熱壓式蒸餾水機的應用--注射用水蒸餾法制備的節(jié)能

       熱壓式蒸餾水機也稱蒸汽壓縮式蒸餾水機，主要利用電機作為動力對蒸汽進行二次壓縮、提高溫度和壓力后蒸發(fā)原水而制備注射用水，屬于蒸汽機械再壓縮（MVR，Mechanical Vapor Recompression）技術在制藥用水領域的典型應用。

       MVR技術是重新利用設備自身產(chǎn)生的蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項節(jié)能技術，其原理主要是利用蒸汽壓縮機壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽，提高蒸汽的焓值，高焓值的二次蒸汽進入蒸發(fā)系統(tǒng)作為熱源循環(huán)使用，替代絕大部分工業(yè)蒸汽，工業(yè)蒸汽則僅用于系統(tǒng)初啟動用、補充熱損失和補充進出水溫差所需熱焓，從而大幅度降低蒸發(fā)器的工業(yè)蒸汽消耗，達到節(jié)能目的。

       MVR技術的理論基礎是波義耳定律，即PV/T=K，其中：P為氣體壓力、V為氣體體積、T為氣體溫度、K為常數(shù)，其含義是一定質(zhì)量的氣體，其壓強*體積/溫度為常數(shù)，也就意味著當氣體的體積減小，壓強增大時，氣體的溫度也會隨即升高。根據(jù)此原理，當稀薄的二次蒸汽在經(jīng)體積壓縮后其溫度會隨之升高，從而實現(xiàn)將低溫、低壓的蒸汽變成高溫高壓的蒸汽，進而可以作為熱源再次加熱需要被蒸發(fā)的原液，從而達到可以循環(huán)回收利用蒸汽的目的。

       實現(xiàn)MVR技術最為關鍵的設備為提升氣體壓力的壓縮機，壓縮機是指用來壓縮氣體借以提高氣體壓力或輸送氣體的機械，壓縮機也被稱為"壓氣機"或"氣泵"。嚴格意義上來講，當排氣壓力小于0.02MPa時稱為通風機；當排氣壓力在0.02～0.2MPa時，稱為鼓風機；當排氣壓力大于0.02MPa時才稱為壓縮機（表1）。

       表1 壓縮機的分類

       按工作原理分類，壓縮機可分為容積式壓縮機與動力式壓縮機兩大類。容積式壓縮機直接對一可變?nèi)莘e中的氣體進行壓縮，使該部分氣體容積縮小、壓力提高，其特點是壓縮機具有容積可周期變化的工作腔；動力式壓縮機也稱為速度式壓縮機，它首先使氣體流動速度提高，即增加氣體分子的動能，然后使氣流速度有序降低，使動能轉(zhuǎn)化為壓力能，與此同時氣體容積也相應減小，其特點是壓縮機具有驅(qū)使氣體獲得流動速度的葉輪。

       熱壓式蒸餾水機的主要結(jié)構(gòu)分為蒸發(fā)器、壓縮機和預熱單元三部分。

       （1）蒸發(fā)器

         蒸發(fā)器的主要功能是將熱壓式蒸餾水機的進水和經(jīng)壓縮機壓縮后的蒸汽進行換熱。蒸發(fā)器中蒸汽的溫度要高于進水溫度，它會在蒸發(fā)器中冷凝并釋放汽化潛熱，而進入熱壓式蒸餾水機的原水溫度較低，會吸收蒸汽冷凝時釋放的汽化潛熱，從而被蒸發(fā)為蒸汽，這一換熱過程通過蒸發(fā)器中大量換熱管提供了換熱過程的必要因素之一的換熱面積，按蒸發(fā)器的形式劃分，熱壓式蒸餾水機分為立式與臥式兩種（圖1）。

       圖1 熱壓式蒸餾水機的類型

       （2）壓縮機

        壓縮機吸入蒸發(fā)器中原料水產(chǎn)生的蒸汽，通過葉輪或者其它形式的壓縮結(jié)構(gòu)將機械能轉(zhuǎn)換為蒸汽的熱能。壓縮機實現(xiàn)從電能至機械能，然后再從機械能至熱能的轉(zhuǎn)換，原水產(chǎn)生的蒸汽增加能量后提高了溫度，從而保證了蒸發(fā)過程的溫差這一個必要因素。比較常用的壓縮機有高速離心壓縮機和低速離心壓縮機兩大類。

