320 NM3/min发酵空气系统采用SAS系统节能改造
2010-01-05 20:14:26   来源：本站原创   评论：0 点击：

    好气性发酵需要大量无菌空气，以满足需氧菌的新陈代谢和得到发酵产物的需求。为了克服管道、设备阻力和发酵罐工作压力，空气须具有一定的压力，需由空压机生产。而空压机供气需要消耗大量电能，约占发酵生产总用电量的30％～70％。
    在无菌空气制备中，须对空压机出来的空气进行冷却降温、除尘除水等预处理，然后进入膜过滤，进行无菌处理。而过滤器膜精度高，空气中的油水、杂质对其损害大，导致过滤器除菌不彻底、寿命缩短，进而影响发酵稳定生产。所以空气预处理尤为重要。据有关发酵统计，因空气系统装备配置不合理，发生染菌而使生产不正常，其所占比例在20％以上。
    所以科学合理地设计配备无菌空气系统是好气性发酵行业稳定生产、节能降耗、提高经济效益的重要环节。浩邦公司经过几年努力，对传统空气预处理系统的缺陷进行分析研究，对关键设备冷却器、气液（固）分离器、加热器等进行研制开发，并对系统热量和冷量进行循环利用，开发出了具有自主知识产权的SAS节能空气预处理系统（简称SAS系统），并在发酵行业推广应用，实现了最大限度的节能，而且使发酵生产稳定性提高，取得了显著效果。下面就某大型制药企业320 NM³/min发酵无菌空气系统作SAS系统节能改造的情况及效果，具体论述如下。

1 原有发酵空气预处理系统
该企业有8台40 NM³/min的活塞式空压机并列布置，形成一个单独系统，额定总空气流量为320NM³/min、出口压力0.35 MPa。
1.1预处理系统流程图
原有空气预处理系统属典型的传统方案（见图1），放置在空压车间。采用循环水和冷冻水两级冷却、三级除水，然后蒸汽加热的工艺，设备采用普通列管换热器和旋风分离器。
1.2存在问题
此系统工艺复杂，空气流程曲折，阻力损失大，约0.05MPa，系统供气量不足无法满足发酵用气要求；特别是旋风分离器分离效率低，一般只有60％～90％，还有10％～40％凝析水份无法分离，不得不采取更低的冷却温度或更高的加热温度，冷却后升温幅度达30℃～40℃，以降低空气相对湿度。由于冷却、加热的幅度大，所以能耗高。而且在雨季或空气潮湿的季节，用气量波动时，旋风分离器分离效率更差，预处理后空气相对湿度大，影响膜过滤器除菌效能，空气带菌现象时有发生，影响生产。

2 改造后的SAS系统
2.1 SAS系统流程图（见图2）
系统由翅片式空气冷却器、高效卧式气液分离器、翅片式空气加热器三台关键设备和内部管道、控制阀等组成。
2.2 SAS系统特点
2.2.1翅片管换热器传热效果好，结构紧凑。
2.2.2卧式气液分离器分离效率高，可达98％～99.99％，风量波动适应度好，在保持高效率除水效果的同时，简化系统管路配置，降低阻力。
2.2.3冷却加热合理组合，直接节能。系统加热器热源利用空压机出来的高温空气，去加热经冷却、除水后的空气。使冷热空气循环换热，既节约了蒸汽，又降低了冷却器的热负荷，一举两得。
2.2.4冷却加热温差幅度合理，一般在20℃左右即可。系统运行时冷却、加热的温差幅度以满足最后出口空气相对湿度60%以下为宜。因高效卧式气液分离器能将游离水份除尽，从而使空气冷却、加热温差缩小。且冷却器仅使用普通冷却塔循环水；在冬季，压缩机后高温空气也能满足加热器的热源要求，保证膜过滤器除菌效能。
2.2.5系统阻力损失低，节约电能。系统设备外部连接处于同一直线，内部空气走向基本也呈直线，因此最大限度地降低了阻力损失，使空压机可在低压力负荷下工作，降低轴功率，节约电能。
2.3具体改造效果
2.3.1 压力变化（见下表1）
表1（单位：MPa）

