熱壓式蒸餾水機(jī)也稱蒸汽壓縮式蒸餾水機(jī)，主要利用電機(jī)作為動力對蒸汽進(jìn)行二次壓縮、提高溫度和壓力后蒸發(fā)原水而制備注射用水，屬于蒸汽機(jī)械再壓縮（MVR，Mechanical Vapor Recompression）技術(shù)在制藥用水領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

       MVR技術(shù)是重新利用設(shè)備自身產(chǎn)生的蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項節(jié)能技術(shù)，其原理主要是利用蒸汽壓縮機(jī)壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽，提高蒸汽的焓值，高焓值的二次蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)作為熱源循環(huán)使用，替代絕大部分工業(yè)蒸汽，工業(yè)蒸汽則僅用于系統(tǒng)初啟動用、補(bǔ)充熱損失和補(bǔ)充進(jìn)出水溫差所需熱焓，從而大幅度降低蒸發(fā)器的工業(yè)蒸汽消耗，達(dá)到節(jié)能目的。

       MVR技術(shù)的理論基礎(chǔ)是波義耳定律，即PV/T=K，其中：P為氣體壓力、V為氣體體積、T為氣體溫度、K為常數(shù)，其含義是一定質(zhì)量的氣體，其壓強(qiáng)*體積/溫度為常數(shù)，也就意味著當(dāng)氣體的體積減小，壓強(qiáng)增大時，氣體的溫度也會隨即升高。根據(jù)此原理，當(dāng)稀薄的二次蒸汽在經(jīng)體積壓縮后其溫度會隨之升高，從而實現(xiàn)將低溫、低壓的蒸汽變成高溫高壓的蒸汽，進(jìn)而可以作為熱源再次加熱需要被蒸發(fā)的原液，從而達(dá)到可以循環(huán)回收利用蒸汽的目的。

       實現(xiàn)MVR技術(shù)最為關(guān)鍵的設(shè)備為提升氣體壓力的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)是指用來壓縮氣體借以提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械，壓縮機(jī)也被稱為"壓氣機(jī)"或"氣泵"。嚴(yán)格意義上來講，當(dāng)排氣壓力小于0.02MPa時稱為通風(fēng)機(jī)；當(dāng)排氣壓力在0.02～0.2MPa時，稱為鼓風(fēng)機(jī)；當(dāng)排氣壓力大于0.02MPa時才稱為壓縮機(jī)（表1）。

       表1 壓縮機(jī)的分類

       按工作原理分類，壓縮機(jī)可分為容積式壓縮機(jī)與動力式壓縮機(jī)兩大類。容積式壓縮機(jī)直接對一可變?nèi)莘e中的氣體進(jìn)行壓縮，使該部分氣體容積縮小、壓力提高，其特點是壓縮機(jī)具有容積可周期變化的工作腔；動力式壓縮機(jī)也稱為速度式壓縮機(jī)，它首先使氣體流動速度提高，即增加氣體分子的動能，然后使氣流速度有序降低，使動能轉(zhuǎn)化為壓力能，與此同時氣體容積也相應(yīng)減小，其特點是壓縮機(jī)具有驅(qū)使氣體獲得流動速度的葉輪。

       熱壓式蒸餾水機(jī)的主要結(jié)構(gòu)分為蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和預(yù)熱單元三部分。

       （1）蒸發(fā)器

         蒸發(fā)器的主要功能是將熱壓式蒸餾水機(jī)的進(jìn)水和經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的蒸汽進(jìn)行換熱。蒸發(fā)器中蒸汽的溫度要高于進(jìn)水溫度，它會在蒸發(fā)器中冷凝并釋放汽化潛熱，而進(jìn)入熱壓式蒸餾水機(jī)的原水溫度較低，會吸收蒸汽冷凝時釋放的汽化潛熱，從而被蒸發(fā)為蒸汽，這一換熱過程通過蒸發(fā)器中大量換熱管提供了換熱過程的必要因素之一的換熱面積，按蒸發(fā)器的形式劃分，熱壓式蒸餾水機(jī)分為立式與臥式兩種（圖1）。

       圖1 熱壓式蒸餾水機(jī)的類型

       （2）壓縮機(jī)

        壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)器中原料水產(chǎn)生的蒸汽，通過葉輪或者其它形式的壓縮結(jié)構(gòu)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為蒸汽的熱能。壓縮機(jī)實現(xiàn)從電能至機(jī)械能，然后再從機(jī)械能至熱能的轉(zhuǎn)換，原水產(chǎn)生的蒸汽增加能量后提高了溫度，從而保證了蒸發(fā)過程的溫差這一個必要因素。比較常用的壓縮機(jī)有高速離心壓縮機(jī)和低速離心壓縮機(jī)兩大類。

       傳統(tǒng)上認(rèn)為壓縮機(jī)涉及維修與可靠性問題，但在高產(chǎn)能注射用水生產(chǎn)的需求下，熱壓式蒸餾水機(jī)帶來的經(jīng)濟(jì)效果往往大于對企業(yè)對壓縮機(jī)的顧慮，這些情況下，就需要維護(hù)措施到位來減輕對壓縮機(jī)的顧慮，因此，如何設(shè)計壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)從而提高壓縮機(jī)的效率和可靠性是熱壓式蒸餾水機(jī)的核心。熱壓式蒸餾水機(jī)的壓縮機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了鼓風(fēng)機(jī)/工業(yè)通風(fēng)扇、皮帶驅(qū)動離心壓縮機(jī)與變頻直驅(qū)離心壓縮機(jī)等三個主要階段（表2）。

       表2 壓縮機(jī)工藝與部件對比

       目前，熱壓式蒸餾水機(jī)主要利用的是離心壓縮機(jī)，它屬于透平壓縮機(jī)的一種。離心壓縮機(jī)工作時，氣體在壓縮機(jī)中的運動是沿垂直于壓縮機(jī)軸的徑向進(jìn)行的。其工作原理為具有葉片的工作輪在壓縮機(jī)的軸上旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入工作輪的氣體被帶著旋轉(zhuǎn)，增加了動能（速度）和靜壓頭（壓力），然后出工作輪進(jìn)入擴(kuò)壓器內(nèi)，在擴(kuò)壓器內(nèi)氣體的速度轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ΓM(jìn)一步提高壓力，經(jīng)過壓縮的氣體再經(jīng)彎道和回流器進(jìn)入下一級葉輪進(jìn)一步壓縮至所需的壓力，氣體在葉輪中提高壓力的原因有兩個，一是氣體在葉輪葉片作用下，跟著葉輪做高速的旋轉(zhuǎn)，而氣體由于受旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用使氣體的壓力升高；二是葉輪是從里到外逐漸擴(kuò)大的，氣體在葉輪里擴(kuò)壓流動，使氣體通過葉輪后壓力提高。

       （3）預(yù)熱單元

        預(yù)熱單元利用幾個不同功能的換熱器能很好地解決能量回收利用的問題，原水進(jìn)入熱壓式蒸餾水機(jī)時溫度一般只有20～25℃左右，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度需要在100度左右，而產(chǎn)水注射用水的溫度是80℃左右，濃水排放的溫度則需要越低越好。原水進(jìn)入熱壓式蒸餾水機(jī)后會最終轉(zhuǎn)換為注射用水和濃水，注射用水和濃水在出熱壓式蒸餾水機(jī)之前都通過預(yù)熱裝置將能量盡可能多的再次轉(zhuǎn)移給進(jìn)水，從而減少蒸發(fā)用蒸汽的消耗，同時，不凝性氣體排放之前也通過預(yù)熱裝置來將熱量回收至原水中，這些換熱器要求都是雙管板結(jié)構(gòu)或者其它特殊設(shè)計，從而有效避免換熱的兩種介質(zhì)發(fā)生交叉污染。根據(jù)客戶的實際需求，熱壓式蒸餾水機(jī)可以生產(chǎn)出符合各國藥典要求的高溫注射用水（70～85℃），也可以生產(chǎn)出常溫的注射用水或純化水（20～32℃），或者同時生產(chǎn)出兩種不同溫度的制藥用水。

