Parownik typu falling film: przewodnik po projektowaniu, zużyciu energii i doborze

PAROWANIE I KONCENTRACJA

Parowniki z opadającą warstwą cieczy: koncentracja cieczy wrażliwych na ciepło bez ich gotowania

Koncentracja cieczy wrażliwych na ciepło bez ich gotowania – jak działa parowanie z opadającą warstwą cieczy, kiedy jest lepsze niż parowanie z wznoszącą się warstwą cieczy lub parowanie z wymuszonym obiegiem oraz jakie decyzje wpływają na jakość produktu i zużycie pary

Każdy projekt koncentracji napotyka ten sam konflikt: usunięcie wody wymaga ciepła, a produkt, który próbujesz chronić, to właśnie to, co ciepło uszkadza. Parownik z opadającą warstwą cieczy rozwiązuje ten konflikt w sposób odmienny od garnka gotującego. Zamiast utrzymywać dużą objętość cieczy w stałej temperaturze przez godziny, rozprowadza produkt w tak cienką warstwę cieczy, że koncentracja zachodzi w jednym przejściu, w temperaturze tolerowanej przez produkt, a czas przebywania produktu w aparacie mierzony jest w sekundach.

Ten artykuł omawia, czym jest parownik typu falling film, jak wpisuje się on w zestaw innych typów parowników, jak wieloefektowe, termiczne i mechaniczne rekompresje pary wpływają na zużycie energii oraz jakie pytania warto rozstrzygnąć przed budową systemu. Pokazane na nim urządzenia pochodzą z naszych własnych konstrukcji.

Nagranie wykonano na działającej jednostce: wyposażona głowa zbiornika, poziom i przepływ przez szybę obserwacyjną oraz odpływ produktu do zbiornika odbiorczego.

Plik wideo: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Co czyni parowanie typu falling film wyjątkowym

Produkt jest pompowany na górę pionowego wiązki rurek i rozprowadzany tak, że spływa w dół po wewnętrznej ścianie każdej rurki w postaci cienkiej, ciągłej warstwy. Środowisko grzewcze – para wodna, gorąca woda lub skompresowana ponownie para – przepływa po stronie płaszcza. Ponieważ produkt tworzy warstwę ciekłą, a nie wypełnia kolumnę całkowicie, para wytworzona z niego może poruszać się w dół razem z nim, zamiast przebijać się w górę przez ciecz, a cała masa nie musi osiągnąć temperatury wrzenia przed rozpoczęciem parowania.

• Krótki czas przebywania. Produkt pozostaje w strefie ogrzewania przez sekundy, a nie godziny, dzięki czemu barwa, aromat oraz substancje czynne wrażliwe na ciepło przetrwają warunki, które w kotłach doprowadziłyby je do degradacji.
• Praca w niskiej temperaturze. Utrzymanie pod próżnią obniża temperaturę wrzenia, więc koncentracja zachodzi w temperaturze dobrano do właściwości produktu, a nie do warunków atmosferycznych.
• Wystarczy niewielka różnica temperatur. Praca w układzie cienkiej warstwy opiera się na umiarkowanej różnicy temperatur między nośnikiem ciepła a produktem – właśnie to czyni układy wieloefektowe i układy z rekompresją pary praktycznymi.
• Niski poziom zawartości cieczy w urządzeniu. Mała ilość cieczy oznacza szybkie uruchamianie i zatrzymywanie, mniejszą ilość produktu pozostającego w systemie podczas zmiany przeznaczenia oraz krótszy czas przebywania produktu w temperaturze przy zatrzymaniu instalacji.
• Lepsza odporność na produkty pianujące i o umiarkowanej lepkości niż wiązka całkowicie zalana, ponieważ cienka warstwa nie ulega intensywnemu mieszaniu.

Gdzie układ cienkiej warstwy jest stosowny, a gdzie nie jest

Układ cienkiej warstwy nie jest odpowiedzią na każde zadanie. Kluczowe różnice w praktyce dotyczą sposobu przemieszczania się produktu przez strefę ogrzewania oraz wpływu tego procesu na czas przebywania i ryzyko zakorzenienia.

Kwestia energii: wielokrotny efekt, TVR lub MVR

Odparowywanie stanowi największą część kosztów eksploatacji zakładu do zagęszczania, a wybrany układ zależy głównie od dostępności mediów roboczych, a nie od rozwiązań mechanicznych.

