เครื่องระเหยแบบฟิล์มไหลลง: คู่มือการออกแบบ การใช้พลังงาน และการเลือกใช้งาน

การระเหยและการเข้มข้น

เครื่องระเหยแบบฟิล์มไหลลง: การเข้มข้นของของเหลวที่ไวต่อความร้อนโดยไม่ทำให้สุก

การเข้มข้นของของเหลวที่ไวต่อความร้อนโดยไม่ทำให้สุก — หลักการทำงานของการระเหยแบบฟิล์มไหลลง สถานการณ์ที่เหมาะสมกว่าแบบฟิล์มไหลขึ้นหรือแบบไหลเวียนบังคับ และการตัดสินใจสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์และค่าใช้จ่ายด้านไอน้ำ

โครงการเข้มข้นทุกโครงการต้องเผชิญกับปัญหาเดียวกัน: การกำจัดน้ำจำเป็นต้องใช้ความร้อน แต่ผลิตภัณฑ์ที่คุณพยายามรักษาไว้กลับเป็นสิ่งที่ความร้อนนั้นทำลาย ระบบระเหยแบบฟิล์มไหลลง (falling film evaporator) แก้ปัญหานี้โดยทำงานตรงข้ามกับกระทะต้มทั่วไป แทนที่จะเก็บปริมาตรของสารไว้ที่อุณหภูมิหนึ่งเป็นเวลาหลายชั่วโมง ระบบนี้จะกระจายสารให้เป็นฟิล์มบางพอที่จะเข้มข้นได้ในครั้งเดียว ที่อุณหภูมิซึ่งสารสามารถทนได้ และระยะเวลาที่สารอยู่ในระบบ (residence time) วัดเป็นวินาที

บทความนี้อธิบายว่าระบบระเหยแบบฟิล์มไหลลงคืออะไร ตำแหน่งของมันเมื่อเทียบกับระบบระเหยประเภทอื่น ๆ วิธีที่การระเหยแบบหลายขั้นตอน (multi-effect) การนำไอน้ำกลับมาใช้ใหม่ด้วยความร้อน (thermal vapour recompression) และด้วยเครื่องจักร (mechanical vapour recompression) เปลี่ยนภาพรวมด้านพลังงานอย่างไร รวมถึงคำถามสำคัญที่ควรตอบให้ชัดเจนก่อนเริ่มสร้างระบบทั้งระบบ อุปกรณ์ที่แสดงในบทความนี้ทั้งหมดมาจากงานผลิตของเราเอง

ถ่ายทำขณะระบบกำลังทำงาน: ส่วนฝาครอบภาชนะที่ติดตั้งเซนเซอร์, ระดับและอัตราการไหลที่มองเห็นผ่านกระจกสังเกต, และผลิตภัณฑ์ที่ไหลออกสู่ถังรับ

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

สิ่งที่ทำให้การระเหยแบบฟิล์มไหลลงแตกต่างออกไปคืออะไร

ผลิตภัณฑ์ถูกปั๊มขึ้นไปยังส่วนบนของชุดท่อแนวตั้ง และกระจายให้ไหลลงตามผนังด้านในของท่อแต่ละเส้นเป็นฟิล์มบางๆ อย่างต่อเนื่อง ตัวกลางให้ความร้อน — ไอน้ำ น้ำร้อน หรือไอที่ถูกบีบอัดใหม่ — ไหลผ่านด้านนอกของท่อ (shell side) เนื่องจากผลิตภัณฑ์อยู่ในรูปของฟิล์ม ไม่ใช่คอลัมน์ที่เต็มไปด้วยของเหลว (flooded column) ไอที่เกิดขึ้นจึงสามารถไหลลงตามฟิล์มได้แทนที่จะต้องดันตัวขึ้นผ่านของเหลว และมวลทั้งหมดจึงไม่จำเป็นต้องถึงจุดเดือดก่อนเริ่มกระบวนการระเหย