       熱壓式蒸餾水機(jī)以自身產(chǎn)生的壓縮蒸汽作為主要的熱能，大幅提高了工作效率，其蒸發(fā)器生產(chǎn)不受壓力容器監(jiān)檢管控，所需要的能源主要來自于電能，電能消耗的數(shù)量會根據(jù)各個熱壓水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同有所區(qū)別，某調(diào)研機(jī)構(gòu)將同一制藥企業(yè)運行的相同產(chǎn)水量的熱壓式蒸餾水機(jī)和五效蒸餾水機(jī)運行能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計對比，發(fā)現(xiàn)熱壓式蒸餾水機(jī)比五效蒸餾水機(jī)少消耗50%左右的工業(yè)蒸汽，但熱壓式蒸餾水機(jī)每生產(chǎn)一噸注射用水會增加10KW左右的電能消耗。

       蒸餾技術(shù)要求有充分的預(yù)處理來防止或減少設(shè)備腐蝕或是結(jié)垢，預(yù)處理的范圍因原水水源和所采用的蒸餾方法的不同而異，通俗來講，進(jìn)行了軟化與除氯的原水即可滿足熱壓式蒸餾水機(jī)的進(jìn)水條件，對原水的電導(dǎo)率值、TDS與二氧化硅含量要求不高，這主要是由于蒸汽壓縮蒸餾水機(jī)和單效蒸餾水機(jī)的運行溫度較低，所以對原水中溶解的礦物質(zhì)含量耐受程度也更為高一些；相反，由于多效蒸餾水機(jī)的運行溫度較高，對溶解礦物質(zhì)的要求也更為嚴(yán)格，然而，這些較高的運行溫度能夠更強(qiáng)效地確保多效蒸餾水機(jī)對熱原的去除。

       在很多情況下，確保有足夠的排污水率以將二氧化硅的濃度維持在飽和濃度以下可以防止硅垢的形成，例如，多效蒸餾水機(jī)的濃水排放率一般控制在10～15%，而低溫運行的熱壓式蒸餾水機(jī)能耐受原水中更高的二氧化硅含量，因此，其濃水排放率可相對更低。

       熱壓式蒸餾水機(jī)的潛在熱量是被重復(fù)利用的，因此，沒有必要像多效蒸餾水機(jī)一樣在設(shè)備末端配置一個單獨的產(chǎn)水降溫冷凝器。同時，熱壓式蒸餾水機(jī)的有效產(chǎn)能可達(dá)20,000L/h以上，極大地滿足了我國部分化藥注射劑類、中藥注射劑類與生物制品企業(yè)的注射用水高產(chǎn)能需求。

       與多效蒸餾水機(jī)相比，熱壓式蒸餾水機(jī)采用的調(diào)節(jié)閥更多、結(jié)構(gòu)設(shè)計更加復(fù)雜，在維護(hù)保養(yǎng)與運行穩(wěn)定性方面需要更加謹(jǐn)慎。由于熱壓式蒸餾水機(jī)的蒸發(fā)器是非壓力容器，使用壽命比多效蒸餾水機(jī)相對更長，因此，在設(shè)備安裝就位初期，需要考慮在較長的運行周期內(nèi)蒸發(fā)器中換熱管的維修空間與維修措施；因為存在高速高負(fù)荷運轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)部件，熱壓式蒸餾水機(jī)對維修人員和設(shè)備保養(yǎng)人員有著更高的技術(shù)要求，壓縮機(jī)需要有預(yù)警裝置來保證提前發(fā)現(xiàn)故障和保證安全，壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)的軸承和密封達(dá)到使用壽命年限必須強(qiáng)制更換，壓縮機(jī)葉輪動平衡的保持也非常重要，隨著使用年限的增長，要保證葉輪動平衡始終保持在可以接受的范圍內(nèi)，同時，壓縮機(jī)大功率變頻器柜的維護(hù)需要專業(yè)電器人員每年進(jìn)行專業(yè)的維護(hù)保養(yǎng)，避免發(fā)生電器短路或者受潮事故。

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       9. 良好自動化生產(chǎn)實踐指南（第五版）

       專家簡介：張功臣，制藥行業(yè)專家，主要從事制藥流體與生物工藝系統(tǒng)的研究與實踐，全國制藥工程設(shè)計競賽委員會專家，ISPE培訓(xùn)專家，國家藥監(jiān)局檢查員培訓(xùn)專家，國家標(biāo)準(zhǔn)《GB50913-2013 醫(yī)藥工藝用水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》編委。

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