Bộ bốc hơi màng chảy xuống: Hướng dẫn thiết kế, năng lượng và lựa chọn

BỐC HƠI & CÔ ĐẶC

Máy bốc hơi màng chảy xuống: Cô đặc các chất lỏng nhạy cảm với nhiệt mà không làm chín chúng

Cô đặc các chất lỏng nhạy cảm với nhiệt mà không làm chín chúng – nguyên lý hoạt động của bốc hơi màng chảy xuống, trường hợp nó vượt trội hơn bốc hơi màng chảy lên hoặc bốc hơi tuần hoàn cưỡng bức, cũng như những quyết định ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và chi phí hơi nước của bạn

Mọi dự án cô đặc đều gặp phải xung đột giống nhau: việc loại bỏ nước đòi hỏi nhiệt, trong khi sản phẩm bạn đang cố bảo vệ lại chính là thứ bị tổn hại bởi nhiệt đó. Bộ bốc hơi màng chảy giải quyết xung đột này bằng cách hoạt động ngược lại với một chiếc chảo đun sôi. Thay vì giữ một lượng lớn sản phẩm ở nhiệt độ nhất định trong nhiều giờ, thiết bị này trải mỏng sản phẩm thành một lớp màng đủ mỏng để cô đặc chỉ trong một lần duy nhất, ở nhiệt độ sản phẩm có thể chịu được, với thời gian lưu chỉ tính bằng giây.

Bài viết này trình bày bộ bốc hơi màng chảy là gì, vị trí của nó so với các loại bộ bốc hơi khác, cách tái nén hơi bằng nhiệt hoặc cơ học đa hiệu thay đổi bức tranh tiêu thụ năng lượng, cũng như những câu hỏi cần làm rõ trước khi lắp đặt hệ thống. Các thiết bị minh họa trong toàn bộ bài đều do chúng tôi tự chế tạo.

Quay trực tiếp trên một thiết bị đang vận hành: đầu bình được trang bị cảm biến, mức chất lỏng và dòng chảy quan sát qua kính quan sát, cùng sản phẩm xả vào bồn thu.

Tập tin video: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Điều gì làm cho quá trình bốc hơi màng chảy khác biệt

Sản phẩm được bơm lên đỉnh của một cụm ống đứng và phân phối sao cho nó chảy xuống thành trong của mọi ống dưới dạng một màng mỏng, liên tục. Môi chất gia nhiệt — hơi nước, nước nóng hoặc hơi đã nén lại — chảy ở phía vỏ ống. Vì sản phẩm tồn tại dưới dạng màng thay vì cột chất lỏng đầy, nên hơi sinh ra có thể di chuyển xuống phía dưới cùng với sản phẩm thay vì phải đẩy lên xuyên qua lớp chất lỏng, và toàn bộ khối sản phẩm không cần đạt đến điểm sôi trước khi quá trình bốc hơi bắt đầu.

• Thời gian lưu ngắn. Sản phẩm chỉ ở trong vùng gia nhiệt trong vài giây, chứ không phải hàng giờ, do đó màu sắc, mùi hương và các hoạt chất nhạy cảm với nhiệt vẫn giữ được nguyên vẹn trong điều kiện mà nếu dùng nồi nấu thông thường thì chúng sẽ bị suy giảm.
• Vận hành ở nhiệt độ thấp. Việc duy trì chân không giúp hạ điểm sôi, nhờ đó quá trình cô đặc diễn ra ở nhiệt độ được chọn phù hợp với sản phẩm chứ không phụ thuộc vào điều kiện áp suất khí quyển.
• Một chênh lệch nhiệt độ nhỏ là đủ. Quá trình màng chảy xuống hoạt động với chênh lệch nhiệt độ điều khiển khiêm tốn giữa môi trường gia nhiệt và sản phẩm — chính điều này làm cho các bố trí nhiều hiệu ứng và tái nén hơi trở nên khả thi.
• Lượng chất lỏng giữ lại thấp. Khối lượng tồn kho nhỏ nghĩa là thời gian khởi động và dừng máy nhanh, ít sản phẩm bị kẹt trong hệ thống khi chuyển đổi, và thời gian sản phẩm chịu nhiệt độ cao khi nhà máy ngừng hoạt động cũng ngắn hơn.
• Hoạt động tốt hơn trên các nguyên liệu tạo bọt và nguyên liệu có độ nhớt trung bình so với cụm ống ngập hoàn toàn, bởi vì màng không bị khuấy trộn.

