迎接新一轮节能减排的挑战

作者:本网编辑 文章来源:佛山德众药业有限公司 发布时间:2012-06-25

为完成国家降低碳排放的任务,企业势必将迎来新一轮的节能减排改造。在这次技术改造中,企业将会更多地选用更加经济的浓缩设备,因为浓缩设备的蒸汽消耗量普遍占配备此设备企业总蒸汽消耗量的70%左右。因此,选择节能的真空浓缩设备是一个事半功倍的做法。

人类滥用能源已遭到大自然的报复:极端天气频发、灾难性的狂风暴雨席卷全球,北极冰山消融,海平面升高……因此节能减排是人类的共同义务。要实现到2050年全球CO2排放量比1990年减少50%的目标,同时按世界经济平均每23年左右翻一番,即60年增加原来的5倍以上,而且每吨CO2的价格将提高到大约200美元左右。我国的企业能承受吗?我国政府承诺到2020年碳排放强度在2005年的基础上降低45%~50%。因此,企业将迎来新一轮的节能减排改造。在这次技术改造中,企业将会把精力放在占总蒸汽消耗量70%左右的浓缩设备上。低碳经济迫使这些企业面临超定额排放征重税的威胁。因此,选择节能的真空浓缩设备是一个事半功倍的做法。

节能环保 经济高效

真空浓缩设备分为单效、双效、多效、蒸汽热泵双效(TVR)和机械热泵浓缩(MVR)等种类。

单效主要使用在小批量、热敏品种或收膏工序中。目前企业普遍都在使用双效浓缩器,众所周知双效浓缩比单效节能,这是因为双效的Ⅱ效不需要锅炉蒸汽,而用Ⅰ效的二次蒸汽作为热源。蒸发1t水,单效需要1.17t蒸汽,而双效只需0.6t蒸汽,三效只需要0.4t蒸汽。多效虽节能但会导致综合效益降低,操作和清洗繁琐,且越多效第Ⅰ效温度就越高。而比双效浓缩器更节能的热泵双效浓缩器则会成为企业更加理想的选择,其节能原理如下所述:热泵双效的Ⅰ效加热器所产生二次蒸汽的一半供Ⅱ效使用,另一半则利用拉伐尔喷嘴的抽吸作用返回Ⅰ效加热器,也就是说热泵双效浓缩器的Ⅰ效有一半的二次蒸汽被自身重复利用,因此它又比双效浓缩节约1/3的蒸汽。理论上热泵双效浓缩器蒸发1t水只需要0.35t蒸汽。

另外,还有比热泵双效浓缩器更节能的机械热泵浓缩(MVR),它的一次能源利用率最高,但经济效益还决定于电煤比价,我国目前的电煤比价高,在实际应用中其经济效益并不甚理想,其缺点也十分明显:

受到多种因素影响,如溶液粘稠度、多泡性及沸点升高因素的影响会令其利用率降低;

投资大,维修量大,维护成本高;

浓缩全过程药液温度都在90℃以上,对药品质量影响较大,尤其是对热敏性药物。

真空浓缩过程除了消耗大量的蒸汽以外,冷却系统还要消耗很多电力。目前企业普遍采用列管冷凝器加水环泵,有的采用混冷器,或直接采用水喷射泵等。其中采用水喷射泵的方法能耗最大,因为所需要的水压和水量最大。目前无论采用哪种方法都会置换出大量的热水,这些热水又需要冷却塔、水池、循环泵等设施降温才能重复使用,能耗非常大。因此,选用合适的冷却系统也十分重要。

为什么真空浓缩过程需要大量的冷却水?浓缩时,二次蒸汽的凝结会迅速放出巨大的汽化潜热,汽化潜热的热能是显热热能的数十倍。汽化潜热和显热指的是:单位质量的液体转变为相同温度的蒸气时吸收的热量称为汽化潜热;不发生相变时温度升、降所需要的热称为显热。如,1kg60℃的二次蒸汽要用56kg35℃的冷却水的显热来吸收它放出的汽化潜热,只有把二次蒸汽的汽化潜热吸收,才能把它变成冷凝水,冷却水吸热升温的是显热,所以浓缩过程需要大量的冷却水。

