制药行业蒸发浓缩分析及节能途径

1 前言     节能这个话题的范围比较大，由于企业对能源使用包括的品种有水、电、汽以及煤气等诸多方面，从能源的生产、使用、管理、回收利用等都有很多的话题可以讨论。本文从药品生产使用中普遍消耗量比较大的品种——汽的使用和节能来加以分析，以作抛砖引玉。    制药行业实际上属于化工生产的子行业，而化工行业是能源消耗的大户。能源使用的种类和数量的多少由其生产工艺所决定。我们知道，化工生产的工艺可细分成若干单元操作，如过滤、分离、蒸发、结晶、干燥等等。这些过程无不需要消耗能源，其中有些单元操作消耗的能源相当之大。因此，对单元操作原理和过程的了解不仅对生产工艺的理解具有关键的作用，而且对其生产过程的能耗分析也至关重要。所以，追求节能降耗的效果首先应该在保证满足生产工艺目的前提下进行。当然，工艺也并非一成不变。可以说，产品的生产工艺从它诞生的那天起一直都在不断地改进。其出发点和目的无非是提高质量或产量、收率，或降低成本和劳动强度，或减少环境污染，或增加安全性等等。一言以蔽之都是为了增加效益，这里的效益应该是指经济效益和社会效益。现在有些不法厂家以牺牲社会效益来获取其局部的、暂时的、非法的、不道德的效益和利润，这种做法已超出了正常的道德和法律底线，最终为社会和大众所不齿而受到法律的严惩。     节能方式的2大出发点：(1)通过对设备本身的改进，提高其运行效率，减少无用功率，或增加产能以达到单位能耗的下降。这种做法比较多，其中提高传热效率、减少能量的损耗和机械的磨损也是其常用的方式；(2)在生产动力设备的合理配置上大有文章可做，诸如避免“大马拉小车”的现象，采用变频技术来调节功率的变化以达到节能的目的等等。     除了上面所谈的节能出发点即从现存设备的本身“就事论事”地改进和改造以外，笔者提出另一种节能方式的出发点是：对工艺能耗的过程和实质进行剖析，可从本行业大多数企业能耗的重点方面入手，对其工艺过程能耗的本质进行思考和寻求突破，从而尽可能地减少能耗，使效率成倍或数倍地提高，这就是我们这个行业节能的关键和特点，也是潜力的重点所在。这也是本文要重点阐述分析和探讨的内容。     2 化工及制药企业的节能重点和关键     对于化工生产过程中的单元操作，生产企业都有很深的体会和经验。特别是蒸发和干燥的单元操作，它们都涉及到传热的问题，这种传热的过程使得介质发生了“相变”。例如，蒸发和干燥都是使物料中的成分（通常是水）由液体变成了气体，即由“液相”变成了“汽相”。这种“相变”过程对能量的消耗特别大。我们都知道，水的比热为1kcal/kg·℃，也就是说，1kg的水，温度每上升1℃需要1kcal的热量。对1kg的水加热从0℃上升到100℃沸腾，理论上也就仅需要大约100kcal的热量。但如果将其在此100℃时加热使它汽化，成为同温度的蒸汽，则需要约539kcal的热量。这就是说，能耗是相当于使同样重量的水温度每升高1℃所需热量的539倍。这个使其发生“相变”的热量称之为“汽化热”。反过来，1kg100℃的蒸汽冷凝成同温度的水产生“相变”时也会放出这么多热量的，这个热也可称之为“冷凝热”，所以汽化热和冷凝热对同一种物质在相同温度下的数值是相等的。锅炉产生的加热蒸汽就是因为释放了冷凝热而使物料被加热和蒸发的，而同时锅炉蒸汽成了凝水，由汽态变成了液态。所以，有相变与无相变的传热与能耗之间的差别是很大的。这也是很多药厂的能耗在蒸发浓缩和干燥工艺上所占据的比例特别高的原因所在。尤其是在蒸发浓缩这个工段，由于蒸发的量一般都较大，所以能耗必然就很高。