Wielokrotne efekty

Wieloczynnikowy parownik łączy zbiorniki w taki sposób, że para wytworzona w jednym czynniku staje się medium grzewczym dla następnego. Każdy dodatkowy czynnik ponownie wykorzystuje parę, która w przeciwnym razie musiałaby zostać skondensowana, więc zużycie pary na kilogram odparowanej wody maleje wraz ze zwiększaniem liczby czynników. Kompromisem jest koszt inwestycyjny, powierzchnia zajmowana oraz złożoność sterowania – dlatego optymalna liczba czynników zależy od cen energii oraz przewidywanego czasu eksploatacji instalacji.

Termiczne rekompresyjne odparowanie pary (TVR)

Wzmacniacz parowy strumieniowy pobiera część pary i rekompresuje ją za pomocą pary napędowej, podnosząc jej ciśnienie i temperaturę na poziom wystarczający do ponownego wykorzystania jako medium grzewczego. Jest to kompaktowa metoda redukcji zużycia pary bez obciążenia elektrycznego i zwykle stanowi rozwiązanie do rozważenia, gdy na miejscu jest już dostępna para średniego ciśnienia.

Mechaniczne rekompresyjne odparowanie pary (MVR)

System MVR spręża parę za pomocą wentylatora lub sprężarki i zwraca ją na stronę grzewczą jako główny źródło ciepła. Instalacja działa wówczas głównie na prąd elektryczny zamiast na parę, co jest atrakcyjne tam, gdzie para jest droga, niedostępna lub podlega regulacjom, a taryfa na energię elektryczną jest korzystna. MVR eliminuje również większość obciążenia skraplacza oraz zapotrzebowania na wodę chłodzącą w konwencjonalnym układzie – to decydujący czynnik dla lokalizacji o ograniczonej zdolności chłodzenia lub z ograniczeniami dotyczącymi odprowadzania wody.

Nie ma jednej uniwersalnie najlepszej odpowiedzi. Odpowiedni układ zależy od cen mediów energetycznych, stabilności dopływu surowca oraz rzeczywistego zakresu regulacji mocy (turndown). Najczęstszym błędem w projektach odparowywania jest określenie systemu w oparciu o nośnik energii, który później staje się niedostępny lub zbyt drogi – decyzja ta jest podejmowana już na pierwszej stronie specyfikacji, a nie w trakcie uruchamiania.

Wewnątrz systemu: moduły decydujące o wydajności

Rysunek 1. Zespół parownika z warstwą spływającą na podstawie: pionowa kolumna parownicza, zbiorniki pomocnicze i separacyjne oraz rurociągi sanitarne łączące poszczególne stopnie.

Zespół parownika z warstwą spływającą to więcej niż tylko nagrzana kolumna. To właśnie te elementy decydują o tym, czy urządzenie będzie działać zgodnie z założeniami po zmianie podawanej substancji.

• Kalandyria – wiązka rur i płaszcz. Średnica, długość i stan powierzchni rur określają powierzchnię wymiany ciepła oraz spadek ciśnienia, podczas gdy przestrzeń pomiędzy płaszczem a rurami jest zaprojektowana z uwzględnieniem wybranego medium grzewczego.
• System rozprowadzania podawanej substancji. Najważniejszy element konstrukcji parownika z warstwą spływającą: nieregularny rozdzielacz powoduje niedobór substancji w niektórych rurach, a rura z niedoborem osadza się.
• Zbiornik separacji pary i cieczy, dobrany tak, aby unoszenie kropel nie powodowało wypływu produktu razem z parą.
• Skraplacz, układ próżniowy i system odprowadzania skroplin, dopasowane do ciśnienia roboczego ostatniego stopnia.
• Pompy obiegowe i transferowe z połączeniami sanitarnymi oraz rurociągi utrzymujące stabilną warstwę spływającą między poszczególnymi stopniami.
• Instrumentacja: temperatura i ciśnienie w każdym stopniu, kontrola poziomu w zbiornikach i separatorach, wskazanie przepływu oraz szyby obserwacyjne oraz – w zastosowaniach spożywczych i farmaceutycznych – pomiar stężenia w linii.
• Możliwość czyszczenia: układ umożliwiający odpływ, spawanie higieniczne, połączenia typu tri-clamp oraz ścieżka CIP dobrana tak, aby czyszczenie było krótkotrwałe i weryfikowalne, a nie oparte na domysłach.

Rysunek 2. Pokrywa zbiornika ze szkłami obserwacyjnymi i manometrami na separatorach; moduł filtracji z dwoma obudowami znajduje się na pierwszym planie.

Rysunek 3. Ten sam zestaw z końca napędu: wymiennik ciepła na głowicy kolumny, pompy produktowe oraz zbiornik zbiorczy na podwoziu.

