Vyparovacia jednotka s padajúcim filmom: Návod na návrh, energetickú efektívnosť a výber

ODPARENIE A KONCENTRÁCIA

Klesajúce filmové odparovače: Koncentrácia teplom citlivých kvapalín bez ich uvarenia

Koncentrácia teplom citlivých kvapalín bez ich uvarenia – ako funguje odparovanie klesajúcim filmom, kedy je lepšie než stúpajúci film alebo odparovanie so vynútenou cirkuláciou a aké rozhodnutia ovplyvňujú kvalitu vášho výrobku aj vaše náklady na paru

Každý projekt na koncentráciu sa stretáva s rovnakým problémom: odstraňovanie vody vyžaduje teplo, avšak výrobok, ktorý sa snažíte ochrániť, je práve to, čo toto teplo poškodzuje. Klesajúci filmový odparovač tento problém vyrieši tak, že robí opak toho, čo robí hrniec s vriacou kvapalinou. Namiesto toho, aby udržiaval veľké množstvo kvapaliny pri danej teplote po dobu niekoľkých hodín, rozprestiera výrobok do tenkého filmu, ktorý sa môže skoncentrovať v jedinom prechode pri teplote, ktorú výrobok vydrží, a doba pobytu sa meria v sekundách.

Tento článok vysvetľuje, čo je klesajúci filmový odparovač, ako sa umiestňuje v porovnaní s inými typmi odparovačov, ako viacnásobné účinky, tepelné a mechanické rekompresie výparnej pary menia energetický bilanciu a aké otázky je potrebné vyriešiť pred výstavbou systému. Zobrazené zariadenia pochádzajú z našich vlastných výrobných jednotiek.

Natočené na prevádzkovej jednotke: inštrumentovaná hlavička nádoby, hladina a prietok cez pozorovací kruh, a výrobok vypúšťaný do prijímacej nádrže.

Video súbor: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Čo robí odparovanie v padajúcom filme iným

Výrobok sa čerpuje na vrchol zvislého zväzku rúr a rozdeľuje sa tak, že steká po vnútornom povrchu každej rúry ako tenký, nepretržitý film. Ohrievacím prostredím – para, horúca voda alebo rekompresovaná para – preteká priestor okolo rúr. Keďže výrobok tvorí film a nie zaplavený stĺpec, para, ktorú generuje, môže stekať s ním smerom nadol namiesto toho, aby sa musela prebíjať nahor cez kvapalinu, a celá hmota nemusí dosiahnuť bod varu, kým začne odparovanie.

• Krátka doba pobytu. Výrobok strávi v ohrievacej zóne sekundy, nie hodiny, takže farba, vôňa a tepelne citlivé účinné látky prežijú podmienky, ktoré by ich v kotli degradovali.
• Prevádzka pri nízkej teplote. Udržiavanie efektu vo vákuu zníži bod varu, takže koncentrácia prebieha pri teplote vybranej podľa vlastností výrobku, nie podľa atmosférických podmienok.
• Stačí malý rozdiel teplôt. Prúdenie v tenkom závese funguje s miernym pohonným rozdielom teplôt medzi vykurovacím prostredím a produktom – práve to umožňuje praktické využitie viacúčelových usporiadaní a rekompresie pary.
• Nízka náplň kvapaliny. Malá náplň znamená rýchle spustenie a vypnutie, menej produktu uväznutého v systéme pri prechode na iný produkt a kratší čas vystavenia teplote pri zastavení zariadenia.
• Lepšie správanie sa pri penivých a stredne viskóznych prívodných látkach v porovnaní s zaplaveným zväzkom, pretože tenký záves sa neprehadzuje.

Kde sa prúdenie v tenkom závese hodí a kde nie

Prúdenie v tenkom závese nie je vhodné pre každú úlohu. Rozdiely, ktoré majú v praxi význam, sú spôsob pohybu produktu cez vykurovaciu zónu a jeho vplyv na dobu pobytu a riziko zašpinenia.

Otázka energie: viacúčinný systém, TVR alebo MVR

Odparovanie predstavuje najväčšiu položku prevádzkových nákladov koncentračnej stanice a voľba usporiadania je v podstate otázkou dostupných energetických zdrojov, nie mechanického usporiadania.