Khi nào thì màng chảy xuống phù hợp, và khi nào thì không

Màng chảy xuống không phải là giải pháp đúng cho mọi nhiệm vụ. Những khác biệt thực tế quan trọng là cách sản phẩm di chuyển qua vùng gia nhiệt, và điều đó ảnh hưởng thế nào đến thời gian lưu và nguy cơ đóng cặn.

Vấn đề năng lượng: nhiều hiệu ứng, TVR hay MVR

Bốc hơi là khâu chiếm phần lớn chi phí vận hành của một nhà máy cô đặc, và cách bố trí bạn chọn chủ yếu phụ thuộc vào nguồn năng lượng sẵn có chứ không phải vào yếu tố cơ khí.

Nhiều hiệu ứng

Máy bốc hơi nhiều cấp nối tiếp các thiết bị sao cho hơi nước sinh ra từ cấp này trở thành môi trường gia nhiệt cho cấp tiếp theo. Mỗi cấp bổ sung tái sử dụng hơi nước vốn phải ngưng tụ nếu không được tận dụng, do đó lượng hơi tiêu thụ trên mỗi kilôgam nước bay hơi giảm dần khi số cấp tăng lên. Đổi lại, chi phí đầu tư ban đầu, diện tích chiếm chỗ và độ phức tạp trong điều khiển cũng tăng lên — vì vậy số cấp kinh tế phụ thuộc vào giá năng lượng và thời gian vận hành dự kiến của nhà máy.

Tái nén hơi nhiệt (TVR)

Bơm phun hơi dùng một phần hơi để tái nén cùng với hơi động lực, nâng áp suất và nhiệt độ của nó lên mức đủ cao nhằm tái sử dụng làm môi trường gia nhiệt. Đây là giải pháp nhỏ gọn nhằm giảm tiêu thụ hơi mà không cần tải điện, thường được xem xét khi hơi áp trung đã sẵn có tại hiện trường.

Tái nén hơi cơ học (MVR)

Hệ thống MVR nén hơi bằng quạt hoặc máy nén và đưa hơi trở lại phía cấp nhiệt làm nguồn nhiệt chính. Khi đó, nhà máy chủ yếu vận hành bằng điện thay vì hơi nước — điều này rất hấp dẫn tại những nơi hơi nước đắt đỏ, không sẵn có hoặc bị kiểm soát chặt chẽ, đồng thời giá điện lại thuận lợi. Ngoài ra, MVR còn loại bỏ phần lớn tải ngưng tụ và nhu cầu nước làm mát của một dây chuyền thông thường — đây là yếu tố quyết định đối với các cơ sở có khả năng làm mát hạn chế hoặc bị giới hạn về xả thải.

Không tồn tại giải pháp nào là tối ưu nhất một cách phổ biến. Bố trí phù hợp phụ thuộc vào giá cả dịch vụ tiện ích của bạn, độ ổn định của dòng nguyên liệu đầu vào và mức độ giảm tải (turndown) thực tế bạn cần. Việc thiết kế hệ thống dựa trên một nguồn tiện ích sau này trở nên khan hiếm hoặc đắt đỏ là sai lầm phổ biến nhất trong các dự án bốc hơi — và sai lầm này được xác định ngay từ trang đầu tiên của bản đặc tả kỹ thuật, chứ không phải trong giai đoạn hiệu chỉnh vận hành.

Bên trong hệ thống: các mô-đun quyết định hiệu suất

Hình 1. Một dây chuyền bốc hơi màng chảy trên giá đỡ: cột bốc hơi đứng, các bình phục vụ và tách pha, cùng hệ thống đường ống vệ sinh nối các giai đoạn.

