真空帶式干燥機(jī)的節(jié)能思路探究

曾尚浩

（佛山德眾制藥機(jī)械有限公司，廣東佛山 528000）

1 引言

節(jié)能減排自從國家“十一五”規(guī)劃出臺以來就成為各行各業(yè)的一個工作重點。事實上，我國在世界能源消費中占據(jù)十分重要的位置。2003～2006年間，能源消費的增長幾乎成為世界消費增長的主體。2005年，能源消費總量達(dá)到22.33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，僅次于美國，位居世界第二位，占世界消費總量的14.2%。2006年能源消費總量24.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全球能源消費量的16%。節(jié)能成為各個企業(yè)責(zé)無旁貸的任務(wù)。

中藥生產(chǎn)線前端工藝流程大多相同，一般是藥材預(yù)處理（切藥、洗藥等）、提取、蒸發(fā)濃縮、浸膏干燥，后端工藝流程則根據(jù)不同的劑型各不相同。在前端工藝中，各個藥廠的提取、蒸發(fā)濃縮的設(shè)備大多是提取罐和蒸發(fā)濃縮器，而浸膏干燥設(shè)備則不盡相同，有采用烘箱蒸汽加熱或微波加熱的，有采用噴霧干燥機(jī)的，也有連續(xù)真空干燥機(jī)的。其中帶式連續(xù)真空干燥機(jī)國外早在50年代就應(yīng)用于牛奶干燥上，國內(nèi)近幾年才有越來越多的設(shè)備廠家研制生產(chǎn)。

2 真空帶式干燥機(jī)與噴霧干燥機(jī)能耗比對分析

以采用蒸汽為主要熱源的噴霧干燥機(jī)與真空帶式干燥機(jī)進(jìn)行比較。

噴霧干燥機(jī)能耗組成包括：蒸汽加熱，電加熱，霧化盤動力，風(fēng)機(jī)動力。按生產(chǎn)含固物量50%的中藥浸膏，生產(chǎn)能力130 kg/h的噴霧干燥為例，其配套的設(shè)施能耗如表1。

表1 噴霧干燥機(jī)配套設(shè)施能耗

真空帶式干燥機(jī)的能耗組成包括：蒸汽加熱，真空動力，帶傳動及附屬設(shè)施動力，按生產(chǎn)含固物量50%的中藥浸膏，生產(chǎn)能力65 kg/h的真空帶式干燥機(jī)為例，其配套的設(shè)施能耗如表2。

表2 真空帶式干燥機(jī)配套設(shè)施能耗

由以上數(shù)據(jù)分析，兩臺時產(chǎn)65 kg的真空帶式干燥機(jī)的加熱蒸汽耗用量與一臺時產(chǎn)130 kg噴霧干燥機(jī)相比節(jié)省82.4%，電耗節(jié)省15.8%。實際上，時產(chǎn)130 kg的真空帶式干燥機(jī)總裝機(jī)功率約為100 kW，所以電耗可節(jié)省29.8%。同時，與噴霧干燥相比，真空帶式干燥機(jī)還具有適用性廣、物料有效成分保留好等優(yōu)點，筆者認(rèn)為這種設(shè)備應(yīng)該成為中藥浸膏干燥的一個重點發(fā)展方向。

3 真空帶式干燥機(jī)節(jié)能探究要點

之前敘述已知真空帶式干燥機(jī)的能耗包括蒸汽加熱，真空動力，帶傳動及附屬設(shè)施動力。其中蒸汽加熱部分蒸汽耗用量少，成本也低；電耗中真空動力部分約占總裝機(jī)功率的75%，所以真空帶式干燥機(jī)的節(jié)能應(yīng)在真空動力上尋求突破點。

在探究真空帶式干燥機(jī)真空系統(tǒng)的節(jié)能思路前，首先必須理清兩點：

3.1 真空動力中各個設(shè)備的作用

目前真空帶式機(jī)采用的真空系統(tǒng)一般是由水環(huán)真空泵、羅茨真空泵組成真空機(jī)組成，并配套冷凍機(jī)對干燥機(jī)過來的二次蒸汽進(jìn)行初步冷凝。使用這樣的系統(tǒng)實際的真空度通常可以達(dá)到－0.098 MPa以上。其中水環(huán)真空泵作為真空機(jī)組中的初級泵，形成一定的真空度，以便后級的羅茨真空泵啟動時有一定的壓力。羅茨真空泵的作用是與水環(huán)真空泵形成機(jī)組，達(dá)到更高的真空度。羅茨真空泵可以配一臺，也可以配多臺，視真空度需求而定。一般配一臺的極限真空度可達(dá)到－0.099 MPa。

