Евапоратор із стікним плівковим шаром: керівництво щодо проектування, енергоефективності та вибору

ВИПАРОВУВАННЯ ТА КОНЦЕНТРУВАННЯ

Випарники із стікним плівковим шаром: концентрування теплочутливих рідин без їх термічного пошкодження

Концентрування теплочутливих рідин без їх термічного пошкодження — як працює випаровування із стікним плівковим шаром, коли воно ефективніше за випаровування із підіймальним плівковим шаром або з примусовою циркуляцією, а також які рішення впливають на якість вашого продукту й витрати на пару

Кожен проект концентрування стикається з однією й тією ж проблемою: для видалення води потрібне тепло, а саме продукт, який ви намагаєтеся захистити, пошкоджується цим теплом. Плівковий випарник вирішує цю проблему, працюючи навпаки, ніж каструля з кип’ятком. Замість того щоб утримувати великий об’єм рідини при заданій температурі протягом годин, він розподіляє продукт у тонку плівку, достатньо тонку, щоб концентрувати його за один прохід при температурі, яку продукт витримує, із часом перебування, виміряним у секундах.

У цій статті розповідається, що таке плівковий випарник, яке місце він займає серед інших типів випарників, як багатоступінчасті, термічні та механічні системи рекомпресії пари змінюють енергетичну картину, а також які питання варто вирішити до побудови системи. Обладнання, показане на зображеннях, виготовлене нами.

Знято на діючому агрегаті: інструментована кришка резервуара, рівень і потік через дивізний скло, а також продукт, що виводиться в приймальний резервуар.

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

Що робить випарювання плівкою іншим

Продукт подається насосом у верхню частину вертикального пучка труб і розподіляється так, що стікає вниз по внутрішній стінці кожної труби у вигляді тонкої, безперервної плівки. Теплоносій — пара, гаряча вода або рекомпресована пара — циркулює ззовні труб (у межах корпусу). Оскільки продукт утворює плівку, а не заповнює колону повністю, пара, яку він утворює, може рухатися вниз разом із ним замість того, щоб пробиватися нагору крізь рідину, і вся маса не повинна досягати температури кипіння перед початком випарювання.

• Короткий час перебування. Продукт перебуває в зоні нагріву кілька секунд, а не годин, тому колір, аромат і термолабільні активні речовини зберігаються в умовах, що призводять до їх деградації в казані.
• Робота при низькій температурі. Підтримання вакууму знижує температуру кипіння, тож концентрація відбувається при температурі, обраній з урахуванням властивостей продукту, а не атмосферних умов.
• Для цього достатньо невеликої різниці температур. Плівкове випаровування працює при помірній різниці температур між нагрівальним середовищем і продуктом — саме це робить багатоетапні схеми та схеми рекомпресії пари практично реалізованими.
• Невеликий обсяг рідини в апараті. Мала кількість продукту в системі забезпечує швидке пуско-зупинне регулювання, меншу кількість продукту, що залишається в системі під час зміни режиму роботи, і скорочення часу перебування продукту при температурі під час зупинки установки.
• Краща поведінка при пінних і помірно в’язких продуктах порівняно з затопленою пучком труб конструкцією, оскільки плівка не перемішується.

Де плівкове випаровування підходить, а де — ні

Плівкове випаровування не є оптимальним рішенням для всіх завдань. На практиці ключовими відмінностями є спосіб руху продукту через зону нагріву та його вплив на тривалість перебування продукту в апараті й ризик забруднення.

Питання енергозабезпечення: багатоетапна система, ТВР або МВР

Випаровування — це етап, на якому формується найбільша частина експлуатаційних витрат концентраційного заводу, а вибрана схема залежить переважно від доступності комунальних ресурсів, а не від механічних особливостей

Кілька ефектів

Багатоетапний випарник з’єднує ємності таким чином, що пара, яка випаровується в одному етапі, стає теплоносієм для наступного. Кожен додатковий етап повторно використовує пару, яку інакше довелося б сконденсувати, тож кількість пари, необхідної на кілограм випарованої води, зменшується зі збільшенням кількості етапів. Компроміс полягає у вартості капітального обладнання, площі, яку воно займає, та складності системи керування — саме тому економічно вигідна кількість етапів залежить від цін на енергію та тривалості експлуатації установки.

Термічне рекомпресування пари (TVR)

Паровий струминний підсилювач забирає частину пари й рекомпресує її за допомогою робочої пари, підвищуючи її тиск і температуру до рівня, достатнього для повторного використання як теплоносія. Це компактний спосіб знизити споживання пари без навантаження на електричну мережу, і зазвичай його розглядають у разі наявності середнього тиску пари на об’єкті.

Механічне рекомпресування пари (MVR)

Система MVR стискає пару за допомогою вентилятора або компресора й повертає її на сторону нагріву як основне джерело тепла. У результаті установка працює переважно на електроенергії замість пари, що є вигідним у разі високої вартості пари, її недоступності чи регулювання, а також при сприятливому тарифі на електроенергію. MVR також значно зменшує навантаження на конденсатор і потребу у охолоджувальній воді порівняно з традиційною установкою — це вирішальний фактор для об’єктів із обмеженими потужностями охолодження або обмеженнями на скидання води.

Універсально найкращого рішення не існує. Правильна конфігурація визначається цінами на комунальні послуги, стабільністю вхідної сировини та фактичною потребою у діапазоні регулювання потужності. Найпоширенішою помилкою в проектах випаровування є вибір системи, орієнтованої на певну комунальну послугу, яка згодом стає дефіцитною або надто дорогою — і це рішення приймається на першій сторінці технічного завдання, а не під час введення в експлуатацію.

