突破性的中药浓缩节能新技术(定稿)

1/8突破性的中药浓缩节能新技术刘旭海王谷洪（江中制药集团有限责任公司，南昌330096）摘要：中药提取过程中需要大量的蒸汽，其中浓缩的蒸汽用量占1/3。本文介绍的MVR技术将能回收利用生产中的二次蒸汽，大大降低生产成本；同时，蒸汽使用量的大幅减少，大大减少了二氧化硫、氮氧化物和粉尘的排放。关键词：MVR技术、浓缩、节能、环保传统的中药浓缩蒸发温度偏高，浸膏颜色偏深，不适合热敏性中药浓缩。且管道结垢严重，结垢后清洗劳动强度大，公共用系统投资大。其中浓缩能耗成本占中药提取过程能耗的三分之一。因此，降低浓缩的能耗势在必行。现在一项突破性的节能新技术已在中药提取领域诞生，这就是MVR浓缩技术。MVR是蒸汽机械再压缩（mechanicalvaporrecompression）的英文缩写，它是将从分离器抽取出来的低品味蒸汽经过压缩机压缩后，其温度和压力提高，作为蒸发器的热源，用于加热液体，蒸发器不需再从其它地方补充热源，从而减少对外界能源需求。一、MVR的工作原理传统的三效蒸发过程中，蒸发器一效和二效的二次蒸汽不能直接作为本效热源，只能作为次效的热源。但是，第三效产生出的二次蒸汽还是被冷凝排掉了，这就使得二次蒸汽中所蕴含的能量被排放在系统之外而浪费掉。2/8图1MVR原理图蒸发器：需要蒸发的溶液在蒸发器里和热源蒸汽进行换热，产生蒸发。根据不同溶液的性质来选择不同类型的蒸发器。分离器：用于蒸汽和液体的分离，根据不同溶液的性质可以选择不同的分离器，一般有离心分离器，重力分离器或者有特殊结构的分离器。真空系统：维持整个系统的真空度，从装置中抽出部分空气、不凝气体以及溶液带入的气体，以达到系统稳定的蒸发状态。泵：输送待蒸发的溶液以及浓缩后的溶液。根据不同性质的溶液选择不同类型的泵，一般可以使用离心泵、容积泵、螺杆泵。压缩机系统：通过压缩二次蒸汽提供蒸发热源，提高二次蒸汽的热焓。根据不同流量和压缩比的要求可以选择多种压缩机，对于压升加大的情况，可以采用多级压缩机串联使用。MVR的工作原理类似于热泵，见图1。在开车启动时将生蒸汽通入蒸发器，在管壁外给热将管壁内的溶液加热沸腾产生二次蒸汽，产生的二次蒸汽由压缩风机吸入增压后，二次蒸汽温度和压力提高，作为热源进入加热室加热浓缩液。管壁内的溶液通过循环泵在加热管内循环，源源不断地被循环加热蒸发，直至液体浓缩到所需浓度。冷凝下来的水与提取液进行再次换热后排出，排出的冷凝水COD(化学需氧量)小于50mg/L。排出的冷凝水由于COD值很低且具有较高的热焓值，可以综合利用，还用于洗澡水的热源或非洁净区容器的清洗等。为使蒸发装置的制造尽可能简单和操作方便，一般设计成单效浓缩器+压缩机方式，压缩机可以是罗茨风机也可以是离心式风机。离心式风机可以是一级也可以是二级，这些压缩机在1:1.2到1:2压缩比范围内，其体积流量较高。对于低的蒸发速率，也可用双级离心式风机或是罗茨风机。MVR浓缩蒸发器结构紧凑，占地面积小，所需空间也小，不需要冷却系统。对于需要扩建蒸发设备而供汽、供水能力不足，场地不够的老车间，特别是低温蒸发需要冷冻水冷凝的场合，可以收到既节省投资又取得较好的节能效果。目前国内外多数的MVR蒸发装置中使用离心式风机，离心式压缩机是体积控制机器，即无论吸入压力多大，体积流率几乎保持恒定，而质量流量的变化与绝对吸入压力成比例。MVR风机的设计很重要，它将影响和决定系统最终的蒸3/8发量，对于不同干物质下沸点差异不大的物料，采用单台风机即可满足，对于不同干物质浓度下沸点差异较大的物料，采用两台风机串联，或使用多级压缩风机。