Evaporatore a film discendente: Guida alla progettazione, all'efficienza energetica e alla selezione

EVAPORAZIONE E CONCENTRAZIONE

Evaporatori a film cadente: concentrazione di liquidi termosensibili senza cuocerli

Concentrare liquidi termosensibili senza cuocerli – come funziona l’evaporazione a film cadente, quando risulta superiore all’evaporazione a film ascendente o a circolazione forzata, e quali decisioni influenzano la qualità del prodotto e il consumo di vapore

Ogni progetto di concentrazione incontra lo stesso conflitto: rimuovere l'acqua richiede calore, ma il prodotto che si intende proteggere è proprio ciò che quel calore danneggia. Un evaporatore a film discendente risolve il conflitto operando in modo opposto rispetto a una pentola in ebollizione. Invece di mantenere un grande volume a temperatura costante per ore, esso distribuisce il prodotto in un sottile film, sufficientemente sottile da consentirne la concentrazione in un unico passaggio, a una temperatura tollerata dal prodotto e con un tempo di permanenza misurato in secondi.

Questo articolo descrive cos'è un evaporatore a film discendente, come si posiziona rispetto ad altri tipi di evaporatori, in che modo la ricompressione termica e meccanica del vapore e i sistemi multi-effetto modificano il bilancio energetico, e quali domande è opportuno chiarire prima della costruzione di un sistema. Le apparecchiature illustrate sono tutte realizzate da noi.

Ripreso su un'unità in funzione: testa del recipiente strumentata, livello e portata visibili nel vetro di osservazione, e prodotto in uscita verso il serbatoio di raccolta.

File video: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Che cosa rende diversa l'evaporazione a film discendente

Il prodotto viene pompato nella parte superiore di un fascio di tubi verticali e distribuito in modo che scenda lungo la parete interna di ogni tubo sotto forma di un sottile film continuo. Il mezzo riscaldante – vapore, acqua calda o vapore ricompresso – scorre nel mantello. Poiché il prodotto forma un film e non riempie completamente il tubo, il vapore da esso generato può scendere insieme al prodotto invece di dover risalire attraverso il liquido; di conseguenza, non è necessario che l’intera massa raggiunga il punto di ebollizione prima che inizi l’evaporazione.

• Breve tempo di permanenza. Il prodotto trascorre pochi secondi nella zona di riscaldamento, non ore, quindi colore, aroma e principi attivi termolabili sopravvivono a condizioni che li degraderebbero in una caldaia.
• Funzionamento a bassa temperatura. Il mantenimento del vuoto riduce il punto di ebollizione, consentendo così la concentrazione a una temperatura scelta in base alle caratteristiche del prodotto, non a quelle dell’atmosfera.
• Una piccola differenza di temperatura è sufficiente. Il sistema a film discendente funziona con una modesta differenza di temperatura di guida tra mezzo riscaldante e prodotto, condizione che rende appunto pratici gli impianti a effetto multiplo e a ricompressione del vapore.
• Basso contenuto di liquido nel sistema. Una ridotta quantità di prodotto in circolazione consente avvii e arresti rapidi, minori quantità di prodotto trattenute nel sistema durante le fasi di cambio prodotto e minor tempo di permanenza a temperatura quando l’impianto viene fermato.
• Comportamento migliore rispetto a un fascio allagato con alimenti schiumogeni e moderatamente viscosi, poiché il film non subisce agitazione.

Dove il sistema a film discendente è adatto e dove non lo è

Il sistema a film discendente non è la soluzione adatta per ogni applicazione. Le differenze rilevanti nella pratica riguardano il modo in cui il prodotto si muove nella zona di riscaldamento e quali effetti ciò ha sul tempo di permanenza e sul rischio di intasamento.

La questione energetica: effetto multiplo, TVR o MVR

L’evaporazione rappresenta la voce principale dei costi operativi di un impianto di concentrazione, e la configurazione scelta dipende soprattutto dalla disponibilità di utility piuttosto che da considerazioni meccaniche.

