三效濃縮器設(shè)備與MVR濃縮器設(shè)備的能耗對(duì)比分析

周友華　王谷洪　趙海金　李聲亮

摘要：設(shè)備能耗問(wèn)題是中藥制藥企業(yè)的永恒話題，提取車間是制藥企業(yè)的能耗大戶，而濃縮工序又是提取車間的能耗大戶，可見濃縮器設(shè)備選型對(duì)節(jié)能降耗的重要性。隨著新設(shè)備、新技術(shù)的升級(jí)迭代，濃縮器正朝著更加節(jié)能、易操作的方向發(fā)展?，F(xiàn)針對(duì)廣泛應(yīng)用的三效濃縮器設(shè)備及MVR濃縮器設(shè)備，從使用過(guò)程中的節(jié)能性、選型區(qū)別等角度出發(fā)進(jìn)行調(diào)研分析，可供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：三效濃縮器設(shè)備;MVR濃縮器設(shè)備;能耗對(duì)比

中圖分類號(hào)：TQ461 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）02-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.013

0 ? ?引言

蒸發(fā)濃縮是許多中藥制劑生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，濃縮器設(shè)備所需消耗的蒸汽普遍占企業(yè)蒸汽總用量的60%以上，因此選擇適合的濃縮器設(shè)備是減少蒸汽用量事半功倍的做法。采用先進(jìn)的濃縮器設(shè)備，可在生產(chǎn)過(guò)程中降低蒸汽消耗，提高企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，減少企業(yè)的碳排放，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

如何選用先進(jìn)的濃縮器設(shè)備來(lái)達(dá)到節(jié)約能源的目的，是目前制藥企業(yè)需要面對(duì)的問(wèn)題，筆者從廣泛應(yīng)用的三效濃縮器設(shè)備及MVR濃縮器設(shè)備工作原理及實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā)，對(duì)此進(jìn)行了分析，可供相關(guān)人士參考。

1 ? ?三效濃縮器設(shè)備特點(diǎn)

三效濃縮器設(shè)備（圖1）主要由相互連通的3個(gè)列管式加熱器、3個(gè)分離室、循環(huán)管、冷凝器、集液罐及其他附屬設(shè)備組成。

工作時(shí)，一效加熱器殼程通入生蒸汽，管程注入原料液，通過(guò)列管式加熱器進(jìn)行熱交換，原料液受熱蒸發(fā)后產(chǎn)生的二次蒸汽在分離室進(jìn)行分離，分離出來(lái)的二次蒸汽進(jìn)入第二效列管加熱器作為加熱蒸汽，濃縮液通過(guò)第一效分離室管道與第二效加熱室連接，濃縮液在二效加熱室進(jìn)一步濃縮。第二效分離出來(lái)的二次蒸汽進(jìn)入第三效加熱器進(jìn)一步濃縮，第三效分離室產(chǎn)生的二次蒸汽則全部送入冷凝器內(nèi)進(jìn)行冷凝。

雖然三效濃縮器第二效、第三效使用前一效的二次蒸汽作為熱源，一定程度上節(jié)約了生蒸汽，但第一效依然需要使用生蒸汽，并且第三效出來(lái)的二次蒸汽需要使用冷凝水進(jìn)行冷凝，從而造成了一定的熱能浪費(fèi)。

第一效的溫度要求越高，對(duì)生蒸汽壓力、真空度、控制等的要求也就越高，帶來(lái)的節(jié)能的邊際效應(yīng)就會(huì)下降。同時(shí)，三效濃縮器的手動(dòng)操作控制比較困難，需要相應(yīng)的人力頻繁地觀察物料液位和調(diào)節(jié)各閥門的流量，存在對(duì)操作工的要求較高，且需要頻繁巡視，勞動(dòng)強(qiáng)度較大等問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上多數(shù)采用PLC控制代替人工手動(dòng)操作，以簡(jiǎn)化操作過(guò)程，降低人工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在中藥濃縮領(lǐng)域，常采用自動(dòng)控制型三效濃縮器設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

筆者在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中得出以下濃縮器節(jié)能經(jīng)驗(yàn)：蒸發(fā)原料液1 t水，單效濃縮器需要1.17 t蒸汽，雙效濃縮器需要0.6 t蒸汽，三效濃縮器需要0.4 t蒸汽。

2 ? ?MVR濃縮器設(shè)備特點(diǎn)

MVR是蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（mechanical vapor recompression）的簡(jiǎn)稱，它是重新利用自身產(chǎn)生的二次蒸汽的熱能，從而減少對(duì)外界蒸汽需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。MVR濃縮器將低溫蒸汽用壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，使其溫度、壓力提高，熱焓值增加，然后進(jìn)入換熱器，從而充分利用蒸汽的潛熱。除剛啟動(dòng)外，整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程中無(wú)須生蒸汽，從蒸發(fā)器出來(lái)的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮送到蒸發(fā)器的加熱室當(dāng)作加熱蒸汽使用，使藥液維持沸騰狀態(tài)，而加熱蒸汽本身則冷凝成水。MVR濃縮器充分利用了二次蒸汽回收潛熱，提高了熱效率，同時(shí)還省去了二次蒸汽冷卻水系統(tǒng)，節(jié)約了冷卻水。

