Faldfilmfordamper: Design, energi og valgvejledning

FOR DAMPNING OG KONCENTRERING

Faldende-film-for damper: Koncentrering af varmefølsomme væsker uden at koge dem

Koncentrering af varmefølsomme væsker uden at koge dem – hvordan faldende-film-for dampning fungerer, hvornår den er bedre end stigende-film- eller tvungen-cirkulations-for dampning, samt de beslutninger, der påvirker både produktkvaliteten og dampforbruget

Alle koncentrationsprojekter støder på samme konflikt: Fjernelse af vand kræver varme, og det produkt, du forsøger at beskytte, er netop det, som den varme skader. En faldfilmsevaporator løser konflikten ved at gøre det modsatte af en kogepande. I stedet for at holde en stor mængde ved en bestemt temperatur i timer, spreder den produktet ud i en så tynd film, at det kan koncentreres i én enkelt gennemgang ved en temperatur, som produktet tåler, og med en opholdstid målt i sekunder.

I denne artikel forklares, hvad en faldfilmsevaporator er, hvor den placeres i forhold til andre typer evaporatorer, hvordan flertrins-, termisk og mekanisk dampgenbrug ændrer energibilledet, samt hvilke spørgsmål der bør afklares, inden et system bygges. Udstyret, der vises gennem hele artiklen, stammer fra vores egne byggeprojekter.

Optaget på en kørende enhed: det instrumenterede beholderdæksel, niveauet og strømmen gennem sigtglasset samt produktet, der afgives til modtagerbeholderen.

Videofil: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Hvad gør faldfilmfordampning anderledes

Produktet pumpes til toppen af et lodret rørbundt og fordeles, så det løber ned ad indersiden af hvert rør som en tynd, sammenhængende film. Opvarmningsmediet – damp, varmt vand eller genkomprimeret damp – strømmer på skallesiden. Fordi produktet er en film i stedet for en oversvømmet kolonne, kan den damp, det genererer, rejse sig nedad sammen med det, i stedet for at presse sig op gennem væsken, og hele massen behøver ikke nå kogepunktet, før fordampning starter.

• Kort opholdstid. Produktet opholder sig sekunder i opvarmningszonen, ikke timer, så farve, aroma og varmefølsomme aktive stoffer overlever forhold, der ville nedbryde dem i en gryde.
• Drift ved lav temperatur. Ved at opretholde vakuum nedsættes kogepunktet, så koncentration sker ved en temperatur, der er valgt ud fra produktet i stedet for atmosfæren.
• En lille temperaturforskel er tilstrækkelig. Faldende film virker med en moderat drevende temperaturforskel mellem opvarmningsmediet og produktet – hvilket netop gør flereffekt- og dampgenkomprimeringsanordninger praktisk anvendelige.
• Lav væskeholdning. En lille mængde i systemet betyder hurtig igangsætning og standsel, mindre produkt tilbageholdt i systemet ved skift, og mindre tid ved temperatur, når anlægget standser.
• Bedre opførsel ved skumdannelse og moderat viskøse tilførsler end en oversvømmet bundel, fordi filmen ikke røres op.

Hvor faldende film passer – og hvor den ikke gør det

Faldende film er ikke det rigtige svar på hver opgave. De forskelle, der har praktisk betydning, er, hvordan produktet bevæger sig gennem opvarmningszonen, og hvad det betyder for opholdstiden og risikoen for urenheder.

Energi-spørgsmålet: flere effekter, TVR eller MVR

Fordampning er, hvor det meste af driftsomkostningerne for en koncentrationsanlæg ligger, og den valgte opstilling er i høj grad et spørgsmål om hjælpeenergi frem for en mekanisk løsning.

Flere effekter

En flertrinsfordamper kobler kar sammen, således at dampen, der fordamper i ét trin, bliver det opvarmende medium i det næste. Hver ekstra trin genbruger damp, der ellers skulle kondenseres, så den dampmængde, der kræves pr. kilogram fordampet vand, falder, når der tilføjes flere trin. Modvægten er kapitalomkostningerne, anlæggets arealforbrug og reguleringens kompleksitet – hvilket er grunden til, at det økonomisk optimale antal trin afhænger af energipriserne og den forventede driftstid for anlægget.

Termisk dampgenkomprimering (TVR)

En dampstråleforstærker tager en del af dampen og genkomprimerer den med drivdamp, hvilket hæver dens tryk og temperatur til et niveau, hvor den kan genbruges som opvarmende medium. Det er en kompakt metode til at reducere dampforbruget uden elektrisk belastning, og den er typisk den løsning, man overvejer, når mellemtryksdamp allerede er tilgængelig på stedet.

Mekanisk dampgenkomprimering (MVR)

Et MVR-system komprimerer dampen med en ventilator eller kompressor og returnerer den til opvarmningsiden som den primære varmekilde. Anlægget kører derefter stort set på elektricitet i stedet for damp, hvilket er attraktivt, hvor damp er dyr, utilgængelig eller reguleret, og hvor el-tariffen er fordelagtig. MVR eliminerer også det meste af kondensatorens belastning og kølevandsbehovet for et konventionelt anlæg – et afgørende punkt for steder med begrænset kølekapacitet eller udledningsbegrænsninger.

Der findes ikke et universelt bedste svar. Den rigtige konfiguration afhænger af dine energipriser, stabiliteten af din råmaterialeforsyning og den faktiske turndown, du har brug for. Et system, der specificeres ud fra en energikilde, som senere bliver sjælden eller dyr, er den mest almindelige fejl i fordampningsprojekter – og den besluttes på den første side af specifikationen, ikke under idriftsættelsen.

