：

（1）蒸汽—冷水混合器的熱轉換率可以接近100%。

（2）蒸汽—冷水混合器可以通過溫度調節閥根據實際需求進行溫度調節，無需調換內部零件就可在0.2～1.0 MPa范圍內的各種飽和蒸汽壓力和冷水壓力下工作，只要輸入的蒸汽和冷水的壓力穩定，輸出熱水的溫度也將是穩定的，能夠最經濟、安全可靠地連續不斷地按照設定的溫度全年24 h提供熱水。

（3）蒸汽—冷水混合器無污染、零排放，無需插電，即開即用，可瞬間將冷水轉換為高達93℃的熱水。

（4）蒸汽—冷水混合器獨特的內部結構設計使得蒸汽在任何情況下都不會滲出。如果冷水突然斷流（如關閉出水口、關閉水槍、停水），蒸汽—冷水混合器的蒸汽閥將在5～10 s內自動關閉蒸汽，蒸汽閥芯將把蒸汽和冷水隔離，使蒸汽與冷水不能混合，避免了因蒸汽泄漏導致工傷事故的發生，也避免能源浪費。

（5）蒸汽—冷水混合器的上下雙出水口設計便于用戶能從兩端分別利用熱水。底部主出水口可與軟管和水槍連接用于清洗設備、生產場地、周轉箱等。上部的次出水口可與硬管連接，在主出水口完成清洗工作后關閉，用戶就可將次出水口作為熱水器繼續連續不斷地產生熱水，解決工廠內部的工人生活用熱水的需要。蒸汽—冷水混合器的上下雙出水口設計能夠大幅度地節約用戶的能源成本和投資成本。其設計精巧，可安裝在墻壁，不占場地面積。實際應用案例如圖2所示。

（6）蒸汽—冷水混合器使用蒸汽說明：1）商業用的蒸汽生產中一般都會加入一定的軟化劑以防止鍋爐結垢。另外在蒸汽輸送過程中，因受到管道內部雜質影響，蒸汽管路焊接時會有一定焊渣殘留，影響蒸汽質量和純度，因此與冷水直接混合時，會有一定雜質和軟化劑混入到熱水里，不建議食品和制藥行業應用于工藝用水。2）蒸汽壓力在0.2～1 MPa內都適用，無需減壓。3）必須依靠0.2 MPa以上冷水水壓才能打開蒸汽閥開關，使蒸汽進入混合腔。如果單獨打開蒸汽閥，蒸汽也不會進入混合腔，不會造成蒸汽泄漏。

（7）產品的零部件都采用符合醫藥級別要求的材質，故其能應用于醫藥生產中。

2 板式換熱器與Superklean蒸汽—冷水混合器的比較

2.1 板式換熱器

（1）產品特點：板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。板式換熱器的優點是蒸汽與水不直接接觸，所以最適用于有無菌要求的生產現場。（2）驅動方式：通過增壓泵增壓冷水方可運行；使用飽和蒸汽。（3）換熱方式：通過蒸汽加熱換熱器板片，使板片另一側的冷水升溫或降溫。（4）加熱時間：通過加熱2～5mm的換熱板片，通過熱傳遞加熱冷水，需要一定的加熱時間。根據所需熱水溫度及流量不同，所需加熱時間不等。（5）出水溫度調節：溫度可調。（6）熱轉換率：85%～90%。（7）恒溫控制：可恒溫。（8）進水水質：為減少板片結垢，最低條件為軟化水。（9）出水水質：與原水相同。（10）進水水壓要求：根據所需流量而定，必須加增壓泵。（11）適用環境：潔凈室可注入生產線，不可與膠管、水槍直接連接，可作循環水保溫系統。（12）使用成本：水、蒸汽、電、增壓泵、加熱板片。（13）保養成本：定期清洗或更換加熱板片，密封件、易損易耗件、增壓泵保養，保養頻率和成本高。

2.2 Superklean蒸汽—冷水混合器

（1）產品特點：利用現有蒸汽和冷水管道，通過蒸汽與冷水直接混合，可全年24 h即時且連續不斷地產生恒溫的高溫熱水，可任意調節。蒸汽—冷水混合器的上下雙出水口設計，主出水口可與軟管和水槍連接用于清洗生產場地、設備、中轉容器等，上部的出水口可與硬管連接，用于生活用水。產品獨特的內部結構設計使得蒸汽在任何情況下都不會滲出，如冷水斷流，可自動關閉蒸汽閥，不會造成蒸汽跑漏，保障使用安全。（2）驅動方式：常壓自來水和蒸汽壓力。（3）換熱方式：通過蒸汽與冷水直接混合。（4）加熱時間：即熱式。即開即有即用，即關即停。（5）出水溫度調節：所供冷水溫度至93℃之間任意調節。（6）熱轉換率：100%。（7）恒溫控制：蒸汽和冷水壓力穩定情況下可恒溫。（8）進水水質：自來水即可，水質要求低。（9）出水水質：與原水相同。（10）進水水壓要求：0.2 MPa冷水和飽和蒸汽。（11）適用環境：在C/D級潔凈區，用于清洗設備、地面、中轉箱、周轉盤、物料罐體、提取車間和制劑車間中的清洗間都需要使用熱水進行沖洗或浸泡處理，循環水保溫系統。（12）使用成本：水、飽和蒸汽。（13）保養成本：易損易耗件、保養頻率和成本都很低。

