Пленочный испаритель с нисходящей пленкой: руководство по проектированию, энергопотреблению и выбору

ИСПАРЕНИЕ И КОНЦЕНТРАЦИЯ

Эвапораторы с нисходящей пленкой: концентрирование термолабильных жидкостей без их термического разрушения

Концентрирование термолабильных жидкостей без их термического разрушения — как работает эвапорация с нисходящей пленкой, в каких случаях она предпочтительнее эвапорации с восходящей пленкой или принудительной циркуляцией, а также какие решения определяют качество конечного продукта и расход пара

Каждый проект концентрации сталкивается с одной и той же дилеммой: удаление воды требует тепла, однако именно это тепло повреждает тот продукт, который необходимо сохранить. Эвапоратор с нисходящей пленкой решает эту дилемму, действуя противоположно кипящему сосуду. Вместо того чтобы удерживать большой объём жидкости при повышенной температуре в течение нескольких часов, он распределяет продукт в тонкую плёнку, позволяющую провести концентрацию за один проход при температуре, переносимой продуктом, а время пребывания в зоне нагрева измеряется секундами.

В этой статье рассматривается, что такое пленочный испаритель с нисходящей пленкой, как он соотносится с другими типами испарителей, как многоступенчатые, термические и механические системы рекомпрессии пара изменяют энергетический баланс, а также какие вопросы следует решить до проектирования и строительства установки. Все оборудование, показанное на иллюстрациях, изготовлено нами.

Съемка на действующей установке: инструментированная крышка аппарата, уровень и расход продукта через смотровое стекло, а также слив продукта в приемный резервуар.

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

Что делает пленочное испарение с нисходящей пленкой особенным

Продукт подаётся в верхнюю часть вертикального пучка труб и распределяется таким образом, что стекает по внутренней стенке каждой трубы в виде тонкой непрерывной плёнки. Теплоноситель — пар, горячая вода или рекомпрессированный пар — циркулирует в межтрубном пространстве. Поскольку продукт образует плёнку, а не заполняет колонну полностью, пар, выделяющийся из него, может двигаться вниз вместе с продуктом, а не пробиваться сквозь жидкость снизу вверх; при этом вся масса не должна достигать температуры кипения до начала испарения.

• Короткое время пребывания. Продукт находится в зоне нагрева всего несколько секунд, а не часов, поэтому цвет, аромат и термолабильные активные компоненты сохраняются даже в условиях, которые привели бы к их деградации в котле.
• Работа при низкой температуре. Поддержание вакуума снижает температуру кипения, поэтому концентрация осуществляется при температуре, выбранной исходя из свойств продукта, а не атмосферного давления.
• Небольшая разница температур достаточна. Плёночный испаритель работает при умеренной движущей разнице температур между нагревающей средой и продуктом — именно это делает многоступенчатые испарители и установки с рекомпрессией пара практически применимыми.
• Низкий объём жидкости в аппарате. Небольшой запас обеспечивает быстрый пуск и остановку, меньшее количество продукта, остающегося в системе при смене режима, и сокращает время пребывания продукта при повышенной температуре при остановке завода.
• Лучше справляется с пенообразующими и умеренно вязкими исходными материалами по сравнению с затопленным пучком труб, поскольку плёнка не перемешивается.

Где плёночный испаритель подходит, а где — нет

Плёночный испаритель не является универсальным решением для всех задач. На практике ключевыми различиями являются способ перемещения продукта в зоне нагрева и его влияние на время пребывания и риск образования отложений.

Вопрос энергоснабжения: многоступенчатое испарение, термокомпрессия (TVR) или механическая парокомпрессия (MVR)

Испарение — это стадия, на которой сосредоточена основная часть эксплуатационных затрат завода по концентрированию, а выбор схемы в первую очередь определяется доступностью коммунальных ресурсов, а не механическими особенностями оборудования.