基于MVR技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，筆者所在公司已成功引入多臺(tái)MVR濃縮器設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為MVR技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了案例支撐。

3 ? ?MVR濃縮器設(shè)備關(guān)鍵工序節(jié)能分析

下面以某生產(chǎn)基地MVR濃縮器設(shè)備設(shè)計(jì)選型的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)述MVR關(guān)鍵工序節(jié)能應(yīng)用情況，讓讀者能更加清晰地了解MVR節(jié)能的技術(shù)特點(diǎn)。

案例運(yùn)行工況：MVR濃縮器系統(tǒng)設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度在70～80 ℃，收膏密度1.15 g/mL，粘度≤0.05 Pa·s（50 cP）。

進(jìn)料及預(yù)熱工序：原料→一級(jí)冷凝水預(yù)熱→二級(jí)生蒸汽預(yù)熱→蒸發(fā)系統(tǒng)。

25 ℃原液進(jìn)入到一級(jí)預(yù)熱器，與系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)行換熱，預(yù)熱到63 ℃后，進(jìn)入二級(jí)預(yù)熱器由生蒸汽預(yù)熱，使物料溫度高于系統(tǒng)蒸發(fā)溫度（80 ℃）。預(yù)熱到82 ℃，生蒸汽耗量為150 kg/h。預(yù)熱后的原液直接送入升膜蒸發(fā)器中進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。該步驟能耗主要為150 kg/h生蒸汽，遠(yuǎn)低于三效濃縮器所需蒸汽用量。

蒸發(fā)工序：預(yù)熱后物料→升膜蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)。

升膜蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)是一個(gè)單管程直立安裝的固定管式熱交換器。升膜蒸發(fā)器的加熱室由數(shù)根垂直長(zhǎng)管組成，通常加熱管徑為25～50 mm，管長(zhǎng)與管徑之比為50～100。被加熱介質(zhì)走管程，熱介質(zhì)或蒸汽走殼程。原料液預(yù)熱后由蒸發(fā)器底部進(jìn)入加熱器管內(nèi)，加熱蒸汽在管外冷凝。當(dāng)原料液受熱后沸騰汽化，生成二次蒸汽在管內(nèi)高速上升，帶動(dòng)料液沿管內(nèi)壁成膜狀向上流動(dòng)，并不斷蒸發(fā)汽化，加速流動(dòng)，氣液混合物進(jìn)入分離器后分離，濃縮后的完成液由分離器底部放出。升膜蒸發(fā)器正常操作的關(guān)鍵是讓液體物料在管壁上形成連續(xù)不斷的液膜。

預(yù)熱后的物料從蒸發(fā)器的底部進(jìn)入MVR升膜蒸發(fā)器，料液進(jìn)入加熱管后，受熱沸騰迅速汽化;蒸汽在管內(nèi)迅速上升，料液受到高速上升蒸汽的帶動(dòng)，沿管壁形成膜狀上升，并繼續(xù)蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸汽與液相共同進(jìn)入蒸發(fā)器的分離室，氣液充分分離，低溫蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，溫度、壓力提高，熱焓增加，然后進(jìn)入蒸發(fā)器冷凝，以充分利用蒸汽的潛熱，液相則由分離室排出。經(jīng)升膜蒸發(fā)器濃縮后的物料濃度增高，直至循環(huán)蒸發(fā)至指定濃度。

MVR升膜蒸發(fā)器，蒸發(fā)溫度80 ℃;二次蒸汽自蒸發(fā)分離器進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)增壓升溫至88 ℃，返回到蒸發(fā)器殼程作為熱源繼續(xù)換熱，換熱后二次蒸汽凝結(jié)成冷凝水進(jìn)入冷凝水罐?；贛VR技術(shù)特點(diǎn)，該步驟中分離室相較于三效濃縮器更大，二次蒸汽采用壓縮機(jī)壓縮后熱焓更高，換熱效果更好，這是三效濃縮器所不具備的優(yōu)勢(shì)。

冷凝水：由蒸發(fā)器殼程進(jìn)入冷凝水罐，由冷凝水泵輸送經(jīng)過(guò)一級(jí)預(yù)熱器與原液換熱后，進(jìn)一步提高進(jìn)料溫度。該步驟使二次蒸汽冷凝水與原液進(jìn)一步換熱，攝取冷凝水最后的熱能。相較于三效濃縮器二次蒸汽需采用冷卻水換熱，MVR濃縮器設(shè)備減少了冷卻水的消耗。

離心壓縮機(jī)：壓縮機(jī)是MVR濃縮器設(shè)備的核心部件，為了降低能耗，保證設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，筆者公司采用了高速直驅(qū)蒸汽壓縮機(jī)（圖2）。

高速直驅(qū)蒸汽壓縮機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括油站、高速電機(jī)、壓縮機(jī)頭、蓄能器等。其電機(jī)軸與高速葉輪采用直連形式，高速葉輪為整體銑削加工而成。高速直驅(qū)蒸汽壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為5 000～30 000 r/min，溫升范圍為8～24 ℃，功率范圍為10 kW～1 MW。

