Evaporator cu film descendent: Ghid de proiectare, eficiență energetică și selecție

EVAPORARE ȘI CONCENTRARE

Evaporatoare cu film căzător: concentrarea lichidelor sensibile la căldură fără a le găti

Concentrarea lichidelor sensibile la căldură fără a le găti – modul de funcționare al evaporării cu film căzător, situațiile în care este superioară evaporării cu film ascendent sau evaporării cu circulație forțată, precum și deciziile care determină calitatea produsului și consumul de abur

Fiecare proiect de concentrare se confruntă cu același conflict: eliminarea apei necesită căldură, iar produsul pe care încercați să-l protejați este exact ceea ce suferă din cauza acelei călduri. Un evaporator cu film descendent rezolvă acest conflict prin aplicarea unui principiu opus celui al unei tăvi de fierbere. În loc să mențină un volum mare la o temperatură constantă timp de ore întregi, el distribuie produsul sub formă de film atât de subțire, încât concentrarea se realizează într-o singură trecere, la o temperatură suportată de produs, iar timpul de ședere se măsoară în secunde.

Acest articol explică ce este un evaporator cu film descendent, cum se situează acesta față de alte tipuri de evaporatoare, cum modifică recomprimarea termică și mecanică a vaporilor, precum și efectul multi-efect, imaginea energetică a procesului, și care sunt întrebările esențiale ce trebuie clarificate înainte de construirea unui astfel de sistem. Echipamentele prezentate în tot articolul provin din construcțiile proprii.

Filmare realizată pe un echipament în funcționare: capul vasului echipat cu senzori, nivelul și debitul vizibile prin geamul de observație, precum și evacuarea produsului către vasul de recepție.

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

Ce face ca evaporarea în film descendent să fie diferită

Produsul este pompat în partea superioară a unui fascicul de tuburi verticale și distribuit astfel încât să curgă în jos pe peretele interior al fiecărui tub sub formă de un film subțire și continuu. Mediul de încălzire – abur, apă caldă sau vapori recomprimăți – circulă pe partea exterioară a tuburilor (în spațiul inelar). Deoarece produsul formează un film, nu o coloană plină cu lichid, vaporii generați pot călători în jos împreună cu el, în loc să fie forțați să urce prin lichid, iar întreaga masă nu trebuie să atingă punctul de fierbere înainte ca evaporarea să înceapă.

• Timp de ședere scurt. Produsul petrece secunde în zona de încălzire, nu ore, astfel încât culoarea, aroma și substanțele active sensibile la căldură supraviețuiesc condițiilor care le-ar degrada într-un cazan.
• Funcționare la temperatură scăzută. Menținerea efectului sub vid scade punctul de fierbere, astfel încât concentrarea are loc la o temperatură aleasă în funcție de produs, nu în funcție de atmosferă.
• O mică diferență de temperatură este suficientă. Filmul care coboară funcționează cu o diferență modestă de temperatură de antrenare între mediul de încălzire și produs – ceea ce face exact posibile aranjamentele cu efect multiplu și recomprimarea vaporilor.
• Reținere scăzută de lichid. O cantitate mică de lichid în sistem înseamnă pornire și oprire rapide, mai puțin produs rămas în sistem la schimbarea regimului de funcționare și mai puțin timp la temperatură când instalația se oprește.
• Comportament superior la alimentări spumante și moderat vâscoase comparativ cu un fascicul inundat, deoarece filmul nu se amestecă.

Unde se potrivește filmul care coboară și unde nu se potrivește

Filmul care coboară nu este soluția potrivită pentru orice sarcină. Diferențele care contează în practică sunt modul în care produsul se deplasează prin zona de încălzire și ce efect are acest lucru asupra timpului de ședere și asupra riscului de incrustare.

Problema energiei: efect multiplu, TVR sau MVR

Evaporarea reprezintă cea mai mare parte a costurilor de exploatare ale unei instalații de concentrare, iar configurația aleasă este în mare parte o problemă legată de utilități, nu una mecanică.

