邵春林

(常州朗脈潔凈技術(shù)有限公司，江蘇常州213149)

0 引言

熱泵技術(shù)是當今能夠有效利用低溫熱源中蘊藏能源的主要方法之一，是一種十分有效的節(jié)能技術(shù)。顧名思義，熱泵就像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱源(如空氣、土壤、低壓水蒸氣、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)約部分高位能(如煤、燃氣、油、電等)的目的。熱泵雖然消耗了一定的高位能，但它所供給的熱量卻是所消耗的高位能和吸取的低位能之和，故采用熱泵裝置可以節(jié)約高位能。

自20世紀70年代的世界能源危機以來，各個國家都意識到了能源的稀缺性及能源對國家發(fā)展的戰(zhàn)略重要性。因此，各國加大了對各種節(jié)能產(chǎn)品的研究開發(fā)的投入，不少國家對熱泵這一節(jié)能技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，在工業(yè)生產(chǎn)中得到積極應(yīng)用。

在我國，熱泵技術(shù)的應(yīng)用尚在初級階段，目前已將熱泵技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)、地熱利用、造紙廠黑液的濃縮、制藥廠注射用水的生產(chǎn)、化工廠亞硫酸鈉和氯化鋇的制備、淀粉廠玉米浸泡液的凝縮、處理燃料廢水等方面。

1 熱壓蒸餾水機的節(jié)能意義

長期以來，采用蒸餾法生產(chǎn)注射用水(簡稱蒸餾水)的技術(shù)裝備發(fā)展過程比較緩慢，目前在我國制藥行業(yè)，90%的制藥廠家在注射用水生產(chǎn)過程中，采用多效蒸餾水機，這是因為多效蒸餾水機具有結(jié)構(gòu)簡單易操作、節(jié)能效果較好、操作穩(wěn)定、出水溫度高等優(yōu)點。其實還有另外一種更加節(jié)能的蒸餾水機——熱壓蒸餾水機，它比多效蒸餾水機的節(jié)能效率要高60%。

熱壓蒸餾水機是根據(jù)熱泵蒸發(fā)理論應(yīng)用于注射用水生產(chǎn)的高效節(jié)能設(shè)備，主要原理是利用蒸汽壓縮機(又稱熱泵)，將一次蒸發(fā)后產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮后，提高其熱焓量及溫度，使其中本來由于壓力較低而無法利用的潛熱得到再利用，然后將壓縮后的二次蒸汽再送回蒸發(fā)器的殼程，作為主要的加熱源來加熱未被蒸發(fā)的原水，將熱能交換后，其本身冷凝下來成為蒸餾水。表1為熱壓蒸餾水機、多效蒸餾水機能耗指標對比表(以產(chǎn)量為1 000 L/h的注射用水為例)。

表1 熱壓蒸餾水機、多效蒸餾水機能耗指標對比表

若成本依據(jù)蒸汽240元/t、電費0.8元/kW·h、冷卻水(軟化水)2.50元/t計算，由表1可見，熱壓蒸餾水機能耗僅為現(xiàn)在的多效蒸餾水機的32%，現(xiàn)階段研制的符合新版GMP要求的潔凈型熱壓蒸餾水機具有重要的經(jīng)濟意義和環(huán)保價值，符合國家的節(jié)能環(huán)保政策。

2 熱泵蒸發(fā)理論及其在注射用水生產(chǎn)上的應(yīng)用

2.1 蒸汽壓縮式熱泵技術(shù)在蒸發(fā)單元的應(yīng)用

按照熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)形式，通常將熱泵分為如下幾類：蒸汽壓縮式熱泵、氣體壓縮式熱泵、蒸汽噴射式熱泵、吸收式熱泵，現(xiàn)只討論蒸汽壓縮式熱泵。

蒸汽壓縮式熱泵主要采用的是離心式、羅茨式、活塞式、漩渦式等壓縮機。機械壓縮式蒸發(fā)器的簡單示意圖如圖1所示，蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮后提高壓力，再作為加熱蒸發(fā)器的加熱源，當壓縮機運行后幾乎無需補充加熱蒸汽。

圖1 帶機械壓縮式熱泵的蒸發(fā)