二、MVR技术特点1、物料停留时间短――提高生产率；2、简单的流程，可靠的效果――降低维护成本；3、压缩机采用变频控制――可根据实际生产情况改变电机功率；4、除启动时外，不需要一次原生蒸汽作为加热介质；5、公用工程配套少（不需配置冷却塔、循环水泵、真空泵和管道；减小锅炉及其减小辅机型号规格），工程总投资少；5、减少锅炉二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉尘和煤渣的排放，减少巨额废气处理费用、减少排污费的缴纳，减少锅炉及其辅机的维修费用；6、温差小，不容易腐蚀换热管，也不容易结垢(见图2)，对热敏性的物料具有很好的蒸发效果。图2MVR浓缩器浓缩3批结垢情况传统二效浓缩器浓缩3批结垢情况7、在能源价格不断上升的情况下，电能的价格较平稳，采用MVR蒸发器对企业的竞争力有极大的提升。8、不属于压力容器范畴。传统多效蒸发器在使用时，操作人员必须持有压力容器使用资格证，且需要按照国家相关标准进行申报、审批、安检等程序。而MVR蒸发器只利用电能，工作压力低于0.1MPa，不属压力容器监管范围。传统蒸发器使用高温、高压蒸汽作为热源，在使用过程中存在爆炸、烫伤等安全隐患，而MVR蒸发器可不使用蒸汽，避免了相应的安全隐患。9、与传统蒸汽蒸发器、蒸汽反应釜相比，MVR蒸发器为温和蒸发，加热蒸汽与4/8药液的温差小（一般不超过10℃），而生蒸汽蒸发器为强烈蒸发，其一效的温差一般都在30℃以上。因而MVR蒸发器不易产生结焦粘管的现象，而蒸汽则易产生此类问题，影响到设备的换热效果和蒸发量，且不易清洗干净。10、可用于蒸发浓缩、蒸发结晶和低温蒸发工艺。三、MVR压缩机的几种形式近两年来MVR技术在中药浓缩领域越来越多地得到应用，技术也在不断完善和创新。除初始用罗茨压缩机压缩蒸汽技术以外，又相继推出了离心压缩机压缩蒸汽技术。对于蒸发温度高的物料，为了获得较高的蒸汽温度，又推出了二级离心压缩机压缩技术，每一次变化都使得设备的对物料的适应性更广泛，运行更加稳定。压缩机的选配至关重要，下面分别就压缩机的选配形式进行介绍。1、罗茨压缩机图3罗茨风机结构原理图图3为罗茨压缩机结构原理图。罗茨压缩机又称罗茨风机，采用了三叶转子结构形式，为容积式风机和恒流量风机，输送的风量与转数成比例叶。叶轮端面和风机前后端盖之间及叶轮之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧，从而达到对二次蒸气增压增温的效果。风机内腔不需要润滑油，精度高，结构紧凑，体积小，重量轻，使用方便。罗茨风机的流量范围很宽，可以冷态启动，一般不会发生喘振现象。罗茨风机在运行中有两种因素会对叶轮造成损坏，一种是腐蚀，还一种是气蚀。叶轮化学腐蚀后，表面是非均匀的损坏；气蚀是在叶轮的叶顶形成有一道一道同向的沟槽，见图4。5/8为此，有的研究人员将罗茨压缩机叶轮改用不锈钢材质，但不锈钢热膨胀系数比铸铁大的多，而两个叶轮之间间隙很小，只有几十微米，叶轮内的工作温度达到120～130℃，压缩出的气体达到100℃，结果不锈钢叶轮因工作时过热膨胀被卡住。如果把间隙加大，压缩比会降低，性能很差。近些年来，通过进一步研究，发现碳钢镀镍材质的叶轮既保持了碳钢良好的机械强度，又发挥了镍材料优秀的抗腐蚀效果。但是，碳钢镀镍压缩机由于成本较高，而且受限于部分特殊的物料性状。罗茨风机产生的噪音是是低频噪音，波幅小、波长长。穿透力非常强，噪音处理难度大，即使做了隔音处理有一部分噪音会穿透出来，这种低频噪音令人很难受。图4罗茨风机叶轮气蚀情况2、离心式风机(见图5)6/8图5离心式风机结构原理图离心式风机噪音主要是高频噪音，容易隔断。一般对风机单独做一个消声柜，消声柜内装有吸音材料，通过消声处理噪音可降至70dB以下。