Laskeva kalvo -haihdutin: suunnittelu, energia ja valintatekijät

HAIHDUTUS JA PITOISUUDEN KASVATTAMINEN

Laskevat kalvohaihdutimet: lämpöherkien nesteiden pitoisuuden kasvattaminen ilman kuumennusta

Lämmönherkkien nesteiden pitoisuuden kasvattaminen ilman kuumennusta – miten laskeva kalvohaihdutus toimii, milloin se on parempi kuin nouseva kalvo tai pakotettu kiertäminen ja mitkä päätökset vaikuttavat tuotteen laatuun ja höyryn kulutukseen

Jokainen konsentrointihanke kohtaa saman konfliktin: veden poistaminen vaatii lämpöä, mutta tuote, jota yritetään suojella, on juuri se, mikä tuolla lämmöllä vahingoittuu. Laskeva kalvo -haihdutin ratkaisee tämän konfliktin toimimalla päinvastoin kuin kiehuvassa kattilassa. Sen sijaan, että pidettäisiin suurta määrää tuotetta lämpötilassa tunteja, tuote levitetään niin ohueksi kalvoksi, että se voidaan konsentroida yhdellä kerralla lämpötilassa, jonka tuote kestää, ja asuinajalla, joka mitataan sekunneissa.

Tässä artikkelissa käsitellään, mikä laskeva kalvo -haihdutin on, missä se sijoittuu muihin haihdutintyyppeihin verrattuna, miten monitason, termisen ja mekaanisen höyryn uudelleenkäyttö muuttavat energiatilannetta sekä mitkä kysymykset kannattaa ratkaista ennen järjestelmän rakentamista. Kuvissa esitetyt laitteet ovat omia rakennuksiamme.

Kuvattu toimivassa yksikössä: instrumentoitu astian pääosa, nestetaso ja virtaus näkösikässä sekä tuotteen purkautuminen vastaanottosäiliöön.

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

Mikä tekee kalvohöyrystyksen erilaiseksi

Tuote pumpataan pystysuoran putkipakan yläosaan ja jakautuu niin, että se virtaa jokaisen putken sisäseinämän pitkin ohuena, jatkuvana kalvona alaspäin. Lämmitysneste – höyryä, kuumaa vettä tai uudelleen puristettua höyryä – kulkee putkien ulkopuolella. Koska tuote muodostaa kalvon eikä täytä putkia kokonaan, sen tuottama höyry voi liikkua alaspäin tuotteen mukana sen sijaan, että sen pitäisi työntyä ylöspäin nesteen läpi, ja koko nestemäinen massa ei tarvitse saavuttaa kiehumispistettä ennen kuin höyrystyminen alkaa.

• Lyhyt pysähtymisaika. Tuote viipyy lämmitysalueella sekunteja, ei tunteja, joten väri, aroma ja lämpöherkät vaikuttavat aineet säilyvät ehjinä olosuhteissa, joissa ne hajoaisivat kattilassa.
• Alhainen lämpötila. Vaikutuksen pitäminen alipaineessa laskee kiehumispistettä, joten pitoisuuden kasvattaminen tapahtuu tuotteen mukaan valitulla lämpötilalla eikä ilmanpaineen mukaan.
• Pieni lämpötilaero riittää. Putoava kalvo toimii pienellä ajavalla lämpötilaerolla lämmitysaineen ja tuotteen välillä – juuri tämä tekee monitapahtumaiset ja höyryn uudelleenpuristusjärjestelmät käytännöllisiksi.
• Vähäinen nestemäisen tuotteen määrä järjestelmässä. Pieni varanto tarkoittaa nopeaa käynnistystä ja pysäytystä, vähemmän tuotetta jää järjestelmään vaihdettaessa sekä vähemmän aikaa lämpötilassa, kun laitos pysähtyy.
• Paras käyttäytyminen kahmaaville ja kohtalaisen viskoosille syötteille verrattuna täytettyyn putkipakettiin, koska kalvo ei sekoitu.

Missä putoava kalvo sopii ja missä se ei sovi

Putoava kalvo ei ole oikea ratkaisu kaikkiin tehtäviin. Käytännössä merkitystä omaavat erot liittyvät siihen, miten tuote liikkuu lämmitysalueella, ja mitä tämä vaikutusta aiheuttaa pidätysaikaan ja saastumisriskiin.

Energiaongelma: monitahoinen, TVR tai MVR

Höyrystäminen on se vaihe, jossa keskittämisaseman käyttökustannukset ovat suurimmillaan, ja valitsemasi järjestely on enimmäkseen hyötykysymys eikä mekaaninen kysymys.