Многоступенчатое испарение

Многокорпусный испаритель соединяет корпуса таким образом, что пар, образующийся при кипении в одном корпусе, становится теплоносителем для следующего. Каждый дополнительный корпус повторно использует пар, который в противном случае пришлось бы конденсировать, поэтому расход пара на килограмм испаряемой воды снижается по мере увеличения числа корпусов. Компромисс заключается в капитальных затратах, занимаемой площади и сложности управления — именно поэтому экономически оправданное число корпусов зависит от цен на энергию и предполагаемого срока эксплуатации установки.

Термическая рекомпрессия пара (TVR)

Струйный паровой компрессор забирает часть пара и рекомпрессирует его с помощью рабочего пара, повышая его давление и температуру до уровня, достаточного для повторного использования в качестве теплоносителя. Это компактный способ сокращения расхода пара без потребления электроэнергии, и обычно он рассматривается как вариант, когда на объекте уже имеется пар среднего давления.

Механическая рекомпрессия пара (MVR)

Система МВР сжимает пар при помощи вентилятора или компрессора и возвращает его на сторону нагрева в качестве основного источника тепла. В результате установка работает преимущественно на электроэнергии вместо пара — это выгодно там, где пар дорогой, недоступен или регулируется, а тариф на электроэнергию выгодный. Кроме того, МВР устраняет большую часть нагрузки на конденсатор и потребность в охлаждающей воде по сравнению с традиционной установкой — это решающий фактор для площадок с ограниченными возможностями охлаждения или ограничениями на сброс.

Универсального оптимального решения не существует. Правильная конфигурация определяется ценами на коммунальные ресурсы, стабильностью исходного потока и фактическим требуемым диапазоном регулирования мощности. Наиболее распространённая ошибка в проектах испарителей — выбор системы, ориентированной на коммунальный ресурс, который впоследствии становится дефицитным или дорогим; такая ошибка совершается уже на первой странице технического задания, а не во время пусконаладочных работ.

Внутри системы: модули, определяющие производительность

Рисунок 1. Установка для испарения плёнки в вертикальном испарительном колонне на раме: вертикальная испарительная колонна, вспомогательные и сепарационные сосуды, а также санитарные трубопроводы, соединяющие ступени.

Установка для испарения плёнки — это не просто нагреваемая колонна. Именно эти компоненты определяют, будет ли она работать в соответствии с расчётными параметрами при изменении подаваемого сырья.

• Каландрия — пучок труб и корпус. Диаметр, длина и состояние поверхности труб задают площадь теплопередачи и перепад давления, тогда как пространство за оболочкой (shell side) организовано под выбранный вами теплоноситель.
• Система распределения подачи. Самый важный элемент конструкции испарителя плёнки: неравномерное распределение приводит к недостаточному заполнению некоторых труб, а незаполненная труба подвержена образованию накипи.
• Сосуд для сепарации парожидкостной смеси, рассчитанный так, чтобы унос не выносил продукт вместе с паром.
• Конденсатор, вакуумная система и система отвода конденсата, согласованные с рабочим давлением последней ступени.
• Циркуляционные и перекачивающие насосы с санитарными соединениями, а также трубопроводы, обеспечивающие стабильность плёнки между ступенями.
• Контрольно-измерительные приборы: измерение температуры и давления на каждом эффекте, контроль уровня в сосудах и сепараторах, индикация расхода и смотровые стёкла, а также — при пищевых и фармацевтических задачах — измерение концентрации в потоке.
• Очистка: конструкция с возможностью полного слива, гигиенические сварные соединения, трикламповые фланцы и маршрут CIP, рассчитанный так, чтобы время очистки было коротким и поддающимся верификации, а не основанным на предположениях.

Рисунок 2. Крышка сосуда с смотровыми стёклами и манометрами на сепарационных сосудах; модуль фильтрации с двумя корпусами расположен на переднем плане.

Рисунок 3. Та же установка, вид со стороны привода: теплообменник на головке колонны, насосы для продукта и сборный сосуд на раме-скиде.