高速直驅(qū)蒸汽壓縮機(jī)具備如下特點(diǎn)：（1）在能耗方面，該壓縮機(jī)能耗損失一般比齒輪增速蒸汽壓縮機(jī)低5%～10%;（2）在整體布局方面，該壓縮機(jī)體積小、重量輕，便于安裝維護(hù)，其體積約為齒輪增速蒸汽壓縮機(jī)的2/3，重量約為齒輪增速蒸汽壓縮機(jī)的1/2;（3）在部件配置方面，該壓縮機(jī)省去了齒輪箱，部件少，加工周期短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低。總之，選用較好的壓縮機(jī)可延長(zhǎng)MVR設(shè)備使用壽命。

4 ? ?三效濃縮器設(shè)備與MVR濃縮器設(shè)備能耗對(duì)比分析

筆者總結(jié)了3 t/h蒸發(fā)水量的濃縮工藝實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三效濃縮器設(shè)備與MVR濃縮器設(shè)備投資性價(jià)比進(jìn)行了對(duì)比分析。

水提車間某產(chǎn)品年蒸發(fā)水量需12 000 t，分析結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，使用MVR濃縮器設(shè)備每年的總能耗成本費(fèi)用比三效濃縮器設(shè)備低80.72萬(wàn)元。采用靜態(tài)投資分析計(jì)算，MVR濃縮器設(shè)備對(duì)比三效濃縮器設(shè)備投資成本回收期為：（220-70）/80.72≈1.86年。

通過(guò)對(duì)比可以看出，MVR濃縮器設(shè)備初期投資費(fèi)用偏高，如果是國(guó)外產(chǎn)品價(jià)位會(huì)更高，初期投入總成本就會(huì)大幅上漲。從初期投資方面來(lái)說(shuō)，三效濃縮器價(jià)格低于MVR濃縮器。

根據(jù)蒸發(fā)量測(cè)算年標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，分析結(jié)果如表2所示。

相比于三效濃縮器設(shè)備，使用MVR濃縮器設(shè)備每年可節(jié)約標(biāo)煤330.6 t，節(jié)約了70%的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗。

5 ? ?三效濃縮器與MVR濃縮器在中藥提取液濃縮中的應(yīng)用

通過(guò)以上分析，可得出MVR濃縮器設(shè)備節(jié)能減排效果顯著，目前已在中藥制藥行業(yè)逐步進(jìn)行推廣使用，但因MVR濃縮器本身技術(shù)特點(diǎn)對(duì)來(lái)料要求較高，限制了其廣泛應(yīng)用。

三效濃縮器設(shè)備對(duì)于物料水質(zhì)要求沒有MVR濃縮器設(shè)備高，是因?yàn)镸VR濃縮器設(shè)備采用蒸汽壓縮機(jī)的緣故。物料中進(jìn)水的物質(zhì)成分、濃度、處理量和蒸發(fā)量決定了使用MVR技術(shù)蒸汽壓縮機(jī)的選型、蒸發(fā)面積的大小、換熱器材質(zhì)、設(shè)備投資成本等等;另外，物料的特性決定了MVR濃縮器核心設(shè)備蒸汽壓縮機(jī)是否可以正常工作，若二次蒸汽物料中含有較高的雜質(zhì)吸附于壓縮機(jī)葉輪上，極易造成壓縮機(jī)損壞，從而限制了MVR濃縮器在中藥制藥行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

三效濃縮器可很好地兼容絕大部分中藥材提取液濃縮需求，對(duì)于中藥材藥液成分復(fù)雜、濃縮比重高等要求均可輕松應(yīng)對(duì)。同時(shí)，相較于MVR濃縮器設(shè)備，三效濃縮器設(shè)備因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，藥液最小循環(huán)量顯著減少。在中藥制藥行業(yè)，對(duì)于量少、品種多、成分復(fù)雜、比重要求高的中藥提取液濃縮過(guò)程具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

6 ? ?結(jié)語(yǔ)

綜上，通過(guò)分析三效濃縮器設(shè)備與MVR濃縮器設(shè)備的特點(diǎn)、能耗對(duì)比、應(yīng)用場(chǎng)景可知，使用MVR濃縮器設(shè)備回收年限短，運(yùn)行成本低，節(jié)能效果明顯，充分利用了二次蒸汽，能耗大幅度降低，能減少企業(yè)碳排放，有利于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。三效濃縮器設(shè)備應(yīng)用在量少、品種多、成分復(fù)雜、比重要求高的中藥提取液濃縮過(guò)程中具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，企業(yè)在選型時(shí)，需要充分根據(jù)自身的實(shí)際情況、水質(zhì)和物料特點(diǎn)以及設(shè)備投資情況、節(jié)能要求等一系列綜合因素考量，選擇更適合的產(chǎn)品。

收稿日期：2021-09-24

作者簡(jiǎn)介：周友華（1981—），男，江西永新人，工程師，從事制藥設(shè)備工程技改工作。