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1、5024-2012生 产 现 场生产现场通用设备MVR技术能极大的降低能耗、节省能源、降低成本、减轻污染的卓越性能，并能极大提高用户的核心竞争力、降低生产成本、提高工作效率。因此，研究MVR技术的原理在医药、化工等领域的应用拥有其特殊的价值。文/ 王谷洪 王桂华 谭县辉降低药品生产的能源消耗运用MVR技术减少生产过程中对蒸汽能源的需求MVR 是机械蒸汽再压缩技术（ mechanical vapor recompression）的简称。早在 20世纪 60年代，德国和法国便已成功的将该技术用于化工、食品、造纸、医药、海水淡化及水处理领域，MVR可重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界
2、能源需求的节能技术。工作原理机械蒸汽再压缩技术的工作过程为，溶液在一个降膜蒸发器里，通过物料循环泵在加热管内循环，初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热，加热溶液至沸腾产生二次蒸汽，并由涡轮增压风机吸入，经增压后，二次蒸汽温度提高，作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后，涡轮压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽。之后便这样重复进行循环蒸发，蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。蒸发器的工作过程是将低温位的蒸汽经压缩机压缩，温度、压力提高，热增加，然后进入换热器冷凝，以充分利用 蒸汽的潜热 ，使原本要废弃的蒸汽得到了充分的利用，回收了潜热，又提高了热效率，生蒸汽的经济性相当于多效蒸发的 30效。为使蒸
3、发装置的制造尽可能简单和操作方便，经常使用单效离心再压缩器，也可使用高压风机或透平压缩器。能量流动如图 2 所示，蒸发器产生的二次蒸汽中所蕴含的大部分低品位能量 B被压缩机收集起来，并在花费很小电能代价 D 的基础上，将这部分二次蒸汽提高为高品质的能量，送回蒸发器来作为热源使用。在这一过程中，整个系统仅仅损失了很小一部分能量，对于传统的多效蒸发系统，由上一效蒸发器产生的二次蒸汽虽然在下一效得到了使用，但是最末一效产生出的二次蒸汽还是被冷凝排掉了，这就使得二次蒸汽中所蕴含的 B 被浪费掉了。单级离心压缩机能量计算由于成本原因，单级离心压缩机和高压风机被普遍用于机械蒸汽再压缩系统。离心压缩机是体积
4、控制机器，即无论吸入压力多大，体积流率几乎保持恒定，而质量流量的变化与绝对吸入压力成比例。单 级离心压缩机的压缩循环描绘在焓熵图中 ，单级离心压缩机需要的动力：例如：将来自蒸发器的饱和水蒸汽从吸入状态 P1=0.19 MPa， T1=119压缩到 P2=0.27 MPa， T2=161（压缩比 =1.4）。压缩循环沿着多变曲线1-2，蒸汽的比焓增加量 4 hp。对于蒸汽的比焓 h2，通过压缩机内效率（等熵效率）的等式，在此温度下，它进入到蒸发器的加热器。基于被吸入蒸汽的量 1（ kg/hr）， hp单位多变（有效）压缩功 （ kJ/kg）， hs单位等熵压缩功（ kJ/kg）。压缩机的等熵效率
5、（内效率）除其他因素之外，单位多变压缩功 hp取决于多方指数 k和吸入气体的摩尔质量 M，以及吸入温度和要求的压升。对于原动机（电动机、燃气机、涡轮机等）的实际耦合功率，考虑了更大的机械损耗余量。叶轮由标准材料制造的单级离心压缩机能够获得压缩因子 1.8的水蒸汽压升，如果采用钛等更高质量的材料，压缩因子可高达 2.5。这样一 来，最终压力 P2就是吸入压力 P1的 1.8倍，或最大 2.5倍，这对应于饮和蒸汽温度升高约 1218 K，最大温升可到 30 K，这取决于吸入压力。就蒸发技术而言，通常的做法是根据相应的水沸点温度来表示其压力。这样，有效温差就被直接表示出来。利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸
6、发本文作者均供职于江中药业股份有限公司。图1 能量流动图ACVB1BDEA 产品B 蒸汽B1残余蒸汽C 浓缩液D 能量E 加热蒸汽冷凝水V 热损失机械蒸汽再压缩加热蒸发器的热QT03CJOEE 24-2012 51生 产 现 场通用设备安全性能高。传统蒸发器使用高 温高压蒸汽作为热源，在使用过程中存在爆炸、烫伤等安全隐患，而 MVR蒸发器可不使用蒸汽，避免了相应的安全隐患。自动化程度高。由于设计原理上 的限制，传统蒸发器自动化程度都比较低，人工操作量大，而 MVR结晶蒸发器可完全实现全自动运行，只有极少的人工操作量。人力成本低。 MVR结晶蒸发器 可完全实现自动化运行，仅仅需要极少数的操作人员
7、就能满足设备的正常运转。与传统蒸汽蒸发器、蒸汽反应 釜相比， MVR蒸发器为温和蒸发，加热蒸汽与药液的温差小（一般不超过10），而蒸气蒸发器为强烈蒸发，其一效的温差一般都在 30以上，因为MVR蒸发器不会产生结焦粘管的现象，而蒸汽则易产生此类问题，影响到设备的换热效果和蒸发量，且不易清洗干净。MVR技术的应用范围包括蒸发浓缩、蒸发结晶、低温蒸发。运行成本蒸汽价格：以自来水按 4.5元 /t、天然气 2.25元 /m3、电价为阶梯电价，从0.391元左右不等 ，分 4 个时段。用全年费用除以全年用量，每度电价为0.7588元。以下计算以此为基础。燃气锅炉成本江中制药现有 1 台 6 t燃气锅炉、
8、1 台 6 t燃煤锅炉。燃气锅炉耗用天然产生的二次蒸汽，把电能转换成热能，提高二次蒸汽的焓，被提高热能的二次蒸汽打入蒸发室进行加热，以达到循环利用二次蒸汽已有的热能，从而可以不需要外部鲜蒸汽，通过蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。通过 PLC、工业计算机（ FA）、组态等形式来控制系统温度、压力、马达转速，保持系统蒸发平衡。MVR技术的特点MVR技术具有如下特点：超低的能耗降低运行成本； 低温差，温和的蒸发物料保 证产品质量；物料停留时间短可提高生产 率；简单的流程，可靠的效果降 低维护成本；全自动化操作，安全可靠降 低人力成本；压缩机采用变频控制可根据 实际生产情况改变能耗；公用工程配套少，
9、工程总投资少； 无需原生蒸汽； 可在 40下蒸发而无需冷冻设 备，特别适合热敏性物料。此外， MVR技术还拥有其他优点。通过使用相对少的能量，即在压缩热泵情况下的压缩机叶轮的机械能，能量被加入工艺加热介质中并进入连续循环，在此情况下，不需要一次蒸汽作为加热介质。能耗低。在能源价格不断上升的 情况下，电能的价格较平稳，采用使用电能且能耗低的 MVR蒸发器对企业的竞争力有极大的提升。不属于压力容器范畴。传统多效 蒸发器在使用时，操作人员必须持有压力容器使用资格证，且需要按照国家相关标准进行申报、审批、安检等程序，而 MVR蒸发器只利用电能，不需要安监部门的监管。气 425 m3/h，产汽 6 t/
10、h，每吨蒸汽耗气花费 159.375元；耗电 45.5 Kw（燃烧机 15 Kw、水泵 7.5 Kw、循环泵 2 台 4=8 Kw、给水泵 15 Kw），每吨蒸汽电费 5.75元；耗水（软水）约 7 t，价格约 5.5元 /t（含软化处理费用 1 元 /t），每吨蒸汽水费 6.45元；每班 3 人（其中水处理 1人），按 30 000元 / 人计算，则每吨蒸汽人工费 30 000 3/250 d/（ 6 t 8 h） =7.5元。燃气锅炉每吨蒸汽成本为 179.075元。燃煤锅炉煤炭价格 650元 /t，由于该锅炉效率低下，每吨煤约能烧 5t蒸汽，每小时产汽 3 t左右。每吨蒸汽耗煤费130元