据了解，中药生产企业在药材提取后的浓缩工段所消耗的蒸汽量大约占到全厂总用汽量的2/3，甚至多达80%左右。这个事实从上面理论上的分析也进一步得到了实践的验证。因此，对此问题进行分析和寻求解决的途径会对企业的节能工作起着十分重要的作用。     在蒸发工艺中，热交换器的使用是很频繁的。其既用于加热和使溶液汽化的“加热器”和“蒸发器’，同时又要设置相应的为了让这些汽化了的蒸汽重又凝成液体的“冷凝器”和“冷却器”。所以，从浓缩工艺通过加热蒸发完成的结果上来分析，溶液从“液相”变成了“汽相”之后，还需从“汽相”返回“液相”，此结果使能源大量消耗。蒸发，使其从液相变为汽相，要消耗大量的汽化热；而冷凝，则又要把汽化热重又凝成液体。而为了使其冷凝又不得不耗用大量的冷却水(另一种大量消耗能源的形式)。这是一种典型的通常所见的所谓“单效蒸发”。     上述看来，其实这种能源的消耗是非常“冤枉”的。很明显，蒸发过程其实是物质的迁移过程，并没有发生化学变化和化学反应，而从实际结果来看，并没有发生“相变”。因为原来原料中的液体的一部分，所谓蒸发出去的那部分只是换了个地方，仅仅不回到原来的溶液中而已，但结果还是变成了液体。     为了尽量利用已经蒸发的溶媒蒸汽中所含有的热能（汽化热），人们想到用它作为热源继续来加热尚未蒸发的溶液。为了区别溶媒蒸汽与初始作为热源蒸汽的区别，我们把它叫做二次蒸汽，而锅炉所供加热的蒸汽则称为“生蒸汽”或“一次蒸汽”。这时，二次蒸汽就不用消耗冷却水来“剥夺”其所具有的汽化热，而使这部分能量作为热源来加热尚未蒸发的溶液，这样一来溶液的蒸发量就增加了。而且，二次蒸汽在加热溶液的同时其自身又被冷却下来，被还原成了原本要用冷却水来冷却所得到的液相，又大大节省了冷却水的消耗。使得原本要用冷却水来“解决”问题的对象——溶液的蒸汽变成了能再加热的能源，此方法一举两得，的确相当节能。我们称之为“双效蒸发”，其设备则是双效蒸发器。双效浓缩器的节能效果相当的明显。一般来说，采用单效浓缩器蒸发1000kg水，需要约1100kg从锅炉产生的生蒸汽；而采用双效浓缩器蒸发同样多的水，则仅需约570kg的生蒸汽[1]，节约生蒸汽为530kg，节约了48%，近一半的能耗。节能效果相当可观。所以在制药企业中采用双效浓缩器取代单效蒸发是一种效果很好的节能方法，值得大力推广[2]、[3]。     既然采用双效浓缩器如此节能，那么采用三效或者多效是不是更能节约能耗吗？诚然，效数越多，热能利用的循环次数也就越多，从理论上来讲也就越节能。多效蒸馏水机往往效数较多，就是利用这种原理，它取代了过去老式被淘汰了的重蒸馏水机。但是在制药的蒸发工艺中，效数过多并不一定就越好，特别是在中药浓缩工艺上。理由有3：(1)多效蒸发往往是采用减压蒸发，各效中存在一个真空梯度。而真空度最高的是在末效，这是因为末效最接近真空源的缘故。第一效用的是“原始”蒸汽，即来自锅炉的生蒸汽，它的蒸发量是最大的，所以这一效是设备的“主力军”。而由于其真空度比其他效都低，所以这一效设备的蒸发温度最高。这是由于一定的真空度是与溶液的沸点相对应的，真空度越高，沸点就越低，真空度越低，沸点就越高。举个例子，水在常压下（760mmHg，这时真空度为0。真空度是相对大气的压力而言的，真空度=大气压力-绝对压力）沸点是100℃。而在减压真空情况下，它的沸点就会降低，在355mmHg时，沸点为80℃。这就是说，在此真空条件下，水80℃就沸腾了。如果继续减压（降低绝对压力）到188mmHg，沸点就降低到65℃。