MVR离心式风机配置方式有两种，一种是配置单级离心式风机，一种是配置两级离心式风机。同样的负载下，单级离心式风机本体温升很高，两级离心式风机本体温升可以降低一半。这样，两级离心式风机负荷较单级要轻，故障率会低一些。离心式风机的叶轮有两种形式，一种是开式叶轮，一种是闭式叶轮。对于MVR系统中使用的压缩机来说，为了保证压缩机出口的蒸汽为饱和蒸汽（过热蒸汽热焓值很低），需要在压缩机的进口处喷少量的水，来防止蒸汽过热。对于开式叶轮来说，喷进压缩机的水会直接打在叶轮上，由于叶轮的转速很高，水珠打在叶轮上，会对叶轮造成很大的冲击，易造成压缩机叶轮的动平衡失衡。一方面，造成压缩机叶轮的气蚀，另一方面，易造成轴承的磨损，这对开式叶轮材质的耐气蚀性和轴承的密封性有较高要求。而对于闭式叶轮，由于叶轮采用双面封板，喷进去的水雾不会直接打在叶轮上，容易解决叶轮动平衡失衡。离心式风机易产生喘振，喘振是离心式压缩机在进汽量减少到一定程度时振动现象，喘振对于离心式压缩机有着很严重的危害。发生喘振时，电流减小且频繁摆动；出口风压下降摆动；风机噪声大、振动大；机壳温度升高。当液体蒸发到一定程度后后再启动风机，可以把喘振点避开。3、罗茨风机与离心式风机的区别⑴离心式风机用的是曲线风叶，靠离心力将气体甩到机壳处排出。而罗茨风机是靠两个叶片的挤压，将气体挤至出气口；⑵罗茨风机的出气压力比较高，而7/8离心式风机比较小；⑶离心式风机用在压力要求低，风量要求大的地方。而罗茨风机用在风量要求不大但压力要求较高的地方，一般10吨以下的浓缩设备选用罗茨风机；⑷罗茨风机要求的精度很高，对装配要求也很严，而离心式风机相对较松；⑸离心式风机的能耗要低于罗茨风机，罗茨风机蒸发1吨水耗电约32度。离心式风机，蒸发1吨水约耗电25度。四、2吨/时MVR浓缩器与传统双效浓缩器能耗测算1、蒸汽单价参考数据：蒸汽成本(含煤炭、软水、电、脱硫除尘、人工、设备维护等)225元/吨、电价（含基本容量费）0.7元/度、自来水1.37元/吨。2、2吨/时双效浓缩器每蒸发1吨水能耗（以2吨/时浓缩规格计算）：成本构成成本（元）蒸汽成本158耗电成本（消耗电力7.2KW）5冷却水漂溢损失（消耗冷却水0.225吨）0.3合计163.33、2吨/时MVR浓缩器每蒸发1吨水能耗（以2吨/时浓缩规格计算）：成本构成成本（元）蒸汽成本0.07耗电成本（消耗电力40.7KW）28.5合计(元/吨)28.64、MVR和传统双效能耗成本比较：每蒸发1吨水，MVR浓缩器比双效浓缩器能源成本节约率=（163.3-28.6）/163.3=82.5%。5、全年能源成本节约：全年运行275天计，每天运行20小时计，每小时蒸发能力按2吨计，每天可以蒸发液体40吨，则（163.3-28.6）元/吨×2吨/时×20时/日×275日=148.2万元。五、结束语我国确定了在“十二五”期间万元GDP能耗下降16%、二氧化碳排放降低17%、二氧化硫排放下降8%、氮氧化物排放下降10%的节能减排战略目标。同时在世界资源不断紧张、能源价格逐渐攀升的今天，能源的成本在制药企业生产成本中占有越来越大的比例。MVR技术极大的降低能源成本，减少对蒸汽的依赖，减轻因8/8生产蒸汽造成对大气的污染，减少锅炉运行时发生的巨额脱硫除尘费用。MVR技术弥补了我国在中药提取领域技术空白，大大地提高了制药企业的核心竞争力，是中药浓缩节能领域突破性的新技术。作者简介：刘旭海（1962—），男，上海人，总工程师，研究方向：制药工程；通讯作者：王谷洪（1962—），男，江苏仪征人，总工办主任，研究方向：制药设备技术。电话：[phone]邮箱：[e-mail]