Fallfilmavdunstare: Design, energi och urvalsguide

AVDUNSTNING OCH KONCENTRERING

Fallande-filmavdunstare: Koncentrera värmekänsliga vätskor utan att koka dem

Koncentrera värmekänsliga vätskor utan att koka dem – hur fallande-filmavdunstning fungerar, när den är bättre än stigande-film- eller tvångscirkulationsavdunstning, samt de beslut som påverkar både produktkvaliteten och ångkostnaderna

Varje koncentrationsprojekt stöter på samma konflikt: att avlägsna vatten kräver värme, och produkten som du försöker skydda är just den som skadas av denna värme. En fallfilmavdunstare löser konflikten genom att göra tvärtom mot en kokande kastrull. Istället för att hålla en stor volym vid temperatur i flera timmar sprider den produkten ut i en så tunn film att den kan koncentreras i ett enda genomlopp, vid en temperatur som produkten tål, med en verkningsgrad som mäts i sekunder.

Den här artikeln behandlar vad en fallfilmavdunstare är, var den placeras i förhållande till andra typer av avdunstare, hur flerstegs-, termisk och mekanisk ångåtervinning förändrar energibilden, samt vilka frågor som bör lösas innan ett system byggs. Utstyret som visas i hela artikeln kommer från våra egna byggen.

Filmad på en driftsättd enhet: den instrumenterade behållarhuvudet, nivån och flödet genom inspektionsrutan samt produkten som avleds till mottagningstanken.

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

Vad som gör fallfilmavdunstning annorlunda

Produkten pumpas till toppen av en vertikal rörbuntel och fördelas så att den rinner nerför insidan av varje rör som en tunn, sammanhängande film. Värmemediet – ånga, varmt vatten eller återkomprimerad ånga – flödar på skalet sidan. Eftersom produkten utgör en film snarare än en översvämmad kolumn kan ångan som den genererar färdas nedåt tillsammans med den i stället för att tvingas upp genom vätskan, och hela massan behöver inte nå kokpunkten innan avdunstningen börjar.

• Kort verkningsområdestid. Produkten tillbringar sekunder i uppvärmningszonen, inte timmar, så färg, doft och värme-känsliga aktiva ämnen överlever förhållanden som skulle försämra dem i en gryta.
• Drift vid låg temperatur. Att hålla effekten under vakuum sänker kokpunkten, så koncentrationen sker vid en temperatur som väljs utifrån produkten snarare än utifrån atmosfären.
• En liten temperaturskillnad räcker. Fallfilmfungerar med en måttlig drivande temperaturskillnad mellan uppvärmningsmediet och produkten – vilket just är det som gör flerstegs- och ångåterkompressionsanordningar praktiska.
• Låg vätskevolym i systemet. En liten mängd innebär snabb igångkörning och avstängning, mindre produkt kvar i systemet vid omställning samt mindre tid vid temperatur när anläggningen stannar.
• Bättre beteende vid skummade och lätt viskösa påfyllnader än en översvämmad packning, eftersom filmen inte omröras.

Där fallfilm passar – och där den inte gör det

Fallfilm är inte rätt lösning för alla uppgifter. De skillnader som spelar roll i praktiken gäller hur produkten rör sig genom uppvärmningszonen och vad detta innebär för verkningsgrad och risken för föroreningar.

Energifrågan: flereffekts-, TVR- eller MVR-system

Förtätning är där de flesta driftskostnaderna för en förtätanläggning uppstår, och den konfiguration du väljer handlar främst om energikällor snarare än mekanik.

Flereffektsystem

En flereffektsavdunstare kopplar samman behållare så att ångan som avdunstar i en effekt blir uppvärmningsmediet för nästa. Varje ytterligare effekt återanvänder ånga som annars skulle ha kondenserats, så ångförbrukningen per kilogram avdunstat vatten minskar när fler effekter läggs till. Kompromissen är kapitalkostnaden, ytan och styrkomplexiteten – därför beror det ekonomiska antalet effekter på energipriserna och på hur länge anläggningen förväntas köras.

Termisk ångåterkompression (TVR)

En ångstrålpump tar del av ångan och återkomprimerar den med drivånga, vilket höjer dess tryck och temperatur tillräckligt för att återanvända den som uppvärmningsmedium. Det är ett kompakt sätt att minska ångförbrukningen utan elektrisk belastning, och det är vanligtvis alternativet att överväga när mellantrycksånga redan finns tillgänglig på platsen.

Mekanisk ångåterkompression (MVR)

Ett MVR-system komprimerar ångan med en fläkt eller kompressor och återför den till uppvärmningssidan som primär värmekälla. Anläggningen drivs då främst med el istället för ånga, vilket är attraktivt där ånga är dyr, inte tillgänglig eller reglerad, och där eltariffen är fördelaktig. MVR eliminerar också största delen av kondensatorbelastningen och kylvattenbehovet för ett konventionellt system – en avgörande faktor för anläggningar med begränsad kylkapacitet eller utsläppsrestriktioner.

Det finns inget universellt bästa svar. Den rätta anordningen följer dina energipriser, stabiliteten i din påfyllning och den faktiska turndown som krävs. Ett system som specificerats kring en energikälla som senare blir knapp eller dyr är det vanligaste felet i förångningsprojekt – och beslutet fattas på den första sidan i specifikationen, inte under driftsättningen.