Усередині системи: модулі, що визначають продуктивність

Малюнок 1. Установка для випаровування плівковим методом на базовій рамі: вертикальна випарна колона, допоміжні та сепараційні ємності та санітарна трубопровідна система, що з’єднує ступені.

Установка для випаровування плівковим методом — це більше, ніж просто нагріта колона. Саме ці компоненти визначають, чи працюватиме вона згідно з проектними параметрами після зміни вихідної суміші.

• Каландра — пучок труб і корпус. Діаметр, довжина та стан поверхні труб визначають площу теплопередачі й гідравлічний опір, тоді як простір між трубами (корпусна частина) конфігурується з урахуванням обраного теплоносія.
• Система розподілу вихідної суміші. Найважливіший елемент конструкції установки для випаровування плівковим методом: нерівномірний розподільник призводить до недостатнього живлення окремих труб, а недостатньо заповнена труба утворює накип.
• Судина для парорідинної сепарації, розміри якої забезпечують відсутність уносу продукту разом із парою.
• Конденсатор, вакуумна система та система відведення конденсату, підібрані відповідно до робочого тиску останнього ефекту.
• Циркуляційні та перекачувальні насоси з санітарними з’єднаннями та трубопровідна система, що забезпечує стабільність плівки між ступенями.
• Інструментарій: вимірювання температури та тиску на кожному ефекті, контроль рівня в посудинах і сепараторах, індикація витрати та скляні оглядові вікна, а також — для харчових і фармацевтичних завдань — вимірювання концентрації у потоці.
• Очищуваність: конструкція з можливістю повного спорожнення, гігієнічні зварні шви, з’єднання типу тризатискового фланця (tri-clamp) та маршрут CIP, розрахований так, щоб час очищення був коротким і підтвердженим, а не припущеним.

Малюнок 2. Кришка посудини з оглядовими склами та манометрами на сепаруючих посудинах; модуль фільтрації з двома корпусами розташований на передньому плані.

Малюнок 3. Те саме обладнання з боку приводу: теплообмінник на верхній частині колони, насоси продукту та збірна посудина на рамі.

Контрольні точки, що визначають якість продукту

• Максимальна температура продукту — встановлюється характеристиками вашого продукту, а не технічними параметрами машини. Рівень вакууму є регулювальним параметром, що визначає цю температуру, і він обмежує всі доступні різниці температур у подальших ступенях.
• Час перебування — конструкція з однократним проходом забезпечує його мінімальну тривалість; кожен контур рециркуляції додає додатковий час перебування при підвищеній температурі.
• Концентрація за прохід — високе співвідношення економить енергію, але підвищує в’язкість на виході й ризик утворення сухих ділянок на стінці труби.
• Стабільність подачі — випаровування є процесом у сталому стані. Якщо вміст сухих речовин або витрата вхідного потоку коливаються, то коливається й концентрація на виході.
• Запас для засмічення — площа поверхні, яку ви придбаєте, має бути розрахована на роботу між циклами CIP, а не лише для того, щоб виглядати ефективною в перший день.

Де використовують випарники зі стікаючою плівкою

• Концентрування соків із фруктів і овочів, де колір і аромат є ключовими перевагами продукту
• Переробка молока та сироватки
• Цукор, глюкозні сиропи та гідролізати крохмалю
• Гліцерин і поліоли
• Екстракти рослин і трав
• Хімічні проміжні сполуки та технологічні потоки
• Рідини, що використовуються в фармацевтичних та біологічних процесах
• Концентрування стічних вод та витяжок харчової промисловості для завдань із нульовим скиданням рідини

Вибір системи: питання, що визначають проект

Поширені запитання

Питання: У чому різниця між випарником ізі стікною плівкою та випарником із підйомною плівкою?

У підйомно-плівковому апараті рідина й пара рухаються разом угору, тому парі доводиться пробиватися крізь стовп рідини. У низхідно-плівковому апараті продукт стікає вниз по внутрішній поверхні труби у вигляді тонкої плівки разом із парою, що скорочує тривалість перебування, зменшує необхідну різницю температур і дозволяє обробляти більш в’язкі матеріали.

Питання: Чи може низхідно-плівковий випарник обробляти в’язкий продукт?

До певної межі. Зі зростанням в’язкості плівка стає важче підтримувати безперервною, а ризик утворення сухих ділянок зростає. Поза цією межею типовим рішенням є додавання ступеня примусової циркуляції після низхідно-плівкового етапу замість прийняття погано змоченої плівки.

Питання: Чому потужність знижується протягом виробничої кампанії?

Майже завжди це спричинено забрудненням десь у ланцюзі, і часто воно починається з розподілу живлення, а не з самого продукту. Якщо розподільник не подає живлення в усі труби рівномірно, то труби з недостатнім живленням забруднюються першими, а втрата робочої поверхні проявляється як зниження потужності.

Питання: Чи завжди MVR дешевше у експлуатації?

Ні. MVR зміщує витрати з пари на електроенергію, тож він вигідний там, де пара є дорогою або недоступною, а тариф на електроенергію — сприятливим. Також він передбачає капітальні витрати на компресор і його технічне обслуговування. Порівняння слід проводити на етапі проектування з урахуванням ваших реальних цін на комунальні послуги.

П.: Який рівень вакууму мені потрібен?

Це визначається максимальною температурою, яку ваш продукт може витримати, а не стандартним значенням. Коли температурна межа відома, рівень вакууму встановлюється за точкою кипіння вашої рідини при досягнутій концентрації.

П.: Чи може один агрегат концентрувати кілька різних продуктів?

Так, якщо він спроектований для цього: конструкція з можливістю повного спорожнення, ефективна система CIP та керування на основі рецептур — це ключові можливості. У такому разі ви придбаєте швидкість переналагодження й повторюваність, а не лише одну фіксовану продуктивність.

Зверніться до наших інженерів-технологів