节能技术的蹊径之制药用蒸馏水机

节能技术的蹊径
之制药用蒸馏水机
蔡春山
前言
河北中然制药设备有限公司致力于升膜式多效技术的研究已经近十个年头，于2014年成功突破升膜式多效技术的世界难关，掌握了升膜式多效技术的核心技术，经过近十年的不懈努力先后研发成功：升膜式多效蒸馏水机、升膜式纯蒸汽发生器、一体式升膜多效真空浓缩器等系列产品并得以迅速推广应用。

系列产品主要特征是节能效果显著。

笔者愿意将研究成果分别整理出来供大家分享，不足之处欢迎批评指正。

本文是从蒸发原理的角度分析制药用蒸馏水机的特点，不针对具体产品。

文章非专业技术论文。

为适应大众、便于理解，文章格式、语句、用词等较为白话，但是核心技术内容、数据力求准确。

不足之处请多提宝贵意见。

第一章制药用蒸馏水机的技术沿革
制药用蒸馏水机诞生于20世纪50年代前，最初为单效蒸馏塔式蒸馏水机。

单效蒸馏塔式蒸馏水机类似于一台纯蒸汽发生器加上冷凝、冷却系统。

单效蒸馏塔式蒸馏水机蒸发原料水需要消耗大量的热量，二次蒸发后产生的纯蒸汽直接被冷凝、冷却成蒸馏水，这又需要消耗大量的冷却水。

由于浪费了大量的工业蒸汽和冷却水，蒸馏水的成本过于高昂，很大程度上制约了它的推广应用。

为解决单效蒸馏塔式的蒸馏水机高耗能的问题，20世纪60年代有人借鉴大型舰艇上制备纯水的MVR技术开发出一种蒸馏水机，称之为热压式蒸馏水机。

其原理在于波义耳定律，即:在定量定温下，理想气体的体积与气体的压力成反比。

是由英国化学家波义耳（Boyle），
在1662年根据实验结果提出。

热压式蒸馏水机的核心部件是压缩机，压缩机结构复杂、效率低、稳定性差、故障率高、噪音大、需要润滑油、维护保养要求高等等因素制约了热压式蒸馏水机的推广。

我国在20世纪70年代引进热压式蒸馏水机并于80年代开始仿制，至今没有重大突破的主要原因也是在压缩机上。

热压式蒸馏水机是动态设备，压缩机需要将电能转化为机械能再次转化为内能，能源转化效率是一个绕不开的话题。

动态设备一般需要润滑，发热还需要冷却，不可避免地会发生故障，维护保养要求高，故障停机影响生产的风险现实存在。

到20世纪70年代前后，随着西方国家对沸腾与气液两相流研究的深入，开发出降膜式多效蒸馏技术。

我们谈到过，多效蒸馏是一种很好的节能技术。

降膜式多效蒸馏水机的诞生在当时是一项比较重大的技术进步，应用的领域也很广。

降膜式多效蒸馏水机是一种静态设备，结构简单、操作方便、制造容易，占地面积小，虽然工业蒸汽的消耗比会大一些但综合成本有明显降低，它的诞生几乎一举取代了热压式蒸馏水机。

我国也是很快就引进了降膜式多效蒸馏水机并开始了仿制的进程，成为制药用蒸馏水机领域的主流产品。

降膜式多效蒸馏水机由于受蒸发方式的制约，热效率低、水质不稳定、产能低并且产量不稳定几乎是无法从技术上解决的问题。

当然，同期还有一种沸腾蒸发式的蒸馏水机，由于其很少采用，我们不做分析。

20世纪60年代70年代是对蒸汽能和电能的研究的高潮，同时对
计算机的研究逐步深入，计算机已经可以进行辅助计算，这也加快了蒸汽能和电能技术的研究和应用。

我国的技术研究和发展比较滞后，在相当长的一段时间我们都是以引进为主，至20世纪80年代我们的清华大学才开始进行竖直管向上的沸腾与气液两相流的研究。

可以说从20世纪70年代后至今国际上对于制药用蒸馏水机领域或者说在换热蒸发领域在技术上没有质的进步，研究方向上更侧重于对传热介质、材料、换热表面结构、运行条件、各种流型等等因素对换热蒸发效率的影响的研究。

