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| 制藥行業蒸發濃縮分析及節能途徑 | | 制藥行業蒸發濃縮分析及節能途徑
1 前言
節能這個話題的範圍比較大，由于企業對能源使用包括的品種有水、電、汽以及煤氣等諸多方面，從能源的生産、使用、管理、回收利用等都有很多的話題可以討論。本文從藥品生産使用中普遍消耗量比較大的品種——汽的使用和節能來加以分析，以作抛磚引玉。
制藥行業實際上屬于化工生産的子行業，而化工行業是能源消耗的大戶。能源使用的種類和數量的多少由其生産工藝所決定。我們知道，化工生産的工藝可細分成若幹單元操作，如過濾、分離、蒸發、結晶、幹燥等等。這些過程無不需要消耗能源，其中有些單元操作消耗的能源相當之大。因此，對單元操作原理和過程的了解不僅對生産工藝的理解具有關鍵的作用，而且對其生産過程的能耗分析也至關重要。所以，追求節能降耗的效果首先應該在保證滿足生産工藝目的前提下進行。當然，工藝也並非一成不變。可以說，産品的生産工藝從它誕生的那天起一直都在不斷地改進。其出發點和目的無非是提高質量或産量、收率，或降低成本和勞動強度，或減少環境汙染，或增加安全性等等。一言以蔽之都是爲了增加效益，這裏的效益應該是指經濟效益和社會效益。現在有些不法廠家以犧牲社會效益來獲取其局部的、暫時的、非法的、不道德的效益和利潤，這種做法已超出了正常的道德和法律底線，最終爲社會和大衆所不齒而受到法律的嚴懲。
節能方式的2大出發點：(1)通過對設備本身的改進，提高其運行效率，減少無用功率，或增加産能以達到單位能耗的下降。這種做法比較多，其中提高傳熱效率、減少能量的損耗和機械的磨損也是其常用的方式；(2)在生産動力設備的合理配置上大有文章可做，諸如避免“大馬拉小車”的現象，采用變頻技術來調節功率的變化以達到節能的目的等等。
除了上面所談的節能出發點即從現存設備的本身“就事論事”地改進和改造以外，筆者提出另一種節能方式的出發點是：對工藝能耗的過程和實質進行剖析，可從本行業大多數企業能耗的重點方面入手，對其工藝過程能耗的本質進行思考和尋求突破，從而盡可能地減少能耗，使效率成倍或數倍地提高，這就是我們這個行業節能的關鍵和特點，也是潛力的重點所在。這也是本文要重點闡述分析和探討的內容。
2 化工及制藥企業的節能重點和關鍵
對于化工生産過程中的單元操作，生産企業都有很深的體會和經驗。特別是蒸發和幹燥的單元操作，它們都涉及到傳熱的問題，這種傳熱的過程使得介質發生了“相變”。例如，蒸發和幹燥都是使物料中的成分（通常是水）由液體變成了氣體，即由“液相”變成了“汽相”。這種“相變”過程對能量的消耗特別大。我們都知道，水的比熱爲1kcal/kg·℃，也就是說，1kg的水，溫度每上升1℃需要1kcal的熱量。對1kg的水加熱從0℃上升到100℃沸騰，理論上也就僅需要大約100kcal的熱量。但如果將其在此100℃時加熱使它汽化，成爲同溫度的蒸汽，則需要約539kcal的熱量。這就是說，能耗是相當于使同樣重量的水溫度每升高1℃所需熱量的539倍。這個使其發生“相變”的熱量稱之爲“汽化熱”。反過來，1kg100℃的蒸汽冷凝成同溫度的水産生“相變”時也會放出這麽多熱量的，這個熱也可稱之爲“冷凝熱”，所以汽化熱和冷凝熱對同一種物質在相同溫度下的數值是相等的。鍋爐産生的加熱蒸汽就是因爲釋放了冷凝熱而使物料被加熱和蒸發的，而同時鍋爐蒸汽成了凝水，由汽態變成了液態。所以，有相變與無相變的傳熱與能耗之間的差別是很大的。這也是很多藥廠的能耗在蒸發濃縮和幹燥工藝上所占據的比例特別高的原因所在。尤其是在蒸發濃縮這個工段，由于蒸發的量一般都較大，所以能耗必然就很高。據了解，中藥生産企業在藥材提取後的濃縮工段所消耗的蒸汽量大約占到全廠總用汽量的2/3，甚至多達80%左右。這個事實從上面理論上的分析也進一步得到了實踐的驗證。因此，對此問題進行分析和尋求解決的途徑會對企業的節能工作起著十分重要的作用。
