Falling Film-fordamper: Utforming, energi og valgveiledning

FORDEKNING OG KONSENTRERING

Fallende-film-fordekoker: Konsentrering av varmesensitive væsker uten å koke dem

Konsentrering av varmesensitive væsker uten å koke dem – hvordan fallende-film-fordekning fungerer, når den er bedre enn stigende-film- eller tvungen-sirkulasjons-fordekning, og hvilke valg som påvirker både produktkvaliteten og dampforbruket

Alle konsentreringsprosjekter støter på samme konflikt: fjerning av vann krever varme, og produktet du prøver å beskytte er nettopp det som skades av den varmen. En fallfilmfordamper løser denne konflikten ved å gjøre det motsatte av en kokepanne. I stedet for å holde en stor mengde ved en bestemt temperatur i timer, spreier den produktet til en så tynn film at konsentrasjonen skjer i én enkelt gjennomgang, ved en temperatur som produktet tåler, og med oppholdstid målt i sekunder.

Denne artikkelen omhandler hva en fallfilmfordamper er, hvor den plasseres i forhold til andre fordampertyper, hvordan flertrinns-, termisk og mekanisk damprekompresjon endrer energibildet, samt hvilke spørsmål som bør avklares før et system bygges. Utstyret som vises i hele artikkelen er fra våre egne byggeprosjekter.

Filmet på en i drift værende enhet: instrumentert beholderlokk, nivå og strømning gjennom siktkaret, samt produkt som utledes til mottakstanken.

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

Hva som gjør fallfilmfordampning annerledes

Produktet pumpes til toppen av et vertikalt rørbunke og fordeles slik at det renner ned langs innvendig vegg i hvert rør som en tynn, kontinuerlig film. Oppvarmingsmediet – damp, varmt vann eller gjenkomprimert damp – strømmer på skall-siden. Fordi produktet er en film i stedet for en overfylt kolonne, kan dampen det genererer reise seg nedover sammen med det i stedet for å tvinge seg opp gjennom væsken, og hele massen trenger ikke nå kokepunktet før fordampning starter.

• Kort oppholdstid. Produktet tilbringer sekunder i oppvarmingssonen, ikke timer, så farge, aroma og varmesensitive aktive stoffer overlever forhold som ville degradere dem i en kar-tilbakekoking.
• Drift ved lav temperatur. Ved å holde effekten under vakuum senkes kokepunktet, slik at konsentrasjon skjer ved en temperatur som er valgt for produktet, ikke for atmosfæren.
• En liten temperaturforskjell er nok. Fallfilmfunksjonen virker med en moderat drivende temperaturforskjell mellom varmemedium og produkt – noe som nettopp gjør flertrinns- og damprekompresjonsanordninger praktiske.
• Lav væskeholdning. En liten mengde væske betyr rask oppstart og nedstengning, mindre produkt igjen i systemet ved bytte, og mindre tid ved temperatur når anlegget stanser.
• Bedre oppførsel ved skumende og moderat viskøse tilførsler enn en fullstendig fylt rørpakke, fordi filmen ikke røres opp.

Hvor fallfilm passer, og hvor den ikke passer

Fallfilm er ikke det rette valget for alle oppgaver. De forskjellene som har praktisk betydning, er hvordan produktet beveger seg gjennom oppvarmingssonen og hva dette innebærer for oppholdstid og tilbøyelighet til avleiring.

Energi-spørsmålet: flertrinnsfordamping, TVR eller MVR

Fordamping er der de fleste driftskostnadene for en konsentreringsanlegg ligger, og den valgte oppstillingen er i stor grad et spørsmål om hjelpemidler snarere enn mekanikk.

Flere effekter

En flertrinnsfordampningsanlegg kobler sammen beholdere slik at dampen som fordamper i ett trinn blir varmekilden for det neste. Hver ekstra trinn gjenbruker damp som ellers måtte kondenseres, så mengden damp som kreves per kilogram fordampt vann avtar når flere trinn legges til. Kompromisset er kapitalkostnaden, anleggets plassbehov og reguleringens kompleksitet – derfor avhenger det økonomiske antallet trinn av energiprisene og av hvor lenge anlegget forventes å kjøre.

Termisk damprekomprimering (TVR)

En dampstråleforsterker tar deler av dampen og rekomprimerer den med drivdamp, noe som hever trykket og temperaturen til et nivå der dampen kan gjenbrukes som varmekilde. Det er en kompakt måte å redusere dampforbruket uten elektrisk belastning, og det er vanligvis alternativet å vurdere når mellomtrykksdamp allerede er tilgjengelig på stedet.

Mekanisk damprekomprimering (MVR)

Et MVR-system komprimerer dampen med en vifte eller kompressor og returnerer den til oppvarmingssiden som primær varmekilde. Anlegget kjører da hovedsakelig på elektrisitet i stedet for damp, noe som er attraktivt der damp er dyr, utilgjengelig eller regulert, og der strømtariffen er gunstig. MVR fjerner også det meste av kondensatorbelastningen og behovet for kjølevann i et konvensjonelt anlegg – et avgjørende poeng for nettsteder med begrenset kjølekapasitet eller utslippsbegrensninger.

Det finnes ingen universelt beste løsning. Den rette oppsettet følger dine energipriser, stabiliteten til råvaren din og den nedreguleringen du faktisk trenger. Et system som er spesifisert rundt en energikilde som senere blir knapp eller dyr, er den vanligste feilen i fordampingsprosjekter – og denne beslutningen tas på første side av spesifikasjonen, ikke under igangsetting.

Inni systemet: modulene som bestemmer ytelsen

Figur 1. En fallfilmfordekningstrin på sin skid: vertikal fordekningssøyle, service- og separasjonsbeholdere samt sanitær rørledning som kobler trinnene.

