熱壓式蒸餾水機(jī)節(jié)能優(yōu)化分析

嚴(yán) 彥，高秀峰

(1.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048；2.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049)

在制藥行業(yè)，藥品生產(chǎn)工藝中使用的水主要有飲用水、注射用水、純化水、無菌注射用水。其中，注射用水常用于溶解或稀釋注射用的藥物或制劑等，并在藥品生產(chǎn)中大量使用[1]?，F(xiàn)階段制取注射用水的方法有離子交換法、電滲析法、反滲透法、超過濾器法和蒸餾法[2-7]。離子交換法不涉及相變、無運(yùn)動(dòng)設(shè)備、成本低、可去除熱原體，但由于無法降低細(xì)菌密度，一般需配合其他的工藝方法設(shè)計(jì)使用。電滲析法能耗低、環(huán)境污染小、操作簡(jiǎn)單、水利用率高，一般作為注射用水生產(chǎn)工藝流程的水預(yù)處理方法使用[8]。反滲透法和超過濾法通常聯(lián)合使用，超濾對(duì)進(jìn)料水進(jìn)行預(yù)處理，以延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命，但仍然不能達(dá)到注射用水的要求。根據(jù)《中國(guó)藥典》2010年版規(guī)定，注射用水必須使用蒸餾法制備[9]。

采用多效蒸餾(multi-effect distillation，MED)水機(jī)制備注射用水仍然是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，其技術(shù)成熟、無運(yùn)動(dòng)設(shè)備，所生產(chǎn)的蒸餾水滿足現(xiàn)行歐洲、美國(guó)、日本和中國(guó)藥典中關(guān)于注射用水的要求[10-11]。但是，MED水機(jī)仍然存在一些問題，例如換熱器數(shù)量多、占地面積大、設(shè)備自動(dòng)化程度低、運(yùn)行壓力及溫度高，特別是為了減少蒸汽耗量，需要增加效數(shù)，進(jìn)一步放大了上述問題。

隨著煤炭和蒸汽價(jià)格上升，而電力價(jià)格相對(duì)平穩(wěn)，加之國(guó)家對(duì)環(huán)保問題的重視，利用熱泵技術(shù)來蒸發(fā)物料的流程在各行各業(yè)日益普及，通常這種技術(shù)稱為機(jī)械蒸汽再壓縮(mechanical vapor recom-pression，MVR)[12]，而在蒸餾水制取和海水淡化等領(lǐng)域通常稱為熱壓式蒸餾(vapor-compression distillation，VCD)[13]。VCD水機(jī)就是將蒸餾產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮提升飽和溫度后回用，僅需補(bǔ)充一定壓縮功和少量熱就可以達(dá)到蒸發(fā)物料的目的[14-15]。

相較于MED水機(jī)，VCD水機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)如下。(1)節(jié)能潛力高。MED水機(jī)蒸汽消耗量與效數(shù)相關(guān)，受限于設(shè)備成本、控制復(fù)雜性等因素，大多效數(shù)小于七，常用的水機(jī)多為四效。而VCD水機(jī)一次能源利用系數(shù)高于八效MED水機(jī)。(2)設(shè)備簡(jiǎn)單。VCD水機(jī)相當(dāng)于單效MED水機(jī)加一臺(tái)壓縮機(jī)，換熱器數(shù)量大大減少，正常運(yùn)行時(shí)也無需大量冷卻水來維持背壓，公用工程配套少。(3)其他優(yōu)點(diǎn)。VCD水機(jī)具有占地面積小、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，其主要能源來自電能，碳排量少，生產(chǎn)醫(yī)用蒸餾水時(shí)潔凈度更高，且非壓力設(shè)備，對(duì)于生產(chǎn)安裝等資質(zhì)要求低。

國(guó)外諸如Aqua-Chem、Meco、Stilmas、Bram-Cor等公司從20世紀(jì)就開始在全世界銷售VCD水機(jī)，取得了很好的節(jié)能效果，而國(guó)內(nèi)近年來也有很多公司開發(fā)了VCD水機(jī)，但是相較于國(guó)外的產(chǎn)品還存在一定的差距。