Viaceré účinky

Viaccí efektový odparovač spája nádoby tak, že výpar, ktorý sa uvoľní v jednom efekte, sa stane vyhrievacím prostredím pre nasledujúci efekt. Každý ďalší efekt opätovne využíva výpar, ktorý by inak musel byť skondenzovaný, a preto sa množstvo páry potrebnej na odparenie jedného kilogramu vody znižuje s pridaním ďalších efektov. Kompenzáciou je kapitálová nákladovosť, priestorová náročnosť a zložitosť riadenia – preto ekonomicky optimálny počet efektov závisí od cien energie a od predpokladanej doby prevádzky zariadenia.

Termická rekompresia výparu (TVR)

Parný tryskový posilňovač odoberie časť výparu a rekompresuje ho pomocou pohonnej páry, čím zvýši jeho tlak a teplotu tak, aby ho bolo možné opätovne využiť ako vyhrievacie prostredie. Je to kompaktné riešenie na zníženie spotreby páry bez elektrickej záťaže a zvyčajne je to možnosť, ktorú treba zvážiť, ak je na mieste už k dispozícii stredotlaková para.

Mechanická rekompresia výparu (MVR)

Systém MVR stlačuje paru ventilátorom alebo kompresorom a vracia ju na stranu ohrevu ako hlavný zdroj tepla. Zariadenie potom funguje predovšetkým na elektrickú energiu namiesto pary, čo je výhodné v prípadoch, keď je para drahá, nedostupná alebo regulovaná, a keď je tarifa za elektrickú energiu výhodná. MVR tiež eliminuje väčšinu chladiacej kapacity kondenzátora a požiadavky na chladiacu vodu konvenčnej jednotky – rozhodujúci faktor pre miesta s obmedzenou chladiacou kapacitou alebo s obmedzeniami pri vypúšťaní.

Neexistuje univerzálna najlepšia odpoveď. Správne usporiadanie závisí od cien energií, stability prívodu suroviny a skutočnej potreby regulácie výkonu nadol. Systém navrhnutý okolo energie, ktorá sa neskôr stane nedostupnou alebo drahou, je najčastejšou chybou v projektoch odparovania – a táto rozhodujúca voľba sa robí už na prvej strane technickej špecifikácie, nie počas uvádzania do prevádzky.

Vo vnútri systému: moduly, ktoré určujú výkon

Obrázok 1. Zariadenie na odparovanie v padajúcom filme na prepravnom podstavci: zvislá odparovacia kolóna, servisné a separačné nádoby a hygienické potrubie, ktoré spája jednotlivé stupne.

Zariadenie na odparovanie v padajúcom filme je viac než len vyhrievaná kolóna. Toto sú časti, ktoré rozhodujú o tom, či sa zariadenie bude správne chovať aj pri zmene prívodu.

• Kalandria – trubkový zväzok a plášť. Priemer, dĺžka a povrchový stav trubiek určujú plochu prenášania tepla a tlakovú stratou, zatiaľ čo usporiadanie na strane plášťa je prispôsobené vybranej vyhrievacej tekutine.
• Systém rozvodu prívodu. Najdôležitejší prvok konštrukcie odparovania v padajúcom filme: nerovnomerný rozdeľovač spôsobuje nedostatok prívodu do niektorých trubiek a trubka s nedostatkom prívodu sa zanáša usadeninami.
• Nádoba na oddelenie pary a kvapaliny, dimenzovaná tak, aby unášanie neviedlo k odneseniu výrobku spolu s parou.
• Kondenzátor, systém vytvárania vákua a manipulácia s kondenzátom, prispôsobené prevádzkovému tlaku posledného stupňa.
• Cirkulačné a prečerpávacie čerpadlá s hygienickými pripojeniami a potrubie, ktoré udržiava stabilitu filmu medzi jednotlivými stupňami.
• Prístrojové vybavenie: teplota a tlak v každom efekte, regulácia hladiny v nádobách a separátoroch, indikácia prietoku a pozorovacie sklenené okná, a – pri potravinárskych a farmaceutických aplikáciách – kontinuálny meranie koncentrácie v prúde.
• Čistiteľnosť: odvodniteľné usporiadanie, hygienické zvárané spojenia, trojkomponentové kliešťové spojenia a CIP trasa navrhnutá tak, aby čistenie bolo krátke a overiteľné, nie odhadované.

Obrázok 2. Horná časť nádoby so sklenenými pozorovacími oknami a manometrami na separačných nádobách; filtrácia s dvoma kôšmi je umiestnená v popredí.

Obrázok 3. Rovnaká inštalačná jednotka z pohľadu pohonnej strany: výmenník tepla na vrchole stĺpca, čerpadlá pre produkt a zbieracia nádoba na podvozku.

