多效蒸馏水机的研究进展

修 允 陈 岚 佀国宁

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

0 引言

《中华人民共和国药典》规定，注射用水为纯化水经蒸馏所得的水。蒸馏法对原水中的不挥发性有机物、无机物，包括悬浮物、胶体、细菌、病毒、热原等有很好的去除作用。

早在1971年，美国STERIS公司引进了FINN-AQUA的蒸馏水机，推出了世界上第一套制药级的多效蒸馏水系统。在20世纪80年代之前，我国国内工厂一般多使用单蒸馏水器、重蒸馏水器来制备蒸馏水。到了20世纪80年代，随着国外先进技术的引进，上海远东制药机械有限公司等相继推出国产的多效蒸馏水机。如今，我国国内已较普遍使用自动控制的多效蒸馏水器生产蒸馏水，其主要优点是节能，可将热能多次合理利用，同时，采用汽—水分离的装置去除热原。

多效蒸馏水机主要由蒸发器、预热器、冷凝器、机架等组成，其是利用工业蒸汽加热纯化水产生蒸汽，蒸汽进入冷凝器中冷凝为蒸馏水的一种大型换热器。依据各效蒸发器之间工作压力的不同，第一效产生的纯蒸汽可以作为下一效的加热蒸汽（一效加热蒸汽为锅炉蒸汽）,如此经过多效的换热蒸发，原料水被充分汽化，各效产生的纯蒸汽则在换热过程中被冷却为蒸馏水，从而达到节约加热蒸汽和冷却水的目的。

1 国内外多效蒸馏水机简介

1.1 国外多效蒸馏水机介绍

1.1.1 意大利Stilmas

该多效蒸馏水机生产的注射用水满足国际最新的药典要求，包括USP、EP以及JP。该多效蒸馏水机为一种列管降膜式的蒸发器，与其他机型相比其加热蒸发室与分离室分开，各为一体，蒸发室在上，经蒸发的水汽混合物沿漏斗状管流入下面的分离室，转向360℃进行一级重力分离，而后向上经过丝网除沫器完成二级分离。其冷凝器一分为二，进料水与冷却水分开为2个单独行程的热交换器，壳腔串联连通，可以有效地防止相互泄漏、渗透。

Stilmas蒸馏水机的热回收系统符合机械热动力学原理，蒸发器和冷凝器内的薄膜降膜蒸发过程保证了传质传热的高效性，同时这一过程与短管技术相结合，能够确保换热面的润湿性。

1.1.2 加拿大/美国AQUA-CHEM

AQUA-CHEM多效蒸馏水机如图1所示，其蒸发器采用的是U型管式换热器，换热器只有一块管板，结构简单。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀；壳层介质适应性强，常用于高压、高温、黏度较大的场合。

该机型同样采用了双冷凝器，原料水冷凝器和冷却水冷凝器相互独立。原料水冷凝器既是第一道工序对原料水进行预热，又是最后的工序对末效产出的剩余纯蒸汽和各效预热器产出的蒸馏水的汽液两相混合液进行冷却，使其变成蒸馏水。

1.1.3 英国SPIRX-SARCO

MES多效蒸馏水机广泛应用于生物制药学工业领域，在蒸汽控制和传热技术方面得到了深入的研究。与其他蒸馏水机相比，具有一定的技术优势：（1）通过优化蒸发室的规模，达到加强蒸汽中夹带液滴分离的目的。（2）根据需求可计算最优效数。（3）首效蒸发器PID水平监控确保系统的准确性及操作一致性。（4）外周围绕多管的独特管路设计，使得换热面积最大化，提高了能源利用率。

1.2 国内多效蒸馏水机介绍

与国外多效蒸馏水机的快速发展相比，我国多效蒸馏水机行业起步较晚，20世纪80年代初期以来，国内厂家通过不断引进美国、意大利、德国、芬兰等国的多效蒸馏水机的先进机型，逐步提高了我国多效蒸馏水机的发展水平。

如今，一些高科技多效蒸馏水机也已经在国内被研制出来，例如淄博华周NLD系列多效蒸馏水机和宁波永泉NLD型多效蒸馏水机都是采用先进的内螺旋水汽三级分离技术，水汽分离的效果更明显；吉林华通的MS-S系列和MS-T系列蒸馏水机各具特色，S系列预热器加热热源使用的是水，分离形式较为简单，而T系列加热热源使用的是蒸汽，分离形式是采用了华通专有的汽水分离装置；石家庄冠宇多效蒸馏水机采用分体式汽水四分离技术（汽水离心分离、下旋片隔板分离、丝网捕捉水滴分离、上旋片隔板分离），保证蒸馏水热源及内毒素含量更低，同时具有双冷凝器设计，特制的多路往返结构，不需要专用冷却水，使得换热也更加充分。

2 多效蒸馏水机节能优化研究

2.1 最优效数选择

工业上的多效蒸发中，将前一效的蒸汽作为后一效的加热蒸汽，节省了生蒸汽的消耗量。但效数不是越多越好，效数的选择需要根据进口蒸汽压力而定，效数越多，入口蒸汽压力越高，需要的能耗也越高，而节省的生蒸汽量则越来越少。