Inuti systemet: modulerna som avgör prestandan

Figur 1. En fallfilmavdunstningsanläggning på sin plattform: vertikal avdunstningskolonn, service- och separationsbehållare samt hygienisk rörledning som förbinder stadierna.

En fallfilmansläggning är mer än en uppvärmd kolonn. Detta är de delar som avgör om den fungerar som avsett när försörjningsflödet ändras.

• Kalander – rörpaket och skal. Rördiameter, längd och ytyta bestämmer värmetransferytan och tryckfallet, medan skalsidan är anordnad kring det uppvärmningsmedium du valt.
• Försörjningsfördelningssystem. Den enskilt viktigaste komponenten i en fallfilmskonstruktion: en ojämn fördelare orsakar otillräcklig flöde i vissa rör, och ett underförsörjt rör bildar avlagringar.
• Ånga-vätska-separationsbehållare, dimensionerad så att ångan inte medför produkt med sig vid separeringen.
• Kondensor, vakuumsystem och kondensathandling, anpassade till drifttrycket i den sista effekten.
• Cirkulations- och överföringspumpar med hygieniska anslutningar samt rörledning som säkerställer en stabil film mellan stadierna.
• Instrumentering: temperatur och tryck vid varje effekt, nivåstyrning på kärl och separatorer, flödesindikering och siktfönster samt – vid livsmedels- och läkemedelsanvändning – i-linje-koncentrationsmätning.
• Rengörbarhet: en avtappningsbar layout, hygieniska svetsar, tri-clamp-anslutningar och en CIP-väg dimensionerad så att rengöring är kort och verifierbar snarare än en gissning.

Figur 2. Kärllock med siktfönster och tryckmätare på separatorerna; filtreringsmodulen med två hus sitter i förgrunden.

Figur 3. Samma anläggning sedd från drivänden: värmeväxlare på kolonnlocket, produktuppumpar och insamlingskärlet på skidan.

De styrpunkter som avgör produktkvaliteten

• Maximal produkttemperatur – bestäms av din produkt, inte av maskinen. Vakuumnivån är den reglerbart verktyget som ställer in den och begränsar alla temperaturdifferenser som är tillgängliga nedströms.
• Residensstid – en enda-genomgångsdesign håller den kort; varje återcirkulationsloop adderar tid vid temperatur.
• Koncentration per pass – en hög förhållande sparar energi men ökar utloppets viskositet och risken för torra fläckar på rörets vägg.
• Tillförd materialstabilitet – avdunstning är en stationär process. Om inmatningen varierar i halt av fasta ämnen eller flöde kommer din utlopps-koncentration att variera likaså.
• Fouling-marginal – den yta du köper bör dimensioneras för drift mellan CIP-cyklar, inte för att se effektiv ut den första dagen.

Där fallfilmavdunstare används

• Koncentrering av frukt- och grönsakssaft, där färg och doft är försäljningsargumenten
• Mejeriprodukter och vasslebehandling
• Sockertillverkning, glukossiraper och stärkelsehydrolysater
• Glycerol och polyoler
• Växt- och örtextakter
• Kemiska mellanprodukter och processströmmar
• Farmaceutiska och biologiska processvätskor
• Koncentrering av avloppsvatten och läckvatten från livsmedelsindustrin för uppgifter med nollutsläpp av vätska

Att välja ett system: frågorna som avgör utformningen

Vanliga frågor

Fråga: Vad är skillnaden mellan en fallfilm- och en stigfilmavdunstare?

I en stigande filmenhet färdas vätskan och ångan tillsammans uppåt, så ångan måste trycka sig igenom vätskekolumnen. I en fallande filmenhet rinner produkten nedåt längs insidan av röret som en tunn film tillsammans med ångan, vilket förkortar uppehållstiden, minskar den nödvändiga temperaturskillnaden och tolererar högre viskositet.

Fråga: Kan en fallande filmavdunstare hantera en viskösa produkt?

Till viss del. När viskositeten ökar blir det svårare att bibehålla en sammanhängande film, och risken för torra fläckar ökar. Utöver den punkten är det vanliga svaret att använda ett tvångscirkulationssteg efter den fallande filmen, snarare än att acceptera en dåligt våtande film.

Fråga: Varför minskar kapaciteten under en produktionsserie?

Nästan alltid på grund av avlagring någonstans i processkedjan, och ofta börjar det med fördelningen av råmaterialet snarare än med produkten själv. Om fördelaren inte matar varje rör jämnt, så avlagras det första i de underförsedda rören och minskningen av ytytan visar sig som en minskad kapacitet.

Fråga: Är MVR alltid billigare att driva?

Nej. MVR flyttar kostnaden från ånga till el, så det är fördelaktigt där ånga är dyr eller inte tillgänglig och eltariffen är gynnsam. Det inkluderar också kompressorns investeringskostnad och underhållskostnad. Jämförelsen bör göras i designfasen, med era faktiska energipriser.

Fråga: Vilken vakuumnivå behöver jag?

Detta bestäms av den högsta temperatur som er produkt tål, inte av någon standardnivå. När temperaturlimitet är känt bestäms vakuumnivån av vätskans kokpunkt vid den koncentration ni uppnår.

Fråga: Kan en enhet koncentrera flera olika produkter?

Ja, om den är utformad för detta: en tömningsbar layout, effektiv CIP och receptbaserad styrning är de möjliggörande funktionerna. Vad ni då köper är snabbhet vid byte mellan produkter och upprepelighet snarare än en enda fast kapacitet.

Prata med våra processtekniker