       傳統(tǒng)上認為壓縮機涉及維修與可靠性問題，但在高產(chǎn)能注射用水生產(chǎn)的需求下，熱壓式蒸餾水機帶來的經(jīng)濟效果往往大于對企業(yè)對壓縮機的顧慮，這些情況下，就需要維護措施到位來減輕對壓縮機的顧慮，因此，如何設計壓縮機的結(jié)構(gòu)從而提高壓縮機的效率和可靠性是熱壓式蒸餾水機的核心。熱壓式蒸餾水機的壓縮機發(fā)展經(jīng)歷了鼓風機/工業(yè)通風扇、皮帶驅(qū)動離心壓縮機與變頻直驅(qū)離心壓縮機等三個主要階段（表2）。

       表2 壓縮機工藝與部件對比

       目前，熱壓式蒸餾水機主要利用的是離心壓縮機，它屬于透平壓縮機的一種。離心壓縮機工作時，氣體在壓縮機中的運動是沿垂直于壓縮機軸的徑向進行的。其工作原理為具有葉片的工作輪在壓縮機的軸上旋轉(zhuǎn)，進入工作輪的氣體被帶著旋轉(zhuǎn)，增加了動能（速度）和靜壓頭（壓力），然后出工作輪進入擴壓器內(nèi)，在擴壓器內(nèi)氣體的速度轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ΓM一步提高壓力，經(jīng)過壓縮的氣體再經(jīng)彎道和回流器進入下一級葉輪進一步壓縮至所需的壓力，氣體在葉輪中提高壓力的原因有兩個，一是氣體在葉輪葉片作用下，跟著葉輪做高速的旋轉(zhuǎn)，而氣體由于受旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用使氣體的壓力升高；二是葉輪是從里到外逐漸擴大的，氣體在葉輪里擴壓流動，使氣體通過葉輪后壓力提高。

       （3）預熱單元

        預熱單元利用幾個不同功能的換熱器能很好地解決能量回收利用的問題，原水進入熱壓式蒸餾水機時溫度一般只有20～25℃左右，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度需要在100度左右，而產(chǎn)水注射用水的溫度是80℃左右，濃水排放的溫度則需要越低越好。原水進入熱壓式蒸餾水機后會最終轉(zhuǎn)換為注射用水和濃水，注射用水和濃水在出熱壓式蒸餾水機之前都通過預熱裝置將能量盡可能多的再次轉(zhuǎn)移給進水，從而減少蒸發(fā)用蒸汽的消耗，同時，不凝性氣體排放之前也通過預熱裝置來將熱量回收至原水中，這些換熱器要求都是雙管板結(jié)構(gòu)或者其它特殊設計，從而有效避免換熱的兩種介質(zhì)發(fā)生交叉污染。根據(jù)客戶的實際需求，熱壓式蒸餾水機可以生產(chǎn)出符合各國藥典要求的高溫注射用水（70～85℃），也可以生產(chǎn)出常溫的注射用水或純化水（20～32℃），或者同時生產(chǎn)出兩種不同溫度的制藥用水。

       熱壓式蒸餾水機以自身產(chǎn)生的壓縮蒸汽作為主要的熱能，大幅提高了工作效率，其蒸發(fā)器生產(chǎn)不受壓力容器監(jiān)檢管控，所需要的能源主要來自于電能，電能消耗的數(shù)量會根據(jù)各個熱壓水機結(jié)構(gòu)設計的不同有所區(qū)別，某調(diào)研機構(gòu)將同一制藥企業(yè)運行的相同產(chǎn)水量的熱壓式蒸餾水機和五效蒸餾水機運行能耗情況進行統(tǒng)計對比，發(fā)現(xiàn)熱壓式蒸餾水機比五效蒸餾水機少消耗50%左右的工業(yè)蒸汽，但熱壓式蒸餾水機每生產(chǎn)一噸注射用水會增加10KW左右的電能消耗。