• เวลาที่ผลิตภัณฑ์อยู่ในโซนให้ความร้อนสั้นมาก — เพียงไม่กี่วินาที ไม่ใช่หลายชั่วโมง — ดังนั้นสี กลิ่นหอม และสารออกฤทธิ์ที่ไวต่อความร้อนจึงยังคงรักษาคุณสมบัติไว้ได้ภายใต้สภาวะที่อาจทำให้เสื่อมสภาพหากใช้หม้อต้มแบบทั่วไป
• ดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำ โดยการสร้างสุญญากาศเพื่อลดจุดเดือด ทำให้กระบวนการเข้มข้นเกิดขึ้นที่อุณหภูมิที่เลือกตามลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์ ไม่ใช่ตามอุณหภูมิของบรรยากาศรอบข้าง
• ความต่างของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอแล้ว การระเหยแบบฟิล์มไหลลงทำงานได้ดีแม้จะมีความต่างของอุณหภูมิขับเคลื่อนที่ค่อนข้างต่ำระหว่างตัวกลางให้ความร้อนกับผลิตภัณฑ์ — ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้ระบบหลายผล (multi-effect) และระบบการบีบอัดไอกลับ (vapour recompression) ใช้งานได้จริง
• ปริมาณของเหลวคงค้างต่ำ ปริมาณสินค้าในระบบที่น้อยหมายถึงสามารถเริ่มและหยุดการทำงานได้รวดเร็ว ลดปริมาณสินค้าที่ค้างอยู่ในระบบเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงกระบวนการ และลดระยะเวลาที่สินค้าสัมผัสกับอุณหภูมิสูงขณะโรงงานหยุดดำเนินการ
• ให้สมรรถนะที่ดีกว่าเมื่อจัดการกับสารป้อนที่เกิดฟองหรือมีความหนืดปานกลาง เมื่อเทียบกับระบบแบบท่อจม (flooded bundle) เนื่องจากฟิล์มไม่เกิดการกวน

กรณีที่เหมาะสมกับการระเหยแบบฟิล์มไหลลง และกรณีที่ไม่เหมาะสม

การระเหยแบบฟิล์มไหลลงไม่ใช่ทางออกที่เหมาะสมสำหรับทุกภาระงาน ความแตกต่างที่สำคัญในทางปฏิบัติคือ วิธีที่ผลิตภัณฑ์เคลื่อนผ่านโซนให้ความร้อน และผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อระยะเวลาการพำนัก (residence time) รวมถึงความเสี่ยงของการสะสมคราบสกปรก (fouling)

ประเด็นด้านพลังงาน: ระบบหลายผล (multi-effect), ระบบเพิ่มแรงดันด้วยไอน้ำ (TVR) หรือระบบเพิ่มแรงดันด้วยคอมเพรสเซอร์แบบกลไก (MVR)

การระเหยคือจุดที่ใช้ต้นทุนในการดำเนินงานของโรงงานเข้มข้นส่วนใหญ่ และการจัดวางระบบจะขึ้นอยู่กับปัจจัยด้านสาธารณูปโภคเป็นหลัก มากกว่าปัจจัยด้านกลศาสตร์

หลายผล

เครื่องระเหยแบบหลายขั้นตอน (multiple-effect evaporator) จัดเรียงภาชนะต่อกันโดยไอน้ำที่ระเหยออกจากขั้นตอนหนึ่งจะกลายเป็นสื่อให้ความร้อนสำหรับขั้นตอนถัดไป ทุกขั้นตอนเพิ่มเติมจะนำไอน้ำที่มิฉะนั้นต้องควบแน่นกลับมาใช้ใหม่ ดังนั้นปริมาณไอน้ำที่จำเป็นต่อกิโลกรัมของน้ำที่ระเหยจึงลดลงเมื่อเพิ่มจำนวนขั้นตอน อย่างไรก็ตาม มีข้อแลกเปลี่ยนเกิดขึ้นในด้านต้นทุนการลงทุน พื้นที่ติดตั้ง และความซับซ้อนของการควบคุม จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมจำนวนขั้นตอนที่ให้ผลทางเศรษฐกิจจึงขึ้นอยู่กับราคาพลังงานและระยะเวลาที่คาดว่าโรงงานจะดำเนินงาน

การบีบอัดไอน้ำด้วยความร้อน (Thermal vapour recompression: TVR)

ปั๊มเจ็ตไอน้ำ (steam jet booster) ดึงไอน้ำบางส่วนออกมาและบีบอัดใหม่ด้วยไอน้ำแรงขับ (motive steam) เพื่อยกความดันและอุณหภูมิให้สูงพอที่จะนำกลับมาใช้เป็นสื่อให้ความร้อนอีกครั้ง วิธีนี้มีขนาดกะทัดรัด ช่วยลดการใช้ไอน้ำโดยไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้า และมักเป็นตัวเลือกแรกที่พิจารณาเมื่อไซต์มีไอน้ำแรงดันปานกลางพร้อมใช้งานอยู่แล้ว