Useita vaikutusasteikkoja

Monitulokkeinen haihdutin yhdistää säiliöt siten, että yhdessä tuloksessa kiehuvasta nesteestä muodostuva höyry toimii lämmitysaineena seuraavassa tuloksessa. Jokainen lisätyllä tuloksella uudelleenkäytetään höyryä, joka muuten jouduttaisiin tiukentamaan, joten käytettävän höyryn määrä kilogrammaa haihdutettavaa vettä kohden laskee tulosten määrän kasvaessa. Vaihtoehtona on pääomakustannusten, tilantarpeen ja säätöjen monimutkaisuuden kasvu – siksi taloudellisesti optimaalinen tulosten määrä riippuu energiahinnoista ja siitä, kuinka kauan tehdasta odotetaan toimivan.

Lämpötilahöyryn uudelleenpuristus (TVR)

Höyryruiskuvoimakäsittely ottaa osan höyrystä ja uudelleenpuristaa sen liikuttavalla höyryllä, nostamalla sen painetta ja lämpötilaa riittävästi, jotta sitä voidaan uudelleenkäyttää lämmitysaineena. Se on tiukka tapa vähentää höyryn kulutusta ilman sähkökuormitusta, ja sitä yleensä harkitaan, kun keskipaineista höyryä on jo saatavilla paikalla.

Mekaaninen höyryn uudelleenpuristus (MVR)

MVR-järjestelmä tiukentaa höyryä tuulettimella tai kompressorilla ja palauttaa sen lämmityspuolelle ensisijaisena lämmönlähteenä. Tällöin laitos toimii pääosin sähköllä eikä höyryllä, mikä on houkuttelevaa silloin, kun höyry on kallista, saatavilla olematon tai säänneltyä ja kun sähkön hinta on edullinen. MVR vähentää myös suurimman osan kondensaattorikuorman ja perinteisen höyrykoneen jäähdytysvesitarpeesta – tämä on ratkaiseva tekijä paikoissa, joissa jäähdytyskapasiteetti on rajoitettu tai jäähdytysveden poistoa koskevat rajoitukset ovat tiukat.

Yleispätevää parasta ratkaisua ei ole. Oikea järjestely riippuu teidän energiakustannuksistanne, syöttöaineen vakaudesta ja todellisesta turndown-tarpeestanne. Järjestelmän määrittely yhden energialähteen perusteella, joka myöhemmin muuttuu harvinaiseksi tai kalliiksi, on yleisin virhe höyrystysprojekteissa – ja se tehdään jo määrittelydokumentin ensimmäisellä sivulla, ei käynnistysvaiheessa.

Järjestelmän sisällä: moduulit, jotka määrittävät suorituskyvyn

Kuva 1. Putouskalvoisen haihdutusjärjestelmän kuljetusalusta: pystysuora haihdutuspylväs, apu- ja erotusastiat sekä vaiheita yhdistävä terveydenhuollon vaatimukset täyttävä putkisto.

Putouskalvojärjestelmä on enemmän kuin lämmitetty pylväs. Nämä osat määrittävät, toimiiko järjestelmä suunnitellusti, kun syöttömuutos tapahtuu.

• Kalandria – putkipakkaus ja kuori. Putkien halkaisija, pituus ja pinnan laatu määrittävät lämmönsiirtoalan ja painehäviön, kun taas kuoren puolella järjestetään valitsemasi lämmitysneste.
• Syöttöjakojärjestelmä. Tärkein yksittäinen elementti putouskalvojärjestelmän suunnittelussa: epätasainen jakaja aiheuttaa joissakin putkissa syöttöpuutteen, ja syöttöpuutteessa oleva putki kalkittuu.
• Höyry-nesteen erotusastia, jonka koko on mitattu siten, ettei höyryn mukana kulkeutuva nestepisara kulje tuotetta mukanaan.
• Kondensaattori, tyhjiöjärjestelmä ja kondensaatin käsittely, jotka on sovitettu viimeisen vaikutusasteen käyttöpaineeseen.
• Terveydenhuollon vaatimukset täyttävät kierrätys- ja siirtopumput sekä putkisto, joka pitää kalvon vakautena vaiheiden välillä.
• Mittauslaitteisto: lämpötila ja paine jokaisessa vaikutusasteikossa, nestetason säätö säiliöissä ja erottimissa, virtauksen indikointi ja näkösulasit sekä elintarvike- ja lääketeollisuuden käyttöön – linjalla tapahtuva pitoisuuden mittaus.
• Puhdistettavuus: tyhjennettävä rakenne, hygieniset hitsausliitokset, kolmiliittimet ja CIP-reitti, jonka koko on suunniteltu niin, että puhdistus on nopea ja tarkistettavissa eikä arvailua.

Kuva 2. Säiliön kansi näkösulasitein ja painemittarein erottimissa; kaksikoteloisen suodatinmoduulin sijainti on etualalla.