Effetti multipli

Un evaporatore a effetti multipli collega in serie delle unità in modo che il vapore generato da un effetto diventi il mezzo di riscaldamento per l’effetto successivo. Ogni effetto aggiuntivo riutilizza del vapore che altrimenti dovrebbe essere condensato, quindi il consumo di vapore per chilogrammo di acqua evaporata diminuisce all’aumentare del numero di effetti. Il compromesso riguarda i costi di investimento, l’ingombro e la complessità di controllo: ecco perché il numero economicamente ottimale di effetti dipende dai prezzi dell’energia e dalla durata prevista di esercizio dell’impianto.

Ricompressione termica del vapore (TVR)

Un booster a getto di vapore preleva una parte del vapore e lo ricomprime utilizzando vapore motore, innalzandone pressione e temperatura fino a un livello sufficiente per riutilizzarlo come mezzo di riscaldamento. Si tratta di una soluzione compatta per ridurre il consumo di vapore senza alcun carico elettrico; è generalmente l’opzione da valutare quando sul sito è già disponibile vapore a media pressione.

Ricompressione meccanica del vapore (MVR)

Un sistema MVR comprime il vapore con un ventilatore o un compressore e lo riporta sul lato di riscaldamento come fonte primaria di calore. L'impianto funziona quindi prevalentemente a energia elettrica anziché a vapore, soluzione vantaggiosa nei casi in cui il vapore è costoso, non disponibile o soggetto a regolamentazione, e in cui la tariffa elettrica è favorevole. Inoltre, l'MVR elimina gran parte del carico al condensatore e la richiesta di acqua di raffreddamento di un impianto convenzionale: un aspetto decisivo per i siti con capacità di raffreddamento limitata o restrizioni allo scarico.

Non esiste una risposta universalmente ottimale. La configurazione corretta dipende dai prezzi delle utilities, dalla stabilità dell'alimentazione e dal range di riduzione della portata effettivamente necessario. Progettare un sistema intorno a una utility che successivamente diventi scarsa o costosa è l'errore più comune nei progetti di evaporazione — e tale scelta viene presa già nella prima pagina della specifica tecnica, non durante la messa in servizio.

All'interno del sistema: i moduli che determinano le prestazioni

Figura 1. Un impianto di evaporazione a film discendente montato su basamento: colonna verticale di evaporazione, recipienti di servizio e di separazione, e tubazioni igieniche che collegano le varie fasi.

Un impianto a film discendente è molto più di una semplice colonna riscaldata. Questi sono i componenti che determinano se l’impianto funzionerà come progettato non appena cambia l’alimentazione.

• Calandria – fascio tubiero e mantello. Il diametro, la lunghezza e lo stato superficiale dei tubi definiscono l’area di scambio termico e la caduta di pressione, mentre il lato mantello è predisposto in base al mezzo riscaldante da voi selezionato.
• Sistema di distribuzione dell’alimentazione. L’elemento più importante di un progetto a film discendente: un distributore irregolare provoca carenza di alimentazione in alcuni tubi, e un tubo sottodistribuito si incrosta.
• Recipiente di separazione vapore-liquido, dimensionato in modo che l’entrainment non trascini il prodotto insieme al vapore.
• Condensatore, sistema a vuoto e gestione del condensato, adattati alla pressione operativa dell’ultimo effetto.
• Pompe di circolazione e di trasferimento con raccordi igienici, e tubazioni che mantengono stabile il film tra le fasi.
• Strumentazione: temperatura e pressione in ogni effetto, controllo del livello nei recipienti e nei separatori, indicazione della portata e visori, e – per applicazioni alimentari e farmaceutiche – misurazione in linea della concentrazione.
• Pulibilità: configurazione con scarico completo, saldature igieniche, raccordi tri-clamp e percorso CIP dimensionato in modo che la pulizia sia rapida e verificabile, non lasciata al caso.

Figura 2. Testa del recipiente con visori e manometri sui separatori; il modulo filtrante a doppia camicia è in primo piano.

Figura 3. Lo stesso impianto visto dall’estremità di azionamento: scambiatore di calore sulla testa della colonna, pompe per il prodotto e recipiente di raccolta sul telaio.

