淺談制藥濃縮中MVR設(shè)備的選擇及起泡問題的解決方案

熊 靜 王熠璐 李軍軍 朱明輝 劉金萍

（1.江中藥業(yè)股份有限公司，江西 南昌 330096；2.江西濟(jì)民可信醫(yī)藥有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

MVR是蒸汽機(jī)械再壓縮（Mechanical Vapor Recompression）的英文縮寫，它是將從分離器中抽取出來的低溫蒸汽經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后（溫度和壓力升高）作為蒸發(fā)器的熱源，用于加熱液體，蒸發(fā)器不需要再從其他地方補(bǔ)充熱源，從而減少了其對外界能源的需求[1]。對其原理進(jìn)行理論分析，MVR濃縮一定比傳統(tǒng)的濃縮方式更加節(jié)能，但實(shí)際效果及其使用中遇到的問題（消泡）則需要進(jìn)一步探討。

1 MVR與其他濃縮方式的比較

1.1 常見的濃縮方式

在制藥工業(yè)中，常見的濃縮方式有膜濃縮、單效濃縮、雙效濃縮、三效濃縮（多效濃縮）、刮板薄膜濃縮、TVR濃縮、MVR濃縮等。在這幾種濃縮方式中，膜濃縮比較特殊，其不需要加熱，沒有蒸汽損耗，主要的能耗僅為循環(huán)泵使液體在機(jī)組中運(yùn)行的電能，相對于其他濃縮方式能耗極小，但其設(shè)備初始投資較大，耗材（濃縮膜）費(fèi)用較高。又由于膜濃縮的濃縮比較小，在中藥濃縮實(shí)際應(yīng)用中適用場景較少。

剩余幾種濃縮方式中，單效濃縮、刮板薄膜濃縮作為較為原始的濃縮方式，由于其對加熱蒸汽的利用僅有一次，不可避免地造成能源的浪費(fèi)，能耗自然比較大。而TVR濃縮雖然利用噴射式熱泵來回收部分二次蒸汽，能耗較小，但其能耗相對于MVR僅需極少量鮮蒸汽，利用壓縮機(jī)壓縮二次蒸汽的方式仍然沒有優(yōu)勢，并且采用板式換熱，使用后清潔比較困難。

1.2 雙效濃縮、三效濃縮（多效濃縮）、MVR濃縮的詳細(xì)比較

根據(jù)行業(yè)調(diào)查，很多企業(yè)綜合投資大小、能耗大小、清潔難易等因素，主要選用雙效濃縮、三效濃縮（多效濃縮）、MVR濃縮等方式。此三種濃縮方式的優(yōu)缺點(diǎn)及性能對比如表1所示。

表1 三種濃縮方式的優(yōu)缺點(diǎn)及性能對比

同樣以3 000 L/h的蒸發(fā)量為例，三種濃縮方式的投資及運(yùn)行成本如表2所示。

表2 三種濃縮方式的投資及運(yùn)行成本

年度運(yùn)行成本計(jì)算方式如下：

（1）雙效濃縮：[19.2×0.76+1.56×240（天然氣單價(jià)）+83×2.5（冷凍水單價(jià)）]×4 000（全年運(yùn)行時(shí)間）=2 385 968元；

（2）三效濃縮：[21×0.76+1.05×240（天然氣單價(jià)）+60×2.5（冷凍水單價(jià)）]×4 000（全年運(yùn)行時(shí)間）=1 671 840元；

（3）MVR濃縮：[（80+16）×0.76+0.05×240（天然氣單價(jià)）+10×2.5（冷凍水單價(jià)）]×4 000（全年運(yùn)行時(shí)間）=439 840元。

綜合以上分析，筆者認(rèn)為在選擇制藥濃縮設(shè)備時(shí)MVR具有較大優(yōu)勢，在條件允許的情況下可以考慮優(yōu)先選擇。

2 以某實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)制定某項(xiàng)目可行性方案

2.1 某實(shí)際生產(chǎn)基本信息

（1）某兩個(gè)品種生產(chǎn)使用MVR設(shè)備工藝數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某兩個(gè)品種的工藝數(shù)據(jù)

（2）某車間使用1臺MVR處理藥材約1 000 t/a，根據(jù)工藝加10倍水，品種A蒸發(fā)水量約9 000 t/a，品種B蒸發(fā)水量約9 900 t/a。

2.2 分析過程

根據(jù)蒸發(fā)1 t水約需要0.6 t蒸汽，1 t蒸汽約260元，MVR節(jié)能系數(shù)60%，計(jì)算得：

品種A：9000×0.6×260×60%=842400元≈84.2萬元；

品種B：9900×0.6×260×60%=926640元≈92.7萬元。

MVR設(shè)備價(jià)格約270萬元（含其他配套），平均每年壓縮機(jī)維修費(fèi)用按20萬元計(jì)算，則投資回報(bào)年限為：290/92.7≈3.13年（290/84.2≈3.44年）；

若以5年作為投資回報(bào)年限，則品種A：9 000/X2=5/3.44，X2≈6192t/a；品種B：9900/X1=5/3.13，X1≈6197t/a。即如年蒸發(fā)水量約≥6 200 t，則可在5年以內(nèi)收回設(shè)備投資成本。

