Vallend-filmverdampers: ontwerp-, energie- en selectiegids

VERDAMPING EN CONCENTRATIE

Dalend-film-verdamper: concentreren van warmtegevoelige vloeistoffen zonder ze te koken

Concentreren van warmtegevoelige vloeistoffen zonder ze te koken – hoe dalend-film-verdamping werkt, wanneer deze beter is dan stijgend-film- of gedwongen-circulatie-verdamping, en welke beslissingen uw productkwaliteit én uw stoomverbruik bepalen

Elk concentratieproject loopt tegen hetzelfde conflict op: water verwijderen vereist warmte, en het product dat u probeert te beschermen is precies wat door die warmte wordt aangetast. Een vallende-filmverdamper lost dit conflict op door het tegenovergestelde te doen van een kookpan. In plaats van een grote hoeveelheid urenlang op temperatuur te houden, verspreidt hij het product in een zo dunne film dat concentratie in één doorgang mogelijk is, bij een temperatuur die het product verdraagt en met een verblijftijd die in seconden wordt gemeten.

Dit artikel behandelt wat een vallende-filmverdamper is, waar deze past ten opzichte van andere verdampertypes, hoe meervoudige-effect-, thermische en mechanische damprecompressie het energiegebruik beïnvloeden, en welke vragen het verstandig is op te lossen voordat een systeem wordt gebouwd. De apparatuur die in dit artikel wordt getoond, komt uit onze eigen bouwprojecten.

Opgenomen op een werkende unit: de geïnstrumenteerde vatkop, het peil en de stroming via het kijkglas, en het product dat naar de ontvangstank wordt afgevoerd.

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

Wat maakt vallende-filmverdamping anders

Het product wordt naar de bovenkant van een verticale buisbundel gepompt en verdeeld, zodat het als een dunne, continue film langs de binnenzijde van elke buis naar beneden stroomt. Het verwarmingsmedium – stoom, heet water of hercomprimeerde damp – stroomt aan de mantelzijde. Omdat het product een film is in plaats van een gevulde kolom, kan de door het product gegenereerde damp samen met het product naar beneden reizen in plaats van zich omhoog door de vloeistof te moeten wringen, en hoeft de gehele massa niet op het kookpunt te komen voordat verdamping begint.

• Korte verblijftijd. Het product verblijft slechts enkele seconden in de verwarmingszone, niet uren, dus kleur, aroma en warmtegevoelige werkzame stoffen overleven omstandigheden die ze in een ketel zouden afbreken.
• Bedrijf bij lage temperatuur. Het handhaven van vacuüm verlaagt het kookpunt, zodat concentratie plaatsvindt bij een temperatuur die is gekozen op basis van het product, niet op basis van de atmosfeer.
• Een klein temperatuurverschil is voldoende. Bij een dalend filmproces wordt gewerkt met een bescheiden aandrijf-temperatuurverschil tussen het verwarmingsmedium en het product – precies wat meervoudige-effect- en damprecompressieopstellingen praktisch maakt.
• Lage vloeistofinhoud. Een kleine voorraad betekent snelle opstart en stillegging, minder product dat in het systeem blijft zitten bij een wisseling, en minder tijd op temperatuur wanneer de installatie stopt.
• Betere prestaties bij schuimende en matig viskeuze toevoer dan bij een overstromende bundel, omdat de film niet wordt omgeroerd.

Waar een dalend film geschikt is, en waar niet

Een dalend film is niet voor elke toepassing de juiste oplossing. De verschillen die in de praktijk van belang zijn, betreffen hoe het product door de verwarmingszone beweegt en wat dat betekent voor de verblijftijd en het vervuilingrisico.

De energievraag: meervoudig effect, TVR of MVR

Verdamping is waar het grootste deel van de bedrijfskosten van een concentratie-installatie zit, en de configuratie die u kiest is grotendeels een vraag van beschikbare hulpmiddelen in plaats van een mechanische kwestie.