二次蒸汽壓縮的主要優(yōu)點是節(jié)能效率高，每壓縮1 kg二次蒸汽，若溫差為22℃，每小時僅需壓縮機的軸功率54.12 W；若溫差為5～10℃，每小時1 kW壓縮機的軸功率的蒸發(fā)量可達13.5～40 kg。圖2為蒸發(fā)量與蒸發(fā)溫度之間的關(guān)系，表示1 kW·h電能輸入到壓縮機在不同蒸發(fā)溫度下的可蒸發(fā)水量，圖中Δt是傳遞面的蒸汽冷凝側(cè)與蒸發(fā)側(cè)之間的溫度差，3條直線表明采用較高的蒸發(fā)溫度、較低的平均溫度差，則節(jié)能效果越好。

圖2 蒸發(fā)量與蒸發(fā)溫度之間的關(guān)系

絕熱壓縮的動力Wad計算公式：

式中r——絕熱指數(shù)，r=1.33；

P1——蒸發(fā)側(cè)壓力；

P2——冷凝側(cè)壓力；

V1——二次蒸汽量。

利用莫里爾(Mollier)蒸汽焓熵圖，可以求出壓縮過程焓的增值。壓縮機的單極最大壓縮比為1.8，一般以1.5倍左右為最經(jīng)濟。衡量熱泵工作效率的指標是熱泵的致熱系數(shù)(Coefficent Of Performance，通?？煽s寫為COP)，則COP=輸入蒸發(fā)器熱量-熱介質(zhì)顯熱壓縮機耗功，即可利用的能量與全部輸入的操作能量的比值，COP值越高，則表明熱泵輸入能量利用率越高。

2.2 熱泵技術(shù)在制藥行業(yè)的應(yīng)用——熱壓式蒸餾水機

水是藥品生產(chǎn)中用量最大、使用最廣的一種原料，而在所有無菌制劑制備中必不可少、用量最大的原料就是注射用水，按《中國藥典(2010版)》規(guī)定，注射用水的制取必須采用蒸餾法制取。

在蒸餾水設(shè)備中采用機械壓縮式熱泵蒸發(fā)技術(shù)具有突出的優(yōu)點，由于熱泵的作用，原水的蒸發(fā)在接近負壓和較低的溫度差(5℃左右)下進行，而且熱泵的工質(zhì)就是物料本身，從而大大減少蒸發(fā)冷凝時所消耗的能量，使熱泵的致熱系數(shù)COP值大為提高，一般可達25～40，有的甚至更高。因此，熱壓蒸餾水機只消耗極少的能耗即可制得注射用水，是目前所知的耗能最低的注射用水生產(chǎn)設(shè)備。

2.3 熱壓式蒸餾水機的最大優(yōu)點——節(jié)能效果顯著

用百分率焓流圖表示多效蒸餾水機和熱壓蒸餾水機的耗能情況，分別如圖3、圖4所示。

圖4 RY1000型熱壓式蒸餾水機的百分率焓流圖

由圖3可以看出，當采用多效蒸餾水機蒸發(fā)時，其進入的熱量大部分都從冷凝器散失了。圖4表示熱壓蒸餾水機的熱焓流情況，蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)熱泵提高壓力和溫度，重新作為加熱蒸汽使用，大量的熱量在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，因而耗能很少。由于水的蒸發(fā)潛熱在熱泵系統(tǒng)中被循環(huán)使用，這樣既節(jié)約了蒸發(fā)水所需要的熱量，又省去了二次蒸汽冷凝所需要的冷卻水。在蒸餾過程中需要外加的補充能量只是驅(qū)動熱泵運轉(zhuǎn)所需要的電能和為了保持系統(tǒng)正常工作所消耗的少量補充能量(蒸汽或電能)，這些補充能量可以補充排出蒸餾水和不凝性氣體所帶走的預(yù)熱、環(huán)境熱損失等。