多效浓缩产生的二次蒸汽是后续浓缩的热源,后面的加热器实际上是前次浓缩的冷却器,而需要冷却的只有最后一个浓缩罐产生的二次蒸汽。所以双效的冷却水比单效少,双效浓缩器只有Ⅱ效较低温的二次蒸汽需要冷凝,而热泵双效浓缩器需要冷却的Ⅱ效二次蒸汽只有双效浓缩器的2/3左右。根据单效、普通双效及普通热泵双效最后需要冷却的二次蒸汽量可推算出,蒸发量为1000L,它们分别需要的冷却水量约为56t、28t、20t。

从结论可分析,同类型真空浓缩冷却系统的能耗主要取决于需要冷却的二次蒸汽量。

进一步减少冷却水量

显热与汽化潜热相差一个数量级,因此,以汽化潜热代替显热来吸收汽化潜热将会大幅减少能耗,德众药机的高真空喷雾传质式冷凝器便可以做到。

佛山德众制药机械有限公司(下称德众药机)的高真空喷雾传质式冷凝器是一种有相变的对流换热冷凝器,它以水蒸汽蒸发时的汽化潜热吸收二次蒸汽的汽化潜热,其改变了传统列管冷凝器的换热方式,耗水量是单效浓缩的十几分之一,不需要冷却塔、冷水池和大功率的循环泵。

蒸汽被冷却凝结成液体的换热过程称凝结换热,液体被加热沸腾的换热过程称沸腾换热,两种换热都属有相变的对流换热,蒸发吸热属于有相变的对流换热;列管冷凝器的冷却水吸热升温的换热过程属于单相流体的对流换热。一般情况下相变换热的表面传热系数比单相流的传热系数要高出几倍甚至几十倍。因为高真空喷雾传质式冷凝器属于有相变的对流换热,是用汽化潜热吸收汽化潜热形式。它的传热系数非常高,所以能耗非常低。

蒸发量1000L的热泵双效需要冷却的只有Ⅱ效350kg的二次蒸汽,理论上喷在翅片管上蒸发的水量只需350kg,但考虑喷淋的有效率因素应给以一定的富余量才能达到0.04~0.05kg/s的喷淋密度,并且考虑到雾化需要一定的压力,在实际安装时,1000~3000L热泵双效浓缩器使用的喷雾水泵一般不超过1.5kW就能获得足够的水量。由于不需对大量的冷却水做功,故喷雾传质式冷凝系统能耗非常低,蒸发药水耗汽量为350kg/t。冷凝系统总装机功率为12.5kW,真空度却达到-0.08MPa以上,并兼备冷凝器和凉水塔双重功能,非常节能。

值得信任并推广

目前热泵双效浓缩器并不被众多企业看好,这主要是由于热泵双效浓缩器制造和使用的技术要求较高,容易出现热平衡失控问题,真空度不容易控制,还有企业认为热泵双效的价格高。其实这是因为热泵双效浓缩器的Ⅰ效加热器混合后的加热温度很低,约90℃,所以它的加热面积比普通双效浓缩器要大很多,因此加工成本要大。

经过实践,德众药机生产的经改造后的高真空热泵双效浓缩器稳定性非常好,没有热平衡失控现象,基本上可以在控制室内监控整个自动生产过程。3000L高真空热泵双效浓缩器配套使用的高真空喷雾传质式冷凝器只用12.5kW动力,真空度却达到-0.08MPa以上。改造后,每台3000L单效浓缩器的冷凝器只需要耗能12.5kW便可保证生产全过程药液温度低于80℃。该机组的特征是节能、高真空、可消泡、不易结垢、效率高和自动控制,特别适应中药皂苷高、含糖高、热敏性强等特点的工艺生产。

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