Một dây chuyền bốc hơi màng chảy không chỉ là một cột được đun nóng. Đây là những bộ phận quyết định liệu nó có hoạt động đúng như thiết kế khi lưu lượng cấp thay đổi.

• Bộ Calandria — cụm ống và vỏ bọc. Đường kính, chiều dài và tình trạng bề mặt ống xác định diện tích truyền nhiệt và độ sụt áp, trong khi phần vỏ được bố trí xung quanh môi chất đốt mà bạn đã chọn.
• Hệ thống phân phối nguyên liệu cấp. Yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế bốc hơi màng chảy: bộ phân phối không đều sẽ khiến một số ống thiếu nguyên liệu, và ống thiếu nguyên liệu sẽ bị đóng cặn.
• Bình tách pha hơi – lỏng, được thiết kế sao cho hiện tượng cuốn theo không làm sản phẩm thoát ra cùng dòng hơi.
• Bộ ngưng tụ, hệ thống chân không và hệ thống xử lý ngưng tụ, được lựa chọn phù hợp với áp suất vận hành của hiệu cuối cùng.
• Các bơm tuần hoàn và bơm chuyển với kết nối vệ sinh, cùng hệ thống đường ống duy trì độ ổn định của màng giữa các giai đoạn.
• Các thiết bị đo lường: nhiệt độ và áp suất tại mỗi hiệu ứng, điều khiển mức chất lỏng trong các bình chứa và bộ tách, chỉ thị lưu lượng và kính quan sát, cũng như - đối với các ứng dụng thực phẩm và dược phẩm - đo nồng độ trực tuyến.
• Khả năng làm sạch: bố trí có thể xả được, các mối hàn đạt tiêu chuẩn vệ sinh, kết nối kiểu ba chấu (tri-clamp) và đường dẫn CIP được tính toán kích thước sao cho quá trình làm sạch diễn ra nhanh chóng và có thể kiểm chứng được chứ không phải dựa trên phỏng đoán.

Hình 2. Nắp bình chứa có kính quan sát và đồng hồ đo áp suất trên các bộ tách; mô-đun lọc gồm hai vỏ nằm ở phía trước.

Hình 3. Cùng một dây chuyền nhìn từ đầu truyền động: bộ trao đổi nhiệt gắn trên đỉnh cột chưng cất, các bơm sản phẩm và bình thu sản phẩm đặt trên khung di động (skid).

Các điểm điều khiển quyết định chất lượng sản phẩm

• Nhiệt độ tối đa của sản phẩm — do đặc tính sản phẩm của bạn quy định, chứ không do máy móc quy định. Mức chân không là yếu tố điều chỉnh nhiệt độ này, và nó giới hạn mọi chênh lệch nhiệt độ khả dụng ở phía hạ lưu.
• Thời gian lưu — thiết kế một lần đi qua giúp rút ngắn thời gian lưu; mỗi vòng tuần hoàn đều làm tăng thêm thời gian sản phẩm chịu tác động của nhiệt độ.
• Nồng độ trên mỗi lần bay hơi – Tỷ lệ cao giúp tiết kiệm năng lượng nhưng làm tăng độ nhớt đầu ra và nguy cơ xuất hiện các vùng khô trên thành ống.
• Độ ổn định của dòng cấp liệu – Bay hơi là một quá trình trạng thái ổn định. Nếu hàm lượng chất khô hoặc lưu lượng dòng cấp liệu dao động, thì nồng độ đầu ra cũng sẽ dao động theo.
• Dự phòng bám bẩn – Diện tích bề mặt trung bình bạn chọn phải được tính toán để vận hành giữa hai lần vệ sinh CIP, chứ không chỉ để đạt hiệu suất cao vào ngày đầu tiên.