Punkty sterowania decydujące o jakości produktu

• Maksymalna temperatura produktu – ustalana przez właściwości produktu, a nie przez maszynę. Poziom próżni stanowi dźwignię jej regulacji i ogranicza każdą dostępną różnicę temperatur w dalszej części układu.
• Czas przebywania – konstrukcja jednopasmowa zapewnia jego krótki czas; każda pętla cyrkulacji wydłuża czas przebywania przy danej temperaturze.
• Stężenie na przejście – wysoka wartość tego współczynnika pozwala zaoszczędzić energię, ale zwiększa lepkość strumienia wyjściowego oraz ryzyko powstania suchych obszarów na ścianie rury.
• Stabilność dopływu – odparowanie to proces ustalony. Nieustanne wahania zawartości stałych lub przepływu w dopływie powodują odpowiednie wahania stężenia strumienia wyjściowego.
• Margines zaklejania – powierzchnia robocza wymiennika powinna być dobrana tak, aby urządzenie mogło pracować w sposób nieprzerwany pomiędzy cyklami czyszczenia CIP, a nie tylko wyglądać efektywnie w pierwszym dniu eksploatacji.

Gdzie stosuje się parowniki typu falling film

• Konsolidacja soków z owoców i warzyw, gdzie barwa i aromat stanowią główną cechę decydującą o sprzedaży
• Przetwarzanie mleka i serwatki
• Cukier, syropy glukozowe oraz hydrolizaty skrobi
• Gliceryna i poliole
• Ekstrakty roślinne i ziołowe
• Pośredniki chemiczne oraz strumienie technologiczne
• Ciecze procesowe farmaceutyczne i biologiczne
• Konsolidacja ścieków przemysłu spożywczego i wycieku w celu zastosowań z zerowym odpływem cieczy

Wybór systemu: pytania decydujące o projektowaniu

Często zadawane pytania

Pytanie: Jaka jest różnica między parownikiem z warstwą spływającą a parownikiem z warstwą wznoszącą?

W jednostce z wznoszącą się warstwą ciecz i para poruszają się razem do góry, więc para musi przebijać się przez kolumnę cieczy. W jednostce z opadającą warstwą produkt przepływa w dół wnętrza rury jako cienka warstwa wraz z parą, co skraca czas przebywania, zmniejsza wymaganą różnicę temperatur oraz pozwala na przetwarzanie bardziej lepkich produktów.

P: Czy parownik z opadającą warstwą może przetwarzać lepkie produkty?

Do pewnego stopnia. W miarę wzrostu lepkości trudniej utrzymać ciągłą warstwę, a ryzyko powstawania suchych obszarów rośnie. Powyżej tego punktu typowym rozwiązaniem jest dodanie etapu obiegowego wymuszonego po etapie z opadającą warstwą, zamiast akceptować nieodpowiednio zwilżaną warstwę.

P: Dlaczego wydajność spada w trakcie kampanii produkcyjnej?

Prawie zawsze powodem jest zakurzanie (osadzanie się osadów) w którymś miejscu układu, a najczęściej zaczyna się ono od rozprowadzania surowca, a nie od samego produktu. Jeśli rozdzielacz nie doprowadza surowca równomiernie do każdej rury, to najpierw zakurzają się rury niedopływowe, a utrata powierzchni roboczej objawia się spadkiem wydajności.

P: Czy system MVR zawsze jest tańszy w eksploatacji?

Nie. System MVR przesuwa koszty z pary wodnej na energię elektryczną, więc jest opłacalny tam, gdzie para wodna jest droga lub niedostępna, a taryfa za energię elektryczną korzystna. Ponadto obejmuje on koszty inwestycyjne i konserwacji sprężarki. Porównanie należy przeprowadzić w fazie projektowania, przy użyciu rzeczywistych cen mediów.

Pytanie: Jakiego poziomu próżni potrzebuję?

Poziom ten wynika z maksymalnej temperatury, jaką wytrzymuje Twój produkt, a nie z ustalonej wartości standardowej. Gdy znana jest graniczna temperatura, poziom próżni określa się na podstawie temperatury wrzenia Twojej cieczy przy osiąganym stopniu zagęszczenia.

Pytanie: Czy jedna jednostka może zagęszczać kilka różnych produktów?

Tak, o ile została zaprojektowana w tym celu: układ odpływowy, skuteczne czyszczenie w miejscu (CIP) oraz sterowanie oparte na przepisach to kluczowe cechy umożliwiające takie zastosowanie. W takim przypadku zakupisz przede wszystkim szybkość przełączania między produktami oraz powtarzalność procesu, a nie pojedynczą, stałą wydajność.

Skontaktuj się z naszymi inżynierami procesowymi