連續(xù)三效板式蒸發(fā)器在中藥金銀花浸膏濃縮中的應用研究

肖紅濤 張偉 曹祥

摘要：介紹連續(xù)三效板式蒸發(fā)器的結構、原理和特點以及中藥浸膏濃縮的工藝要求，總結了設備在產品濃縮過程中的常見問題和解決措施。為該設備更好的應用于中藥制劑的生產提供參考。

關鍵詞：三效板式蒸發(fā)器;濃縮;浸膏;制藥設備

引言

金銀花的提取物是江蘇康緣藥業(yè)股份有限公司主要產品熱毒寧主要成分之一，該藥品在提取制劑過程中需要進行浸膏的濃縮，而該過程常用的提取濃縮設備對產品的有效成分破壞較大，在此制劑生產過程中經與制劑設備廠家進行協(xié)作，采用連續(xù)三效板式蒸發(fā)器對金銀花浸膏進行濃縮精制，保證了產品有效成分不被破壞。

1.三效板式蒸發(fā)器設備概述

板式蒸發(fā)器是廣泛應用于食品加工、果汁濃縮、飲料生產、乳品生產、制藥行業(yè)、淀粉行業(yè)和生物工程等領域。減壓升膜三效板式蒸發(fā)器，帶熱壓縮泵，用于金銀花提取液的濃縮，突出優(yōu)點是能源利用效率高，蒸汽耗量小。完成所要求的蒸發(fā)量——水蒸發(fā)能力不小于5000 kg/h，蒸汽耗量不超過1146 kg/h。

該系統(tǒng)的核心部件采用進口板式蒸發(fā)器，并可實現(xiàn)自動控制，蒸發(fā)器操作的關鍵是控制蒸發(fā)器內金銀花提取液進料流量、生蒸汽進料壓力和各效的蒸發(fā)溫度與壓力是否在合理的設計范圍之內，有關技術規(guī)格如下：①采用升膜及泵輔助循環(huán)的工作方式，可以將金銀花提取液濃縮到固含量60.0%以上，采用密度計保證濃縮液出料固含量;②采用減壓濃縮，末效分離器內真空度可達到10 kPa以下，并可根據末效的真空度對最終濃縮液出料的溫度進行控制。③物料進料流量為3000～6000L原料金銀花提取液/小時，系統(tǒng)根據出料濃縮液的密度進行調節(jié)，亦可手動設定;④機組內配置熱壓縮泵（TVR），以達到高的蒸汽效率。⑤二次蒸汽冷卻方式：列管式換熱器;⑥冷卻水溫度：入口溫度：35℃ /出口溫度：40℃，流量約為162.4 m3/小時，壓力2.5～4 barg;⑦動力蒸汽：7 barg壓力，耗量約1146 kg/h （不含預熱）;⑧采用中控室上位機操作方式，可實現(xiàn)自動開機運行、自動停機和緊急停機功能，亦可實現(xiàn)手動操作來控制蒸發(fā)器?？刂乒裰邪≒LC，可以實現(xiàn)出料控制、蒸汽控制、進料流量控制、泵的變頻控制、CIP清洗流程等功能，可實現(xiàn)設備自動操作;⑨整機可實現(xiàn)完全的CIP清洗，可通過控制室上位機來進行操作。

2.設備特點

（1）操作簡單、方便。①蒸發(fā)器的開車、停車、操作簡單快捷，實現(xiàn)自動控制，一鍵式操作，運行穩(wěn)定。② 蒸發(fā)器開車時間短，停車后可在短時間內將蒸發(fā)器中的物料排空。③對進料濃度的變化適應性很強，可在很大的濃度范圍內高效工作。④通過視鏡能方便地進行蒸發(fā)觀察，并可方便地進行調節(jié)。

（2）適宜熱敏性物料的蒸發(fā)。①物料在蒸發(fā)器內的停留時間短，從而可保證熱敏性物料的優(yōu)良品質。②在真空操作下，更能可靠地保證熱敏性物料的品質。