我们通常所说的常压，常常理解为压力为零，即压力表上的指示压力，说的是“相对压力”，是相对大气压而言的，故有表压力=相对压力=绝对压力-大气压力。所以，在表上所显示的真空数值往往低于大气压的差值。在一般的单效蒸发中，在绝对压力是188mmHg条件下（相当于真空度为0.75），蒸发的温度为65℃，而在双效蒸发中，相当于在第二效的温度和压力是一样的条件，这时在第一效中的真空度由于“真空梯度”的原因而小于这个数值，所以第一效的蒸发温度就高了。而蒸发时的真空度越高也就是压力越低的话，对蒸发越有利，但此时恰恰相反；另一方面，温度变高了，使得溶液中的热敏性的成分遭受破坏的程度加重，而这也是它的负面作用。所以效数越多，负面作用就越大。这是效数不宜过多的第一个原因；(2)效数越多，设备就越复杂，不仅投资增大，而且增加了操作维修保养的工作量和难度；(3)中药提取液浓缩到最后，一般来说比较粘稠同时价值也变高了，如果设备结构复杂，必然导致粘着在设备上的物料变多，不但给清洗设备带来麻烦，更加大了最终物料的经济损失。综上所述，笔者认为采用双效浓缩器比较妥当，其既能节能降耗又可避免物料的损失，设备投资费用也较为适中。 对浓缩工艺的过程，其实质从能量传递的视角对多效蒸发的节能形式作出了评价。但是，无论怎样，通过蒸发的方式来达到浓缩的效果就必须消耗大量的“汽化热”才能做到，尽管这种“汽化热”在各“效”中可以以“接力”的形式进行“传递”从而达到节能降耗的目的，但是初始加热的蒸汽的能量和最终的第n效的冷却水的消耗是节约不了的，这是不得不经过的“一个坎”——加热又冷却的能耗过程，恰恰就是高耗能的关键过程。     能否突破这样一个“坎”，不经过既加热随即又冷却，亦即不使物料产生“相变”而达到溶液浓缩的目的，也就是无须一定要用加热汽化而后又冷凝的方式，则应该说是大大地节约了蒸汽和冷却水的消耗，也就大大地节约了能源。这种办法有没有，能否行得通呢？回答是肯定的。而这种方式应该说对工艺是一种革命性的突破。那么，是什么方式呢？     我们知道，按现在科技发展的水平，浓缩不一定非得用蒸发的方式。况且，在蒸发的工艺中由于需要加热，不仅能耗大且对于热敏性的物料来说，损失也是相当严重的。因此寻求更合理的途径势在必行，如用“过滤”的方法也可达到浓缩的目的，当然这种过滤不是普通的过滤，而是“膜过滤”，或曰“膜浓缩”或“膜分离”的膜技术方法。     膜技术现阶段发展很快，不仅已使用在液体的分离、浓缩、纯化等方面，而且可用于分离气体。由于这种技术不是通过传热使之蒸发而完成浓缩工艺的，所以没有“相变”产生，这样消耗的能量与蒸发浓缩相比就少了很多。如果说我们把蒸发浓缩的过程比喻为被蒸发的物质“从一楼坐电梯到顶层（蒸发出去）又回到下面（冷凝下来），只是换了个房间（收集凝液的容器）”而已；同样我们也可以将膜过滤浓缩比喻为“不需要坐电梯，只要在同一个楼层从走廊里过一道检查门”（膜，它只能使具有某种特性如分子直径在一定大小范围内的物质通过），进到另一个房间也同样达到了“换到了另一个房间”的效果，这样省去了很多的中间环节，可以大大节约能耗。运用膜技术的能耗只是蒸发浓缩的几分之一或十几分之一甚至更多，这就是膜技术能大大节能的关键之所在。     膜分离技术目前在制药工业中已经得到应用并显示出其独特的优势：节能、环保，且在提高产品的质量方面也具有相当的优势。当然，在膜技术的应用上还有许多工作需要我们去深入探索和研究，但此项技术在制药行业中的运用确实具有很大的潜力和价值，其前景是不容置疑和令人乐观的，也是值得相关人士关注和重视的。     3 对“热回流提取浓缩机组”节能的探讨     中药提取前处理工艺设备中有一种“热回流提取浓缩机组”，目前有不少厂家在使用。