การบีบอัดไอน้ำด้วยเครื่องจักร (Mechanical vapour recompression: MVR)

ระบบ MVR ใช้พัดลมหรือคอมเพรสเซอร์อัดไอน้ำให้เป็นความร้อนหลักแล้วส่งกลับไปยังด้านที่ให้ความร้อน ทำให้โรงงานสามารถดำเนินการได้ส่วนใหญ่ด้วยพลังงานไฟฟ้าแทนไอน้ำ ซึ่งมีข้อดีในพื้นที่ที่ไอน้ำมีราคาแพง ไม่มีจำหน่าย หรือถูกควบคุมโดยกฎระเบียบ และในขณะที่อัตราค่าไฟฟ้าเอื้ออำนวย นอกจากนี้ MVR ยังลดภาระงานของคอนเดนเซอร์และปริมาณน้ำหล่อเย็นที่จำเป็นสำหรับระบบทั่วไปลงอย่างมาก — จุดนี้มีความสำคัญยิ่งต่อสถานที่ที่มีความสามารถในการระบายความร้อนจำกัด หรือมีข้อจำกัดเกี่ยวกับการปล่อยน้ำทิ้ง

ไม่มีคำตอบใดที่ดีที่สุดแบบสากล โครงสร้างที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับราคาสาธารณูปโภคของคุณ ความสม่ำเสมอของวัตถุดิบที่ป้อนเข้าระบบ และช่วงการปรับกำลังงานจริงที่คุณต้องการ การออกแบบระบบที่อิงกับสาธารณูปโภคชนิดหนึ่ง แล้วภายหลังสาธารณูปโภคนั้นกลับขาดแคลนหรือมีราคาแพงขึ้น คือข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในโครงการระเหย — และข้อผิดพลาดนี้เกิดขึ้นตั้งแต่หน้าแรกของเอกสารข้อกำหนด ไม่ใช่ระหว่างขั้นตอนการเดินเครื่อง

ภายในระบบ: โมดูลที่กำหนดประสิทธิภาพ

รูปที่ 1 ชุดอุปกรณ์ระเหยแบบฟิล์มไหลลงที่ติดตั้งบนแท่นรองรับ: คอลัมน์ระเหยแนวตั้ง ถังให้บริการและถังแยกเฟส รวมทั้งท่อสุขาภิบาลที่เชื่อมต่อระหว่างขั้นตอนต่าง ๆ

ชุดอุปกรณ์ระเหยแบบฟิล์มไหลลงไม่ใช่เพียงแค่คอลัมน์ที่ให้ความร้อนเท่านั้น ส่วนประกอบเหล่านี้คือสิ่งที่กำหนดว่าระบบจะทำงานตามแบบที่ออกแบบไว้หรือไม่ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของสารป้อน

• คาแลนเดรีย — ชุดท่อกับปลอกหุ้ม ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาว และสภาพพื้นผิวของท่อเป็นตัวกำหนดพื้นที่ถ่ายเทความร้อนและแรงดันตกคร่อม ในขณะที่ด้านปลอกหุ้มจัดวางให้สอดคล้องกับตัวกลางให้ความร้อนที่คุณเลือก
• ระบบกระจายสารป้อน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในแบบอุปกรณ์ระเหยแบบฟิล์มไหลลง: ตัวกระจายที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้ท่อบางส่วนได้รับสารป้อนไม่เพียงพอ และท่อที่ได้รับสารป้อนไม่เพียงพอก็จะเกิดคราบตะกรัน
• ถังแยกไอ-ของเหลว ที่ออกแบบให้มีขนาดเหมาะสมเพื่อป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ถูกพัดพาออกไปพร้อมกับไอ
• คอนเดนเซอร์ ระบบสุญญากาศ และระบบจัดการน้ำควบแน่น ซึ่งปรับให้สอดคล้องกับความดันในการทำงานของขั้นตอนสุดท้าย
• ปั๊มหมุนเวียนและปั๊มถ่ายโอนที่มีข้อต่อแบบสุขาภิบาล รวมทั้งท่อที่รักษาเสถียรภาพของฟิล์มระหว่างขั้นตอนต่าง ๆ
• การวัดค่า: อุณหภูมิและแรงดันที่แต่ละขั้นตอน การควบคุมระดับของเหลวในภาชนะและเครื่องแยก ตัวบ่งชี้อัตราการไหลและกระจกสังเกตการณ์ รวมถึงการวัดความเข้มข้นแบบต่อเนื่องในแนวท่อสำหรับงานด้านอาหารและยา
• ความสามารถในการทำความสะอาด: โครงสร้างที่ระบายน้ำได้ รอยเชื่อมที่เป็นไปตามหลักสุขอนามัย การเชื่อมต่อแบบไตร-แคลมป์ และเส้นทางระบบล้างภายใน (CIP) ที่ออกแบบให้ใช้เวลาทำความสะอาดสั้นและตรวจสอบผลได้จริง ไม่ใช่อาศัยการคาดเดา