至2010年，河北中然制药设备有限公司立项研发升膜式多效技术并于2013年投入应用标志着升膜式多效技术的诞生，2014年实现了技术突破，完全掌握了升膜式多效技术的核心技术，并拥有独立的完全的自主知识产权。

我们谈论过，升膜式蒸发技术是换热效率高和稳定的代表技术，多效蒸馏技术是高效的节能技术，这两项技术的结合可以说是高效节能技术的完美组合。

可以说，在沸腾与两相流领域（具体应用在制药用蒸馏水机领域）又再次有了重大的技术进步。

升膜式多效技术相对于传统的技术来说具有全面的优势!
我们简单总结如下表：
序号项目热压式蒸馏水
机降膜式多效蒸馏水
机
升膜多效式蒸馏
水机
1工业蒸汽消耗比0.140.250.13
2原料水消耗比 1.15 1.15 1.03
3冷却水消耗比00.210
4工业蒸汽（MPa）≥0.30.3-0.80.23-0.3
5蒸汽压缩机有无无
6进料水泵有有有
7其他水泵3台无无
8蒸发方式列管式沸腾蒸发、
列管式降膜蒸发列管式升膜蒸发
横管式蒸发
9蒸发效率（定性）一般低高
10用电比（KW/H/吨）170.50.2
11润滑油消耗比100
12润滑油滤芯有无无
13故障率高低接近0
14设备结构复杂较简单简单
15汽水分离机构简单简单独立组合式
16主要风险压缩机汽水分离无
17维护保养困难相对简单简单
18维护保养费用高低接近0
19运行成本高高低
20配套储罐比（一般）1：121：11:1
21配套费用高低低
高低低
22配套能耗（泵、加
热）
23占地面积大较小小
24噪声高较高几乎无
25排放温度低高低
26投资高低一般
第二章各种制药用蒸馏水机特点
制药用蒸馏水机是蒸馏法制备制药用蒸馏水的专用设备，对它最
本质的要求是生产满足要求的注射用水。

高效节能是降低能耗、提高
效率、降低成本的要求。

单效蒸馏塔式蒸馏水机、热压式蒸馏水机、降膜式多效蒸馏水机已经有了几十年的历史，各种设备的优缺点也已经体现的很充分。

我们试着分析一些用户的经验或者疑惑：
一、热压式蒸馏水机
涉及到能源消耗我们就先界定一下设备的标准工况：0.3MPa的饱和工业蒸汽；20℃的原料水（我国要求为纯化水）；蒸馏水温度95℃（92-99℃）。

计算方法是：用称重法或适合的计量方法获取单位时间原料水的消耗量、蒸馏水的产量、工业蒸汽的使用量或冷凝水的排放量、浓缩水的排放量。

工业蒸汽与蒸馏水的质量比值我们称之为：工业蒸汽的消耗比；原料水与蒸馏水的质量比值称之为：原料水的消耗比，这两个是重要的数据，可以反映设备的主要性能。

除了消耗工业蒸汽热压式蒸馏水机还要消耗大量的电能，我们需要将电能计算进来，那怎么计算呢？我们不妨将电能换算成热能（过程不赘述）。

大概每KWH相当于1.68Kg0.3MPa饱和蒸汽的蒸发比焓。

这样大家自己算一下就好了。

热压式蒸馏水机出水温度约85℃，应该比标准状况少消耗工业蒸汽14.3%。

热压式蒸馏水机是什么样的蒸发方式？通过分析我们知道它不只属于横管式蒸发，其主要蒸发方式还有类似于外加热式减压蒸发，是一种混合蒸发方式。

压缩机只是提供一种能源转化方式，不是蒸发方式。

外加热式减压蒸发是在换热器加热沸腾后再到蒸发器减压蒸发
的原理，受到蒸发面积和二次蒸汽移除速度等因素的制约；喷淋横管式蒸发受喷淋布水效果、管束上下表面遮挡等因素的影响，从原理上讲蒸发效率并不高。

