Изпарител с падаща филмова струя: ръководство за проектиране, енергийна ефективност и избор

ИЗПАРЯВАНЕ И КОНЦЕНТРИРАНЕ

Нисходящофилмови изпарители: концентриране на топлочувствителни течности без тяхното термично разрушаване

Концентриране на топлочувствителни течности без тяхното термично разрушаване – как функционира нисходящофилмовото изпаряване, кога то е по-ефективно от възходящофилмовото или принудителноциркулиращото изпаряване и какви решения определят качеството на вашия продукт и вашите разходи за пара

Всеки проект за концентриране се сблъсква с една и съща противоречивост: отстраняването на водата изисква топлина, а продуктът, който се опитвате да запазите, е точно онова, което тази топлина поврежда. Падащият филмов изпарител разрешава това противоречие, като действа обратно на кипящото тенджере. Вместо да задържа голям обем при дадена температура в продължение на часове, той разпръсва продукта в толкова тънък филм, че концентрирането му става в един-единствен цикъл, при температура, която продуктът понася, а времето на престой се измерва в секунди.

Тази статия обхваща какво представлява падащият филмов изпарител, къде се намира той в сравнение с другите типове изпарители, как многостепенното, термичното и механичното рекомпресиране на пара променят енергийната картина и кои въпроси има смисъл да се уточнят преди изграждането на системата. Оборудването, показано на всички изображения, е от собствени проекти и изпълнения на нашата компания.

Заснето на работеща инсталация: инструментираната горна част на резервоара, нивото и потокът през гледача и изпускането на продукта към приемния резервоар.

Видео файл: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Какво прави изпаряването с падаща филмова струя различно

Продуктът се подава под налягане към горния край на вертикалния тръбен пакет и се разпределя така, че да тече надолу по вътрешната стена на всяка тръба като тънък, непрекъснат филм. Нагревателната среда — пара, гореща вода или рекомпресирана пара — циркулира от страна на черупката. Тъй като продуктът е във вид на филм, а не в наводнена колона, парата, която се образува, може да се движи надолу заедно с него, вместо да се издига нагоре през течността, и цялата маса не е необходимо да достигне точката на кипене, преди да започне изпаряването.

• Кратко време на престой. Продуктът прекарва секунди в нагревателната зона, а не часове, затова цвятът, ароматът и термолабилните активни съставки оцеляват при условия, които биха ги деградирали в котле.
• Работа при ниска температура. Поддържането на вакуум намалява точката на кипене, така че концентрирането протича при температура, избрана според продукта, а не според атмосферното налягане.
• Достатъчна е малка разлика в температурата. Падащият филм работи при скромна движеща разлика в температурата между топлинния агент и продукта – точно това прави многократните ефекти и системите за рекомпресия на пара практически приложими.
• Ниско задържане на течност. Малкото количество течност означава бързо пускане в експлоатация и спиране, по-малко продукт, оставащ в системата при превключване, и по-малко време при температура при спиране на инсталацията.
• По-добро поведение при пяната и умерено вискозни флуиди в сравнение с потопен пакет, тъй като филмът не се разбърква.

Къде падащият филм е подходящ и къде не е

Падащият филм не е подходящо решение за всяка задача. Разликите, които имат значение в практиката, са начинът, по който продуктът се движи през зоната за нагряване, и как това влияе върху времето на престой и риска от замърсяване.

Енергийният въпрос: многократно ефективно, TVR или MVR

Изпаряването е мястото, където се формира по-голямата част от експлоатационните разходи на концентрационна инсталация, а избраната ви конфигурация е предимно въпрос на налични енергийни ресурси, а не на механични особености.

Многократно ефективно

Многостепенният изпарител свързва съдовете така, че парата, получена при изпаряването в една стъпка, става топлинен агент за следващата стъпка. Всяка допълнителна стъпка повторно използва пара, която иначе би трябвало да се кондензира, поради което необходимото количество пара на килограм изпарена вода намалява с увеличаването на броя на стъпките. Компромисът е по-високата капиталистична стойност, по-голямата заемана площ и по-сложният контрол – затова икономически оптималният брой стъпки зависи от цените на енергията и от очаквания период на експлоатация на инсталацията.

Термично рекомпресиране на пара (TVR)

Парен струен усилвател отнема част от парата и я рекомпресира с помощта на работна пара, като повишава нейното налягане и температура достатъчно, за да може отново да се използва като топлинен агент. Това е компактен начин за намаляване на потреблението на пара без електрическо натоварване и обикновено е вариантът, който се разглежда, когато средноналягаща пара вече е налична на обекта.

Механично рекомпресиране на пара (MVR)

Системата MVR компресира парата с вентилатор или компресор и я връща на страната за затопляне като основен източник на топлина. Така инсталацията работи предимно на електричество вместо на пара, което е привлекателно там, където парата е скъпа, недостъпна или регулирана, а тарифата за електричество е благоприятна. MVR също отстранява по-голямата част от товара на кондензатора и потреблението на охладителна вода на обичайната инсталация – решаващ фактор за обекти с ограничена охладителна мощност или ограничения за отвеждане.

Няма универсално най-добро решение. Правилното разположение зависи от цените на енергийните ресурси, стабилността на вашата суровина и необходимия диапазон на регулиране. Система, проектирана около енергиен ресурс, който по-късно става дефицитен или скъп, е най-честата грешка в проекти за изпаряване – и тя се взема още на първата страница на техническата спецификация, а не по време на пускането в експлоатация.