P.K.Sen在理论研究中指出，多效蒸馏水机超过10效将会导致系统产生一系列问题：首先，入口蒸汽需要更高的压力和温度，这样就需要消耗更多的能源；第二，首效中原料水温度与饱和温度之差增大，需要系统有更长的预热管路。因此，在实际生产中多效蒸馏水机效数一般设计在三效至九效。P.K.Sen随后在九效、六效和三效的系统中进行实验，得到蒸馏水的产量与柴油消耗量的比值分别为36.7～38.8 kg、31.0～31.8 kg和25.9～26.8 kg，证实了多效蒸馏系统在效数一定情况下的节能效果。

2.2 工艺参数设定

2.2.1 原料水温度和流速

传热学基本公式：

式中 Q—换热量；

k—传热系数；

A—换热面积；

（T-t）—传热温度差。

由公式（1）可知，增强蒸馏水机换热性能，可以通过增大其传热系数k的方法。传热系数k与管内传热系数ai、管外传热系数ao、管内管外的污垢系数ri和ro、换热管的外径与内径之比do/di、换热管材料、壁厚及热导率λw有关。而换热管的材料、规格一旦确定，则外径与内径之比、壁厚、热导率等也随之确定下来，因此主要矛盾集中在ai、ao、ri和ro上。可见，如何提高ai和ao，降低ri和ro，即可提高换热器的传热系数。而ai、ao及ri、ro与流体的流动状态有极大关系，流动状态的改变一方面可借助流速的增加，另一方面是靠设计合理的界面状态来实现。

增加流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以，适宜的流速要通过经济核算才能确定。

K.F.Lam等人通过实验研究，分析得到了原料水的流速对于最后产品（如蒸馏水）成分的影响。实验中原料流速为0.05 mL/h，蒸汽底部几乎全部是纯乙醇，80%的丙酮被蒸发；随着流速增加，分离效率降低，当原料水流速大于蒸汽流速时，液体会通过容器底部直接排出。值得注意的是，当原料水流速过高，系统还将会出现溢流。

P.K.Sen通过参数研究法指出，若设计一个各效原料水蒸发量为30kg/h的多效蒸馏系统，流速最好控制在100kg/h，这样可以确保在换热管垂直外管壁形成液膜，而不是液滴。同时，100kg/h的流速宜于使原料水在壳程中达到其饱和温度。

进入首效蒸发器的原料水温度对于给定换热面大小的系统来说，也是极其重要的。原料水的入口温度要使得管程外壁面液膜温度与壳程蒸汽温度产生合适的温差。这个温差既能够使大部分蒸汽冷凝，同时冷凝潜热透过壁面，将部分原料水蒸发。所以，为了得到较高温度的原料水温度，一般来说，在多效蒸馏水机中，进入冷凝器的生原料水需要从末效预热器开始，依次经过各效预热，达到过热后再进入首效蒸发器中。当然，为了节省能源消耗，原料水的最高温度应限制在110～112℃的范围。

2.2.2 蒸汽压力

蒸馏水机在制水过程中，进水量和蒸汽压力是一一对应的，一定的蒸汽压力对应一定的进水量。如果进气压力过高，就会造成纯化水过度蒸发，浓缩水过少或没有，造成制出的水不合格。如果进水量过大，就会造成积水现象，一部分水就会不经过蒸发直接流出，也导致制出不合格的水。

吴彩萍、牛泱平在实验中研究得到：列管式螺旋离心式多效蒸馏水机在一定的蒸汽压力下，对热原有较强的去除作用。但是，螺旋离心式汽液分离过程需要一定的二次蒸汽压力以进行充分的汽液分离，从而保证细菌内毒素不超过规定指标。蒸汽压力、进料水流量是相互作用影响这一过程的完成情况。在蒸汽压力降低、进料水流量过大的情况下，产生的二次压力较低，无法使进料水完全蒸发或完全进行汽液分离，从而导致细菌内毒素超限。因此，在实际运行操作中，蒸汽压力下降时，要适当降低进料水流量，从而避免导致注射用水细菌内毒素不合格。

在蒸馏水的实际生产过程中，二次蒸汽的压力和温度往往较低，为了能够使二次蒸汽反复利用，而进气压力又不过高，史文树通过采用热泵技术，在一效蒸发器蒸汽进口和一效分离器二次蒸汽出口处设计了一个引射器，利用射流的紊动扩散作用，引发能量的交换，使得二次蒸汽的压力和温度得到了较大的提高，从而有效地提高热能利用率，达到较好的节能效果。

2.3 如何选择换热管排列方式

管子在管板上的排列方式主要有正三角形（30°）、转角三角形（60°）、正方形（90°）和转角正方形（45°）4种，如图2所示。在这4种换热管束排列方式中，正三角形和转角正三角形在同等面积内能布更多的换热管，排列较紧凑，适用于壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合，而且管外流体湍动程度高，传热系数大；正方形排列和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。

