熱壓式蒸餾水機節能優化分析

嚴 彥，高秀峰

(1.西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710048；2.西安交通大學化學工程與技術學院，陜西西安 710049)

在制藥行業，藥品生產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，并在藥品生產中大量使用[1]。現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、無運動設備、成本低、可去除熱原體，但由于無法降低細菌密度，一般需配合其他的工藝方法設計使用。電滲析法能耗低、環境污染小、操作簡單、水利用率高，一般作為注射用水生產工藝流程的水預處理方法使用[8]。反滲透法和超過濾法通常聯合使用，超濾對進料水進行預處理，以延長反滲透膜的使用壽命，但仍然不能達到注射用水的要求。根據《中國藥典》2010年版規定，注射用水必須使用蒸餾法制備[9]。

采用多效蒸餾(multi-effect distillation，MED)水機制備注射用水仍然是目前應用最為廣泛的方法，其技術成熟、無運動設備，所生產的蒸餾水滿足現行歐洲、美國、日本和中國藥典中關于注射用水的要求[10-11]。但是，MED水機仍然存在一些問題，例如換熱器數量多、占地面積大、設備自動化程度低、運行壓力及溫度高，特別是為了減少蒸汽耗量，需要增加效數，進一步放大了上述問題。

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

相較于MED水機，VCD水機的主要優勢如下。(1)節能潛力高。MED水機蒸汽消耗量與效數相關，受限于設備成本、控制復雜性等因素，大多效數小于七，常用的水機多為四效。而VCD水機一次能源利用系數高于八效MED水機。(2)設備簡單。VCD水機相當于單效MED水機加一臺壓縮機，換熱器數量大大減少，正常運行時也無需大量冷卻水來維持背壓，公用工程配套少。(3)其他優點。VCD水機具有占地面積小、自動化程度高的優點，其主要能源來自電能，碳排量少，生產醫用蒸餾水時潔凈度更高，且非壓力設備，對于生產安裝等資質要求低。

國外諸如Aqua-Chem、Meco、Stilmas、Bram-Cor等公司從20世紀就開始在全世界銷售VCD水機，取得了很好的節能效果，而國內近年來也有很多公司開發了VCD水機，但是相較于國外的產品還存在一定的差距。

Aqua-Chem公司計算的VCD、MED水機在不同產水量下和不同產水溫度下年運行費用的比較，如圖1所示[11]。VCD水機運行費用明顯低于MED水機，但是當最后蒸餾水產物溫度越高，節能效益越低。此外，比較Aqua-Chem公司和Bram-Cor公司單位產水量蒸汽耗量發現，兩者差異很大，前者生蒸汽∶蒸餾水約為0.104，后者生蒸汽∶蒸餾水達到0.15，其原因在于兩者流程有差異，特別是壓縮機類型不同。

圖1 VCD和MED水機運行費用比較

目前，國內外對VCD水機更多集中在產品的介紹、流程分析，或者直接給出各自的節能效益，而沒有詳細的理論分析，有鑒于此，本文在合理假設的前提下，建立了VCD水機的熱力學模型，分析產生溫度、壓縮機絕熱效率、蒸發-冷凝換熱溫差、進排氣壓力損失等對能效比(COP)和節能效益的影響。

1 VCD水機數學模型

1.1 VCD水機流程

圖2為VCD水機工作流程，圖3為溫熵圖。由圖2～圖3可知，經過過濾反滲透等處理的低溫原水(位點1)首先與來自主換熱器(HEX4)內側的蒸餾水(位點6)在熱回收換熱器(HEX1)中換熱，原水溫度升高至位點2，而溫度降低到位點9，達到所需溫度的蒸餾產品水，然后原水在預熱器(HEX2)中進一步由一次蒸汽預熱，達到飽和狀態(位點3)后進入蒸餾器塔底，塔底的飽和水由循環泵抽吸后達到位點3′，從布水器噴淋下來，在主換熱器(HEX4)外表面蒸發吸熱，形成二次蒸汽(位點4)由壓縮機加壓達到位點5后進入HEX4內側，冷凝釋放熱量蒸發HEX4的噴淋水。在蒸餾器底部放置有由一次蒸汽補熱的換熱器(HEX3)，用于補充HEX4內側不足的熱量。

圖2 VCD水機流程示意圖

圖3 VCD水機溫熵圖

1.2 基本假設

為了簡化數學模型難度，略去一些不重要的因素，做以下合理假設：(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，不考慮流動阻力；(3)不考慮換熱器效率，僅按照熱焓平衡關系來計算換熱量；(4)機械效率和電機效率為90%，熱損失為10%，電費為1元/(kW·h)，蒸汽價格為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)計算中忽略水泵的功耗及冷凝水費用；(6)MED水機選擇某公司六效水機，并認為其蒸汽耗量固定。