Indeni systemet: de moduler, der afgør ydelsen

Figur 1. En faldfilmfordampningsanlæg på sin skid: vertikal fordampningskolonne, service- og separationsbeholdere samt de sanitære rørledninger, der forbinder trinnene.

Et faldfilm-anlæg er mere end en opvarmet kolonne. Dette er de dele, der afgør, om det fungerer som beregnet, når tilførslen ændres.

• Calandria – rørbundt og skal. Rørdiameter, længde og overfladetilstand fastsætter varmeoverførselsarealet og trykfaldet, mens skalsiden er arrangeret omkring det valgte opvarmningsmedium.
• Tilførselsfordelingssystem. Det enkelte vigtigste element i en faldfilmkonstruktion: en ujævn fordeling fører til, at nogle rør ikke modtager tilstrækkelig tilførsel, og et underforsynet rør udvikler aflejringer.
• Damp-væske-separationsbeholder, dimensioneret således, at medført væske ikke føres ud sammen med dampen.
• Kondensator, vakuum-system og kondensathåndtering, tilpasset driftstrykket i den sidste effekt.
• Cirkulations- og overførselspumper med sanitære forbindelser samt rørledningerne, der sikrer en stabil film mellem trinnene.
• Instrumentering: temperatur og tryk ved hver effekt, niveaustyring på beholdere og separatorer, strømningsindikation og gennemsigtige glasruder samt – ved fødevare- og farmaceutisk anvendelse – koncentrationsmåling i røret.
• Rengørbarhed: en afløbsvenlig layout, hygiejniske svejsninger, tri-clamp-forbindelser og en CIP-rute, der er dimensioneret således, at rengøringen er kort og verificerbar i stedet for usikker.

Figur 2. Beholderdæksel med gennemsigtige glasruder og trykmålere på separatorbeholderne; filtreringsmodulet med to housings står i forgrunden.

Figur 3. Samme anlæg set fra drivenden: varmeveksler på kolonnens dæksel, produkt-pumper og samlebeholderen på skid'en.

De reguleringspunkter, der afgør produktkvaliteten

• Maksimal produkttemperatur – fastsat af dit produkt, ikke af maskinen. Vakuumniveauet er den justerbare parameter, der fastsætter den, og det begrænser alle tilgængelige temperaturforskelle nedstrøms.
• Opholdstid – en enkeltgennemløbskonstruktion holder den kort; hver recirkulationsløkke tilføjer tid ved temperatur.
• Koncentration pr. gennemløb – en høj forholdstal sparer energi, men øger udløbsviskositeten og risikoen for tørre områder på rørvæggen.
• Tilførselsstabilitet – fordampning er en stationær proces. En tilførsel, der svinger i faststofindhold eller strømningshastighed, får også din udløbskoncentration til at svinge.
• Fouling-margin – den overfladeareal, du køber, skal dimensioneres til drift mellem CIP-cykler, ikke til at se effektiv ud den første dag.

Hvor faldfilmfordampere anvendes

• Koncentration af frugt- og grøntsagsjuice, hvor farve og aroma er salgsargumenterne
• Mejeriprodukter og vallebehandling
• Sukker, glukosesirup og stivelsehydrolysater
• Glycerin og polyoler
• Plante- og urteekstrakter
• Kemiske mellemprodukter og processtrømme
• Farmaceutiske og biologiske procesvæsker
• Spildevand fra fødevareindustrien og udvaskningsvæske til koncentrering ved nul-væskeafgivelse

Valg af system: de spørgsmål, der fastlægger designet

Ofte stillede spørgsmål

Sp: Hvad er forskellen mellem en faldende film- og en stigende film-for damper?

I en stigende film-enhed bevæger væsken og dampen sig opad sammen, så dampen skal presse sig gennem væskekolonnen. I en faldende film-enhed løber produktet ned ad rørets inderside som en tynd film sammen med dampen, hvilket forkorter opholdstiden, sænker den nødvendige temperaturforskel og tillader højere viskositet.

Spørgsmål: Kan en faldende film-fordamper håndtere et viskøst produkt?

Op til et vist punkt. Når viskositeten stiger, bliver det sværere at opretholde en kontinuerlig film, og risikoen for tørre områder stiger. Ud over dette punkt er det sædvanlige svar en tvungen-cirkulationstrin efter faldende film-trinet i stedet for at acceptere en dårligt vådende film.

Spørgsmål: Hvorfor falder kapaciteten under en produktionskampagne?

Næsten altid på grund af urenheder (fouling) et sted i fordampertrækken – og ofte starter det med fordelingen af råmaterialet snarere end med selve produktet. Hvis fordelingsanordningen ikke leverer ligeligt til hver enkelt rør, bliver de underforsynede rør forurenet først, og tabet af overfladeareal vises som faldende kapacitet.

Spørgsmål: Er MVR altid billigere at drive?

Nej. MVR flytter omkostningerne fra damp til elektricitet, så den er fordelagtig, hvor damp er dyr eller utilgængelig, og el-tariffen er fordelagtig. Den inkluderer også kompressorens anlægsomkostninger og vedligeholdelse. Sammenligningen hører hjemme i designfasen med dine faktiske energipriser.

Spørgsmål: Hvilket vakuumniveau har jeg brug for?

Det afhænger af den maksimale temperatur, som dit produkt kan tåle, ikke af en standardværdi. Når temperaturgrænsen er kendt, bestemmes vakuumniveauet ud fra kogepunktet for din væske ved den koncentration, du opnår.

Spørgsmål: Kan én enhed koncentrere flere forskellige produkter?

Ja, hvis den er designet til det: en afløbsvenlig layout, effektiv CIP og receptbaseret styring er de muliggørende funktioner. Det, du køber i så fald, er skiftetid og gentagelighed snarere end én fast opgave.

Tal med vores procesingeniører