Regulačné body, ktoré rozhodujú o kvalite produktu

• Maximálna teplota produktu – určuje ju váš produkt, nie stroj. Úroveň vákua je regulátorom tejto teploty a obmedzuje všetky dostupné teplotné rozdiely v nasledujúcich stupňoch.
• Doba pobytu – jednoprechodový dizajn ju udržiava krátku; každá recirkulačná slučka predlžuje dobu pôsobenia teploty.
• Koncentrácia na prechod – vysoký pomer šetrí energiu, ale zvyšuje viskozitu výstupu a riziko suchých miest na stene trubice.
• Stabilita prívodu – odparovanie je ustálený proces. Ak sa obsah tuhých látok alebo prietok prívodu menia, mení sa aj koncentrácia výstupu.
• Zásoba proti znečisteniu – plocha, ktorú zakúpite, by mala byť dimenzovaná tak, aby zariadenie fungovalo medzi čisteniami CIP, nie aby vyzeralo efektívne v prvý deň.

Kde sa používajú odparovače s padajúcim filmom

• Koncentrácia džúsov z ovocia a zeleniny, kde predajnou hodnotou sú farba a vôňa
• Spracovanie mliečnych výrobkov a syroviny
• Cukor, glukózové sirupy a škrobové hydrolizáty
• Glycerín a polyoly
• Rastlinné a bylinné extrakty
• Chemické medziprodukty a technologické prúdy
• Farmaceutické a biologické procesné kvapaliny
• Konzentrácia odpadových vôd a výluhov z potravinárskeho priemyslu pre úlohy s nulovým výstupom kvapalín

Výber systému: otázky, ktoré určujú návrh

Často kladené otázky

Q: Aký je rozdiel medzi padajúcim a stúpajúcim filmovým odparovačom?

V jednotke s vystupujúcim filmom sa kvapalina a para pohybujú spoločne smerom nahor, takže para musí prenikať cez stĺpec kvapaliny. V jednotke s zostupujúcim filmom sa produkt pohybuje po vnútornom povrchu trubice ako tenký film spolu s parou, čo skracuje dobu pobytu, zníži rozdiel teplôt potrebný na odparovanie a umožňuje spracovávať viskóznejšie produkty.

Otázka: Dokáže odparovač so zostupujúcim filmom spracovať viskózny produkt?

Do určitej miery áno. So zvyšujúcou sa viskozitou sa film stáva ťažšie udržateľným nepretržitým a rastie riziko vzniku suchých miest. Za týmto bodom je bežnou odpoveďou pridané stupňovanie s núteným obehom za jednotkou so zostupujúcim filmom namiesto akceptovania zle zmáčaného filmu.

Otázka: Prečo sa výkon postupne znižuje počas výrobnej kampane?

Takmer vždy je to spôsobené usadzovaním nečistôt niekde v systéme, často začínajúcim pri rozvádzaní prívodu namiesto samotného produktu. Ak rozvádzač nezabezpečuje rovnomerný prívod do každej trubice, najskôr sa usadzujú nevyužívané trubice a strata plochy sa prejaví poklesom výkonu.

Otázka: Je MVR vždy lacnejšie prevádzkovať?

Nie. MVR presúva náklady zo zásobovania parou na elektrickú energiu, preto je výhodný tam, kde je para drahá alebo nedostupná a tarify za elektrinu sú výhodné. Zároveň zahŕňa kapitálové náklady na kompresor a jeho údržbu. Porovnanie patrí do fázy návrhu spolu s vašimi skutočnými cenami energií.

Otázka: Aký výkonnostný podtlak potrebujem?

Toto vyplýva z maximálnej teploty, ktorú váš výrobok vydrží, nie z nejakej štandardnej hodnoty. Keď je známa hranica teploty, úroveň podtlaku sa určí podľa bodu varu vašej kvapaliny pri dosahovanom stupni koncentrácie.

Otázka: Môže jeden zariadenie koncentrovať niekoľko rôznych výrobkov?

Áno, ak je tak navrhnuté: odvodniteľné usporiadanie, účinná čistenie v prevádzke (CIP) a riadenie založené na receptoch sú kľúčovými funkciami. V tomto prípade zakúpite nielen rýchlosť prepnutia medzi výrobkami, ale aj opakovateľnosť procesu, nie len jednu pevne stanovenú kapacitu.

Porozprávajte sa s našimi technikmi pre procesné inžinierstvo