在蒸發工藝中，熱交換器的使用是很頻繁的。其既用于加熱和使溶液汽化的“加熱器”和“蒸發器’，同時又要設置相應的爲了讓這些汽化了的蒸汽重又凝成液體的“冷凝器”和“冷卻器”。所以，從濃縮工藝通過加熱蒸發完成的結果上來分析，溶液從“液相”變成了“汽相”之後，還需從“汽相”返回“液相”，此結果使能源大量消耗。蒸發，使其從液相變爲汽相，要消耗大量的汽化熱；而冷凝，則又要把汽化熱重又凝成液體。而爲了使其冷凝又不得不耗用大量的冷卻水(另一種大量消耗能源的形式)。這是一種典型的通常所見的所謂“單效蒸發”。
上述看來，其實這種能源的消耗是非常“冤枉”的。很明顯，蒸發過程其實是物質的遷移過程，並沒有發生化學變化和化學反應，而從實際結果來看，並沒有發生“相變”。因爲原來原料中的液體的一部分，所謂蒸發出去的那部分只是換了個地方，僅僅不回到原來的溶液中而已，但結果還是變成了液體。
爲了盡量利用已經蒸發的溶媒蒸汽中所含有的熱能（汽化熱），人們想到用它作爲熱源繼續來加熱尚未蒸發的溶液。爲了區別溶媒蒸汽與初始作爲熱源蒸汽的區別，我們把它叫做二次蒸汽，而鍋爐所供加熱的蒸汽則稱爲“生蒸汽”或“一次蒸汽”。這時，二次蒸汽就不用消耗冷卻水來“剝奪”其所具有的汽化熱，而使這部分能量作爲熱源來加熱尚未蒸發的溶液，這樣一來溶液的蒸發量就增加了。而且，二次蒸汽在加熱溶液的同時其自身又被冷卻下來，被還原成了原本要用冷卻水來冷卻所得到的液相，又大大節省了冷卻水的消耗。使得原本要用冷卻水來“解決”問題的對象——溶液的蒸汽變成了能再加熱的能源，此方法一舉兩得，的確相當節能。我們稱之爲“雙效蒸發”，其設備則是雙效蒸發器。雙效濃縮器的節能效果相當的明顯。一般來說，采用單效濃縮器蒸發1000kg水，需要約1100kg從鍋爐産生的生蒸汽；而采用雙效濃縮器蒸發同樣多的水，則僅需約570kg的生蒸汽[1]，節約生蒸汽爲530kg，節約了48%，近一半的能耗。節能效果相當可觀。所以在制藥企業中采用雙效濃縮器取代單效蒸發是一種效果很好的節能方法，值得大力推廣[2]、[3]。
既然采用雙效濃縮器如此節能，那麽采用三效或者多效是不是更能節約能耗嗎？誠然，效數越多，熱能利用的循環次數也就越多，從理論上來講也就越節能。多效蒸餾水機往往效數較多，就是利用這種原理，它取代了過去老式被淘汰了的重蒸餾水機。但是在制藥的蒸發工藝中，效數過多並不一定就越好，特別是在中藥濃縮工藝上。理由有3：(1)多效蒸發往往是采用減壓蒸發，各效中存在一個真空梯度。而真空度最高的是在末效，這是因爲末效最接近真空源的緣故。第一效用的是“原始”蒸汽，即來自鍋爐的生蒸汽，它的蒸發量是最大的，所以這一效是設備的“主力軍”。而由于其真空度比其他效都低，所以這一效設備的蒸發溫度最高。這是由于一定的真空度是與溶液的沸點相對應的，真空度越高，沸點就越低，真空度越低，沸點就越高。舉個例子，水在常壓下（760mmHg，這時真空度爲0。真空度是相對大氣的壓力而言的，真空度=大氣壓力-絕對壓力）沸點是100℃。而在減壓真空情況下，它的沸點就會降低，在355mmHg時，沸點爲80℃。這就是說，在此真空條件下，水80℃就沸騰了。如果繼續減壓（降低絕對壓力）到188mmHg，沸點就降低到65℃。