圖5為熱壓蒸餾水機的流程圖，常溫原料水經(jīng)蒸餾水換熱器E及不凝型氣體換熱器F被預(yù)熱，進入蒸發(fā)冷凝器B的管程，在換熱管內(nèi)被蒸發(fā)成二次蒸汽，然后經(jīng)過頂部迷宮分離器除去水滴，再經(jīng)側(cè)面的蒸汽管進入蒸汽壓縮機A(即熱泵)，二次蒸汽被熱泵壓縮后，其溫度升高5～7℃，驅(qū)動蒸汽壓縮機的電能轉(zhuǎn)換為飽和蒸汽的熱能。經(jīng)過壓縮后熱焓量提高的二次蒸汽，經(jīng)由蒸汽排出管進入蒸發(fā)冷凝器B的殼程，在加熱換熱管內(nèi)原料水的同時自身冷凝為蒸餾水。由于其在冷凝時釋放出大量的冷凝潛熱，正好作為換熱管內(nèi)原料水的加熱源，這樣就既節(jié)省了加熱蒸汽，又省去了冷卻水。蒸發(fā)冷凝器B內(nèi)生成的熱蒸餾水經(jīng)回流罐D(zhuǎn)及蒸餾水泵進入蒸餾水換熱器E的殼程，和管程內(nèi)的原料水進行熱交換；回流罐D(zhuǎn)上部的不凝型氣體含有一定的剩余熱量，進入不凝型氣體換熱器E的殼程，和管程內(nèi)的原料水進行熱交換。經(jīng)過以上的流程，幾乎所有的熱量都在機器內(nèi)部被充分的熱交換利用，蒸發(fā)過程中除了壓縮機的耗電以外，只需要補充極少量的外部加熱蒸汽即可，以抵消外殼散熱等熱損失。

圖5 RY型熱壓蒸餾水機流程圖

2.3 熱壓蒸餾水機的特點

熱壓蒸餾水機的特點有：

(1)節(jié)能效果顯著，僅為多效蒸餾水機的32%。

(2)不消耗冷卻水。

(3)可全部采用電能，不消耗加熱蒸汽。

(4)不屬于壓力容器，制造檢驗管理成本低。

由于以上的特點，使得熱壓蒸餾水機具有多效蒸餾水機不可取代的優(yōu)點，在一些項目和地區(qū)具有很強的優(yōu)勢，如大輸液項目、缺水缺煤地區(qū)、電力富裕地區(qū)、只能用電無蒸汽的開發(fā)區(qū)等。但熱壓蒸餾水機和多效蒸餾水機相比，也存在一些缺點：(1)由于換熱面積龐大，成本較高，約高出多效蒸餾水機30%。(2)機器的維護需要較高的人力成本。(3)耗電量較高。

3 潔凈型熱壓蒸餾水機技術(shù)要點

3.1 潔凈型熱泵技術(shù)

潔凈型熱泵應(yīng)采用旋渦式蒸汽壓縮機，材質(zhì)為316L不銹鋼，精密鑄造，表面粗糙度Ra0.4 mm，易制造、成本低、體積小、穩(wěn)定性高，采用自排盡結(jié)構(gòu)，設(shè)計符合醫(yī)藥行業(yè)的潔凈要求。

3.2 自緊式潔凈型(熱泵)機械密封

熱壓蒸餾水機的蒸汽壓縮機工作時的轉(zhuǎn)速在4 500 r/min，其壓縮的介質(zhì)純蒸汽本身就是產(chǎn)品(冷凝液就是注射用水)，由此對蒸汽壓縮機的密封結(jié)構(gòu)要求符合醫(yī)藥的潔凈度要求，即結(jié)構(gòu)簡單無死角、無磨損不易脫落、表面光滑微生物不易生長等。

常規(guī)機械密封只能用在轉(zhuǎn)速1 500 r/min以下，而轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以上的機械密封則通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且其動靜環(huán)的材質(zhì)很難達到醫(yī)藥行業(yè)的潔凈要求，應(yīng)采用獨特的高硬度填充聚四氟乙烯作為靜環(huán)，高耐磨的二氧化硅陶瓷作為動環(huán)，并經(jīng)磨床研磨表面粗糙度達到Ra0.2 mm；靜環(huán)在安裝時和動環(huán)保持一個向壓力高的一面的角度，當正常工作時由于壓力差的作用，靜環(huán)上始終保持一個壓力達到自緊的作用。這樣既能依靠自緊力保持高轉(zhuǎn)速下的密封，又有高強度高耐磨材質(zhì)保證符合醫(yī)藥潔凈度的要求。

3.3 采用潔凈式大直徑雙管板換熱器

熱壓蒸餾水機中除了蒸汽壓縮機，其余制藥部件均為換熱器結(jié)構(gòu)，如蒸發(fā)冷凝器、蒸餾水換熱器、不凝型氣體換熱器等。

由于醫(yī)藥行業(yè)的特殊性，藥品生產(chǎn)管理規(guī)范(GMP)要求注射用水的制備、貯存和分配應(yīng)當能夠防止微生物的滋生，要避免死角、盲管、2種介質(zhì)的交叉污染。其體現(xiàn)在換熱器的設(shè)計中就要求不能有死角、圓滑過渡、料液水要能夠排除干凈不殘留、雙管板結(jié)構(gòu)設(shè)計防止冷熱媒體介質(zhì)交叉污染料液等。