Вътре в системата: модулите, които определят производителността

Фигура 1. Инсталация за изпаряване с падаща плёнка върху транспортна рамка: вертикална изпарителна колона, служебни и сепарационни съдове и санитарната тръбопроводна система, която свързва етапите.

Инсталацията за изпаряване с падаща плёнка е нещо повече от затоплена колона. Това са компонентите, които определят дали тя ще работи според проекта си, когато се промени подаваният поток.

• Каландра – тръбен пакет и корпус. Диаметърът, дължината и повърхностното състояние на тръбите определят площта за топлообмен и хидравличното съпротивление, докато пространството около корпуса е проектирано според избраната топлинна среда.
• Система за разпределение на подавания поток. Най-важният елемент при проектирането на инсталация с падаща плёнка: неравномерно разпределение води до недостатъчно захранване на някои тръби, а недостатъчно захранена тръба се покрива с натрупвания.
• Съд за сепарация на пара и течност, размерите на който са такива, че механичната увлечена фаза не изнася продукт заедно с парата.
• Кондензатор, вакуумна система и система за отвеждане на кондензата, съгласувани с работното налягане на последния ефект.
• Циркулационни и прехвърлящи помпи със санитарни присъединения и тръбопроводна система, която осигурява стабилност на плёнката между етапите.
• Инструментация: температура и налягане във всеки ефект, контрол на нивото в съдовете и сепараторите, индикация на разхода и стъклени прегледни прозорци, както и – при хранителни и фармацевтични приложения – вградено измерване на концентрацията.
• Леснота на почистване: конструкция с възможност за изцеждане, хигиенични заварки, триклемп-съединения и маршрут за CIP, проектиран така, че почистването да е кратко и проверяемо, а не предположително.

Фигура 2. Горна част на съд с прегледни стъклени прозорци и манометри върху сепариращите съдове; филтрационният модул с две корпуса е разположен в преден план.

Фигура 3. Същата инсталация, поглед от страната на задвижването: топлообменник върху главата на колоната, помпи за продукт и събиращ съд върху рамката.

Контролни точки, които определят качеството на продукта

• Максимална температура на продукта – задава се от вашия продукт, а не от машината. Нивото на вакуум е регулиращият параметър, който я определя, и то ограничава всички налични температурни разлики по-нататък по процеса.
• Време на престой – конструкция с еднократно преминаване го поддържа кратко; всяка рециркулационна верига добавя време при температура.
• Концентрация на цикъл – високото съотношение спестява енергия, но повишава вискозитета на изходящия поток и риска от сухи петна по стената на тръбата.
• Стабилност на подаването – изпаряването е процес в стационарно състояние. Промените в съдържанието на твърди вещества или в дебита на подавания поток водят до промени в концентрацията на изходящия поток.
• Резерв за замърсяване – повърхностната площ, която придобивате, трябва да е проектирана така, че да осигурява работа между циклите на чистене CIP, а не само да изглежда ефективна през първия ден.

Където се използват изпарители с низходяща плёнка

• Концентриране на сокове от плодове и зеленчуци, където цветът и ароматът са ключови предимства за продажба
• Млечни продукти и преработка на сирене
• Захар, глюкозни сиропи и хидролизати на нишесте
• Глицерин и полиоли
• Екстракти от растения и билки
• Химични прекурсори и технологични потоци
• Фармацевтични и биологични процесни течности
• Концентриране на отпадъчни води и измивки от хранителната промишленост за задачи с нулево отделяне на течности

Избор на система: въпросите, които определят проекта

Често задавани въпроси

В: Каква е разликата между падащ филмов и възлизащ филмов изпарител?

В един изпарител с възходящ филм течността и парата се движат нагоре заедно, така че парата трябва да преминава през колоната от течност. В един изпарител с низходящ филм продуктът се стича по вътрешната страна на тръбата като тънък филм заедно с парата, което намалява времето на престой, намалява необходимата температурна разлика и позволява по-висока вискозитет.

В: Може ли един изпарител с низходящ филм да обработва вискоцен продукт?

До известна степен. Когато вискозитетът расте, филмът става по-труден за поддържане като непрекъснат и рискът от сухи петна се увеличава. Над тази точка обичайният отговор е добавяне на принудителна циркулация след стадия с низходящ филм, вместо да се приеме лошо овлажняващ филм.

В: Защо капацитетът намалява по време на производствена кампания?

Почти винаги поради замърсяване някъде в изпарителната верига, а често то започва с разпределението на суровината, а не с продукта сам по себе си. Ако разпределителят не подава равномерно във всяка тръба, първо се замърсяват тръбите с недостатъчен поток, а загубата на повърхностна площ се проявява като намаляване на капацитета.

В: Винаги ли е по-евтино да се използва MVR?

Не. МВР премества разходите от пара към електричество, затова е изгодно там, където парата е скъпа или недостъпна, а тарифата за електричество е благоприятна. Освен това включва капитали и поддръжка на компресор. Сравнението трябва да се направи на етапа на проектиране, като се използват вашите реални цени за енергийни ресурси.

В: На какво вакуумно ниво имам нужда?

Това зависи от максималната температура, която вашият продукт може да понася, а не от стандартна стойност. Когато температурният лимит е известен, вакуумното ниво се определя от точката на кипене на вашата течност при концентрацията, която постигате.

В: Може ли една единица да концентрира няколко различни продукта?

Да, ако е проектирана за тази цел: дренажна конструкция, ефективна система за чистене на място (CIP) и контрол, базиран на рецепти, са ключовите функции. В този случай вие придобивате скорост на превключване и възпроизводимост, а не само една фиксирана производителност.

Обърнете се към нашите инженери по технологични процеси