（3）適用性強。①可適用于不同進料濃度中藥提取液的蒸發(fā)操作。②通過方便地調整蒸發(fā)溫度可滿足不同介質對蒸發(fā)溫度的要求。

（4）能耗低、易實現(xiàn)多效操作。①與傳統(tǒng)的管殼式蒸發(fā)器相比，板式蒸發(fā)器可適當降低各效間傳熱溫差，仍能保證較高的傳熱系數(shù)，因此在總傳熱溫差一定的條件下很容易實現(xiàn)多效操作，從而達到降低蒸汽消耗的目的。②帶熱泵的三效蒸發(fā)器使用相當于不帶熱泵的四效蒸發(fā)器，因此可以比簡單的三效蒸發(fā)器節(jié)省更多的蒸汽。③三效蒸發(fā)器在真空狀態(tài)下工作，降低金銀花提取液沸點，提高中藥提取液閃蒸的比例，從而可節(jié)省大量熱能。

3.連續(xù)三效蒸發(fā)器工藝設備組成

該工藝流程主要由板式預熱器、三效板式蒸發(fā)器和氣液分離器、冷凝器、熱泵、料液泵、以及抽真空系統(tǒng)等組成。

（1）平衡罐。平衡罐（圖1）主要用于金銀花提取液進料泵的平衡，同時平衡罐可以配合自動控制系統(tǒng)以實現(xiàn)藥液進料濃度的控制，使藥液經過三效蒸發(fā)后，得到的濃縮液濃度在一定的范圍內，保證產量的穩(wěn)定性。

圖1 ?平衡罐

（2）蒸汽噴射式熱泵。當濃縮水溶液時，為了進一步提高熱經濟性，可以在原有的多效蒸發(fā)流程中加入一個蒸汽噴射式熱泵，從第1效中帶回一些二次蒸汽，與高溫高壓的動力蒸汽混合后進入第1效重新用來加熱原料液，從而回收部分低品位的熱能，并可減少生蒸汽的耗量，并提高蒸發(fā)操作的熱經濟性。例如三效熱泵蒸發(fā)的蒸汽消耗可達到四效的水平。蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)尤其適用于熱敏性物料、沸點升高值小的物料和能夠提供高壓蒸汽的場合。蒸汽噴射式熱泵稍加變化還可用作過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝难b置。蒸汽噴射式熱泵的構造（圖2）與Venturi管類似，結構簡單，并無傳動裝置。

圖2 ?熱泵構造圖

（3）板式蒸發(fā)器。金銀花提取液進入板式蒸發(fā)器（圖3）一側，熱介質蒸汽在另一側進行加熱，使金銀花提取液發(fā)生部分汽化，然后含有氣液兩相的混合物同時進入氣液分離器中，分離后的液體進入后一效冷側繼續(xù)蒸發(fā)濃縮，飽和汽體則進入后一效的熱側去加熱料液，從而實現(xiàn)熱能的最大化利用。

圖3 ?板式蒸發(fā)器

（4）分離器。在分離器的設計上，通過找出二次蒸汽從介質液面蒸發(fā)逸出的最佳參數(shù)，確定最佳高徑比。分離器內部構造的特殊設計，可使其在高濃度溶液里析出的濃液大部分在分離器內析出，有效避免在板片內析出后形成結垢，影響傳熱效率。

（5）冷凝器。冷凝器（圖4）將從末效出來的二次蒸汽冷凝為液體，進行回收，同時和真空系統(tǒng)相連，保證了系統(tǒng)能在真空下進行操作。冷凝器形式：BEM管殼式，殼程數(shù)1，管程數(shù)4。

圖4 ?冷凝器

（6）料液泵。分別用于原料液的進料、緩沖罐向一效內進液、一效循環(huán)、一效向二效內進液、二效循環(huán)、二效向三效內進液、三效循環(huán)、完成液出液、一效蒸發(fā)器內冷凝液的排放、二三效蒸發(fā)器內冷凝液的排放、冷凝器內冷凝液的排放等。每一效配備了一臺單效循環(huán)泵和一臺料液輸送泵，即增強了流體在換熱器內的湍動程度，又提高了對板壁的沖刷效果，從而起到防止料液粘壁的現(xiàn)象。