รูปที่ ๒ ฝาครอบภาชนะพร้อมกระจกสังเกตการณ์และมาตรวัดแรงดันบนเครื่องแยก; โมดูลกรองแบบสองเรือนอยู่บริเวณหน้าภาพ

รูปที่ ๓ สายการผลิตเดียวกันนี้มองจากปลายด้านขับเคลื่อน: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนติดตั้งอยู่บนส่วนหัวของคอลัมน์ ปั๊มผลิตภัณฑ์ และภาชนะรับผลิตภัณฑ์ติดตั้งอยู่บนโครงเลื่อน

จุดควบคุมที่กำหนดคุณภาพของผลิตภัณฑ์

• อุณหภูมิสูงสุดของผลิตภัณฑ์ — กำหนดโดยลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์ของท่าน ไม่ใช่โดยเครื่องจักร ระดับสุญญากาศคือปัจจัยที่ใช้ปรับค่าดังกล่าว และยังจำกัดค่าความต่างของอุณหภูมิที่สามารถใช้งานได้ทั้งหมดในส่วนท้ายของกระบวนการ
• ระยะเวลาที่ผลิตภัณฑ์อยู่ในระบบ — การออกแบบแบบผ่านครั้งเดียวทำให้ระยะเวลาสั้นลง; ทุกวงจรการไหลวนเพิ่มระยะเวลาที่ผลิตภัณฑ์สัมผัสกับอุณหภูมิ
• ความเข้มข้นต่อรอบการผ่าน – อัตราส่วนที่สูงจะช่วยประหยัดพลังงาน แต่ทำให้ความหนืดของผลิตภัณฑ์ที่ออกมามีค่าสูงขึ้น และเพิ่มความเสี่ยงของการเกิดคราบแห้งบนผนังท่อด้วย
• ความเสถียรของวัตถุดิบที่ป้อนเข้า – การระเหยเป็นกระบวนการที่อยู่ในภาวะสมดุล ดังนั้น หากวัตถุดิบที่ป้อนเข้ามีความผันแปรทั้งในด้านของของแข็งหรืออัตราการไหล ก็จะส่งผลให้ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่ออกมาก็ผันแปรตามไปด้วย
• ระยะเผื่อสำหรับการสะสมสิ่งสกปรก – พื้นที่ผิวที่เลือกใช้ควรออกแบบให้สามารถดำเนินการได้ระหว่างรอบการทำความสะอาด (CIP) ไม่ใช่เพียงเพื่อให้ดูมีประสิทธิภาพในวันแรกของการใช้งาน

สถานที่ที่ใช้เครื่องระเหยแบบฟิล์มไหลลง

• การเข้มข้นน้ำผลไม้และผัก ซึ่งสีและกลิ่นหอมคือจุดขายหลัก
• การแปรรูปผลิตภัณฑ์จากนมและเวย์
• น้ำตาล ไซรัปกลูโคส และไฮโดรไลเซตจากแป้ง
• กลีเซอรีนและโพลีออล
• สารสกัดจากพืชและสมุนไพร
• สารกลางทางเคมีและกระแสของกระบวนการ
• ของเหลวที่ใช้ในกระบวนการผลิตยาและชีวภาพ
• น้ำเสียจากอุตสาหกรรมอาหารและน้ำรั่วซึมที่ต้องเข้มข้นเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการไม่ปล่อยน้ำทิ้ง

การเลือกระบบ: คำถามที่กำหนดการออกแบบ

คำถามที่มักถามบ่อย

คำถาม: ความแตกต่างระหว่างเครื่องระเหยแบบฟิล์มที่ไหลลง (falling film) กับแบบฟิล์มที่ไหลขึ้น (rising film) คืออะไร

