連續(xù)三效板式蒸發(fā)器在中藥金銀花浸膏濃縮中的應(yīng)用研究

肖紅濤 張偉 曹祥

摘要：介紹連續(xù)三效板式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)以及中藥浸膏濃縮的工藝要求，總結(jié)了設(shè)備在產(chǎn)品濃縮過程中的常見問題和解決措施。為該設(shè)備更好的應(yīng)用于中藥制劑的生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：三效板式蒸發(fā)器;濃縮;浸膏;制藥設(shè)備

引言

金銀花的提取物是江蘇康緣藥業(yè)股份有限公司主要產(chǎn)品熱毒寧主要成分之一，該藥品在提取制劑過程中需要進(jìn)行浸膏的濃縮，而該過程常用的提取濃縮設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的有效成分破壞較大，在此制劑生產(chǎn)過程中經(jīng)與制劑設(shè)備廠家進(jìn)行協(xié)作，采用連續(xù)三效板式蒸發(fā)器對(duì)金銀花浸膏進(jìn)行濃縮精制，保證了產(chǎn)品有效成分不被破壞。

1.三效板式蒸發(fā)器設(shè)備概述

板式蒸發(fā)器是廣泛應(yīng)用于食品加工、果汁濃縮、飲料生產(chǎn)、乳品生產(chǎn)、制藥行業(yè)、淀粉行業(yè)和生物工程等領(lǐng)域。減壓升膜三效板式蒸發(fā)器，帶熱壓縮泵，用于金銀花提取液的濃縮，突出優(yōu)點(diǎn)是能源利用效率高，蒸汽耗量小。完成所要求的蒸發(fā)量——水蒸發(fā)能力不小于5000 kg/h，蒸汽耗量不超過1146 kg/h。

該系統(tǒng)的核心部件采用進(jìn)口板式蒸發(fā)器，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，蒸發(fā)器操作的關(guān)鍵是控制蒸發(fā)器內(nèi)金銀花提取液進(jìn)料流量、生蒸汽進(jìn)料壓力和各效的蒸發(fā)溫度與壓力是否在合理的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，有關(guān)技術(shù)規(guī)格如下：①采用升膜及泵輔助循環(huán)的工作方式，可以將金銀花提取液濃縮到固含量60.0%以上，采用密度計(jì)保證濃縮液出料固含量;②采用減壓濃縮，末效分離器內(nèi)真空度可達(dá)到10 kPa以下，并可根據(jù)末效的真空度對(duì)最終濃縮液出料的溫度進(jìn)行控制。③物料進(jìn)料流量為3000～6000L原料金銀花提取液/小時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)出料濃縮液的密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，亦可手動(dòng)設(shè)定;④機(jī)組內(nèi)配置熱壓縮泵（TVR），以達(dá)到高的蒸汽效率。⑤二次蒸汽冷卻方式：列管式換熱器;⑥冷卻水溫度：入口溫度：35℃ /出口溫度：40℃，流量約為162.4 m3/小時(shí)，壓力2.5～4 barg;⑦動(dòng)力蒸汽：7 barg壓力，耗量約1146 kg/h （不含預(yù)熱）;⑧采用中控室上位機(jī)操作方式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開機(jī)運(yùn)行、自動(dòng)停機(jī)和緊急停機(jī)功能，亦可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作來控制蒸發(fā)器?？刂乒裰邪≒LC，可以實(shí)現(xiàn)出料控制、蒸汽控制、進(jìn)料流量控制、泵的變頻控制、CIP清洗流程等功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)操作;⑨整機(jī)可實(shí)現(xiàn)完全的CIP清洗，可通過控制室上位機(jī)來進(jìn)行操作。

2.設(shè)備特點(diǎn)

（1）操作簡(jiǎn)單、方便。①蒸發(fā)器的開車、停車、操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一鍵式操作，運(yùn)行穩(wěn)定。② 蒸發(fā)器開車時(shí)間短，停車后可在短時(shí)間內(nèi)將蒸發(fā)器中的物料排空。③對(duì)進(jìn)料濃度的變化適應(yīng)性很強(qiáng)，可在很大的濃度范圍內(nèi)高效工作。④通過視鏡能方便地進(jìn)行蒸發(fā)觀察，并可方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）適宜熱敏性物料的蒸發(fā)。①物料在蒸發(fā)器內(nèi)的停留時(shí)間短，從而可保證熱敏性物料的優(yōu)良品質(zhì)。②在真空操作下，更能可靠地保證熱敏性物料的品質(zhì)。

（3）適用性強(qiáng)。①可適用于不同進(jìn)料濃度中藥提取液的蒸發(fā)操作。②通過方便地調(diào)整蒸發(fā)溫度可滿足不同介質(zhì)對(duì)蒸發(fā)溫度的要求。