Nơi sử dụng thiết bị bay hơi màng rơi

• Tập trung nước ép trái cây và rau củ, trong đó màu sắc và hương thơm là yếu tố quyết định giá trị thương mại
• Chế biến sản phẩm từ sữa và lactose
• Đường, siro glucose và các sản phẩm thủy phân tinh bột
• Glycerin và polyol
• Chiết xuất từ thực vật và thảo dược
• Các chất trung gian hóa học và dòng công nghệ
• Các chất lỏng quy trình dược phẩm và sinh học
• Nước thải và nước rò rỉ trong ngành thực phẩm để cô đặc nhằm đạt mục tiêu không xả nước thải

Lựa chọn một hệ thống: những câu hỏi quyết định thiết kế

Các câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Sự khác biệt giữa thiết bị bốc hơi màng rơi và thiết bị bốc hơi màng lên là gì?

Trong một thiết bị bốc hơi màng đi lên, chất lỏng và hơi di chuyển cùng nhau theo hướng đi lên, do đó hơi phải đẩy xuyên qua cột chất lỏng. Trong một thiết bị bốc hơi màng đi xuống, sản phẩm chảy xuống mặt trong của ống dưới dạng một lớp màng mỏng cùng với hơi, nhờ đó rút ngắn thời gian lưu, giảm chênh lệch nhiệt độ cần thiết và chịu được độ nhớt cao hơn.

Câu hỏi: Thiết bị bốc hơi màng đi xuống có thể xử lý sản phẩm nhớt không?

Ở một mức độ nhất định. Khi độ nhớt tăng lên, việc duy trì lớp màng liên tục trở nên khó khăn hơn và nguy cơ xuất hiện các vùng khô tăng lên. Vượt quá mức độ này, giải pháp thông thường là bổ sung một giai đoạn tuần hoàn cưỡng bức sau giai đoạn màng đi xuống, thay vì chấp nhận một lớp màng bám kém.

Câu hỏi: Tại sao năng lực sản xuất suy giảm trong suốt một chiến dịch sản xuất?

Gần như luôn luôn do bám bẩn xảy ra ở đâu đó trong dây chuyền, và thường bắt đầu từ hệ thống phân phối nguyên liệu đầu vào chứ không phải từ bản thân sản phẩm. Nếu bộ phân phối không cấp nguyên liệu đều cho mọi ống, các ống thiếu nguyên liệu sẽ bị bám bẩn trước tiên và sự mất diện tích bề mặt biểu hiện rõ qua việc năng lực sản xuất suy giảm.

Câu hỏi: Hệ thống tái sử dụng nhiệt cơ học (MVR) luôn luôn tiết kiệm chi phí vận hành hơn không?

Không. MVR chuyển chi phí từ hơi nước sang điện, do đó giải pháp này có lợi khi hơi nước đắt đỏ hoặc không sẵn có và giá điện thuận lợi. Ngoài ra, giải pháp này còn bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cho máy nén và chi phí bảo trì. Việc so sánh nên được thực hiện trong giai đoạn thiết kế, dựa trên giá cả dịch vụ tiện ích thực tế của bạn.

Câu hỏi: Tôi cần đạt mức chân không bao nhiêu?

Mức chân không cần thiết phụ thuộc vào nhiệt độ tối đa sản phẩm của bạn có thể chịu đựng được, chứ không dựa vào một giá trị tiêu chuẩn nào. Khi giới hạn nhiệt độ đã được xác định, mức chân không sẽ được xác định dựa trên điểm sôi của chất lỏng ở nồng độ mà bạn đang đạt tới.

Câu hỏi: Một thiết bị có thể cô đặc nhiều sản phẩm khác nhau không?

Có, nếu thiết bị được thiết kế phù hợp: bố trí dễ xả sạch, hệ thống làm sạch tại chỗ (CIP) hiệu quả và điều khiển dựa trên công thức là những tính năng then chốt. Trong trường hợp này, điều bạn đang mua chính là tốc độ chuyển đổi giữa các sản phẩm và khả năng lặp lại quy trình, thay vì chỉ một công suất cố định duy nhất.

Hãy liên hệ với kỹ sư quy trình của chúng tôi