（7）真空泵。溶液的濃縮一般為負壓下的多效蒸發(fā)。通過降低多效系統(tǒng)各效操作壓力，使其在真空下蒸發(fā)，不僅可以降低料液的沸點，同時料液中的部分顯熱又可以轉化為二次蒸汽的潛熱，增大了溶劑的蒸發(fā)量，進而提高了熱經濟性。由于系統(tǒng)要在真空下完成任務，需要用真空系統(tǒng)來實現(xiàn)，真空泵的選擇根據所在體系的抽氣容積來確定，用于產生和維持蒸發(fā)器系統(tǒng)內的真空度。

（8）密封水供應系統(tǒng)。供應飲用水，作為離心泵的密封水，帶全套閥門和管道系統(tǒng)。

（9）其他。密度計1臺、電磁流量計2臺和金屬浮子流量計1臺分別用于測量完成液的密度、進出液流量控制、測量蒸發(fā)量等。各類溫度、壓力測量儀器用于測量蒸汽壓力和溫度、分離器內的壓力和溫度、冷凝液和冷卻水的溫度等。

4.工藝流程說明

（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。原料液通過輸液泵進入第一效蒸發(fā)器，由通過熱泵后的蒸汽來加熱。被部分汽化后的兩相料液進入一效分離器，進行氣液分離，分離得到的二次蒸汽進入第二效來作為加熱介質，液體則分成兩股，一股重新返回一效蒸發(fā)器，以用來控制蒸發(fā)比，另一股則進入第二效繼續(xù)蒸發(fā)，依次類推。從第三效出來的即為完成液，可以收集在儲罐中待處理;從第三效出來的二次蒸汽則進入與真空系統(tǒng)相連的冷凝器中，冷凝后由一臺出液泵進行排液。在每班生產完成后，由純水管路引來純水進入物料緩沖罐，可用水頂料把設備系統(tǒng)內的物料處理排出，從而減少物料的浪費。

（2）蒸汽管路走向及描述 ?低壓蒸汽（7 barg）由動力車間經穩(wěn)壓后進入本設備的節(jié)能裝置蒸汽噴射式熱泵，動力蒸汽高速流過熱泵的同時按設計要求抽吸過來一定量的一效產生的二次蒸汽，經過壓縮升溫后進入一效熱側給物料進行加熱蒸發(fā);另一部分二次蒸汽給二效加熱蒸發(fā)。一效的二次蒸汽給二效，二效的二次蒸汽給三效，三效的二次蒸汽進入列管式冷凝器，被冷卻水冷卻后回收利用。

（3）冷凝水走向及描述 ?在一效蒸發(fā)器中產生的蒸汽冷凝水通過泵輸送至鍋爐，重新利用。第二效蒸發(fā)器熱側產生的冷凝水和第三效產生的二次蒸汽一同進入列管式冷凝器，冷凝后的冷凝水則通過一臺離心泵輸送至儲罐，實現(xiàn)回收利用。

（4）不凝氣的走向及描述 ?由于蒸汽或物料中會帶有一定量的不凝性氣體，在被冷卻或被加熱的同時會被釋放出來。此外，由于設備的泄露也會產生一定量的不凝氣體，不凝氣的存在會在一定程度上削弱蒸發(fā)器的傳熱效果。所以從蒸發(fā)器熱側出來的冷凝水首先進入一臺汽水分離器，冷凝水和不凝氣直接被吸入冷凝器中，閃蒸的二次蒸汽則進入下一效中的熱側，進行熱能的回收利用，進入冷凝器中的不凝性氣體則可通過真空泵排至大氣中。

5.工藝系統(tǒng)自控說明

（1）蒸汽系統(tǒng)的控制。生蒸汽進入蒸發(fā)系統(tǒng)由一個調節(jié)閥和測量完成液密度的質量流量計來構成的前反饋控制回路來進行蒸汽的穩(wěn)定控制。當質量流量計檢測到的三效出口料液密度小于設定值時，這個控制回路就會反饋給蒸汽管路調節(jié)閥，增大閥門開度，從而提高蒸汽進料量，這樣一來，蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)量就上升了，三效出口料液的密度也就增大了。反之，當質量流量計檢測到的三效出口料液密度增大至設定值時，這個控制回路就會反饋給蒸汽管路調節(jié)閥，減小閥門開度，從而減少蒸汽進料量，這樣一來，蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)量就降低了，三效出口料液的密度也就會重新回落。