大直徑雙管板換熱器為醫(yī)藥級列管式雙管板結(jié)構(gòu)，列管結(jié)構(gòu)無死角容易清洗，雙管板的結(jié)構(gòu)可以有效防止注射用水和非潔凈的加熱或冷卻介質(zhì)交叉污染。常州朗脈公司在大直徑雙管板潔凈式換熱器的設(shè)計制造中已經(jīng)具有豐富的經(jīng)驗，完全可以將這種技術(shù)運用到熱壓蒸餾水機中。

3.4 潔凈式可在位消毒管路系統(tǒng)

多效蒸餾水機可以在冷態(tài)狀態(tài)下迅速啟動，在啟動前無法對原料水管路進行消毒滅菌，在多效蒸餾水機啟動后的一段時間內(nèi)，若生產(chǎn)出的蒸餾水不能滿足GMP的標準則必須排放掉，造成原料和能源的浪費，不利于節(jié)約生產(chǎn)成本。

熱壓蒸餾水機在冷態(tài)狀態(tài)下啟動時間較長，需要將原水加熱至沸騰，產(chǎn)生的二次蒸汽要連續(xù)流過蒸汽壓縮機，使壓縮機的葉輪和機殼受熱后膨脹，直至達到其頂間隙和側(cè)間隙均勻一致，不會發(fā)生剮磨的風險，此時壓縮機才能啟動，這個啟動時間約1 h。這樣一段較長的預(yù)熱時間內(nèi)，熱壓蒸餾水機可以有充足的時間對原料水管路進行消毒滅菌，采用潔凈型氣動隔膜閥連接各個管路，組成可在位消毒的管路系統(tǒng)，利用預(yù)熱產(chǎn)生的流動二次蒸汽，在設(shè)備啟動前即可完成所有管路的消毒。

4 市場前景

4.1 國內(nèi)市場情況

目前國外醫(yī)藥行業(yè)使用熱壓蒸餾水機的市場占有率約為15%左右，所知的品牌有STILMAS、PANZINI、BRAM-COR等。國內(nèi)情況是使用進口的熱壓蒸餾水機約30余臺，寶雞制藥機械廠是國內(nèi)唯一生產(chǎn)熱壓蒸餾水機的廠家，目前的累計銷量約300余臺，近年由于各種原因已經(jīng)基本停產(chǎn)。目前國內(nèi)熱壓蒸餾水機的生產(chǎn)制造的市場是空白。

4.2 未來市場預(yù)測

按照市場占有率15%計算，熱壓蒸餾水機的年銷售量應(yīng)在80臺左右，按每臺每年節(jié)能34.74萬元計(以2 000 L/h規(guī)格為例)，每年節(jié)能約為2 779萬元。

按照熱壓蒸餾水機的優(yōu)點，市場開拓可以按照如下的方向發(fā)展：(1)煤炭能源緊張的地區(qū)，可有效減少鍋爐噸位的投資；(2)電力資源豐富的地區(qū)；(3)缺水地區(qū)，熱壓蒸餾水機不消耗冷卻水；(4)不能使用蒸汽的開發(fā)區(qū)等廠區(qū)，熱壓蒸餾水機可完全采用電加熱，最大規(guī)格可至2 000 L/h(電功率90 kW)，而多效蒸餾水機完全達不到；(5)注射用水用量大的用戶，使用熱壓蒸餾水機產(chǎn)量越大，單位蒸餾水的能耗就越低；(6)以后可以考慮向食品行業(yè)發(fā)展。

5 結(jié)語

鑒于熱壓蒸餾水機突出的節(jié)能優(yōu)勢，如果及時推出符合新版GMP要求的潔凈型熱壓蒸餾水機，將對我國注射用水生產(chǎn)設(shè)備的完善具有重要的戰(zhàn)略意義，完全符合國家的節(jié)能減排政策。同時，在整機成熟完善后可以開辟國外市場。

[1]JB20030—2004 多效蒸餾水機行業(yè)標準[S]

[2]龐合鼎，王守謙，閻克智.高效節(jié)能的熱泵技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社，2006