飽和水蒸汽的性質(zhì)如表3。

由表3，飽和水蒸汽在真空度為－0.0977 MPa時的密度為0.0171 kg/m3，如按每小時蒸發(fā)量為65 kg計算，每小時蒸發(fā)的二次蒸汽體積為3823 m3/h，如果全部交由真空機(jī)組完成，需要配備的真空機(jī)組達(dá)到200 kW以上，顯然這是不可取的。所以真空機(jī)組前端增加了冷凝系統(tǒng)，其作用是將干燥機(jī)蒸發(fā)的二次蒸汽進(jìn)行初步的冷凝。冷凝系統(tǒng)包括的冷凍機(jī)和列管冷凝器。采用冷凍機(jī)是因為一般高真空下水分的蒸發(fā)溫度很低，用普通的水循環(huán)加冷卻塔的方式難以達(dá)到冷凝效果，尤其是在夏天，水溫比二次蒸汽的溫度還高，無法冷凝。理論上來講，如果冷凝系統(tǒng)可以將二次蒸汽全部冷凝，則真空機(jī)組只需要很小的功率就可以滿足使用要求，但實際上還要考慮冷凝系統(tǒng)的功耗、冷凝器制作成本等因素，真空機(jī)組的功耗與冷凝系統(tǒng)的功耗需要科學(xué)地進(jìn)行分配。國內(nèi)某真空干燥設(shè)備廠的標(biāo)稱蒸發(fā)量100 kg/h的真空帶式干燥機(jī)，實際生產(chǎn)含固物量50%的中藥浸膏可達(dá)65 kg/h的真空帶式干燥機(jī)真空系統(tǒng)功率分配為：水環(huán)真空泵22 kW，羅茨真空泵7.5 kW，冷凝系統(tǒng)16 kW。

表3 飽和水蒸汽的性質(zhì)

3.2 真空度需要達(dá)到多少

水的物理性質(zhì)如表4。

表4 水的物理性質(zhì)

由表4，水在真空度為－0.0977 MPa時的蒸發(fā)溫度為20℃。實際上，在許多中藥生產(chǎn)線中，干燥工序采用的溫度大于50℃，有的甚至在100℃以上，對于熱敏性不大的中藥浸膏，使用20℃的蒸發(fā)溫度實際意義并不大。由水物理性質(zhì)表4，水的蒸發(fā)溫度為40℃時，相應(yīng)的真空度為－0.0926 MPa。真空度要達(dá)到－0.0977 MPa與－0.0926 MPa，對設(shè)備的要求完全不同，。

水環(huán)真空泵的理論工作極限壓力為2～4 kPa，也即真空度最大可達(dá)到－0.096～－0.098 MPa，實際由于制造精度、工作液情況等因素，水環(huán)真空泵的真空度最大在－0.094 MPa左右。

4 真空帶式干燥機(jī)節(jié)能方案

措施一：將真空帶式干燥機(jī)的蒸發(fā)溫度定為40℃左右，真空機(jī)組可以去掉，使用水環(huán)真空泵代替。如果單獨使用水環(huán)真空泵，因為真空泵的吸入?yún)^(qū)處于極限真空狀態(tài)，局部汽化后的水隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，壓力升高而氣泡破裂，運行噪聲很大，同時在長期水錘作用下，真空泵葉輪也容易損壞，這種現(xiàn)象就是汽蝕現(xiàn)象。解決這個問題的最好的辦法是在水環(huán)真空泵前加裝大氣噴射器，它的一端開口朝向大氣，利用真空泵負(fù)壓與大氣壓形成壓差而產(chǎn)生的空氣射流，在噴射器內(nèi)獲得比真空泵更低的抽吸壓力，從而消除真空泵極限抽吸壓力對凝汽器壓力的限制。同時，增加大氣噴射器還可以加大水環(huán)真空泵極限壓力時真空系統(tǒng)的抽氣率，并進(jìn)一步提升真空度。圖1是帶大氣噴射器與不帶的真空機(jī)組抽速與極限壓力的曲線圖。

