Düşen Filmli Buharlaştırıcı: Tasarım, Enerji ve Seçim Kılavuzu

BUHARLAŞMA VE KONSANTRASYON

Düşen Filmli Buharlaştırıcılar: Isıya Duyarlı Sıvıları Pişirmeden Konsantre Etme

Isıya duyarlı sıvıları pişirmeden konsantre etme – düşen filmli buharlaşma nasıl çalışır, ne zaman yükselen filmli veya zorlamalı sirkülasyonlu buharlaştırıcılardan daha üstün olur ve ürün kalitenizi ile buhar maliyetinizi belirleyen kararlar

Her konsantrasyon projesi aynı çatışmayla karşılaşır: suyu uzaklaştırmak ısı gerektirir ve korumaya çalıştığınız ürün, işte bu ısıdan zarar gören üründür. Düşen filmli buharlaştırıcı, bir kaynayan tava ile tam tersini yaparak bu çatışmayı çözer. Büyük bir hacmi saatlerce sıcaklıkta tutmak yerine, ürünü tek geçişte konsantre edilebilecek kadar ince bir filme yayarak, ürünün dayanabildiği bir sıcaklıktan ve saniye cinsinden ölçülen kalma süresiyle işlemi gerçekleştirir.

Bu makalede, düşen filmli buharlaştırıcının ne olduğu, diğer buharlaştırıcı tiplerine göre nerede yer aldığı, çok etkili, termal ve mekanik buhar yeniden sıkıştırmasının enerji dengesini nasıl değiştirdiği ve bir sistem inşa edilmeden önce çözülmesi gereken sorular ele alınmaktadır. Makalede gösterilen ekipmanlar, kendi üretimlerimizden alınmıştır.

Çalışan bir ünitede çekilen görüntü: enstrümantasyonlu kapak, seviye ve cam gözleme penceresinden geçen akış ile ürünün toplama tankına boşaltılması.

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

Düşen film buharlaşmasının farkını ne oluşturur

Ürün, dikey boru demetinin tepesine pompalanır ve her borunun iç duvarında ince, sürekli bir film olarak aşağı doğru akacak şekilde dağıtılır. Isıtma ortamı — buhar, sıcak su veya yeniden sıkıştırılmış buhar — kabuk tarafında akar. Ürün, dolu bir kolon değil de bir film olduğundan, ürettiği buhar, sıvının içinde yukarı doğru zorla çıkmak zorunda kalmadan ürünle birlikte aşağı doğru hareket edebilir; ayrıca buharlaşma başlamadan önce tüm kütle kaynama noktasına ulaşmak zorunda değildir.

• Kısa kalma süresi. Ürün, ısıtma bölgesinde saniyelerce kalır, saatlerce değil; bu nedenle renk, aroma ve ısıya duyarlı aktif maddeler, kazanda bozulabilecekleri koşullarda korunur.
• Düşük sıcaklıkta çalışma. Etki, vakum altında tutularak kaynama noktası düşürülür; böylece konsantrasyon, atmosfer için değil, ürün için seçilen bir sıcaklıkta gerçekleşir.
• Küçük bir sıcaklık farkı yeterlidir. Düşen film, ısıtma ortamı ile ürün arasında küçük bir sürükleyici sıcaklık farkıyla çalışır — bu da çoklu etkili ve buhar yeniden sıkıştırma düzeneklerini uygulanabilir kılar.
• Düşük sıvı tutumu. Küçük bir stok, hızlı başlangıç ve duruş anlamına gelir; ürün değişimi sırasında sistemde daha az ürün kalır ve tesis durduğunda ürünün sıcaklığa maruz kaldığı süre daha kısadır.
• Taşkınlı demetlere kıyasla köpürme eğilimi gösteren ve orta derecede viskoz beslemelerde daha iyi davranış sergiler, çünkü film karışmaz.

Düşen filmin uygun olduğu yerler ve olmadığı yerler

Düşen film, her işlev için doğru çözüm değildir. Uygulamada önemli olan farklar, ürünün ısıtma bölgesi boyunca nasıl hareket ettiğidir ve bu durumun ürünün kalma süresi ile kaplama riski üzerindeki etkisidir.

Enerji sorunu: çoklu etki, TVR veya MVR

Buharlaşma, bir konsantrasyon tesisi için işletme maliyetlerinin büyük kısmını oluşturur ve seçtiğiniz düzenleme çoğunlukla mekanik değil, daha çok yardımcı enerji kaynağıyla ilgilidir.