Meervoudig effect

Een meervoudig-effect verdampingsinstallatie verbindt verdampers op zo’n manier dat de damp die in één effect wordt verdampt, als verwarmingsmedium dient voor het volgende effect. Bij elk extra effect wordt damp hergebruikt die anders zou moeten worden gecondenseerd, waardoor de benodigde stoomhoeveelheid per kilogram verdampt water afneemt naarmate er meer effecten worden toegevoegd. Het nadeel is de hogere investeringskosten, het grotere oppervlak en de complexiteit van de regeling – daarom hangt het economisch optimale aantal effecten af van de energieprijzen en van de verwachte bedrijfsduur van de installatie.

Thermische damprecompressie (TVR)

Een stoomstraalversterker neemt een deel van de damp en comprimeert deze opnieuw met aandrijfstoom, waardoor de druk en temperatuur stijgen tot een niveau waarop de damp opnieuw als verwarmingsmedium kan worden gebruikt. Het is een compacte manier om het stoomverbruik te verminderen zonder elektrische belasting, en wordt meestal overwogen wanneer middendrukstoom al ter plaatse beschikbaar is.

Mechanische damprecompressie (MVR)

Een MVR-systeem comprimeert de damp met een ventilator of compressor en voert deze terug naar de verwarmingszijde als primaire warmtebron. De installatie draait dan grotendeels op elektriciteit in plaats van stoom, wat aantrekkelijk is wanneer stoom duur is, niet beschikbaar of gereguleerd, en wanneer het elektriciteitstarief gunstig is. MVR elimineert ook het grootste deel van de condensatorbelasting en de koelwaterbehoefte van een conventionele installatie – een doorslaggevend punt voor locaties met beperkte koelcapaciteit of afvoerbeperkingen.

Er is geen universeel beste oplossing. De juiste configuratie volgt uit uw nutsvoorzieningsprijzen, de stabiliteit van uw toevoer en de daadwerkelijk benodigde turndown. Een systeem dat is gespecificeerd rond een nutsvoorziening die later schaars of duur wordt, is de meest voorkomende fout bij verdampingsprojecten – en deze keuze wordt genomen op de eerste pagina van de specificatie, niet tijdens de inbedrijfstelling.

Binnen het systeem: de modules die de prestaties bepalen

Figuur 1. Een neerstromend-film-verdamperinstallatie op haar onderstel: verticale verdamperkolom, service- en scheidingsvaten, en de hygiënische leidingen die de stadia met elkaar verbinden.

Een neerstromend-film-installatie is meer dan een verwarmde kolom. Dit zijn de onderdelen die bepalen of de installatie zoals ontworpen functioneert zodra de toevoer verandert.

• Calandria – buisbundel en mantel. De buisdiameter, -lengte en oppervlaktoestand bepalen het warmteoverdrachtsoppervlak en de drukval, terwijl de mantelzijde is ingericht voor het door u gekozen verwarmingsmedium.
• Toervoerdistributiesysteem. Het belangrijkste element van een neerstromend-filmontwerp: een ongelijkmatige verdeelunit laat sommige buizen uitdrogen, en een uitgedroogde buis vormt aanslag.
• Damp-vloeistof-scheidingsvat, zodanig gedimensioneerd dat meesleping het product niet meevoert in de damp.
• Condensor, vacuümsysteem en condensaatbehandeling, afgestemd op de bedrijfsdruk van het laatste effect.
• Circulatie- en overdrachtpompen met hygiënische aansluitingen, en de leidingen die het filmprofiel stabiel houden tussen de stadia.
• Instrumentatie: temperatuur en druk bij elk effect, niveauregeling op vaten en scheidingsapparaten, stromingsindicatie en kijkglazen, en – bij toepassingen in de voedings- en farmaceutische industrie – inline-concentratiebepaling.
• Reinigbaarheid: een uitlegbaar ontwerp, hygiënische lassen, tri-clamp-aansluitingen en een CIP-route die zo is uitgevoerd dat reiniging kort duurt en verifieerbaar is, in plaats van een gok.

Figuur 2. Vatkop met kijkglazen en manometers op de scheidingsapparaten; de filtratiemodule met twee behuizingen staat op de voorgrond.

Figuur 3. Dezelfde installatie gezien vanaf de aandrijfzijde: warmtewisselaar op de kolomkop, productpompen en het verzamelvat op de skid.