2.3 結(jié)論

如表4所示，根據(jù)以上分析，有5個(gè)品種可建議使用MVR設(shè)備。但部分品種在蒸發(fā)過程中易起泡，需攻克相應(yīng)消泡方案。

表4 適用品種

3 MVR濃縮中的問題及解決方案

3.1 MVR濃縮中的問題

在MVR濃縮過程中，由于控制參數(shù)或物料性狀的原因，容易產(chǎn)生大量氣泡，當(dāng)氣泡不斷增加、升高甚至進(jìn)入壓縮機(jī)，就會造成設(shè)備停機(jī)，影響生產(chǎn)，并且會對設(shè)備造成損害。因此，在生產(chǎn)過程中如何有效消除泡沫，就成了當(dāng)務(wù)之急。

3.2 MVR消泡方案

首先關(guān)于泡沫的產(chǎn)生，需要有合適的檢測方式，目前大多通過操作人員肉眼觀測，此外通過實(shí)驗(yàn)、超聲波檢測有一定的效果。超聲波檢測一般安裝于罐體的三個(gè)高度，由低到高分別提供預(yù)警、消泡啟動、停機(jī)報(bào)警的操作信號。

3.2.1 工藝角度的解決方案

從工藝角度采用溫差控制、液位控制、濃縮方式組合、避免中途停機(jī)等幾種方式，可有效減少或消除起泡現(xiàn)象。

（1）溫差控制：根據(jù)我司使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)物料進(jìn)入設(shè)備溫度較低時(shí)，冷熱液體的碰撞使得物料產(chǎn)生大量氣泡，當(dāng)適當(dāng)升高物料溫度時(shí)，起泡現(xiàn)象則有所好轉(zhuǎn)，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出設(shè)備內(nèi)物料溫度與進(jìn)料溫度之間的溫差越小，越不容易起泡。故針對起泡問題，建議對提取液儲罐做保溫處理，或?qū)M(jìn)料液體溫度進(jìn)行預(yù)熱，縮小與設(shè)備內(nèi)的液體溫差，從而減少起泡現(xiàn)象。

（2）液位控制：當(dāng)液位過高或過低，物料進(jìn)入設(shè)備時(shí)會沖擊在液面或設(shè)備上，都容易產(chǎn)生大量氣泡。因此，液位控制應(yīng)在100～120 mm，并根據(jù)液位情況控制進(jìn)料，避免罐體內(nèi)的溫度波動太大。

（3）MVR+雙效濃縮的方式：我司嘗試在MVR中將物料濃度由1.01濃縮至1.07左右即轉(zhuǎn)用雙效濃縮，該做法避免了濃度升高導(dǎo)致物料更容易起泡。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，濃度1.01到1.07的過程中，蒸發(fā)了大部分水分，MVR的效率最高，由1.07～1.12過程中MVR蒸發(fā)水的效率降低，而采用雙效濃縮速度更快。

（4）避免中途停機(jī)：如果物料濃縮過程中停機(jī)，再啟動時(shí)由于真空度、溫度的波動更容易產(chǎn)生大量氣泡而無法控制，因此應(yīng)盡量避免中途停機(jī)。

3.2.2 設(shè)備角度的解決方案

除了在工藝角度進(jìn)行控制，設(shè)備方面也可以優(yōu)化，從而減少起泡現(xiàn)象。

（1）設(shè)備尺寸量身定制：在設(shè)備定制階段，根據(jù)不同物料的起泡程度，通過計(jì)算設(shè)計(jì)MVR分離器的高度、直徑，選擇合適的比例，從而達(dá)到消泡效果。

（2）進(jìn)料位置及角度：進(jìn)料位置應(yīng)盡量靠近罐體底部，并且采用切向進(jìn)料（螺旋形進(jìn)料），避免物料進(jìn)入罐體時(shí)沖擊產(chǎn)生氣泡。進(jìn)料管道如圖1、圖2所示。

圖1 進(jìn)料管道（未安裝狀態(tài)）

圖2 進(jìn)料管道（安裝在設(shè)備上）

（3）進(jìn)料預(yù)熱：在進(jìn)料過程中對物料進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)備上采用2級預(yù)熱系統(tǒng)，第1級預(yù)熱采用板式換熱器，第2級預(yù)熱采用管式換熱器（2級預(yù)熱采用管式的原因是管式比板式單個(gè)流道的截面積大，同樣流量可以降低物料流動速度，減小物料對液面的沖擊，更不容易起泡）。

（4）噴淋球：在罐體頂部設(shè)置噴淋球，可根據(jù)工藝少量噴灑冷水或原料液，通過冷液擊破泡沫的方式進(jìn)行消泡。

4 結(jié)語

在濃縮設(shè)備的選擇上，相對于其他濃縮方式，MVR具有比較強(qiáng)的優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地存在一些問題。本文僅僅是拋磚引玉，希望能與同行共同探討優(yōu)化濃縮方案，推動制藥設(shè)備的不斷進(jìn)步。