关于热压式蒸馏水机有哪些关注点呢?
1.热压式蒸馏水机“节能”说
大家对热压式蒸馏水机的印象首先是节能。

关于热压式蒸馏水机的能源消耗参数一直蒙着神秘的面纱,除了用电功率比较准确外诸如工业蒸汽消耗比等没有准确可靠的数据，有的说工业蒸汽消耗比是0.15；1、有的0.14:1、有的0.1:1，还有的是0.09：1、更有是0.08：1。

不过确切的是热压式蒸馏水机可以将工业蒸汽的热量几乎可以用尽，之所以能达到这一点还是靠压缩机的贡献。

那么压缩机做出来多少贡献呢？
笔者通过对美国原装进口热压式蒸馏水机的运行进行实地考察带大家一起分析一下：
热压式蒸馏水机首先需要将原料水加热到蒸发温度进入蒸发器减压蒸发产生二次蒸汽，当二次蒸汽预热蒸发器后，在满足一定条件时压缩机启动，二次蒸汽经纯化后的纯蒸汽进入压缩机加压提高温度后进入蒸发器的管程，启动喷淋循环泵喷淋原料水，原料水与管程的被压缩后的纯蒸汽换热蒸发，产生的二次蒸汽与减压蒸发产生的二次蒸汽一起进入压缩机，纯蒸汽冷凝成蒸馏水，设备进入正常工作。

大家注意，此时并不是停止工业蒸汽，工业蒸汽依然要保持足够的压力。

压缩机达到一定的负荷才能保证产能。

通过实地考察有一组数据供大家参考：热压式蒸馏水机、大家知道的最大25000L/H的机型、工业蒸汽压力0.25MPa、产水温度86.6℃、压缩机出口温度104.7℃、压力0.02MPa、产水21000L/H、电流463A（换算功率：258.7KWH）。

首先我们计算压缩机将21000L的常压饱和蒸汽加热到0.02MPa （104.7℃）时热量增加了多少，增加了157500KJ。

相当于多少0.02MPa（104.7℃）饱和蒸汽的的热量呢？58.7Kg!
也就是说用258.7KWH的电能换取了58.7Kg0.02MPa（104.7℃）饱和蒸汽。

能源转化效率16.9%（计算过程略）。

2、热压式蒸馏水机“不用蒸汽”说
确实有这种说法。

从能量守恒的角度这个说法不成立。

有些药企将原料水升温至七八十摄氏度，那工业蒸汽的消耗量少是肯定的，原料水的加热也要消耗能源。

即使原料水的温度很高，将原料水蒸馏依然需要大量的热能，单凭MVR压缩机转化的哪一点点热能是远远不够的。

上节我们测算过热压式蒸馏水机的效率，它转化的热量不足蒸馏所需总热量的3%，还需要97%以上的能源。

从这一点上来讲，升膜式多效蒸馏水机和热压式蒸馏水机在工业蒸汽消耗方面同比是接近的。

换句话说，在相同的生产工况下热压式蒸馏水机和升膜式多效蒸馏水机消耗的工业蒸汽量是接近的，只是热压式蒸馏水机是依靠将电能以16.9%的能源转化效率获取约3%的工业蒸汽热能实现的。

3、热压式蒸馏水机“省钱”说
工业蒸汽消耗数据用户是会明白的，用电能转化的方式获取热能转化效率也就16.9%。

那么接下来就有了省钱说。

省钱说的的依据是什么？工业用电有波峰和波谷用电，差价较大，热压式水机在晚上波谷使用电能省钱，是这样吗？
晚上产水必须要有储存的措施，制药企业蒸馏水又需要时刻循环，循环还要保证循环温度，蒸馏水循环需要动力、需要检测监控，这一套设备设施运行维护也需要消耗大量能源。

热压式蒸馏水机巨大的电负荷还要有一笔不小的配电投入。

当然了，有些企业的生产是24小时连续的，需要连续产水，那也就无法错峰用电。

借用上面的数据：258.7KWH电，按照每度0.8元人民币计算是206.9元；58.7Kg0.02MPa（104.7℃）饱和蒸汽即使按照每吨300元计算也就17.61元。