（2）料液的輸送和循環(huán)控制。原料液的進料速率通過一個調節(jié)閥和流量計構成的控制回路來進行控制，然后這個回路又與蒸發(fā)量構成反饋控制系統(tǒng)。料液的輸送和強制循環(huán)通過各效的輸送泵和循環(huán)泵來完成，料液輸送和循環(huán)量的比例可以通過手動閥由現(xiàn)場工作人員來進行微調，這一調節(jié)實際上調節(jié)了蒸發(fā)器內的蒸發(fā)比，很小的蒸發(fā)比可適用于高粘度物料的濃縮，即基本利用閃蒸來實現(xiàn)物料的濃縮。

（3）完成液終點的判斷。完成液的判斷終點則可以根據工藝的具體要求來定，參考的測量變量為密度。

6.連續(xù)三效蒸發(fā)器操作

（1）操作前的檢查。①A.開啟各效分離器視鏡燈;②檢查 蒸發(fā)器內的是否有殘液;③供入泵的密封用水;④排放蒸汽管道冷凝水;⑤ 開啟稀金銀花提取液儲罐V3000底部的閥門;⑥供入真空泵工作液;⑦ 供入冷凝器的冷卻水⑧正確開/閉三效蒸發(fā)器系統(tǒng)各手動閥（金銀花提取液管路、蒸汽管路、冷凝水管路）;⑨控制面板參數(shù)設定：藥液進料流量，蒸汽壓力，出液密度，P3020頻率，P3370頻率，LTI3000液位設定。

（2）開機。點擊“系統(tǒng)控制”按鈕，開機后，系統(tǒng)自動執(zhí)行動作。當程序運行過程中，其中的任何一個或多個設備出現(xiàn)故障時，應立即自動關閉蒸汽閥3060PV01，并開始計時Timer II，一旦故障排除后自動解鎖（自動解鎖后Timer II自動清零）。這種保護功能只有在該程序正在運行過程中有效，程序結束后，自動取消這種保護功能。

7.連續(xù)三效蒸發(fā)系統(tǒng)CIP清洗

根據本設備處理物料的性質要求，增設CIP在線清洗系統(tǒng)。整個濃縮系統(tǒng)均可以實現(xiàn)CIP在位清洗。CIP的清洗模式可以根據具體要求來定，自控方案中提供各種備選方案：如清水洗、熱水洗、熱堿洗等的一項或多項組合清洗模式。整個清洗過程的先后次序可以按照下述順序來進行。

（1）清水洗模式。頂料→清洗緩沖罐→清洗一效分離器和蒸汽管路→清洗二效分離器和蒸汽管路→清洗三效分離器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸發(fā)器→蒸發(fā)器內順序CIP清洗。

（2）熱水洗模式。清洗緩沖罐→清洗一效分離器和蒸汽管路→清洗二效分離器和蒸汽管路→清洗三效分離器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸發(fā)器→蒸發(fā)器內順序CIP清洗

（3）熱酸或熱堿洗模式。配酸、堿液→清洗一效分離器和蒸汽管路→清洗二效分離器和蒸汽管路→清洗三效分離器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸發(fā)器→蒸發(fā)器內順序CIP清洗。

8.總結

三效板式蒸發(fā)器設備原是廣泛應用于食品加工、果汁濃縮等行業(yè)的生產，由于金銀花等產品有效成分不耐熱、容易損失的特殊性，我公司將此設備應用于藥品有效成分的提取，發(fā)揮了設備的能源利用效率高，蒸汽耗量小，在較低溫度下進行濃縮操作，有效成分保留高，設備操作方便等優(yōu)點，明顯提高了企業(yè)的經濟效益。