由于正三角形（30°）排列和转角三角形（60°）排列在设计中比较常见，而且这2种方式的传热效果是不同的，下面具体分析一下：正三角形（30°）排列在传热上称为错列，介质流动时形成湍流对传热有利，对无相变的换热器，因其传热与其介质流动状态关系较大，故宜用正三角排列；转角三角形（60°）排列在传热上称为直列，对有相变的冷凝器，因其传热与介质流动的关系较小，与管壁凝液流动方向关系较大，故宜用转角三角形排列。正三角形（30°）布局管密度最大，且在2种流体操作压差很大时优先选用。

王秋红利用CFD方法，计算出了管壳式换热器不同排列形式的二维压力场、速度场和温度场，并对不同排列形式的压力损失速度分布和换热效果进行了对比，分析得到正三角形排列的换热器换热效果强于转角三角形排列，转角正方形排列的换热器换热效果强于正方形排列；Sadik Kakac、Hongtan Liu在研究中也指出对于相同的管间距和流速，壳侧热传递系数和压力降大小依次是：30°、45°、60°、90°，其中90°的布局具有最低的热传递系数和最小的压力降。

所以，选择排列方式时不仅需要考虑清洗、壳程的介质性质，还要考虑换热效率，从而选择最优的换热管布置方式。

2.4 高效换热管管型分析

从公式（1）分析可知，增强蒸馏水机换热性能还可以通过增大换热面积的方法。增大管道的换热面积可以选用特殊材料的换热管，即用波纹管、螺纹槽管、翅片管等代替光管，如图3所示，这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在换热系数小的一侧，否则不能达到增强传热的效果。

肖金花等通过数值模拟和实验验证考察了流体在波纹管内的流动与传热情况，研究了不同的雷诺数、波形螺距及管径大小对波纹管传热性能的影响，并发现在湍流范围内，波纹管的传热效率是相同条件下直管的2～4倍。David J.Kukulka等列出了不同翅片管换热器和Vipertube EHT新型强化管在不同应用条件下的传热情况，得到了在合适的雷诺数条件下，相对于光管设备,新型强化管可大大提高换热器的换热效率，减少换热器尺寸，在热性能和经济上具有明显优势；张良栋、Paul A.Sanders等通过建立翅片管换热特性实验平台，综合评价了翅片节距、厚度、高度对平均传热系数的影响，其中有实验表明平均传热系数随翅片高度的增大而增大；随翅片间距的减小而增大；随翅片厚度的增大，先增大后减小；翅片间距对平均传热系数影响最大，翅片厚度次之，翅片高度最小；而对螺纹槽管的研究结果表明：在冷却水质量流量以及水阻相等的条件下，螺纹槽管冷凝器的换热面积可比光管减少30.6%～33.8%，而且认为小导程、浅槽深、大螺旋角较好。

S.Pethkool等通过实验验证了不同螺距（P/DH=0.18，0.22，0.27）和肋高径比（e/DH=0.02，0.04，0.06）的螺纹管在雷诺数范围为5500～60000的湍流流动中，对等温摩擦和热性能参数的影响，结果表明：传热速率相比于光管提高了123%～232%，同时由摩擦引起的热损失是光管的1.46～1.93倍；在雷诺数较小，P/DH=0.27及e/DH=0.06情况下，换热器热力性能最好。

3 多效蒸馏水机发展方向

3.1 新材料开发

关于新材料的开发是国外很多专家学者一直努力研究的方向。随着稀有金属价格的下降，钛、锆等稀有金属使用量将扩大。国内对于多效蒸馏水机材质的研究相对比较匮乏，目前蒸发器、预热器、冷凝器及管道等与纯蒸汽和蒸馏水接触部位均采用316L材质，研究指出在对流传热系数相同的情况下，使用高分子膜等代替316L的材料可大大减少钢材的用量，降低能源消耗。未来多效蒸馏水机材质将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻等方向发展。

3.2 蒸馏水机结构优化

换热器肋片的研究有待进一步深化，确定肋片在换热管表面散布的最佳换热规律。对于槽纹管等强化管，槽深、节距、螺旋角等特性的最优化，能提高强化管传热与流体动力学特性。对单根换热管的强化传热与合理预测壳程的流场和温度场分布，二者的优化组合研究也是换热器强化传热技术还需要努力的方向。

同时随着科学技术的发展，利用膜分离技术和太阳能换热器来制备蒸馏水，也成为越来越多国内外学者研究的方向。

4 结语

本文通过讨论多效蒸馏水机效数、管束排列方式、换热管型以及系统工艺参数的选择等内容，探究了多效蒸馏水机节能的方法。由于多效蒸馏水机设备的大型化和参数化，使得其实验研究难度较大，效率较低，所以数值模拟方法得到重视，有了一定发展。但是，目前国内对多效蒸馏水机的数值计算研究还大多基于一维、二维换热，对三维换热模型的研究并不深入。另一方面，对于多效蒸馏水机换热管的排布方式、数目研究等多以实验为主，具有一定局限性。随着数值模拟技术及实验方法的发展，二者的有机结合逐渐成为设计和优化多效蒸馏水机结构的有效手段。 （兴业杯参赛论文）

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