11、；耗电约 72 Kw，每吨蒸汽电费 8.21元；水费 7.33元；人工费每班 24吨，费用计算方法同上，需要 30 000 3/250/（ 3 t 8 h=15元 / 吨蒸汽。燃煤锅炉每吨成本为 170.54元。综合蒸汽成本：燃煤锅炉和燃气锅炉综合平均费用为 174.81元 /t。双效能耗耗汽：按理论计算，双效浓缩器2000型耗汽 1.2 t/h，实际应该超过 1.2 t/h。蒸发能力在 1 200 L/h，实际效率按75%计算，每小时蒸发 1.5 t。则每蒸发1t水耗汽需花费 139.85元。耗 电：真 空 泵 15Kw、 循 环 水泵 37 Kw/4（ 4 台 双 效 平 均 消 耗 ）=
12、9.25 Kw；冷却塔 5.5Kw/4台（同上）=1.375 Kw。每台共耗电 25.625 Kw。蒸发水所花电费为 12.96元 /t。水损失（江中制药的冷却循环水为软水、成本同锅炉软水）：按理论计算，图2 MVR原理示意图压缩机蒸发器312QT03CJOEE 5224-2012生 产 现 场生产现场冷却塔的水损失（含蒸发损失和飘洒损失）在 0.8%1%，江中制药循环水泵处理能力为 200 t/h，则每小时损失 1.62 t，按损失 1.8 t/h计算，则每蒸发 1t水需花费水费 1.65元。综上，双效每蒸发 1吨水综合费用为 154.46元。MVR能耗根据一个月的使用统计，共蒸发水量为 4
13、27.482 t，总耗电 17 418度，平均每蒸发 1 t水耗电 40.74度，费用为30.91元。耗 汽：根 据 统 计， 共 蒸 发 水157.348 t，耗汽 47.71 Kg，每蒸发 1 t水耗汽费用为 0.053元，几乎可以忽略不计。 MVR浓缩器每蒸发 1 t水的费用为30.963元。 通过比较，每蒸发 1 t水， MVR浓缩器比双效节约 123.497元，节能率约 80%。在实际使用中，设备共运行 227 d，共蒸发 427.482 t水，耗时212.06 h，平均蒸发速度为 2.0158 t/h。这台 MVR浓缩器每天按工作 20 h，每小时蒸 发能力按平均 2 t计算，每天
14、可以蒸发 40 t，全年运行 330 d，则每年可节约 163万元。 整体自动化控制整套蒸发系统的运做是通过 PLC软件来控制的，所有的输出和输入信号，还有系统的操作都由配套的计算机完成。设备的自动化系统由启动、转换、蒸发产品、清洗和停机部分组成。整套控制系统配有内置的安全操作系统以防止生产过程中对产品质量的损害和重要部件的损坏。自控系统的上位机操作系统采用的是性能优良的组态软件。具有强大组态功能，能够最合理地完成整个项目的总系统图、工艺流程画面、控制流程总图等多窗口显示；动态的工艺流程画面；设备运行状态和过程参数；各个独立控制站的状态显示，报警及事件的自动记录。系统可在线打印趋势图、生产报表
15、生成、数据处理、上位控制命令发送，自动 / 手动切换等技术功能，并且汉化的编辑对话框更使用户在后期的维护简易可行。现场控制系统采用具有强大处理能力和较大的存储空间的中小型 PLC。该 PLC采用灵活的模块化设计，结构紧凑， Micro PLC 内置人机界面接口和多种通讯扩展接口，易于实现与其他设备的连接； 64 点 I/O 模块的应用使 Micro PLC 成为应用十分广泛的控制器。简易的编程调试软件具有与中型 PLC 同样的通讯语句、 PID 调节语句、各种运算语句等功能函数，并增加了在线修改等调试诊断工具，丰富了 Micro PLC 的应用范围，减少了系统设计时间。 上位机操作系统与现场控制系统是通过工业以太网 TCP/IP协议 ，它是基于 10/100 Mbps 以太网的开放网络技术，拥有广泛的厂商支持。能够简单方便地链接到第三方，具有更好的开放性、可靠性、经济性、先进性。自动化系统具有的主要功能包括：远程启动，运行预设定参数，以 达到稳定蒸发状态；远程关机； 远程自动清洗系统，可以自动定 时清洗，也可手动随时清洗。保持传热系数，提高生产率；自动报警系统； 自动提示错误，帮助使用人员快 速排错；自动保护系统 。如出现液位不停 升高或不停减低到警戒线的时候，系统会自动