Çoklu etkiler

Çoklu-etkili buharlaştırıcı, bir etkide kaynatılarak açığa çıkan buharın bir sonraki etki için ısıtma ortamı olarak kullanılmasını sağlamak amacıyla buharlaştırıcıları birbirine bağlar. Her ek etki, aksi takdirde yoğuşmak zorunda kalacak buharı yeniden kullanır; bu nedenle buharlaştırılan her kilogram su için gerekli buhar miktarı, etki sayısı arttıkça azalır. Bunun karşılığı, yatırım maliyeti, kapladığı alan ve kontrol karmaşıklığıdır; bu yüzden ekonomik etki sayısı, enerji fiyatlarına ve tesisin ne kadar süreyle çalıştırılacağına bağlıdır.

Isıl buhar yeniden sıkıştırma (TVR)

Buhar jeti artırıcı, kısmen açığa çıkan buharı alır ve tahrik buharı ile yeniden sıkıştırarak basıncını ve sıcaklığını, tekrar ısıtma ortamı olarak kullanılabilecek düzeyde yükseltir. Bu, elektrik yükü olmadan buhar tüketimini azaltmanın kompakt bir yoludur ve genellikle ortamda orta basınçlı buhar zaten mevcutsa değerlendirilmesi gereken seçenektir.

Mekanik buhar yeniden sıkıştırma (MVR)

Bir MVR sistemi, buharı bir fan veya kompresörle sıkıştırır ve birincil ısı kaynağı olarak ısıtma tarafına geri gönderir. Tesis, bu sayede buhar yerine büyük ölçüde elektrikle çalışır; bu durum, buharın pahalı, mevcut olmaması veya düzenlenmesi gereken ve elektrik tarifesi avantajlı olduğu durumlarda cazip bir seçenektir. MVR ayrıca geleneksel bir sistemdeki kondenser yükünün büyük kısmını ve soğutma suyu ihtiyacını ortadan kaldırır; bu da sınırlı soğutma kapasitesine sahip tesisler veya deşarj kısıtlamaları olan alanlar için karar verici bir noktadır.

Evrensel olarak en iyi çözüm yoktur. Doğru düzenleme, enerji maliyetlerinizi, besleme kaynağınızın kararlılığını ve aslında ihtiyaç duyduğunuz azaltma oranını (turndown) takip eder. Daha sonra kıt veya pahalı hâle gelen bir enerji kaynağına göre belirlenen bir sistem, buharlaştırma projelerinde yapılan en yaygın hatadır; bu hata, devreye alma aşamasında değil, spesifikasyonun ilk sayfasında kararlaştırılır.

Sistemin içinde: performansı belirleyen modüller

Şekil 1. Kaynaklı taban üzerine monte edilmiş düşen film buharlaştırma tesisatı: dikey buharlaştırma kolonu, servis ve ayırma kapları ile aşamaları birbirine bağlayan hijyenik borulama.

Düşen film tesisatı, ısıtılmış bir kolondan daha fazlasıdır. Bu parçalar, besleme değiştiğinde sistemin tasarımına uygun çalışıp çalışmayacağını belirler.

• Kalander – boru demeti ve gövde. Boru çapı, uzunluğu ve yüzey durumu ısı transfer alanını ve basınç kaybını belirler; gövde tarafı ise seçtiğiniz ısıtma ortamına göre düzenlenmiştir.
• Besleme dağıtım sistemi. Düşen film tasarımı için en önemli unsur: düzensiz bir dağıtıcı bazı boruları yetersiz besler ve yetersiz beslenen bir boru kireçlenir.
• Buhar-sıvı ayırma kabı, ürünün buharla birlikte taşınmaması için taşıma (entrainment) oluşmayacak şekilde boyutlandırılmıştır.
• Yoğuşturucu, vakum sistemi ve kondensat işleme sistemi, son etkinin çalışma basıncına uygun olarak eşleştirilmiştir.
• Hijyenik bağlantılarla donatılmış dolaşım ve transfer pompaları ile filmin aşamalar arasında kararlı kalmasını sağlayan borulama.
• Enstrümantasyon: her etkide sıcaklık ve basınç, kaplar ve ayırıcılar üzerinde seviye kontrolü, akış göstergesi ve gözleme camları ve gıda ile farmasötik uygulamalarda çizgi içi konsantrasyon ölçümü.
• Temizlenebilirlik: boşaltılabilir bir düzen, hijyenik kaynaklar, üç parçalı kelepçe bağlantıları ve temizleme işleminin kısa ve doğrulanabilir olması için boyutlandırılmış CIP (temizleme-suyla) rotası; tahmini bir işlem değil.

Şekil 2. Ayırıcı kapların kafalarında gözleme camları ve basınç göstergeleri; iki gövdeli filtrasyon modülü ön planda yer alır.