De regelpunten die de productkwaliteit bepalen

• Maximale producttemperatuur – vastgelegd door uw product, niet door de machine. Het vacuumniveau is de regelhefboom die deze temperatuur bepaalt en beperkt elke beschikbare temperatuurdifferentie stroomafwaarts.
• Verblijftijd – een single-pass-ontwerp houdt deze kort; elke recirculatieslag voegt tijd bij temperatuur toe.
• Concentratie per doorloop – een hoge verhouding bespaart energie, maar verhoogt de viscositeit aan de uitlaat en het risico op droge plekken op de buiswand.
• Voedingsstabiliteit – verdamping is een stationair proces. Een voeding met schommelingen in vaste stofgehalte of debiet veroorzaakt overeenkomstige schommelingen in de concentratie aan de uitlaat.
• Vervuilingmarge – het oppervlak dat u koopt, moet zijn afgestemd op de werking tussen CIP-cycli, niet op efficiëntie op de eerste dag.

Waar vallende-filmverdamperstoestellen worden gebruikt

• Concentratie van sap van fruit en groenten, waarbij kleur en aroma de verkoopargumenten zijn
• Verwerking van zuivel en wei
• Suiker, glucosestroop en zetmeelhydrolysaten
• Glycerine en polyolen
• Extracten van planten en kruiden
• Chemische tussenproducten en processtromen
• Farmaceutische en biologische procesvloeistoffen
• Afvalwater en lixiviaat uit de voedingsmiddelenindustrie voor concentratie met doel nul-vloeistofafvoer

Een systeem kiezen: de vragen die het ontwerp bepalen

Veelgestelde vragen

V: Wat is het verschil tussen een dalend film- en een stijgend filmverdampingsinstallatie?

In een opwaartse filmunit reizen vloeistof en damp samen omhoog, dus de damp moet door de vloeistofkolom heen duwen. In een neerwaartse filmunit stroomt het product als een dunne film naar beneden langs de binnenkant van de buis, samen met de damp; dit verkort de verblijftijd, verlaagt het benodigde temperatuurverschil en verdraagt hogere viscositeit.

V: Kan een neerwaartse filmverdamper een viskeus product verwerken?

Tot op zekere hoogte. Naarmate de viscositeit stijgt, wordt het moeilijker om een continue film te behouden en neemt het risico op droge plekken toe. Boven dat punt is de gebruikelijke oplossing een geforceerde-circulatie-trap na de neerwaartse film, in plaats van een slecht bevochtigde film te accepteren.

V: Waarom neemt de capaciteit tijdens een productiecampagne af?

Bijna altijd door aanslag ergens in de installatie, vaak begint dit bij de voedingsverdeling in plaats van bij het product zelf. Als de verdeelunit niet elke buis gelijkmatig voedt, vormt zich aanslag eerst in de ondervoede buizen en leidt het verlies aan oppervlakte tot een daling van de capaciteit.

V: Is MVR altijd goedkoper in bedrijf?

Nee. MVR verplaatst de kosten van stoom naar elektriciteit, dus het is voordelig waar stoom duur of niet beschikbaar is en het elektriciteitstarief gunstig is. Het houdt ook de kapitaalkosten en onderhoudskosten voor de compressor in. De vergelijking behoort plaats te vinden in de ontwerpfase, met uw werkelijke nutsvoorzieningsprijzen.

V: Welk vacuumniveau heb ik nodig?

Dat volgt uit de maximale temperatuur die uw product kan verdragen, niet uit een standaardwaarde. Zodra de temperatuurgrens bekend is, wordt het vacuumniveau bepaald door het kookpunt van uw vloeistof bij de concentratie die u bereikt.

V: Kan één unit verschillende producten concentreren?

Ja, mits deze daarvoor is ontworpen: een leegbare opstelling, effectieve CIP (Cleaning-in-Place) en receptgebaseerde besturing zijn de mogelijkmakende kenmerken. Wat u in dat geval koopt, is snelle productwisseling en reproduceerbaarheid, niet één vaste capaciteit.

Neem contact op met onze procesingenieurs