4、热压式蒸馏水机“寿命长”说
热压式蒸馏水机核心部件是压缩机，压缩机又是动态设备，能保证用30年吗？我们从2010年再次引进热压式蒸馏水机到现在还不足
十年，有换电机的，有换压缩机的，有连续更换换热器的······。

使用30年主要原部件可能要更新几次了，并且换电机、压缩机这样的
关键、核心部件需要很长时间又需要大笔资金。

所以说“寿命长”说并没有指明那一部分能保证用30年。

5、热压式蒸馏水机“水质好”说
有人说热压式蒸馏水机水质好,电导率可以达到0.001µs/cm,能达到
吗?但是确实蒙蔽了很多人。

笔者曾特意对制造该说法的“朋友”友善地提醒，他也确实做了改进，将数据改为0.01µs/cm。

这回大家觉得怎么样?您说对了，还是有问题。

有人说不光电导率低，微生物、内毒素也低，因为压缩机高压高温可以杀死去除。

是这样吗？热压式蒸馏水机宣传的一个重要特点是低温低压运行，压缩机的出口压力才0.02MPa左右，温度不超110℃，并没有高温高压状态的存在。

热压式蒸馏水机的汽水分离基本是折流板碰撞分离或再加上丝网除沫分离，是常用的简单分离方式，况且丝网除沫分离基本已被淘汰，热压式蒸馏水机那么好的水质很难理解。

制药用蒸馏水机的水质受多重因素影响，水质指标也不单纯是电导率。

关于制药用蒸馏水机产水水质问题会有专文论述，敬请关注。

二、降膜式多效蒸馏水机
降膜式多效蒸馏水机应用得最广泛，大家对它的认识也最深刻，但是我们还是应该把国外原产地的降膜式多效蒸馏水机和国内仿制的降膜式多效蒸馏水机加以区分。

国际上老牌的降膜式多效蒸馏水机总的说性能还是比较稳定，至于缺陷我们谈过是原理问题，技术手段很难改变。

国内仿制的降膜式多效蒸馏水机很难用一种方式加以分析，虽然原理相同但是结构繁多，很多结构变动没有理论依据，表现出来的性能也是千差万别。

不论如何变动其原理没有改变，通常表现的工业蒸汽消耗比高、
耗水量大、排放温度高、产能低达不到额定产能、启动时振动声音大、散热量大环境温度高等等是共性问题。

关于降膜式多效蒸馏水机有哪些疑惑呢?
除去我们都熟知的一些缺陷外，有时会关注它的一个“优点”：“工业蒸汽压力高产水就多”。

关于这一点笔者听到的最多，一般可能是希望升膜式多效蒸馏水也具备这个“优势”。

那我们来分析分析：
我们知道，蒸馏的本质是有效热量的转移，有效的热量越多我们也可能获取越多的蒸馏水。

那我们来看看情况：
工业蒸汽压力（MPa）蒸发比焓（KJ/Kg）
0.32133.61
0.62065.97
0.82030.7
11999.86
上表的蒸发比焓代表了上文说的有效的热量，有什么规律?是的，随着工业蒸汽压力升高蒸发比焓却在降低。

那为什么降膜式多效蒸馏水机还具备“工业蒸汽压力高产水多”的特点呢？
降膜式多效蒸馏水机的高压运行可以提高水的流速换热效率会有所提高，另一方面，压力提高疏水器的疏水能力会提高，通过增大工业蒸汽的耗量来获得更多的热量。