Şekil 3. Aynı tesisin tahrik ucundan görünümü: kolon kafasında ısı değiştirici, ürün pompaları ve palet üzerinde toplama kabı.

Ürün kalitesini belirleyen kontrol noktaları

• Maksimum ürün sıcaklığı — makine tarafından değil, ürününüz tarafından belirlenir. Vakum seviyesi bu sıcaklığı ayarlayan koldur ve aşağı akışta mevcut tüm sıcaklık farklarını sınırlandırır.
• Bekleme süresi — tek geçişli bir tasarım bu süreyi kısaltır; her tekrar dolaşım halkası sıcaklık altında geçen süreye ek zaman ekler.
• Geçiş başına konsantrasyon – yüksek oran enerji tasarrufu sağlar ancak çıkış viskozitesini artırır ve tüp duvarında kuruma lekesi oluşma riskini yükseltir.
• Besleme kararlılığı – buharlaştırma, durağan durumlu bir süreçtir. Katı madde oranı veya akış hızı dalgalanan bir besleme, çıkış konsantrasyonunuzu da aynı şekilde etkiler.
• Kirlenme payı – satın aldığınız yüzey alanı, ilk günde verimli görünmesi için değil, CIP döngileri arasında çalışabilmesi için boyutlandırılmalıdır.

Düşen filmli buharlaştırıcıların kullanıldığı yerler

• Renk ve aroma satış noktası olan meyve ve sebze suyu konsantrasyonu
• Süt ve peynir altı suyu işleme
• Şeker, glukoz şurupları ve nişasta hidrolizatları
• Gliserin ve polioller
• Bitki ve bitkisel özütler
• Kimyasal ara ürünler ve proses akışları
• İlaç ve biyolojik süreç sıvıları
• Gıda endüstrisi atık suları ve sıfır sıvı atık görevleri için liçat konsantrasyonu

Bir sistem seçimi: tasarımı belirleyen sorular

Sıkça Sorulan Sorular

Soru: Düşen film buharlaştırıcı ile yükselen film buharlaştırıcı arasındaki fark nedir?

Yükselen film ünitesinde sıvı ve buhar birlikte yukarı doğru hareket eder; bu nedenle buhar, sıvı sütununun içinden geçmek zorundadır. Düşen film ünitesinde ürün, buharla birlikte borunun iç yüzeyinden ince bir film halinde aşağı doğru akar; bu da kalma süresini kısaltır, gerekli sıcaklık farkını düşürür ve daha yüksek viskoziteye dayanıklıdır.

Soru: Düşen film buharlaştırıcı, viskoz bir ürünü işleyebilir mi?

Belli bir noktaya kadar evet. Viskozite arttıkça filmi sürekli tutmak zorlaşır ve kuru leke oluşma riski artar. Bu noktadan sonra yaygın çözüm, düşen film aşamasının ardından zorlamalı dolaşım aşaması kullanmaktır; kötü ısılatan bir filmi kabul etmek yerine.

Soru: Neden üretim kampanyası boyunca kapasite azalır?

Neredeyse her zaman tesisin bir yerinde birikinti (fouling) oluşur ve genellikle bunun nedeni ürün değil, besleme dağıtım sistemi olur. Dağıtıcı, tüm borulara eşit şekilde besleme yapmıyorsa, beslenmeyen borular önce birikintiye uğrar ve yüzey alanındaki kayıp, kapasitede azalmaya neden olur.

Soru: MVR her zaman daha düşük işletme maliyetine sahip midir?

Hayır. MVR, maliyeti buhardan elektriğe kaydırır; bu nedenle buhar pahalı veya mevcut değilse ve elektrik tarifesi uygunsa avantaj sağlar. Ayrıca kompresörün yatırım maliyetini ve bakımını da içerir. Karşılaştırma, gerçek işletme fiyatlarınızla birlikte tasarım aşamasında yapılmalıdır.

S: Hangi vakum seviyesine ihtiyacım var?

Bu, ürününüzün dayanabildiği maksimum sıcaklığa bağlıdır; standart bir değerden değil. Sıcaklık sınırı belirlendikten sonra, vakum seviyesi, ulaşmakta olduğunuz konsantrasyondaki sıvınızın kaynama noktasına göre belirlenir.

S: Bir ünite birkaç farklı ürünü konsantre edebilir mi?

Evet, buna özel olarak tasarlanmışsa: boşaltılabilir bir düzen, etkili CIP (yerinde temizleme) ve tarife tabanlı kontrol, bunu mümkün kılan özelliklerdir. Bu durumda satın aldığınız şey, tek bir sabit görev değil, değişime geçiş hızı ve tekrarlanabilirliktir.

Süreç mühendislerimizle görüşün