Aqua-Chem公司計(jì)算的VCD、MED水機(jī)在不同產(chǎn)水量下和不同產(chǎn)水溫度下年運(yùn)行費(fèi)用的比較，如圖1所示[11]。VCD水機(jī)運(yùn)行費(fèi)用明顯低于MED水機(jī)，但是當(dāng)最后蒸餾水產(chǎn)物溫度越高，節(jié)能效益越低。此外，比較Aqua-Chem公司和Bram-Cor公司單位產(chǎn)水量蒸汽耗量發(fā)現(xiàn)，兩者差異很大，前者生蒸汽∶蒸餾水約為0.104，后者生蒸汽∶蒸餾水達(dá)到0.15，其原因在于兩者流程有差異，特別是壓縮機(jī)類型不同。

圖1 VCD和MED水機(jī)運(yùn)行費(fèi)用比較

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)VCD水機(jī)更多集中在產(chǎn)品的介紹、流程分析，或者直接給出各自的節(jié)能效益，而沒有詳細(xì)的理論分析，有鑒于此，本文在合理假設(shè)的前提下，建立了VCD水機(jī)的熱力學(xué)模型，分析產(chǎn)生溫度、壓縮機(jī)絕熱效率、蒸發(fā)-冷凝換熱溫差、進(jìn)排氣壓力損失等對(duì)能效比(COP)和節(jié)能效益的影響。

1 VCD水機(jī)數(shù)學(xué)模型

1.1 VCD水機(jī)流程

圖2為VCD水機(jī)工作流程，圖3為溫熵圖。由圖2～圖3可知，經(jīng)過過濾反滲透等處理的低溫原水(位點(diǎn)1)首先與來自主換熱器(HEX4)內(nèi)側(cè)的蒸餾水(位點(diǎn)6)在熱回收換熱器(HEX1)中換熱，原水溫度升高至位點(diǎn)2，而溫度降低到位點(diǎn)9，達(dá)到所需溫度的蒸餾產(chǎn)品水，然后原水在預(yù)熱器(HEX2)中進(jìn)一步由一次蒸汽預(yù)熱，達(dá)到飽和狀態(tài)(位點(diǎn)3)后進(jìn)入蒸餾器塔底，塔底的飽和水由循環(huán)泵抽吸后達(dá)到位點(diǎn)3′，從布水器噴淋下來，在主換熱器(HEX4)外表面蒸發(fā)吸熱，形成二次蒸汽(位點(diǎn)4)由壓縮機(jī)加壓達(dá)到位點(diǎn)5后進(jìn)入HEX4內(nèi)側(cè)，冷凝釋放熱量蒸發(fā)HEX4的噴淋水。在蒸餾器底部放置有由一次蒸汽補(bǔ)熱的換熱器(HEX3)，用于補(bǔ)充HEX4內(nèi)側(cè)不足的熱量。

圖2 VCD水機(jī)流程示意圖

圖3 VCD水機(jī)溫熵圖

1.2 基本假設(shè)

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型難度，略去一些不重要的因素，做以下合理假設(shè)：(1)不考慮排污過程，原水和蒸餾水流量相同；(2)不考慮熱損失，不考慮流動(dòng)阻力；(3)不考慮換熱器效率，僅按照熱焓平衡關(guān)系來計(jì)算換熱量；(4)機(jī)械效率和電機(jī)效率為90%，熱損失為10%，電費(fèi)為1元/(kW·h)，蒸汽價(jià)格為240元/t，一次蒸汽壓力為0.3 MPa，一次蒸汽入口為飽和蒸汽，出口為飽和水；(5)計(jì)算中忽略水泵的功耗及冷凝水費(fèi)用；(6)MED水機(jī)選擇某公司六效水機(jī)，并認(rèn)為其蒸汽耗量固定。