Контрольные точки, определяющие качество продукта

• Максимальная температура продукта — задаётся свойствами самого продукта, а не возможностями оборудования. Уровень вакуума является регулирующим параметром, определяющим эту температуру, и он ограничивает все доступные перепады температур на последующих участках.
• Время пребывания — однопроходная конструкция обеспечивает его минимальную продолжительность; каждый контур рециркуляции увеличивает время пребывания при повышенной температуре.
• Концентрация за проход — высокое соотношение экономит энергию, но повышает вязкость на выходе и риск образования сухих участков на стенке трубы.
• Стабильность подачи — испарение является процессом стационарного состояния. Колебания содержания сухих веществ или расхода в подаваемом потоке вызывают соответствующие колебания концентрации на выходе.
• Запас по обрастанию — площадь поверхности, которую вы приобретаете, должна быть рассчитана на работу между циклами очистки CIP, а не на то, чтобы выглядеть эффективной в первый день.

Где применяются пленочные испарители с нисходящей пленкой

• Концентрирование соков из фруктов и овощей, где цвет и аромат являются ключевыми потребительскими характеристиками
• Переработка молочных продуктов и сыворотки
• Сахар, глюкозные сиропы и гидролизаты крахмала
• Глицерин и полиолы
• Экстракты растений и лекарственных трав
• Химические промежуточные продукты и технологические потоки
• Фармацевтические и биологические технологические жидкости
• Концентрация сточных вод и выщелачиваемых растворов пищевой промышленности для задач нулевого сброса жидкости

Выбор системы: вопросы, определяющие проектирование

Часто задаваемые вопросы

В: В чём разница между испарителем со стекающей и восходящей плёнкой?

В подъёмном плёночном аппарате жидкость и пар движутся вверх совместно, поэтому пару приходится преодолевать столб жидкости. В нисходящем плёночном аппарате продукт стекает по внутренней поверхности трубки в виде тонкой плёнки вместе с паром, что сокращает время пребывания, снижает необходимую разность температур и допускает более высокую вязкость.

В: Может ли нисходящий плёночный испаритель обрабатывать вязкий продукт?

До определённого предела. По мере роста вязкости плёнка становится труднее поддерживать непрерывной, а риск образования сухих участков возрастает. За этим пределом типичным решением становится ступень принудительной циркуляции после нисходящей плёнки, а не допущение плохого смачивания плёнки.

В: Почему производительность снижается в течение производственной кампании?

Почти всегда — из-за загрязнения (фулинга) где-то в линии; зачастую оно начинается с распределения исходного сырья, а не с самого продукта. Если распределитель не обеспечивает равномерную подачу во все трубки, то трубки с недостаточным потоком загрязняются первыми, и потеря площади поверхности проявляется как снижение производительности.

В: Является ли MVR всегда более дешёвым в эксплуатации?

Нет. Система MVR переносит затраты с пара на электроэнергию, поэтому она выгодна там, где пар дорогой или недоступен, а тариф на электроэнергию благоприятный. Кроме того, в стоимость включены капитальные затраты на компрессор и его техническое обслуживание. Сравнение следует проводить на стадии проектирования с учётом ваших реальных цен на коммунальные услуги.

В.: Какой уровень вакуума мне необходим?

Он определяется максимальной температурой, которую выдерживает ваш продукт, а не каким-либо стандартным значением. Как только предельная температура известна, требуемый уровень вакуума рассчитывается исходя из температуры кипения вашей жидкости при достигаемой концентрации.

В.: Можно ли одним аппаратом концентрировать несколько различных продуктов?

Да, если он спроектирован для этой цели: наличие сливной конструкции, эффективная система CIP и управление по рецептам — вот ключевые функции. В этом случае вы приобретаете скорость перехода между продуктами и воспроизводимость процесса, а не фиксированную однозадачную производительность.

Обратитесь к нашим инженерам-технологам