圖1 真空機(jī)組抽速與極限壓力的曲線圖

大氣噴射器加水環(huán)真空泵的真空機(jī)組連接方式如圖2。

使用時先關(guān)閉驅(qū)動氣體（即大氣）的進(jìn)氣閥，開動水環(huán)真空泵，等真空到達(dá)大氣噴射器所需的預(yù)真空時，打開進(jìn)氣閥。這一操作過程可通過自動控制來實現(xiàn)自動化。

圖2 真空機(jī)組連接方式

措施二：由于蒸發(fā)溫度定為40℃，可采用水循環(huán)加冷卻塔的方式代替冷凍機(jī)的方式。適當(dāng)?shù)丶哟罅泄芾淠?，合理配置冷卻水循環(huán)量，這種方式完全可以代替冷凍機(jī)，能耗可以進(jìn)一步降低。

冷凝系統(tǒng)連接如圖3。

圖3 冷凝系統(tǒng)連接

以產(chǎn)65 kg/h的真空帶式干燥機(jī)為例，配套水環(huán)真空泵5.5 kW，冷卻水循環(huán)泵3 kW，冷卻塔1.5 kW便可滿足使用要求，總功耗為11.5 kW，比目前的45.5 kW節(jié)能達(dá)74.7%。當(dāng)然，其他更高效率的冷凝系統(tǒng)還可進(jìn)一步節(jié)能，例如使用蒸發(fā)式冷凝器。

5 試驗情況與結(jié)果

在一臺加熱面積為10 m2的真空帶式干燥機(jī)上按本文的節(jié)能方案進(jìn)行了改造試驗，以驗證方案的可行性。原真空系統(tǒng)配4 kW水環(huán)真空泵一臺，3 kW羅茨真空泵兩臺，總功率10 kW。由于蒸發(fā)量較小，約為10 kg/h，所以沒有配備冷凍機(jī)和列管冷凝器。改造后水環(huán)真空泵功率4 kW，配公稱氣量為1.3 m3/min的大氣噴射器。

從真空泵的實際運行情況來看，大氣噴射器未投入使用時，水環(huán)真空泵在真空度達(dá)到－0.091 MPa時噪聲變大，真空度在－0.092 MPa時基本停頓不能再提高。當(dāng)打開大氣噴射器的進(jìn)氣閥門后，真空泵的運行噪聲立即減小，不會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，真空泵的運行狀況也就較為平穩(wěn)，而且真空度也逐漸提高到－0.094 MPa左右，高于單獨采用水環(huán)真空泵時的極限真空。

在真空帶式干燥機(jī)投料運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)物料在履帶上由濕變干，到了加熱段的末端時物料已經(jīng)基本變干，但到冷卻段時物料部分又變濕。細(xì)心觀察發(fā)現(xiàn)，在冷卻段附的近履帶、筒身內(nèi)壁及冷卻平板上掛有水珠，其原因是，在真空度為－0.094 MPa時，物料水分的蒸發(fā)溫度為35℃～40℃之間，而進(jìn)行試驗時的環(huán)境溫度是22℃，二次蒸汽在真空干燥機(jī)冷卻段遇冷而冷凝，并滴入物料中。原因清楚后對冷卻板、冷卻段外殼做了簡單的保溫措施，并把冷卻水溫度提高到29℃后，問題基本解決。

6 總結(jié)

目前真空帶式干燥機(jī)在中藥浸膏上的應(yīng)用并不多，但是，這種設(shè)備與傳統(tǒng)的烘箱干燥相比，有著可連續(xù)性生產(chǎn)、節(jié)能、高效等優(yōu)點，比噴霧干燥有明顯能耗低的優(yōu)勢，所以，得到越來越多的制藥廠關(guān)注。雖然，作為一個節(jié)能設(shè)備，但其仍然有一定的節(jié)能潛力，本文探究了一種節(jié)能思路，并通過試驗進(jìn)行了驗證，對于熱敏性不大的中藥浸膏，確實是可行的。

[1] 王曉東等. 真空技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2006.

[2] 崔春芳等. 干燥新技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[3] 張學(xué)學(xué). 熱工基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.