（4）能耗低、易實(shí)現(xiàn)多效操作。①與傳統(tǒng)的管殼式蒸發(fā)器相比，板式蒸發(fā)器可適當(dāng)降低各效間傳熱溫差，仍能保證較高的傳熱系數(shù)，因此在總傳熱溫差一定的條件下很容易實(shí)現(xiàn)多效操作，從而達(dá)到降低蒸汽消耗的目的。②帶熱泵的三效蒸發(fā)器使用相當(dāng)于不帶熱泵的四效蒸發(fā)器，因此可以比簡(jiǎn)單的三效蒸發(fā)器節(jié)省更多的蒸汽。③三效蒸發(fā)器在真空狀態(tài)下工作，降低金銀花提取液沸點(diǎn)，提高中藥提取液閃蒸的比例，從而可節(jié)省大量熱能。

3.連續(xù)三效蒸發(fā)器工藝設(shè)備組成

該工藝流程主要由板式預(yù)熱器、三效板式蒸發(fā)器和氣液分離器、冷凝器、熱泵、料液泵、以及抽真空系統(tǒng)等組成。

（1）平衡罐。平衡罐（圖1）主要用于金銀花提取液進(jìn)料泵的平衡，同時(shí)平衡罐可以配合自動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)藥液進(jìn)料濃度的控制，使藥液經(jīng)過三效蒸發(fā)后，得到的濃縮液濃度在一定的范圍內(nèi)，保證產(chǎn)量的穩(wěn)定性。

圖1 ?平衡罐

（2）蒸汽噴射式熱泵。當(dāng)濃縮水溶液時(shí)，為了進(jìn)一步提高熱經(jīng)濟(jì)性，可以在原有的多效蒸發(fā)流程中加入一個(gè)蒸汽噴射式熱泵，從第1效中帶回一些二次蒸汽，與高溫高壓的動(dòng)力蒸汽混合后進(jìn)入第1效重新用來加熱原料液，從而回收部分低品位的熱能，并可減少生蒸汽的耗量，并提高蒸發(fā)操作的熱經(jīng)濟(jì)性。例如三效熱泵蒸發(fā)的蒸汽消耗可達(dá)到四效的水平。蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)尤其適用于熱敏性物料、沸點(diǎn)升高值小的物料和能夠提供高壓蒸汽的場(chǎng)合。蒸汽噴射式熱泵稍加變化還可用作過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝难b置。蒸汽噴射式熱泵的構(gòu)造（圖2）與Venturi管類似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并無傳動(dòng)裝置。

圖2 ?熱泵構(gòu)造圖

（3）板式蒸發(fā)器。金銀花提取液進(jìn)入板式蒸發(fā)器（圖3）一側(cè)，熱介質(zhì)蒸汽在另一側(cè)進(jìn)行加熱，使金銀花提取液發(fā)生部分汽化，然后含有氣液兩相的混合物同時(shí)進(jìn)入氣液分離器中，分離后的液體進(jìn)入后一效冷側(cè)繼續(xù)蒸發(fā)濃縮，飽和汽體則進(jìn)入后一效的熱側(cè)去加熱料液，從而實(shí)現(xiàn)熱能的最大化利用。

圖3 ?板式蒸發(fā)器

（4）分離器。在分離器的設(shè)計(jì)上，通過找出二次蒸汽從介質(zhì)液面蒸發(fā)逸出的最佳參數(shù)，確定最佳高徑比。分離器內(nèi)部構(gòu)造的特殊設(shè)計(jì)，可使其在高濃度溶液里析出的濃液大部分在分離器內(nèi)析出，有效避免在板片內(nèi)析出后形成結(jié)垢，影響傳熱效率。

（5）冷凝器。冷凝器（圖4）將從末效出來的二次蒸汽冷凝為液體，進(jìn)行回收，同時(shí)和真空系統(tǒng)相連，保證了系統(tǒng)能在真空下進(jìn)行操作。冷凝器形式：BEM管殼式，殼程數(shù)1，管程數(shù)4。

圖4 ?冷凝器

（6）料液泵。分別用于原料液的進(jìn)料、緩沖罐向一效內(nèi)進(jìn)液、一效循環(huán)、一效向二效內(nèi)進(jìn)液、二效循環(huán)、二效向三效內(nèi)進(jìn)液、三效循環(huán)、完成液出液、一效蒸發(fā)器內(nèi)冷凝液的排放、二三效蒸發(fā)器內(nèi)冷凝液的排放、冷凝器內(nèi)冷凝液的排放等。每一效配備了一臺(tái)單效循環(huán)泵和一臺(tái)料液輸送泵，即增強(qiáng)了流體在換熱器內(nèi)的湍動(dòng)程度，又提高了對(duì)板壁的沖刷效果，從而起到防止料液粘壁的現(xiàn)象。