我們通常所說的常壓，常常理解爲壓力爲零，即壓力表上的指示壓力，說的是“相對壓力”，是相對大氣壓而言的，故有表壓力=相對壓力=絕對壓力-大氣壓力。所以，在表上所顯示的真空數值往往低于大氣壓的差值。在一般的單效蒸發中，在絕對壓力是188mmHg條件下（相當于真空度爲0.75），蒸發的溫度爲65℃，而在雙效蒸發中，相當于在第二效的溫度和壓力是一樣的條件，這時在第一效中的真空度由于“真空梯度”的原因而小于這個數值，所以第一效的蒸發溫度就高了。而蒸發時的真空度越高也就是壓力越低的話，對蒸發越有利，但此時恰恰相反；另一方面，溫度變高了，使得溶液中的熱敏性的成分遭受破壞的程度加重，而這也是它的負面作用。所以效數越多，負面作用就越大。這是效數不宜過多的第一個原因；(2)效數越多，設備就越複雜，不僅投資增大，而且增加了操作維修保養的工作量和難度；(3)中藥提取液濃縮到最後，一般來說比較粘稠同時價值也變高了，如果設備結構複雜，必然導致粘著在設備上的物料變多，不但給清洗設備帶來麻煩，更加大了最終物料的經濟損失。綜上所述，筆者認爲采用雙效濃縮器比較妥當，其既能節能降耗又可避免物料的損失，設備投資費用也較爲適中。
對濃縮工藝的過程，其實質從能量傳遞的視角對多效蒸發的節能形式作出了評價。但是，無論怎樣，通過蒸發的方式來達到濃縮的效果就必須消耗大量的“汽化熱”才能做到，盡管這種“汽化熱”在各“效”中可以以“接力”的形式進行“傳遞”從而達到節能降耗的目的，但是初始加熱的蒸汽的能量和最終的第n效的冷卻水的消耗是節約不了的，這是不得不經過的“一個坎”——加熱又冷卻的能耗過程，恰恰就是高耗能的關鍵過程。
能否突破這樣一個“坎”，不經過既加熱隨即又冷卻，亦即不使物料産生“相變”而達到溶液濃縮的目的，也就是無須一定要用加熱汽化而後又冷凝的方式，則應該說是大大地節約了蒸汽和冷卻水的消耗，也就大大地節約了能源。這種辦法有沒有，能否行得通呢？回答是肯定的。而這種方式應該說對工藝是一種革命性的突破。那麽，是什麽方式呢？
我們知道，按現在科技發展的水平，濃縮不一定非得用蒸發的方式。況且，在蒸發的工藝中由于需要加熱，不僅能耗大且對于熱敏性的物料來說，損失也是相當嚴重的。因此尋求更合理的途徑勢在必行，如用“過濾”的方法也可達到濃縮的目的，當然這種過濾不是普通的過濾，而是“膜過濾”，或曰“膜濃縮”或“膜分離”的膜技術方法。
膜技術現階段發展很快，不僅已使用在液體的分離、濃縮、純化等方面，而且可用于分離氣體。由于這種技術不是通過傳熱使之蒸發而完成濃縮工藝的，所以沒有“相變”産生，這樣消耗的能量與蒸發濃縮相比就少了很多。如果說我們把蒸發濃縮的過程比喻爲被蒸發的物質“從一樓坐電梯到頂層（蒸發出去）又回到下面（冷凝下來），只是換了個房間（收集凝液的容器）”而已；同樣我們也可以將膜過濾濃縮比喻爲“不需要坐電梯，只要在同一個樓層從走廊裏過一道檢查門”（膜，它只能使具有某種特性如分子直徑在一定大小範圍內的物質通過），進到另一個房間也同樣達到了“換到了另一個房間”的效果，這樣省去了很多的中間環節，可以大大節約能耗。運用膜技術的能耗只是蒸發濃縮的幾分之一或十幾分之一甚至更多，這就是膜技術能大大節能的關鍵之所在。
膜分離技術目前在制藥工業中已經得到應用並顯示出其獨特的優勢：節能、環保，且在提高産品的質量方面也具有相當的優勢。當然，在膜技術的應用上還有許多工作需要我們去深入探索和研究，但此項技術在制藥行業中的運用確實具有很大的潛力和價值，其前景是不容置疑和令人樂觀的，也是值得相關人士關注和重視的。
3 對“熱回流提取濃縮機組”節能的探討