所以“工业蒸汽压力高产水多”不是技术问题，不是节能技术探
讨的方案，这是一种不计能耗的方式。

降膜式多效蒸馏水机比热压式蒸馏水机能耗高是事实，降膜式多效蒸馏水机替代热压式蒸馏水机也是事实，最终还是一个综合性能指标的权衡。

我同意一些专业人士的观点：“如果降膜式多效蒸馏水机的能耗比能降到0.22:1以下热压式蒸馏水机就没有任何优势。

”
从技术角度学术上也有结论：从能耗上来说，MVR技术相当于3-5效多效的水平。

当然，不管哪种结论都是建立在MVR技术与降膜式多效技术的比较上，因为那时还没有升膜式多效蒸馏水机。

三、升膜式多效蒸馏水机
升膜式蒸发的主要特点是热效率高、换热效果稳定，但是换热效率高和换热效果稳定没有必然联系。

我们探讨过这两点都很重要。

升膜式蒸发的热效率高是什么概念？就是蒸发一定量的液体需要多少热量几乎就用多少热量。

肯定会有人反驳说不管什么蒸发方式都是这样的真是这样吗？没错，理论上确实是，能量是守恒的。

我们说换热效率就是指在一定条件下有多少热量可以有效转移利用，热效率100%就表示没有任何热量损失,热效率40%就表示有60%的热量损失。

根据运行数据，升膜式蒸发的热效率可以达到98%以上。

换热效果稳定当然也是很重要换热效果稳定是设备运行稳定的基础，也是“一算就准”的依据。

那么同样是多效蒸馏水机，升膜式和降膜式在运行时有什么区别呢？
多效蒸馏是一种节能技术，当然是相对于单效来说的。

随着效数的增加节能的效果和比例都在下降，这有一个经济效益问题。

那几效最好呢？这个问题的回答也不能太武断，这还是要根据实际情况分析。

升膜式多效蒸馏水机与降膜式多效蒸馏水机蒸发原理不同，表现出明显的差异化。

那我们就来分析一下：
1.工业蒸汽压力
制药用多效蒸馏水机在测试时参考的标准为0.3MPa的饱和蒸汽。

对于降膜式多效蒸馏水机，«多效蒸馏水机»行业标准（标准号：JB/T20030-2012）为：在产能在4000L/H以下、效数在3-6效时工业蒸汽为0.3MPa的饱和蒸汽；在产能高于4000L/H、效数在5-7效时工业蒸汽为0.60MPa。

对于升膜式多效蒸馏水机为：在6效数时工业蒸汽为0.25MPa 的饱和蒸汽，在8效时工业蒸汽为0.28MPa。

与工业蒸汽压力与产能无关。

为什么会有这样的差别呢？
根源还是在于蒸发方式：大家知道，降膜式多效蒸馏水机在运行时原料水是从第一效进入第二效再进入第三效······，原料水靠什么进入下一效呢？靠的是二次蒸汽产生的内压，这是要消耗能量的。

效数增多、水量增大、内压逐级降低，到一定程度设备是无法运行的。

俗称：推不动了。

所以降膜式多效蒸馏水机会一直给大家灌输一个思想：
“工业蒸汽压力越高越好”。

升膜式多效蒸馏水机在运行时原料水是下进下出，几乎不消耗内能，所以也就无需提高工业蒸汽压力。

至于工业蒸汽压力对用户的影响自不必说。

所以，用几效比较好是一个很难回答的问题，就升膜式多效蒸馏水机来说，根据制药的要求我们认为8效是最佳选择。

2.工业蒸汽消耗比
多效蒸馏水机行业标准（标准号：JB/T20030-2012）中6效的工业蒸汽消耗比为≦0.25，哈药集团实测的6效的工业蒸汽消耗比为0.465。

虽然个别实测数据不能代表所有降膜式多效蒸馏水机的运行数据，但是可以窥见一斑。

笔者一直关注包括热压式蒸馏水机的实际运行数据。

综合来看，如果测试过程、数据严谨准确的话降膜式多效蒸馏水机的工业蒸汽消耗比一般在0.3左右。

这和降膜式蒸发效率相当于升膜式蒸发效率的50%左右的论述接近。

3.产能
用户们都知道降膜式多效蒸馏水机不适合做大吨位，一般五六吨每小时还马马虎虎，这也是热压式蒸馏水机宣传的一个优势。

升膜式多效蒸馏水机适合做大吨位，目前设计最大吨位为50吨/小时。

为什么会有这么大的差别呢？对，您又答对了，确实和蒸发方式有关。

我们知道，降膜式多效蒸馏水机每效蒸发器的的结构都是相同
的，原料水是逐级通过每效，什么意思？也就是说每效获取的原料水量是不同的，有什么影响呢？还是在于布水效果。

同样的结构不同的水量，怎么来保证每效的布水效果呢？设计时是以几效为标准呢？产能越大要求原料水量越大、蒸发器换热面积越大、换热管数越多，换热管数越多布水效果就越差，这个问题恐怕很难解决。