En fallfilmtrin er mer enn en oppvarmet søyle. Dette er komponentene som avgjør om den fungerer som designet når tilførselen endres.

• Kalander – rørbunke og skal. Rørdiameter, -lengde og overflatekvalitet bestemmer varmeoverflatearealet og trykkfallet, mens skalsiden er utformet for det oppvarmingsmediumet du har valgt.
• Tilførselsfordelingssystem. Det viktigste enkeltkomponenten i en fallfilmdesign: en ujevn fordelingsanordning fører til at noen rør får for lite tilførsel, og et underforsynt rør vil avleire seg.
• Damp-væske-separasjonsbeholder, dimensjonert slik at medriving ikke fører produktet ut sammen med dampen.
• Kondensator, vakuumssystem og kondensathåndtering, tilpasset driftstrykket i det siste trinnet.
• Sirkulasjons- og overføringspumper med sanitære tilkoblinger samt rørledning som holder filmen stabil mellom trinnene.
• Instrumentering: temperatur og trykk ved hver effekt, nivåkontroll på kar og separatorer, strømningsindikasjon og siktkar, samt – ved mat- og farmasiproduksjon – inline-konsentrasjonsmåling.
• Rengjørbarhet: en uttømmbar oppstilling, hygieniske sveiser, tri-clamp-forbindelser og en CIP-rute dimensjonert slik at rengjøring er kort og verifiserbar, ikke basert på gjetning.

Figur 2. Karhode med siktkar og trykkmålere på separasjonskar; filtreringsmodulen med to hus sitter i forgrunnen.

Figur 3. Samme anlegg sett fra drivende enden: varmeveksler på kolonnehodet, produktspumper og samlekar på skiden.

Styringspunkter som avgjør produktkvaliteten

• Maksimal produkttemperatur – bestemt av ditt produkt, ikke av maskinen. Vakuumnivået er den justerbare faktoren som styrer den, og det begrenser alle tilgjengelige temperaturdifferanser nedstrøms.
• Oppholdstid – en enkeltpass-design holder den kort; hver resirkuleringsløkke legger til tid ved temperatur.
• Konsentrasjon per gjennomgang – en høy forholdstall sparer energi, men øker utløpsviskositeten og risikoen for tørre flekker på rørvæggen.
• Tilførselsstabilitet – fordampning er en stasjonær prosess. En tilførsel som svinger i faststoffinnhold eller strømningshastighet vil føre til svingninger i utløpskonsentrasjonen.
• Fouling-margin – overflatearealet du kjøper bør dimensjoneres for drift mellom CIP-sykluser, ikke for å se effektivt ut den første dagen.

Der fallfilmfordampere brukes

• Konsentrasjon av frukt- og grønnsakssaft, der farge og aroma er salgsargumentene
• Melk- og vasserdeltbehandling
• Sukker, glukosesirup og stivelsehydrolysater
• Glyserin og polyoler
• Plantebaserte og urteekstrakter
• Kjemiske mellomprodukter og prosessstrømmer
• Farmasøytiske og biologiske prosessvæsker
• Konsentrasjon av avløpsvann og lekkasje fra matindustrien for null-væskeutslipp-oppdrag

Valg av system: spørsmålene som avgjør utformingen

Ofte stilte spørsmål

Spørsmål: Hva er forskjellen mellom en fallfilm- og en stigende-film-fordamper?

I en stigende film-enhet reiser væsken og dampen oppover sammen, slik at dampen må presse seg gjennom væskekolonnen. I en synkende film-enhet renner produktet nedover på innsiden av røret som en tynn film sammen med dampen, noe som forkorter oppholdstiden, senker den nødvendige temperaturdifferansen og tillater høyere viskositet.

Spørsmål: Kan en synkende film-fordamper håndtere et viskøst produkt?

Opp til et visst punkt. Når viskositeten øker, blir det vanskeligere å holde filmen kontinuerlig, og risikoen for tørre flekker øker. Utenfor dette punktet er det vanlige svaret å bruke en tvungen sirkulasjons-trinn etter den synkende filmen, i stedet for å akseptere en dårlig våt film.

Spørsmål: Hvorfor avtar kapasiteten under en produksjonskampanje?

Nesten alltid på grunn av innblanding (fouling) et sted i prosessrekka, og ofte starter det med fordelingsanordningen for råvaren snarere enn med selve produktet. Hvis fordelingsanordningen ikke fyller alle rørene jevnt, blir de underforsørte rørene først beleggde, og tapet av overflateareal vises som redusert kapasitet.

Spørsmål: Er MVR alltid billigere å drifte?

Nei. MVR overfører kostnaden fra damp til elektrisitet, så det er fordelaktig der damp er dyr eller utilgjengelig og strømtariffen er gunstig. Det inkluderer også kompressorkapitalkostnader og vedlikehold. Sammenligningen bør gjøres i designfasen, med dine faktiske energipriser.

Spørsmål: Hvilket vakuumnivå trenger jeg?

Dette følger av den maksimale temperaturen produktet ditt tåler, ikke av en standardverdi. Når temperaturgrensen er kjent, bestemmes vakuumnivået av kokepunktet til væsken din ved den konsentrasjonen du oppnår.

Spørsmål: Kan én enhet konsentrere flere ulike produkter?

Ja, når den er utformet for det: en uttømmbar oppsett, effektiv CIP (Cleaning-in-Place) og reseptbasert styring er de avgjørende funksjonene. Det du kjøper i så fall er byttehastighet og gjentagelighet, ikke én fast prosesskapasitet.

Snakk med våre prosessingeniører