       蒸餾技術要求有充分的預處理來防止或減少設備腐蝕或是結(jié)垢，預處理的范圍因原水水源和所采用的蒸餾方法的不同而異，通俗來講，進行了軟化與除氯的原水即可滿足熱壓式蒸餾水機的進水條件，對原水的電導率值、TDS與二氧化硅含量要求不高，這主要是由于蒸汽壓縮蒸餾水機和單效蒸餾水機的運行溫度較低，所以對原水中溶解的礦物質(zhì)含量耐受程度也更為高一些；相反，由于多效蒸餾水機的運行溫度較高，對溶解礦物質(zhì)的要求也更為嚴格，然而，這些較高的運行溫度能夠更強效地確保多效蒸餾水機對熱原的去除。

       在很多情況下，確保有足夠的排污水率以將二氧化硅的濃度維持在飽和濃度以下可以防止硅垢的形成，例如，多效蒸餾水機的濃水排放率一般控制在10～15%，而低溫運行的熱壓式蒸餾水機能耐受原水中更高的二氧化硅含量，因此，其濃水排放率可相對更低。

       熱壓式蒸餾水機的潛在熱量是被重復利用的，因此，沒有必要像多效蒸餾水機一樣在設備末端配置一個單獨的產(chǎn)水降溫冷凝器。同時，熱壓式蒸餾水機的有效產(chǎn)能可達20,000L/h以上，極大地滿足了我國部分化藥注射劑類、中藥注射劑類與生物制品企業(yè)的注射用水高產(chǎn)能需求。

       與多效蒸餾水機相比，熱壓式蒸餾水機采用的調(diào)節(jié)閥更多、結(jié)構(gòu)設計更加復雜，在維護保養(yǎng)與運行穩(wěn)定性方面需要更加謹慎。由于熱壓式蒸餾水機的蒸發(fā)器是非壓力容器，使用壽命比多效蒸餾水機相對更長，因此，在設備安裝就位初期，需要考慮在較長的運行周期內(nèi)蒸發(fā)器中換熱管的維修空間與維修措施；因為存在高速高負荷運轉(zhuǎn)的壓縮機部件，熱壓式蒸餾水機對維修人員和設備保養(yǎng)人員有著更高的技術要求，壓縮機需要有預警裝置來保證提前發(fā)現(xiàn)故障和保證安全，壓縮機運轉(zhuǎn)的軸承和密封達到使用壽命年限必須強制更換，壓縮機葉輪動平衡的保持也非常重要，隨著使用年限的增長，要保證葉輪動平衡始終保持在可以接受的范圍內(nèi)，同時，壓縮機大功率變頻器柜的維護需要專業(yè)電器人員每年進行專業(yè)的維護保養(yǎng)，避免發(fā)生電器短路或者受潮事故。

       參考文獻：

       1. 國家藥品食品監(jiān)督管理局，藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010年修訂），2010

       2. 國家藥典委員會，中華人民共和國藥典2015年版，中國醫(yī)藥科技出版社，2015

       3. European Pharmacopoeia 9th，2016

       4. U.S. Pharmacopeia National Formulary 41，2017

       5. WHO Expert Committee on Specifications for Pharmaceutical Preparations fourty-sixth Report，Annex 2：WHO Good Manufacturing Practices：Water for Pharmaceutical Use，2012

       6. FDA，Guide to Inspections of High Purity Water Systems，1993

       7. 國家食品藥品監(jiān)督管理局藥品認證管理中心，中國醫(yī)藥科技出版社，GMP實施指南，2010

       8. 化學工業(yè)出版社，制藥用水系統(tǒng)，2016

       9. 良好自動化生產(chǎn)實踐指南（第五版）

       專家簡介：張功臣，制藥行業(yè)專家，主要從事制藥流體與生物工藝系統(tǒng)的研究與實踐，全國制藥工程設計競賽委員會專家，ISPE培訓專家，國家藥監(jiān)局檢查員培訓專家，國家標準《GB50913-2013 醫(yī)藥工藝用水系統(tǒng)設計規(guī)范》編委。

點擊下圖，預登記觀展