2.3 板式換熱器與Superklean蒸汽—冷水混合器的比較

由2.1與2.2中可看到：

（1）板式換熱器由于設計的限定，其熱轉換的最高效率（理論上）為85%～90%。實際上由于板片結垢，可能還要低的多。由于設計原因，板式換熱器的輸入端與輸出端的壓差很大，在運行過程中必須使用增壓泵（耗電）來保證輸出端的壓力。若要暫停使用，必須人工關閉蒸汽源和切斷水泵的電源，費時費事，因此這類產品適用于連續不間斷工作。通過對比可知，板式換熱器適用于工藝用水，但板式換熱器的耗能大、體積大、成本高、投資大，需要定期清洗板片污垢，因此保養維護成本高。

（2）Superklean蒸汽—冷水混合器是一款節能環保的產品，無需插電，瞬間加熱，即開即用，振動小、噪音低、無水錘現象、體積小巧，購買及維護保養成本低，100%熱轉換，既能節約生產成本，又可提高衛生標準，但Superklean蒸汽—冷水混合器只適用于非工藝用水。在非工藝用水方面使用蒸汽—冷水混合器轉換熱水，至少可以節約15%的能源費用，按照大型企業每年花費4 000萬～5 000萬人民幣的蒸汽能源費用估計，每年就可節約600萬～750萬人民幣的能源費用（其中還不包括板式換熱器所需增壓泵的電能消耗），其他中小企業節約的能源費用可以以此類推。

3 Superklean蒸汽—冷水混合器在制藥生產中的應用

高壓水槍是通過動力裝置使高壓柱塞泵產生高壓水來沖洗物體表面，水的沖擊力大于污垢與物體表面的附著力，高壓水就會將污垢剝離、沖走，達到清洗物體表面的目的。高壓水槍的增壓泵一般采用陶瓷泵、柱塞或斜盤泵，電機均為水冷方式。一般連續工作4 h，不可用于全天24 h連續工作，適用于重工、工礦設備的檢修維護等行業。高壓水槍需要電源或燃油發動機驅動運行，出水壓力大，便于移動，適合在取電方便或者對燃油排放無要求的環境下運行。熱水高壓清洗機的最高溫度可達155℃，即蒸汽狀態，所需加熱方式是燃油鍋爐加熱，有一定排放。電加熱鍋爐的最高溫度可達80℃，無污染，但是需要一定的加熱時間，連續出水時流量低，因此清洗效率較低。

國內制藥廠目前在一般區域主要是用自來水管沖洗，或在C、D區域的清洗間的不銹鋼水池中清洗。較之熱水，常溫自來水洗滌的洗凈力較差，水資源浪費多。因為單獨使用膠管沖洗不但用水量大，而且由于出口水壓下降明顯，清潔效果差、清洗效率低，雖然普通膠管購買成本低，但是每天清洗量越大，水資源浪費越多，因此，單獨使用膠管沖洗不但不利于環保和節約成本，而且從產品衛生安全方面考慮，也存在很大的隱患。因為一般工人沖洗之后會直接將膠管放在地上，而膠管是敞口，沒有密封裝置，膠管里面的水會流出在地面形成積水，很容易繁殖細菌，且順著膠管向縱深繁殖，下一次工人再用膠管沖洗生產線上的灌裝設備或者其他設備，這些細菌就會對生產線上的藥物等直接或者間接造成二次污染。

制藥行業的外圍C、D區域的清洗間內極少有高度污染的工況，所需要清洗的設備、生產場地、中轉箱、罐體等，使用低壓（0.2MPa水壓即可）一般熱水就可以完全清洗干凈。采用Superklean的常壓水槍有如下優點：（1）可以避免細菌滋生產生二次污染，因為一旦水槍關閉后，即使水槍與膠管放在地上，細菌也不可能通過關閉的水槍在膠管里面繁殖，且水槍可放在專門設計的U形環上，國內用戶使用如圖3所示；（2）水槍進水口和噴嘴的設計可以提高清洗效率，因為水槍能夠增加進入水槍腔體內水的壓強，增大沖擊壓力，可以大大提高清洗的速度和效果，降低勞動強度。另外，Superklean的常壓水槍還設計有自動關閉水槍的功能，對比膠管沖洗或者清洗同類物體，至少可以節約30%用水量。適宜對固體制劑車間內周轉桶的沖洗，同時熱水對洗滌含淀粉類的黏附物比冷水清洗效果要好。

圖3 國內用戶使用點實景

按照0.35 MPa水壓、3/4英寸管徑的水管的內流量為29.73 L/m in，若每天清洗4 h，每年用水量為3 720.62 t。如果使用Superklean常壓水槍，出水流量為24.75 L/m in，每年用水量為2604.44 t，這樣每年可節約用水量1116.18 t。按照上海地區工業用水價格3.62元/t計算，每把Superklean常壓水槍可節約4 040元/年。如工廠需要的清洗點有20～100個，那么使用常壓水槍每年可節約80 800～404 000元。

4 結語

Superklean生產的不銹鋼蒸汽—冷水混合套件（蒸汽冷水混合器/常壓水槍/軟管掛架）已經應用于國內一些藥廠的清洗環節中，九芝堂、江中集團等大型企業對其反饋良好。除了應用于醫藥行業外，這類產品也已廣泛應用于食品、化妝品等行業的生產企業中，如光明乳業、雀巢、聯合利華、百事可樂、可口可樂等公司。

［1］姚玉英.化工原理［M］.天津：天津大學出版社，2010