中藥提取前處理工藝設備中有一種“熱回流提取濃縮機組”，目前有不少廠家在使用。該裝置實際上是把提取罐和一組單效濃縮器組合在一起，在提取的同時亦進行濃縮，提取和濃縮兩個工藝過程合並在一起。該設備的制造商認爲其有許多優點，諸如：溶媒使用量少，有利于節約原材料的消耗；增加提取過程中的濃度差，有利于提高提取的效率；提取的時間縮短，收率提高；節能效果顯著等等。在設備制造商的相關資料中，我們不難發現，其都把“節能”作爲推銷“熱回流”提取濃縮設備的“亮點”。但事實上，從不少用戶使用的情況反饋來看，這類設備並不能達到所謂的節能效果。相反消耗的能量還很大，這值得探討。
讓我們來對比分析一下普通先提取而後濃縮工藝和“熱回流”工藝有什麽區別。
首先簡述一下普通提取工藝。一般來說，提取分2次，初次加入溶劑的量約爲藥材重量的10倍。例如，3t的提取罐水提取時加入藥材是300kg的話，那麽加入的水就是3000kg（不同的藥材提取工藝對加入的溶媒量的比例會有些差別，這裏假定一個大致的前提）。第1次提取完畢將提取液放出後，再進行第2次提取，這時由于藥材已被浸潤也煮過了，所以再次加入的水量就不再需要那麽多，而是幹藥材的8倍，也就是2400kg。這樣2次提取總的加入溶媒的量爲5400kg（水）。如果兩次提取所得的藥液總量是加入溶媒總量的85%，也就是4590kg，設其中需要蒸發的量爲溶液總量的90%，也就是4131kg，到後面濃縮工序采用蒸發能力爲1000kg/h的雙效濃縮器來濃縮的話，濃縮工段消耗的生蒸汽約爲需要蒸發水量的57%左右，也就是2245kg（見上面對雙效濃縮器能耗的分析）。需要的時間爲：2次提取約爲4h，濃縮約爲4h，總共是8h。請注意，分別提取濃縮時，對同一批料而言，提取時並沒有濃縮，而濃縮時也並未在提取，2種設備是運行在各自的工作時間內，而不是共同的工作時間內。
但熱回流提取濃縮機組運行的工作時間則是在共同的工作時間內，就是說，提取罐和濃縮器都在工作，即提取和濃縮同時在進行。而提取同樣量的藥材，這種機組所需的時間也要花上6～8h左右。處理相當量300kg藥材的機組其構成就是由1台3t的提取罐和1台蒸發量爲1000kg/h的單效濃縮器所組成。從加入溶媒的量來說，機組也要分2次加入提取罐，第1次約爲2500kg，第2次約爲1500kg，總共是4000kg。的確，與上面單獨提取相比，“熱回流”設備總的加入溶媒的量少了（5400-4000）=1400kg，但是，由于機組使用的是單效濃縮器，其消耗的蒸汽能源是需要蒸發溶媒量的1.1倍，同樣的比例計算其需蒸發“出去”的量爲3060kg，則需消耗蒸汽3366kg。這與上面計算單獨操作的工藝要多耗1121kg蒸汽。其關鍵就在于這種“提取濃縮熱回流機組”所采用的濃縮器是單效濃縮器，與雙效濃縮器相比相當耗能。另一方面，我們剛才只是對2種方法各自需要蒸發出去的溶媒量作了表象上的分析，其實另一種隱性的能耗並沒有真正地揭示出來，這也是“熱回流”工藝特點所産生的。既然是“熱回流”，那就必然要使溶媒回流，其做法就是讓溶媒加熱蒸發了以後又使其冷凝後再回到提取罐中來，自始至終地在不斷地“回流”，也就是在如此一體化的設備中溶媒蒸發冷凝了多次。這就是隱性的、不易明顯看出來的大量的能耗。這種不是蒸發出去而是在系統內“回流”的做法無疑是一種系統內的大量的耗能，一種“內耗”。整個機組從開車起直至提取操作完成，而至濃縮最後積留在濃縮器內的提取液時，這種回流才可能不繼續下去。能耗之大由此可見。當然，“回流”在這個工藝過程中可起到促進提取的作用，這是因爲蒸發而冷凝後的溶媒中含有藥材的成分非常之少，使它回流返入提取罐相當于新加入了新鮮的溶媒，這樣可以與罐內的液體和藥材形成較大的“濃度差”，即“濃度梯度”，而成爲提取的推動力，從而起到促進提取的作用。