Kuva 3. Sama laitteistoketju ajopäästä katsottuna: lämmönvaihtimen sijainti pylvään yläosassa, tuotepumput ja keräysastian sijainti alustalla.

Ohjauspisteet, jotka määrittävät tuotteen laadun

• Tuotteen korkein lämpötila – asetetaan tuotteen perusteella, ei koneen perusteella. Tyhjiöpaine on säädin, jolla se asetetaan, ja se rajoittaa kaikkia saatavilla olevia lämpötilaeroja myötäsuuntaisessa suunnassa.
• Kestoaika – yksinkertainen läpivirtausrakenne pitää sen lyhyenä; jokainen kierrätyspiiri lisää aikaa lämpötilassa.
• Konsentraatio kerralla – korkea suhde säästää energiaa, mutta nostaa lähtöviskositeettia ja kuivien alueiden muodostumisen riskiä putken seinämälle.
• Syöttövakaus – höyrystäminen on tasapainotilaprosessi. Kiinteän aineen tai virtauksen vaihtelu syötössä aiheuttaa vastaavan vaihtelun lähtökonsentraatiossa.
• Saastumismarginaali – ostamasi pinta-ala tulisi mitata niin, että se riittää käyttöön CIP-puhdistusjaksojen välillä, ei vain näyttämään tehokkaalta ensimmäisenä päivänä.

Missä laskevaa kalvoa käytetään höyrystimissä

• Hedelmä- ja vihannesmejuosten konsentrointi, jossa väri ja aroma ovat myyntipisteitä
• Maitotuotteiden ja rasvanpoistetun maidon käsittely
• Sokeri, glukoosisiirupit ja tärkkelyshydrolysaatit
• Glyseriini ja polyolit
• Kasvi- ja yrttiuutteet
• Kemialliset välituotteet ja prosessivirrat
• Lääketeollisuuden ja biologisen prosessin nesteet
• Elintarviketeollisuuden jäteveden ja vuodan konsentrointi nollanestevirtatehtäviin

Järjestelmän valinta: kysymykset, jotka ratkaisevat suunnittelun

Usein kysytyt kysymykset

K: Mikä on ero laskevan ja nousevan kalvon haihduttajien välillä?

Nousevassa kalvokiehuttimessa neste ja höyry kulkevat yhdessä ylöspäin, joten höyryn on työnnettävä läpi nestepatsasta. Laskevassa kalvokiehuttimessa tuote virtaa putken sisäpinnalla ohuena kalvona höyryn kanssa, mikä lyhentää pidätysaikaa, vähentää vaadittavaa lämpötilaeroa ja sietää suurempaa viskositeettia.

K: Voiko laskeva kalvokiehuttin käsitellä viskoosia tuotetta?

Tiettyyn rajaan saakka. Kun viskositeetti kasvaa, kalvosta tulee vaikeampi pitää jatkuvana, ja kuivien alueiden muodostumisen vaara kasvaa. Tämän rajan ylittyessä tyypillinen ratkaisu on pakotettu kiertoprosessi laskevan kalvon jälkeen, eikä hyväksytä huonosti kastuvaa kalvoa.

K: Miksi kapasiteetti pienenee tuotantokampanjan aikana?

Melkein aina jossakin osassa kiehutinrakennetta tapahtuu saastuminen, ja usein se alkaa syöttöjärjestelmästä eikä tuotteesta itsestään. Jos jakaja ei syötä kaikkia putkia tasaisesti, putket, joille ei tule riittävästi tuotetta, saastuisivat ensin ja pinta-alan menetys ilmenee kapasiteetin laskuna.

K: Onko MVR-tekniikka aina halvempi käyttää?

Ei. MVR siirtää kustannukset höyrystä sähköön, joten se on edullisempi silloin, kun höyryä on kallis tai saatavilla ei ole ja sähkön hinta on suotuisa. Se sisältää myös puristimen pääomakustannukset ja huollon. Vertailu kuuluu suunnitteluvaiheeseen, jolloin käytetään todellisia energian hintoja.

K: Mikä tyhjiötarve minulla on?

Se riippuu tuotteen maksimilämpötilasta, jota se kestää, eikä standardiarvosta. Kun lämpötilaraja tunnetaan, tyhjiötaso määritetään nesteen kiehumispisteellä kyseisessä pitoisuudessa.

K: Voiko yksi laite keskittää useita eri tuotteita?

Kyllä, jos se on tähän suunniteltu: tyhjennettävä rakenne, tehokas CIP-pesti ja reseptipohjainen ohjaus ovat mahdollistavia ominaisuuksia. Tällöin ostamasi etu on vaihtoon tarvittavan ajan nopeus ja toistettavuus, ei yksittäinen kiinteä tehtävä.

Ota yhteyttä prosessi-insinööreihimme