该装置实际上是把提取罐和一组单效浓缩器组合在一起，在提取的同时亦进行浓缩，提取和浓缩两个工艺过程合并在一起。该设备的制造商认为其有许多优点，诸如：溶媒使用量少，有利于节约原材料的消耗；增加提取过程中的浓度差，有利于提高提取的效率；提取的时间缩短，收率提高；节能效果显著等等。在设备制造商的相关资料中，我们不难发现，其都把“节能”作为推销“热回流”提取浓缩设备的“亮点”。但事实上，从不少用户使用的情况反馈来看，这类设备并不能达到所谓的节能效果。相反消耗的能量还很大，这值得探讨。     让我们来对比分析一下普通先提取而后浓缩工艺和“热回流”工艺有什么区别。     首先简述一下普通提取工艺。一般来说，提取分2次，初次加入溶剂的量约为药材重量的10倍。例如，3t的提取罐水提取时加入药材是300kg的话，那么加入的水就是3000kg（不同的药材提取工艺对加入的溶媒量的比例会有些差别，这里假定一个大致的前提）。第1次提取完毕将提取液放出后，再进行第2次提取，这时由于药材已被浸润也煮过了，所以再次加入的水量就不再需要那么多，而是干药材的8倍，也就是2400kg。这样2次提取总的加入溶媒的量为5400kg（水）。如果两次提取所得的药液总量是加入溶媒总量的85%，也就是4590kg，设其中需要蒸发的量为溶液总量的90%，也就是4131kg，到后面浓缩工序采用蒸发能力为1000kg/h的双效浓缩器来浓缩的话，浓缩工段消耗的生蒸汽约为需要蒸发水量的57%左右，也就是2245kg（见上面对双效浓缩器能耗的分析）。需要的时间为：2次提取约为4h，浓缩约为4h，总共是8h。请注意，分别提取浓缩时，对同一批料而言，提取时并没有浓缩，而浓缩时也并未在提取，2种设备是运行在各自的工作时间内，而不是共同的工作时间内。     但热回流提取浓缩机组运行的工作时间则是在共同的工作时间内，就是说，提取罐和浓缩器都在工作，即提取和浓缩同时在进行。而提取同样量的药材，这种机组所需的时间也要花上6～8h左右。处理相当量300kg药材的机组其构成就是由1台3t的提取罐和1台蒸发量为1000kg/h的单效浓缩器所组成。从加入溶媒的量来说，机组也要分2次加入提取罐，第1次约为2500kg，第2次约为1500kg，总共是4000kg。的确，与上面单独提取相比，“热回流”设备总的加入溶媒的量少了（5400-4000）=1400kg，但是，由于机组使用的是单效浓缩器，其消耗的蒸汽能源是需要蒸发溶媒量的1.1倍，同样的比例计算其需蒸发“出去”的量为3060kg，则需消耗蒸汽3366kg。这与上面计算单独操作的工艺要多耗1121kg蒸汽。其关键就在于这种“提取浓缩热回流机组”所采用的浓缩器是单效浓缩器，与双效浓缩器相比相当耗能。另一方面，我们刚才只是对2种方法各自需要蒸发出去的溶媒量作了表象上的分析，其实另一种隐性的能耗并没有真正地揭示出来，这也是“热回流”工艺特点所产生的。既然是“热回流”，那就必然要使溶媒回流，其做法就是让溶媒加热蒸发了以后又使其冷凝后再回到提取罐中来，自始至终地在不断地“回流”，也就是在如此一体化的设备中溶媒蒸发冷凝了多次。这就是隐性的、不易明显看出来的大量的能耗。这种不是蒸发出去而是在系统内“回流”的做法无疑是一种系统内的大量的耗能，一种“内耗”。整个机组从开车起直至提取操作完成，而至浓缩最后积留在浓缩器内的提取液时，这种回流才可能不继续下去。能耗之大由此可见。