1.3 數學描述

HEX1～HEX4換熱量及壓縮機的功耗計算如式(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——原水的質量流量，kg/s；

ms2——HEX2中一次蒸汽的質量流量，kg/s；

ms3——HEX3中一次蒸汽的質量流量，kg/s；

h5′——等熵壓縮后的焓值，J；

h1～h9——位點1～9焓值，J；

ηc——壓縮機絕熱效率；

Q1～Q4——HEX1～HEX4換熱量的功耗，J；

W——壓縮機功耗，J。

根據能量守恒關系，可得HEX3換熱量與其他換熱器換熱量的關系如式(6)。

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

(6)

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

熱泵和系統的性能系數計算如式(7)～式(8)，定義節能率計算如式(9)。

(7)

(8)

(9)

其中：MMED——MED水機產水能耗費用，元/t；

MVCD——VCD水機產水能耗費用，元/t；

COPc——熱泵性能系數；

COPs——系統性能系數；

ε——節能率。

2 VCD水機性能分析

2.1 MED與VCD水機節能對比

表1為產水量為1 t/h的VCD水機在額定設計工況下的計算結果，并將其與某公司的六效MED水機進行了對比。由表1可知，噸產水量蒸汽消耗量減少53.6%，但壓縮機要消耗電功，因此，實際節能效益為23.1%。

表1 額定設計工況及每噸產水量下的計算結果

2.2 產水溫度對系統性能的影響

圖4為產水溫度與壓縮機消耗電費、一次蒸汽費用及節約費用的關系。隨產水溫度升高，壓縮機電費不變，但在不同壓力下，蒸汽潛熱不同，壓縮機升壓后的二次蒸汽不能蒸發相同流量原水，需要由HEX3補充蒸發一定量的二次蒸汽，以維持物料平衡，因此，一次蒸汽費用線性增加。特別是原水入口溫度僅為25.0 ℃，離飽和溫度(100.0 ℃)較遠，因此，需額外熱量。如產品蒸餾水溫度較低，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 產水溫度對VCD水機的影響

由圖4可知，當產品蒸餾水溫度低于70.0 ℃時，一次蒸汽的能耗費低于壓縮機電費，但是當高于70.0 ℃時，則一次蒸汽能耗費高于電費。當產品蒸餾水溫度為40.0 ℃時，無需補充一次蒸汽，節能效益很高。因此，認為VCD水機更適用于產品蒸餾水溫度較低的場合。

2.3 HEX4換熱溫差對系統性能的影響

圖5為當產品蒸餾水溫度為92.0 ℃時，HEX4管內外換熱溫差對VCD水機節能效益的影響。VCD水機對換熱溫差十分敏感，隨著換熱溫差上升，壓縮機壓比增加，所需功率也增加，能耗線性增加。這與其他熱泵蒸發系統中的結論一致，即在設計條件允許的情況下，應盡可能減少換熱溫差以降低壓縮機的功耗，提高系統的性能系數。

圖5 蒸發-冷凝換熱溫差對VCD水機的影響

2.4 壓縮機絕熱效率對系統性能的影響

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

圖6 壓縮機絕熱效率對VCD水機的影響

2.5 壓力損失對節能率的影響

圖7為進排氣壓力損失對節能率的影響。進排氣壓力損失每增加1 kPa，則節能率會降低1%。壓縮機機排氣壓力遠高于進氣壓力，因此，進氣損失的影響更大，應該增加進氣管道尺寸、減少距離。

圖7 管路壓力損失對VCD水機的影響

3 結論

VCD水機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的基礎上，建立了VCD水機的熱力學模型，計算VCD水機一次蒸汽耗量、壓縮機功耗、節能率等參數，得出如下結論。

(1)在本文選擇的設計工況下，VCD水機的蒸汽耗量僅需六效MED水機一半左右，但是VCD水機需要消耗壓縮機電功，綜合節能率達到23.1%，具有良好節能效果。

(2)產生溫度對VCD水機節能率不利，隨著溫度升高，節能率逐漸下降，其原因在于二次蒸汽的利用率降低，VCD水機更適用于產水溫度較低的場合。

(3)增加主冷凝-蒸發換熱器的溫差、降低壓縮機的絕熱效率、進排氣管路流動損失均會造成VCD水機壓縮機功耗上升、節能率下降，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，均可提升VCD水機性能。此外，進氣損失的影響較排氣損失大，因此，壓縮機應當盡可能靠近及二次蒸汽并增加管道直徑。

(4)目前，研究中所建立的數學模型僅考慮了主冷凝-蒸發換熱器HEX4的溫差，而沒有考慮其他換熱器溫差，同時并沒有建立MED水機模型，而是直接選用了廠家實際參數，因此，需要在未來進一步展開相關研究。