再加上二次蒸汽背压给布水器带来的影响等等因素造成降膜式多效蒸馏水机根本无法完成大吨位的生产。

4.振动（噪音）
振动（噪音）是降膜式多效蒸馏水机和热压式蒸馏水机的共性。

降膜式多效蒸馏水机的振动（噪音）更多来自于设备内部，尤其是在启机阶段。

主要原因是“憋压”憋出来的，蒸汽要往上走你却偏不让，那怎么办？
热压式蒸馏水机的振动（噪音）主要来自于MVR压缩机。

升膜式多效蒸馏水机有噪音吗？有，大家知道格兰富泵吗？对，就是它的声音。

5.机体散热
我们都有经验：无菌制药企业的制水间四季都是“桑拿房”。

毫无疑问主要是蒸馏水机的贡献。

蒸馏水机机体散热与高温排放是重要原因。

为什么会这样？是的，您分析对了。

升膜式多效蒸馏水机就不散热吗？肯定散热，但是只是微微散热而已。

原因吗大家也都知道，是的，只要往蒸发方式方面考虑问题就迎刃而解。

大家还关注那些问题呢？
1.一台冷凝器是节能的标志吗？
确实，蒸发方式的改变设备的工艺流程和硬件配置会有变化，并且有明显的变化。

降膜式多效蒸馏水机和和升膜式多效蒸馏水机本质上是两种原理的设备，配置、流程，硬件等不同很正常，为什么要互相比较呢。

这种情况的出现和某些降膜式多效蒸馏水机生产企业的宣传是分不开的，当用户问到这两种设备有什么不同时总会说：“没有啥区别，就是一个降膜一个升膜，一个水从上面进一个水从下面进，升膜能做到的降膜也能做到。

”有问题吗？乍一听好像真是这么回事。

升膜式多效蒸馏水机从设计上就没考虑冷却水，这是原理决定的。

升膜式多效蒸馏水机在药机会上展出的样机只有一台冷凝器，这一特征被有些降膜式多效蒸馏水机生产企业误认为是节能的一个标志，也改成一个冷凝器，在这一点上与升膜式多效蒸馏水机没有什么差别，也节能。

但是原产地的制造企业并取消冷却水，他们可能更了解降膜式多效蒸馏水机的本质。

2.热量回收换热器是节能的标志吗？
升膜式多效蒸馏水机由于换热效率高、换热效果稳定，在一定条件下可以对工业蒸汽冷凝水和浓缩水热量进行回收，这是在一定条件下。

并且河北中然制药设备有限公司是在对升膜式多效蒸馏水机研究的进程中做的比较重大的技术优化设计，也是有专利的技术。

它有适用的条件。

在药机会上，当升膜式多效蒸馏水机有热量回收配置的样机参展
时立刻引起了广泛的关注，因为大家越来越关注节能。

这个特征也被误解为是节能的一个标志，在接下来的一届药机会便也有降膜式多效蒸馏水机企业推出了热量回收换热器的配置。

节能有很多技术手段。

至于“一台冷凝器”和“热量回收换热器”是升膜式多效蒸馏水机的适配技术，不是通用技术更不是节能与否的标志。

那升膜式多效蒸馏水机有什么特点呢？
我们总结一下：
1.设备运行几乎没有热量损失，冷凝水和浓缩水排放时热量都进行了回收利用，可以低温排放。

工业蒸汽消耗比可以做到0.13左右
2.原料水的消耗比为1.03:1
3.不用冷却水
4.产水水质质量高并且稳定
5.低压运行：设备可在0.25MPa饱和工业蒸汽压力下稳定运行
6.设备运行稳定、无噪音
7.机体散热量少
8.适合大吨位，目前设计产能为1-50吨/小时
9.占地面积小，与其他机型比较占地面积缩小一半以上
10.安装方便，无需“横平竖直”，直接放置安装平台上即可······
总结：我们谈过：“技术节能侧重于对既有工艺、技术、装备、设施的技术改进来达到节能的目的。

本文更侧重于研究开发高效装。