I punti di controllo che determinano la qualità del prodotto

• Temperatura massima del prodotto – stabilita dal prodotto stesso, non dalla macchina. Il livello di vuoto è il parametro regolatore di tale temperatura e vincola tutte le differenze di temperatura disponibili a valle.
• Tempo di permanenza – una configurazione monopassaggio lo mantiene breve; ogni circuito di ricircolo aggiunge tempo di esposizione alla temperatura.
• Concentrazione per passaggio: un rapporto elevato consente di risparmiare energia, ma aumenta la viscosità in uscita e il rischio di zone asciutte sulla parete del tubo.
• Stabilità dell’alimentazione: l’evaporazione è un processo a regime stazionario. Un’alimentazione con oscillazioni nella percentuale di solidi o nella portata provoca corrispondenti oscillazioni nella concentrazione in uscita.
• Margine antifouling: la superficie di scambio termico acquistata deve essere dimensionata per funzionare tra un ciclo di pulizia CIP e il successivo, non per apparire efficiente solo nel primo giorno di esercizio.

Dove vengono utilizzati gli evaporatori a film discendente

• Concentrazione di succhi di frutta e verdura, dove colore e aroma costituiscono il principale fattore di vendita
• Lavorazione lattiero-casearia e del siero
• Zucchero, sciroppi di glucosio e idrolizzati amidacei
• Glicerina e polioli
• Estratti vegetali ed erboristici
• Intermedi chimici e correnti di processo
• Liquidi di processo farmaceutici e biologici
• Concentrazione di acque reflue e percolato del settore alimentare per applicazioni a scarico zero di liquidi

Selezione di un sistema: le domande che definiscono il progetto

Domande frequenti

D: Qual è la differenza tra un evaporatore a film cadente e uno a film ascendente?

In un’unità a pellicola ascendente, il liquido e il vapore viaggiano insieme verso l’alto, quindi il vapore deve spingere attraverso la colonna di liquido. In un’unità a pellicola discendente, il prodotto scorre lungo la parete interna del tubo sotto forma di sottile pellicola, insieme al vapore: ciò riduce il tempo di permanenza, abbassa la differenza di temperatura necessaria e tollera una maggiore viscosità.

D: Un evaporatore a pellicola discendente può gestire un prodotto viscoso?

Fino a un certo punto. Con l’aumentare della viscosità, diventa più difficile mantenere una pellicola continua e cresce il rischio di zone asciutte. Oltre tale limite, la soluzione abituale prevede uno stadio a circolazione forzata dopo l’evaporatore a pellicola discendente, piuttosto che accettare una pellicola con bagnatura insufficiente.

D: Perché la capacità diminuisce nel corso di una campagna produttiva?

Quasi sempre a causa di incrostazioni in qualche punto del sistema, spesso originate già dalla distribuzione dell’alimentazione e non dal prodotto stesso. Se il distributore non alimenta uniformemente tutti i tubi, i tubi privi di alimentazione si incrostano per primi e la perdita di superficie attiva si manifesta come calo di capacità.

D: L’MVR è sempre meno costosa da esercire?

No. Il sistema MVR sposta il costo dal vapore all’elettricità, quindi risulta vantaggioso laddove il vapore è costoso o non disponibile e la tariffa elettrica è favorevole. Comporta inoltre i costi di capitale e di manutenzione del compressore. Il confronto va effettuato nella fase di progettazione, utilizzando i prezzi effettivi delle utility.

D: A quale livello di vuoto ho bisogno?

Ciò dipende dalla temperatura massima tollerata dal prodotto, non da un valore standard. Una volta noto il limite di temperatura, il livello di vuoto è determinato dal punto di ebollizione del liquido alla concentrazione che si intende raggiungere.

D: Un’unica unità può concentrare diversi prodotti differenti?

Sì, purché sia progettata appositamente: una configurazione con scarico facilitato, una pulizia in posto (CIP) efficace e un controllo basato su ricette sono le caratteristiche abilitanti. In tal caso, ciò che si acquista è soprattutto la velocità di cambio prodotto e la ripetibilità, piuttosto che una singola funzione fissa.

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