Efecte multiple

Un evaporator cu efect multiplu leagă vasele astfel încât vaporii care se formează într-un efect devin agentul de încălzire pentru efectul următor. Fiecare efect suplimentar reutilizează vaporii care, altfel, ar trebui condensați; prin urmare, cantitatea de abur necesară pe kilogram de apă evaporată scade pe măsură ce se adaugă efecte. Compromisul constă în costul de capital, amprenta spațială și complexitatea sistemului de control – motiv pentru care numărul economic de efecte depinde de prețurile energiei și de durata de funcționare prevăzută a instalației.

Recomprimarea termică a vaporilor (TVR)

Un ejector cu abur preia o parte din vapori și îi recomprimă folosind abur de acționare, ridicându-le presiunea și temperatura suficient de mult pentru a putea fi reutilizați ca agent de încălzire. Este o soluție compactă de reducere a consumului de abur, fără sarcină electrică, iar de obicei este varianta de luat în considerare atunci când aburul de presiune medie este deja disponibil pe amplasament.

Recomprimarea mecanică a vaporilor (MVR)

Un sistem MVR comprimă vaporii cu un ventilator sau un compresor și îi returnează pe partea de încălzire ca sursă principală de căldură. Instalația funcționează astfel în mare parte pe bază de electricitate, în loc de abur, ceea ce este avantajos în zonele unde aburul este scump, indisponibil sau supus reglementărilor, iar tariful pentru electricitate este favorabil. De asemenea, MVR elimină cea mai mare parte a sarcinii condensatorului și a cerinței de apă de răcire ale unei instalații convenționale — un aspect decisiv pentru siturile cu capacitate limitată de răcire sau cu restricții privind evacuarea.

Nu există un răspuns universal cel mai bun. Configurarea potrivită depinde de prețurile utilităților dumneavoastră, de stabilitatea alimentării și de intervalul de reglare (turndown) de care aveți nevoie efectiv. Specificarea unui sistem în jurul unei utilități care ulterior devine rară sau scumpă reprezintă greșeala cea mai frecventă în proiectele de evaporare — iar această decizie se ia pe prima pagină a specificației, nu în timpul punerii în funcțiune.

În interiorul sistemului: modulele care determină performanța

Figura 1. Un tren de evaporare cu film descendent pe suportul său: coloană verticală de evaporare, vase de serviciu și separare, precum și conductele sanitare care leagă etapele.

Un tren de evaporare cu film descendent este mai mult decât o coloană încălzită. Acestea sunt componentele care determină dacă funcționează conform proiectării atunci când se modifică alimentarea.

• Calandria – fascicul de țevi și carcasă. Diametrul, lungimea și starea suprafeței țevilor stabilesc suprafața de transfer termic și căderea de presiune, în timp ce partea exterioară a carcasei este concepută în jurul agentului de încălzire ales.
• Sistemul de distribuție a alimentării. Cel mai important element al unei proiectări cu film descendent: un distribuitor neuniform lasă fără alimentare unele țevi, iar o țeavă lipsită de alimentare se incrustează.
• Vas de separare vapori-lichid, dimensionat astfel încât antrenarea să nu transporte produsul împreună cu vaporii.
• Condensator, sistem de vid și prelucrare a condensatului, adaptate la presiunea de funcționare a ultimului efect.
• Pompe de circulație și transfer cu racorduri sanitare, precum și conductele care mențin stabil filmul între etape.
• Instrumentație: temperatură și presiune la fiecare efect, control al nivelului în vasele și separatoarele, indicare a debitului și geamuri de vizualizare, iar – în aplicațiile alimentare și farmaceutice – măsurare în linie a concentrației.
• Curățare: o configurație cu scurgere, suduri igienice, racorduri tri-clamp și o rută CIP dimensionată astfel încât curățarea să fie rapidă și verificabilă, nu doar presupusă.

Figura 2. Capul vasului cu geamuri de vizualizare și manometre pe vasele de separare; modulul de filtrare cu două carcase este situat în prim-plan.

Figura 3. Aceeași instalație privită din capătul de acționare: schimbătorul de căldură pe capul coloanei, pompele de produs și vasul de colectare montate pe șina de bază.