1.3 數(shù)學(xué)描述

HEX1～HEX4換熱量及壓縮機(jī)的功耗計(jì)算如式(1)～式(5)。

Q1=mw(h2-h1)=mw(h6-h7)

(1)

Q2=mw(h3-h2)=ms2(h8-h9)

(2)

Q3=ms3(h8-h9)

(3)

Q4=mw(h5-h6)

(4)

(5)

其中：mw——原水的質(zhì)量流量，kg/s；

ms2——HEX2中一次蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；

ms3——HEX3中一次蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；

h5′——等熵壓縮后的焓值，J；

h1～h9——位點(diǎn)1～9焓值，J；

ηc——壓縮機(jī)絕熱效率；

Q1～Q4——HEX1～HEX4換熱量的功耗，J；

W——壓縮機(jī)功耗，J。

根據(jù)能量守恒關(guān)系，可得HEX3換熱量與其他換熱器換熱量的關(guān)系如式(6)。

Q3=mw(h4-h3)-Q2-Q4

(6)

上述各式中，只要原水流量、蒸餾產(chǎn)品水的焓值(h7)及壓縮機(jī)等熵效率就可以求得各點(diǎn)焓值、換熱器熱量和壓縮機(jī)功耗。

熱泵和系統(tǒng)的性能系數(shù)計(jì)算如式(7)～式(8)，定義節(jié)能率計(jì)算如式(9)。

(7)

(8)

(9)

其中：MMED——MED水機(jī)產(chǎn)水能耗費(fèi)用，元/t；

MVCD——VCD水機(jī)產(chǎn)水能耗費(fèi)用，元/t；

COPc——熱泵性能系數(shù)；

COPs——系統(tǒng)性能系數(shù)；

ε——節(jié)能率。

2 VCD水機(jī)性能分析

2.1 MED與VCD水機(jī)節(jié)能對(duì)比

表1為產(chǎn)水量為1 t/h的VCD水機(jī)在額定設(shè)計(jì)工況下的計(jì)算結(jié)果，并將其與某公司的六效MED水機(jī)進(jìn)行了對(duì)比。由表1可知，噸產(chǎn)水量蒸汽消耗量減少53.6%，但壓縮機(jī)要消耗電功，因此，實(shí)際節(jié)能效益為23.1%。

表1 額定設(shè)計(jì)工況及每噸產(chǎn)水量下的計(jì)算結(jié)果

2.2 產(chǎn)水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4為產(chǎn)水溫度與壓縮機(jī)消耗電費(fèi)、一次蒸汽費(fèi)用及節(jié)約費(fèi)用的關(guān)系。隨產(chǎn)水溫度升高，壓縮機(jī)電費(fèi)不變，但在不同壓力下，蒸汽潛熱不同，壓縮機(jī)升壓后的二次蒸汽不能蒸發(fā)相同流量原水，需要由HEX3補(bǔ)充蒸發(fā)一定量的二次蒸汽，以維持物料平衡，因此，一次蒸汽費(fèi)用線性增加。特別是原水入口溫度僅為25.0 ℃，離飽和溫度(100.0 ℃)較遠(yuǎn)，因此，需額外熱量。如產(chǎn)品蒸餾水溫度較低，則HEX4出口高溫蒸餾水的熱量可回收用于提升原水溫度。但如果產(chǎn)品蒸餾水溫度較高，則需要額外的一次蒸汽來提升原水溫度。

圖4 產(chǎn)水溫度對(duì)VCD水機(jī)的影響

由圖4可知，當(dāng)產(chǎn)品蒸餾水溫度低于70.0 ℃時(shí)，一次蒸汽的能耗費(fèi)低于壓縮機(jī)電費(fèi)，但是當(dāng)高于70.0 ℃時(shí)，則一次蒸汽能耗費(fèi)高于電費(fèi)。當(dāng)產(chǎn)品蒸餾水溫度為40.0 ℃時(shí)，無需補(bǔ)充一次蒸汽，節(jié)能效益很高。因此，認(rèn)為VCD水機(jī)更適用于產(chǎn)品蒸餾水溫度較低的場(chǎng)合。