2.3.2 水汽消耗变化
由于加热器的预冷作用和冷却器性能的改善，循环冷却水量减少30％以上。同时加热器热源弃用蒸汽，仅在冬季时，膜过滤器前管道夹套使用少量蒸汽加热，可节约蒸汽80％以上。
2.3.3 生产稳定性变化
根据用户使用后评估，由于除水彻底，空气质量得到很大的改善，使得膜过滤器高效连续工作周期延长，发酵生产稳定性提高。

3 空气预处理系统性能差异
3.1 SAS系统与传统系统相比，除水、除油和除杂效率高，风量波动适应性好，染菌概率下降，系统运行更加稳定。
3.2 SAS系统阻力损失小，仅为传统的1/4左右（本次改造仅为原有的1/10），可降低空压机出口压力，节电5％～10％。同时改善空压机运行工况，减少维护费用。
3.3 SAS系统用水量减少，节水约30％，而且夏季高温季节冷却效果也良好。
3.4 SAS系统节约蒸汽，可达80％～100％。
3.5 SAS系统安装使用、维护更加方便，可不停机清除冷却水管内污垢，不影响生产。

4 改造产生效益估算
4.1 阻力损失降低——节电
压缩机多变压缩功率P可用下式表达：

其中：
m：空气多变压缩指数，取1.25，则（m－1）/m=0.2
p1：进口空气压力；
v1：进口空气流量；
k：压缩比，出口压力与进口压力的比值（绝压比）；
由于系统阻力损失降低，空压机出口压力从0.25MPa下降到0.2MPa（表压），功率P比值可表达为：

即出口压力降低后，功率消耗为原来的86.3%，可节电13.7%。按空压机比功率4 kw/（m3/min）、年生产330天（11月）、电费0.6元/ kWh计，则年节约电费为：
320×4×13.7%×24×330×0.6/10000≈83.3万元。
4.2 加热器循环换热——节水、节汽
加热器内热空气、冷空气温度变化幅度各按20℃计算，热负荷约各为113kw。而传统系统，此部分热量分别由冷却水冷却和蒸汽加热负担。可计算，热空气降温需冷却水33m3/H（温差3℃），配套冷却塔1.1KW风机和5.5KW水泵，年电费约需2.8万元。另可计算，冷空气升温需蒸汽1460 T/年，蒸汽按100元/吨计，需14.6万元/年。即采用冷热空气循环换热后，可节约费用17.4万元/年。
4.3 分离器除水效率提高——节汽
SAS系统采用高效卧式分离器分离效率高达98％～99.99%，而传统旋风分离器效率为60%～90％，有10％～40％凝析水分随空气带入加热器，需在加热器中汽化并升温，以降低相对湿度，此部分热负荷在本改造中平均约30 kw，需蒸汽360T/年，3.6万元/年。
三项合计节能费用为104.3万元/年，此值仅为直接经济效益。而SAS系统出口空气质量提高且稳定、膜过滤器使用寿命延长及生产稳定等，由此带来的间接经济效益，也非常可观，甚至大于直接效益。
根据用户反馈得到：同样发酵生产罐批数，SAS系统实际空压机运行台数比原系统减少30％左右，且空压机出口压力仅为0.2MPa，也能满足生产要求，故该系统实际节能效果高于上述理论测算值。该企业一年内就回收了节能改造全部投资。

5 小结和讨论
5.1 SAS系统在空压机房和发酵车间距离较远时，为保证冬季热源温度，相关空气管道需保温；必要时在进膜过滤器前管道设置辅助加热装置，如夹套管蒸汽加热，以保证空气加热温度和相对湿度。
5.2根据本改造项目和其他企业SAS系统实际运行结果得出，SAS系统优于传统系统，无菌空气质量提高，空气染菌概率大幅降低，生产稳定，而且节能效果显著。有助于发酵行业单位GDP能耗的下降，符合国家节能减排、创建节约型社会的方针政策，值得推广应用。

参考文献
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