当然，“回流”在这个工艺过程中可起到促进提取的作用，这是因为蒸发而冷凝后的溶媒中含有药材的成分非常之少，使它回流返入提取罐相当于新加入了新鲜的溶媒，这样可以与罐内的液体和药材形成较大的“浓度差”，即“浓度梯度”，而成为提取的推动力，从而起到促进提取的作用。其实，单独用提取罐进行提取时，就已在提取罐上方安装了冷凝器即采用了“回流”的方法，而“热回流提取浓缩机组”只不过加大了这种回流的量，即将浓缩器蒸发的那些蒸汽冷凝而回流到提取罐中去。由于浓缩器的蒸发量比提取罐加热所汽化蒸发的量大得多，所以“热回流”所回流的液体量自然就比单独用提取罐提取时所回流的液体的量大得多。而回流的量越多，重复加热汽化而又冷凝的次数也就越多。很显然，这样一来蒸汽的消耗量就越多了。     如果上述分析还不能让人理解透彻，从该设备操作的时间上也可以使大家进一步理解并得到验证：由于“热回流提取浓缩机组”所用的浓缩器的蒸发能力是1000kg/h，所以如果其工作时间达6h，也就是实实在在蒸发了6000kg的水，而不是所加入溶媒的量4000kg。很显然，由于这4000kg的溶媒存在重复蒸发冷凝又蒸发又冷凝而形成回流的那部分，所以才有这蒸发的6000kg量。这种从设备使用的时间来推算能耗的方法还是比较可信的。由于蒸发6000kg水量的单效浓缩需要的蒸汽量是6600kg（而并不是上面表象分析的3366kg），这个数字可以说就包括了“回流”那部分的能耗。如此一来，便得到这样一个比较数字：2245kg与6600kg。2245kg是普通提取和浓缩工艺分别使用时在浓缩上的蒸汽能耗，而6600kg则是“热回流提取浓缩机组”在浓缩器上的蒸汽能耗。请注意，这里仅就2种工艺设备中的浓缩器的蒸汽消耗量作了分析对比，还没有对提取罐的蒸汽消耗以及2种工艺所消耗的冷却水总量进行比较。同样很明显，在这2种工艺中，后者对蒸汽和冷却水的消耗量都大于前者。如此一来，仅就所谓从“溶媒的加入量”变少了而得出“蒸发量少了”因而就节能的说法显然是不能成立的。因为从上面的分析可知，溶媒的加入并不等于总的蒸发量。     如果有人对此仍存异议的话，不妨采用更为直接的方法来测得能耗：一是通过蒸汽流量计的读数来获取，这是最直观的蒸汽能耗。从操作开始到结束，记录流量计的数据；二是通过测量设备上冷却水的流量和进出口的温度差来算出冷却水所带走的热量。根据能量守恒的原理，消耗蒸汽放出的能量应该等于冷却水所吸收的能量（这里要考虑热量的损耗）。这2种方法采用其中任何一种都可以，或者都实施一下即可相互得到验证。如果还有人对以上做法不够置信的话，不妨在机组设备冷凝器下方的回流管上安装一只液体流量计，用以测量整个操作过程回流液体的量，这就是相当用于回流所消耗的蒸汽的量，从这个量还可以推算出用于回流所需冷却水的耗量。     通过以上分析可以得出热回流提取浓缩机组能耗大的2个原因：(1)由于其一般采用单效浓缩器，所以能耗明显很高，因此改为双效浓缩器则可大大减少能耗；(2)回流所产生的重复蒸发造成的能耗加大，对此应加以分析区别对待：回流所消耗的成本与提取残留量的价值比较，控制适当的回流量和时间。因为回流的时间越长，在提取罐中药液的浓度就越低，即药渣中的残留药物成分就越少，提取得就越彻底，但能耗相对要高。对于附加值较高的贵重药材来说可以回流时间长些，而对一般普通药材来说，则不一定非得让提取罐内的药液回流得彻底清纯。     4 结语     蒸发和浓缩是制药工艺中的两个“耗能大户”，认真和实事求是地分析其耗能之所在，并在此基础上采取有效措施加以改进，同时积极应用先进技术，是提高当前制药机械产品节能效果的必由之路。希望业界相关人士一起来做好这项课题，推动中国制药装备水平得到更好更快的提升。