2.3 HEX4換熱溫差對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖5為當(dāng)產(chǎn)品蒸餾水溫度為92.0 ℃時(shí)，HEX4管內(nèi)外換熱溫差對(duì)VCD水機(jī)節(jié)能效益的影響。VCD水機(jī)對(duì)換熱溫差十分敏感，隨著換熱溫差上升，壓縮機(jī)壓比增加，所需功率也增加，能耗線性增加。這與其他熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)中的結(jié)論一致，即在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能減少換熱溫差以降低壓縮機(jī)的功耗，提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。

圖5 蒸發(fā)-冷凝換熱溫差對(duì)VCD水機(jī)的影響

2.4 壓縮機(jī)絕熱效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖6為壓縮機(jī)絕熱效率對(duì)VCD水機(jī)的影響，顯然絕熱效率越低，壓縮機(jī)功耗越大。但由于絕熱效率反映了壓縮機(jī)中的磨損摩擦等因素，而這些摩擦損失總是轉(zhuǎn)換成熱量被壓縮機(jī)排氣帶走，最終用于蒸發(fā)原水，因此，一次蒸汽量反而會(huì)略有減少，但是減少量沒有壓縮機(jī)功耗增加多，所以總節(jié)能效益下降。相比圖5～圖6，壓縮機(jī)絕熱效率對(duì)VCD水機(jī)的影響并不大。

圖6 壓縮機(jī)絕熱效率對(duì)VCD水機(jī)的影響

2.5 壓力損失對(duì)節(jié)能率的影響

圖7為進(jìn)排氣壓力損失對(duì)節(jié)能率的影響。進(jìn)排氣壓力損失每增加1 kPa，則節(jié)能率會(huì)降低1%。壓縮機(jī)機(jī)排氣壓力遠(yuǎn)高于進(jìn)氣壓力，因此，進(jìn)氣損失的影響更大，應(yīng)該增加進(jìn)氣管道尺寸、減少距離。

圖7 管路壓力損失對(duì)VCD水機(jī)的影響

3 結(jié)論

VCD水機(jī)可以回收二次蒸汽熱量，減少蒸汽耗量。本文在選擇合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了VCD水機(jī)的熱力學(xué)模型，計(jì)算VCD水機(jī)一次蒸汽耗量、壓縮機(jī)功耗、節(jié)能率等參數(shù)，得出如下結(jié)論。

(1)在本文選擇的設(shè)計(jì)工況下，VCD水機(jī)的蒸汽耗量?jī)H需六效MED水機(jī)一半左右，但是VCD水機(jī)需要消耗壓縮機(jī)電功，綜合節(jié)能率達(dá)到23.1%，具有良好節(jié)能效果。

(2)產(chǎn)生溫度對(duì)VCD水機(jī)節(jié)能率不利，隨著溫度升高，節(jié)能率逐漸下降，其原因在于二次蒸汽的利用率降低，VCD水機(jī)更適用于產(chǎn)水溫度較低的場(chǎng)合。

(3)增加主冷凝-蒸發(fā)換熱器的溫差、降低壓縮機(jī)的絕熱效率、進(jìn)排氣管路流動(dòng)損失均會(huì)造成VCD水機(jī)壓縮機(jī)功耗上升、節(jié)能率下降，選擇水平管降膜等低溫差換熱器和高絕熱效率的離心式壓縮機(jī)，均可提升VCD水機(jī)性能。此外，進(jìn)氣損失的影響較排氣損失大，因此，壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)盡可能靠近及二次蒸汽并增加管道直徑。

(4)目前，研究中所建立的數(shù)學(xué)模型僅考慮了主冷凝-蒸發(fā)換熱器HEX4的溫差，而沒有考慮其他換熱器溫差，同時(shí)并沒有建立MED水機(jī)模型，而是直接選用了廠家實(shí)際參數(shù)，因此，需要在未來進(jìn)一步展開相關(guān)研究。