Punctele de comandă care determină calitatea produsului

• Temperatura maximă a produsului – stabilită de produsul dumneavoastră, nu de mașină. Nivelul de vid este parametrul care o reglează și limitează toate diferențele de temperatură disponibile în aval.
• Timpul de ședere – o concepție cu trecere unică îl menține scurt; fiecare buclă de recirculare adaugă timp la temperatură.
• Concentrația pe trecere – un raport ridicat economisește energie, dar crește vâscozitatea la ieșire și riscul apariției unor zone uscate pe peretele tubului.
• Stabilitatea alimentării – evaporarea este un proces în regim staționar. O alimentare cu variații ale conținutului de substanțe solide sau ale debitului determină variații corespunzătoare ale concentrației la ieșire.
• Marja de încărcare – suprafața de schimb termic achiziționată trebuie dimensionată pentru funcționarea între ciclurile de curățare CIP, nu doar pentru a arăta eficientă în prima zi.

Unde se folosesc evaporatoarele cu film descendent

• Concentrarea sucurilor din fructe și legume, unde culoarea și aroma sunt elementele cheie de comercializare
• Prelucrarea produselor lactate și a zerului
• Zahăr, siropuri de glucoză și hidrolizați de amidon
• Glicerină și polioli
• Extracte vegetale și herbacee
• Intermediari chimici și fluxuri tehnologice
• Lichide din procesele farmaceutice și biologice
• Concentrarea apelor uzate și a lichidelor de percolare din industria alimentară pentru aplicații cu debit zero de efluent lichid

Selectarea unui sistem: întrebările care stabilesc proiectarea

Întrebări frecvente

Î: Care este diferența dintre un evaporator cu film descendent și unul cu film ascendent?

Într-o unitate cu film ascendent, lichidul și vaporii se deplasează împreună în sus, astfel că vaporii trebuie să străpungă coloana de lichid. Într-o unitate cu film descendent, produsul curge în jos pe partea interioară a tubului sub formă de film subțire, împreună cu vaporii, ceea ce scade timpul de ședere, reduce diferența de temperatură necesară și suportă o vâscozitate mai mare.

Î: Un evaporator cu film descendent poate prelucra un produs vâscos?

Până la un anumit punct. Pe măsură ce vâscozitatea crește, menținerea unui film continuu devine mai dificilă, iar riscul apariției unor zone uscate se intensifică. Dincolo de acel punct, soluția obișnuită constă în adăugarea unei etape de circulație forțată după etapa cu film descendent, mai degrabă decât în acceptarea unui film cu umectare slabă.

Î: De ce scade capacitatea pe parcursul unei campanii de producție?

Aproape întotdeauna din cauza încrusterilor care apar undeva în lanțul de procesare, iar adesea acestea încep la nivelul distribuitorului de alimentare, nu al produsului în sine. Dacă distribuitorul nu alimentează uniform toate tuburile, tuburile subalimentate se încrustează mai întâi, iar pierderea de suprafață activă se reflectă în scăderea capacității.

Î: Este MVR întotdeauna mai ieftin de exploatat?

Nu. Sistemul MVR deplasează costul de la abur la electricitate, astfel încât este avantajos în situațiile în care aburul este scump sau indisponibil, iar tariful pentru electricitate este favorabil. De asemenea, implică costuri de capital și întreținere pentru compresor. Compararea trebuie efectuată în faza de proiectare, folosind prețurile reale ale utilităților dumneavoastră.

Î: Ce nivel de vid este necesar?

Acesta rezultă din temperatura maximă pe care produsul dumneavoastră o suportă, nu dintr-o valoare standard. Odată ce limita de temperatură este cunoscută, nivelul de vid se determină în funcție de punctul de fierbere al lichidului dumneavoastră, la concentrația pe care o atingeți.

Î: Poate un singur echipament concentra mai multe produse diferite?

Da, dacă este proiectat în acest scop: o configurație cu golire ușoară, curățare eficientă CIP și control bazat pe rețete sunt caracteristicile esențiale. În acest caz, ceea ce achiziționați este viteza de trecere de la un produs la altul și repetabilitatea acesteia, nu o singură sarcină fixă.

Discutați cu inginerii noștri de proces