ในหน่วยฟิล์มแบบไหลขึ้น ของเหลวและไอจะเคลื่อนที่ขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นไอจึงต้องดันผ่านคอลัมน์ของของเหลว ในหน่วยฟิล์มแบบไหลลง ผลิตภัณฑ์จะไหลลงตามผนังด้านในของท่อเป็นฟิล์มบางๆ ร่วมกับไอ ซึ่งช่วยลดระยะเวลาการค้างอยู่ เพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อน และรองรับความหนืดได้สูงกว่า

คำถาม: เครื่องระเหยแบบฟิล์มไหลลงสามารถประมวลผลผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดสูงได้หรือไม่

ได้จนถึงจุดหนึ่งเท่านั้น เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้น ฟิล์มจะยากต่อการคงความต่อเนื่อง และความเสี่ยงของการเกิดบริเวณแห้ง (dry patches) ก็เพิ่มมากขึ้น หลังจากจุดนั้น ทางเลือกทั่วไปคือการใช้ขั้นตอนการไหลเวียนบังคับ (forced-circulation) ต่อจากขั้นตอนฟิล์มไหลลง แทนที่จะยอมรับฟิล์มที่ไม่เกาะติดผนังท่ออย่างเหมาะสม

คำถาม: ทำไมกำลังการผลิตจึงลดลงเรื่อยๆ ระหว่างการดำเนินแคมเปญการผลิต

โดยส่วนใหญ่เกิดจากการสะสมสิ่งสกปรก (fouling) ที่ใดที่หนึ่งในระบบ และมักเริ่มต้นที่ระบบจ่ายวัตถุดิบ (feed distribution) มากกว่าตัวผลิตภัณฑ์เอง หากตัวกระจายวัตถุดิบไม่สามารถจ่ายวัตถุดิบเข้าสู่ท่อแต่ละเส้นอย่างสม่ำเสมอ ท่อบางเส้นจะได้รับวัตถุดิบไม่เพียงพอและเกิดการสะสมสิ่งสกปรกก่อนเป็นลำดับแรก ส่งผลให้พื้นที่ผิวที่ใช้งานได้ลดลง และแสดงผลออกมาเป็นกำลังการผลิตที่ลดลง

คำถาม: การใช้ระบบ MVR นั้นประหยัดต้นทุนการดำเนินงานเสมอหรือไม่

ไม่ใช่ ระบบ MVR เปลี่ยนต้นทุนจากไอน้ำไปเป็นไฟฟ้า จึงให้ผลดีในพื้นที่ที่ไอน้ำมีราคาสูงหรือไม่มีพร้อมใช้งาน และอัตราค่าไฟฟ้าเอื้ออำนวย นอกจากนี้ยังรวมต้นทุนการลงทุนและค่าบำรุงรักษาของคอมเพรสเซอร์ด้วย การเปรียบเทียบควรทำในขั้นตอนการออกแบบ โดยใช้ราคาสาธารณูปโภคจริงของคุณ

คำถาม: ต้องการสุญญากาศระดับใด

ระดับสุญญากาศที่ต้องการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูงสุดที่ผลิตภัณฑ์ของคุณทนได้ ไม่ใช่ค่ามาตรฐานทั่วไป เมื่อรู้ขีดจำกัดอุณหภูมิแล้ว ระดับสุญญากาศจะถูกกำหนดโดยจุดเดือดของของเหลวที่คุณกำลังเข้มข้น ภายใต้ความเข้มข้นที่กำหนด

คำถาม: หนึ่งหน่วยสามารถเข้มข้นผลิตภัณฑ์ที่ต่างกันหลายชนิดได้หรือไม่

ได้ แต่ต้องออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์นั้นโดยเฉพาะ โดยต้องมีโครงสร้างที่ระบายน้ำได้ มีระบบ CIP ที่มีประสิทธิภาพ และควบคุมตามสูตรการผลิต ซึ่งสิ่งที่คุณซื้อในกรณีนี้คือความเร็วในการเปลี่ยนระหว่างงานและความสามารถในการทำซ้ำได้ มากกว่าการใช้งานเฉพาะเจาะจงเพียงแบบเดียว

พูดคุยกับวิศวกรกระบวนการของเรา