其實，單獨用提取罐進行提取時，就已在提取罐上方安裝了冷凝器即采用了“回流”的方法，而“熱回流提取濃縮機組”只不過加大了這種回流的量，即將濃縮器蒸發的那些蒸汽冷凝而回流到提取罐中去。由于濃縮器的蒸發量比提取罐加熱所汽化蒸發的量大得多，所以“熱回流”所回流的液體量自然就比單獨用提取罐提取時所回流的液體的量大得多。而回流的量越多，重複加熱汽化而又冷凝的次數也就越多。很顯然，這樣一來蒸汽的消耗量就越多了。
如果上述分析還不能讓人理解透徹，從該設備操作的時間上也可以使大家進一步理解並得到驗證：由于“熱回流提取濃縮機組”所用的濃縮器的蒸發能力是1000kg/h，所以如果其工作時間達6h，也就是實實在在蒸發了6000kg的水，而不是所加入溶媒的量4000kg。很顯然，由于這4000kg的溶媒存在重複蒸發冷凝又蒸發又冷凝而形成回流的那部分，所以才有這蒸發的6000kg量。這種從設備使用的時間來推算能耗的方法還是比較可信的。由于蒸發6000kg水量的單效濃縮需要的蒸汽量是6600kg（而並不是上面表象分析的3366kg），這個數字可以說就包括了“回流”那部分的能耗。如此一來，便得到這樣一個比較數字：2245kg與6600kg。2245kg是普通提取和濃縮工藝分別使用時在濃縮上的蒸汽能耗，而6600kg則是“熱回流提取濃縮機組”在濃縮器上的蒸汽能耗。請注意，這裏僅就2種工藝設備中的濃縮器的蒸汽消耗量作了分析對比，還沒有對提取罐的蒸汽消耗以及2種工藝所消耗的冷卻水總量進行比較。同樣很明顯，在這2種工藝中，後者對蒸汽和冷卻水的消耗量都大于前者。如此一來，僅就所謂從“溶媒的加入量”變少了而得出“蒸發量少了”因而就節能的說法顯然是不能成立的。因爲從上面的分析可知，溶媒的加入並不等于總的蒸發量。
如果有人對此仍存異議的話，不妨采用更爲直接的方法來測得能耗：一是通過蒸汽流量計的讀數來獲取，這是最直觀的蒸汽能耗。從操作開始到結束，記錄流量計的數據；二是通過測量設備上冷卻水的流量和進出口的溫度差來算出冷卻水所帶走的熱量。根據能量守恒的原理，消耗蒸汽放出的能量應該等于冷卻水所吸收的能量（這裏要考慮熱量的損耗）。這2種方法采用其中任何一種都可以，或者都實施一下即可相互得到驗證。如果還有人對以上做法不夠置信的話，不妨在機組設備冷凝器下方的回流管上安裝一只液體流量計，用以測量整個操作過程回流液體的量，這就是相當用于回流所消耗的蒸汽的量，從這個量還可以推算出用于回流所需冷卻水的耗量。
通過以上分析可以得出熱回流提取濃縮機組能耗大的2個原因：(1)由于其一般采用單效濃縮器，所以能耗明顯很高，因此改爲雙效濃縮器則可大大減少能耗；(2)回流所産生的重複蒸發造成的能耗加大，對此應加以分析區別對待：回流所消耗的成本與提取殘留量的價值比較，控制適當的回流量和時間。因爲回流的時間越長，在提取罐中藥液的濃度就越低，即藥渣中的殘留藥物成分就越少，提取得就越徹底，但能耗相對要高。對于附加值較高的貴重藥材來說可以回流時間長些，而對一般普通藥材來說，則不一定非得讓提取罐內的藥液回流得徹底清純。
4 結語
蒸發和濃縮是制藥工藝中的兩個“耗能大戶”，認真和實事求是地分析其耗能之所在，並在此基礎上采取有效措施加以改進，同時積極應用先進技術，是提高當前制藥機械産品節能效果的必由之路。希望業界相關人士一起來做好這項課題，推動中國制藥裝備水平得到更好更快的提升。
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