（7）真空泵。溶液的濃縮一般為負(fù)壓下的多效蒸發(fā)。通過降低多效系統(tǒng)各效操作壓力，使其在真空下蒸發(fā)，不僅可以降低料液的沸點(diǎn)，同時(shí)料液中的部分顯熱又可以轉(zhuǎn)化為二次蒸汽的潛熱，增大了溶劑的蒸發(fā)量，進(jìn)而提高了熱經(jīng)濟(jì)性。由于系統(tǒng)要在真空下完成任務(wù)，需要用真空系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，真空泵的選擇根據(jù)所在體系的抽氣容積來確定，用于產(chǎn)生和維持蒸發(fā)器系統(tǒng)內(nèi)的真空度。

（8）密封水供應(yīng)系統(tǒng)。供應(yīng)飲用水，作為離心泵的密封水，帶全套閥門和管道系統(tǒng)。

（9）其他。密度計(jì)1臺(tái)、電磁流量計(jì)2臺(tái)和金屬浮子流量計(jì)1臺(tái)分別用于測(cè)量完成液的密度、進(jìn)出液流量控制、測(cè)量蒸發(fā)量等。各類溫度、壓力測(cè)量?jī)x器用于測(cè)量蒸汽壓力和溫度、分離器內(nèi)的壓力和溫度、冷凝液和冷卻水的溫度等。

4.工藝流程說明

（1）物料管路走向及描述 ?采用并流操作方式，即料液和蒸汽流向相同，都由一效依序流至末效。原料液通過輸液泵進(jìn)入第一效蒸發(fā)器，由通過熱泵后的蒸汽來加熱。被部分汽化后的兩相料液進(jìn)入一效分離器，進(jìn)行氣液分離，分離得到的二次蒸汽進(jìn)入第二效來作為加熱介質(zhì)，液體則分成兩股，一股重新返回一效蒸發(fā)器，以用來控制蒸發(fā)比，另一股則進(jìn)入第二效繼續(xù)蒸發(fā)，依次類推。從第三效出來的即為完成液，可以收集在儲(chǔ)罐中待處理;從第三效出來的二次蒸汽則進(jìn)入與真空系統(tǒng)相連的冷凝器中，冷凝后由一臺(tái)出液泵進(jìn)行排液。在每班生產(chǎn)完成后，由純水管路引來純水進(jìn)入物料緩沖罐，可用水頂料把設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的物料處理排出，從而減少物料的浪費(fèi)。

（2）蒸汽管路走向及描述 ?低壓蒸汽（7 barg）由動(dòng)力車間經(jīng)穩(wěn)壓后進(jìn)入本設(shè)備的節(jié)能裝置蒸汽噴射式熱泵，動(dòng)力蒸汽高速流過熱泵的同時(shí)按設(shè)計(jì)要求抽吸過來一定量的一效產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)過壓縮升溫后進(jìn)入一效熱側(cè)給物料進(jìn)行加熱蒸發(fā);另一部分二次蒸汽給二效加熱蒸發(fā)。一效的二次蒸汽給二效，二效的二次蒸汽給三效，三效的二次蒸汽進(jìn)入列管式冷凝器，被冷卻水冷卻后回收利用。

（3）冷凝水走向及描述 ?在一效蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽冷凝水通過泵輸送至鍋爐，重新利用。第二效蒸發(fā)器熱側(cè)產(chǎn)生的冷凝水和第三效產(chǎn)生的二次蒸汽一同進(jìn)入列管式冷凝器，冷凝后的冷凝水則通過一臺(tái)離心泵輸送至儲(chǔ)罐，實(shí)現(xiàn)回收利用。

（4）不凝氣的走向及描述 ?由于蒸汽或物料中會(huì)帶有一定量的不凝性氣體，在被冷卻或被加熱的同時(shí)會(huì)被釋放出來。此外，由于設(shè)備的泄露也會(huì)產(chǎn)生一定量的不凝氣體，不凝氣的存在會(huì)在一定程度上削弱蒸發(fā)器的傳熱效果。所以從蒸發(fā)器熱側(cè)出來的冷凝水首先進(jìn)入一臺(tái)汽水分離器，冷凝水和不凝氣直接被吸入冷凝器中，閃蒸的二次蒸汽則進(jìn)入下一效中的熱側(cè)，進(jìn)行熱能的回收利用，進(jìn)入冷凝器中的不凝性氣體則可通過真空泵排至大氣中。

5.工藝系統(tǒng)自控說明

（1）蒸汽系統(tǒng)的控制。生蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)由一個(gè)調(diào)節(jié)閥和測(cè)量完成液密度的質(zhì)量流量計(jì)來構(gòu)成的前反饋控制回路來進(jìn)行蒸汽的穩(wěn)定控制。當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)到的三效出口料液密度小于設(shè)定值時(shí)，這個(gè)控制回路就會(huì)反饋給蒸汽管路調(diào)節(jié)閥，增大閥門開度，從而提高蒸汽進(jìn)料量，這樣一來，蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)量就上升了，三效出口料液的密度也就增大了。反之，當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)到的三效出口料液密度增大至設(shè)定值時(shí)，這個(gè)控制回路就會(huì)反饋給蒸汽管路調(diào)節(jié)閥，減小閥門開度，從而減少蒸汽進(jìn)料量，這樣一來，蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)量就降低了，三效出口料液的密度也就會(huì)重新回落。

（2）料液的輸送和循環(huán)控制。原料液的進(jìn)料速率通過一個(gè)調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)構(gòu)成的控制回路來進(jìn)行控制，然后這個(gè)回路又與蒸發(fā)量構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。料液的輸送和強(qiáng)制循環(huán)通過各效的輸送泵和循環(huán)泵來完成，料液輸送和循環(huán)量的比例可以通過手動(dòng)閥由現(xiàn)場(chǎng)工作人員來進(jìn)行微調(diào)，這一調(diào)節(jié)實(shí)際上調(diào)節(jié)了蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)比，很小的蒸發(fā)比可適用于高粘度物料的濃縮，即基本利用閃蒸來實(shí)現(xiàn)物料的濃縮。

（3）完成液終點(diǎn)的判斷。完成液的判斷終點(diǎn)則可以根據(jù)工藝的具體要求來定，參考的測(cè)量變量為密度。

6.連續(xù)三效蒸發(fā)器操作

（1）操作前的檢查。①A.開啟各效分離器視鏡燈;②檢查 蒸發(fā)器內(nèi)的是否有殘液;③供入泵的密封用水;④排放蒸汽管道冷凝水;⑤ 開啟稀金銀花提取液儲(chǔ)罐V3000底部的閥門;⑥供入真空泵工作液;⑦ 供入冷凝器的冷卻水⑧正確開/閉三效蒸發(fā)器系統(tǒng)各手動(dòng)閥（金銀花提取液管路、蒸汽管路、冷凝水管路）;⑨控制面板參數(shù)設(shè)定：藥液進(jìn)料流量，蒸汽壓力，出液密度，P3020頻率，P3370頻率，LTI3000液位設(shè)定。

（2）開機(jī)。點(diǎn)擊“系統(tǒng)控制”按鈕，開機(jī)后，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)程序運(yùn)行過程中，其中的任何一個(gè)或多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)立即自動(dòng)關(guān)閉蒸汽閥3060PV01，并開始計(jì)時(shí)Timer II，一旦故障排除后自動(dòng)解鎖（自動(dòng)解鎖后Timer II自動(dòng)清零）。這種保護(hù)功能只有在該程序正在運(yùn)行過程中有效，程序結(jié)束后，自動(dòng)取消這種保護(hù)功能。

7.連續(xù)三效蒸發(fā)系統(tǒng)CIP清洗

根據(jù)本設(shè)備處理物料的性質(zhì)要求，增設(shè)CIP在線清洗系統(tǒng)。整個(gè)濃縮系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)CIP在位清洗。CIP的清洗模式可以根據(jù)具體要求來定，自控方案中提供各種備選方案：如清水洗、熱水洗、熱堿洗等的一項(xiàng)或多項(xiàng)組合清洗模式。整個(gè)清洗過程的先后次序可以按照下述順序來進(jìn)行。

（1）清水洗模式。頂料→清洗緩沖罐→清洗一效分離器和蒸汽管路→清洗二效分離器和蒸汽管路→清洗三效分離器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸發(fā)器→蒸發(fā)器內(nèi)順序CIP清洗。

（2）熱水洗模式。清洗緩沖罐→清洗一效分離器和蒸汽管路→清洗二效分離器和蒸汽管路→清洗三效分離器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸發(fā)器→蒸發(fā)器內(nèi)順序CIP清洗

（3）熱酸或熱堿洗模式。配酸、堿液→清洗一效分離器和蒸汽管路→清洗二效分離器和蒸汽管路→清洗三效分離器和蒸汽管路→清洗一效、二效、三效蒸發(fā)器→蒸發(fā)器內(nèi)順序CIP清洗。

8.總結(jié)

三效板式蒸發(fā)器設(shè)備原是廣泛應(yīng)用于食品加工、果汁濃縮等行業(yè)的生產(chǎn)，由于金銀花等產(chǎn)品有效成分不耐熱、容易損失的特殊性，我公司將此設(shè)備應(yīng)用于藥品有效成分的提取，發(fā)揮了設(shè)備的能源利用效率高，蒸汽耗量小，在較低溫度下進(jìn)行濃縮操作，有效成分保留高，設(shè)備操作方便等優(yōu)點(diǎn)，明顯提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。