Cirkulationsförångare

Cirkulationsförångare är en typ av förångningsenhet utformad för att separera blandningar som inte kan förångas av en konventionell förångningsenhet. Cirkulationsindunstning innefattar användning av både värmeväxlare och flashseparationsenheter i samband med cirkulation av lösningsmedlet för att avlägsna vätskeblandningar utan konventionell kokning . Det finns två typer av cirkulationsavdunstning; Natural Circulation Evaporators och Forced Circulation Evaporators, som båda fortfarande används i industrin idag, även om forcerade cirkulationssystem, som har en cirkulationspump i motsats till naturliga system utan drivkraft, har ett mycket bredare utbud av lämpliga användningsområden.

Konstruktion av naturliga/forcerade cirkulationsförångare

Förångare är konstruerade med två huvudmål: Är den utrustning som ska väljas bäst lämpad för uppdraget, och är arrangemanget det mest effektiva och ekonomiska. Värmeöverföring påverkar i hög grad förångarens design, eftersom det representerar den största kostnaden för dess drift. Den mest lämpliga förångaren kommer att ha den högsta värmeöverföringskoefficienten per dollar av utrustningskostnad. Vid optimering av konstruktionen av en förångare är en annan viktig faktor ångekonomin (kg lösningsmedel avdunstat per kilogram ånga som används). Det bästa sättet att uppnå hög ekonomi (som kan vara långt över 100%) är att använda multipeleffektförångare , varvid ångan från en förångare – eller effekt – används för att värma fodret i nästa effekt, där kokningen sker vid lägre tryck och temperatur Termokomprimering av ångan, varvid ångan kommer att kondensera vid en temperatur som är tillräckligt hög för att kunna återanvändas för nästa effekt genom kompression, kommer också att öka effektiviteten. Ökad energieffektivitet kan dock bara uppnås genom högre kapitalkostnader och en generell regel är ju större systemet är, desto mer lönar det sig för att öka förångarens termiska verkningsgrad .

Värmeöverföring är dock inte det enda designkriteriet, eftersom den mest lämpliga förångaren också beror på egenskaperna hos fodret och produkterna. Kristallisering , saltning och fjällning, produktkvalitet och dess värmekänslighet, lösningens skumningspotential, fodrets viskositet (som ökar med avdunstning) och dess natur (slurry eller koncentrat) måste alla beaktas. För Single Effect Evaporators som används i småskaliga processer med låg genomströmning av material, kan material- och energibalanser användas för att designa och optimera processen. Vid utformning av förångare med flera effekter är försök och felmetoder med många iterationer vanligtvis de snabbaste och mest effektiva. De allmänna stegen i designen är som följer och skulle utföras i Excel för att underlätta beräkningen. Andra designprogram som Aspen Plus skulle också kunna användas med inbyggda funktioner för processutrustning.

1) Uppskatta temperaturfördelningen i förångaren, med hänsyn till kokpunktshöjningar. Om alla värmeytor ska vara lika, kommer temperaturfallet över varje effekt att vara ungefär omvänt proportionellt mot värmeöverföringskoefficienten i den effekten.

2) Bestäm total avdunstning som krävs och uppskatta ångförbrukningen för antalet valda effekter.

3) Beräkna avdunstning i den första effekten från antagen matningstemperatur eller flödeshastighet. Upprepa för följande effekter och kontrollera att initiala och mellanliggande antaganden fortfarande är giltiga. Bestäm också om produktkvaliteten har uppfyllt de krav som krävs vid den senaste effekten.

4) Kontrollera om värmekraven har uppfyllts och produkten uppfyller önskade specifikationer. Om inte, upprepa föregående steg med olika antagande om ångflöde till den första effekten.

5) Nu när koncentrationerna i varje effekt är kända, beräkna om kokpunktsökningarna för att bestämma värmebelastningen. Med hjälp av denna information revidera antagna temperaturskillnader värmeöverföringskoefficienter och bestäm sedan kraven på värmeytan.

6) Givet tillräckligt med data, baserat på ovanstående förhållanden, kan värmeöverföringskoefficienter sedan beräknas mer noggrant och ytuppvärmningskraven justeras i enlighet därmed för att ge en mer tillförlitlig design som representerar det fysiska systemet i sig.

När själva förångarkomponenterna har konstruerats, skulle tilläggsutrustning såsom pumpar (särskilt för förångare med tvångscirkulation) och värmare behöva konstrueras och/eller specificeras för att systemet ska ge en tillförlitlig prestanda och kostnadsberäkning av systemet som helhet. Dessa skulle baseras på de specifikationer som fastställts i beräkningarna ovan.

Huvuddragen

De huvudsakliga processegenskaperna är de som är baserade på förångning, specifikt genom värmeväxling och tryckmanipulation. Det är en snabbsepareringsprocedur som inkluderar uppvärmning av en basvätskeblandning och forcerad cirkulation genom systemet via pumpning.

Fysiska egenskaper

Forcerad/naturlig cirkulation Indunstning används när kokning av basvätskor är oönskad. Den har utvecklats speciellt för bearbetning och separation av vätskor där kristallisering och fjällning sker. Förångaren använder separata delar för att skapa det övergripande systemet; en värmeväxlare, separeringstank och för det forcerade cirkulationssystemet (till skillnad från det naturliga cirkulationssystemet) en cirkulationspump är standard även om den kan ändras beroende på vätskeegenskaperna hos de blandningar som separeras och specifik design. Enheterna i värmeväxlaren (där termisk överföring sker) kallas för värmeenheter eller calandria (för enrörsvärmeväxlare). Vätske-ångseparationstanken kallas en flash-separator, flash-kammare eller flash-kärl. Grundmodulen för en förångare är känd som "kroppen" av förångaren och hänvisar till calandria och flashkammaren. Termen "effekt" används för att beskriva kroppen där ånga extraheras från råvaran och arbetar vid samma kokpunkt.

Systemegenskaper

Avdunstning är eliminering av lösningsmedlet i form av ånga från en lösning. För de flesta förångningssystem är lösningsmedlet vatten och värmen tillhandahålls av ångkondensation. I en forcerad cirkulation cirkulerar förångningsvätska ständigt genom systemet. Blandningen rör sig genom värmeväxlaren där den överhettas under tryck. För att undvika nedsmutsning används en hög cirkulationshastighet, vanligtvis mellan 1,5 – 4 m/s, även om detta i slutändan beror på komponentens egenskaper och lätt kan manipuleras av cirkulationspumpen. Vätskan trycksätts genom värmeväxlaren externt av tryckstabilisatorer såsom ventiler eller öppningar eller hydrostatiskt inuti systemet.

Uppvärmningen av vätskan över värmeväxlaren hålls minimal med en standardtemperaturskillnad på 2 - 3 K. När vätskan kommer in i flashkärlet reduceras trycket till något under värmeväxlarens tryck och snabbavdunstning sker. Ångströmmen separeras från vätskeströmmen. Denna ånga är vanligtvis inte den önskade produkten från förångningsenheten. Som sådan kan ångan antingen samlas upp eller kasseras beroende på systemet. Den anrikade flytande lösningen samlas sedan antingen upp på samma sätt som ångan eller recirkuleras genom systemet igen.

Detta resulterar i ett högt recirkulationsförhållande inom intervallet 100–150 kg vätska (lösningsmedel) som recirkuleras per kg avlägsnad ånga. Dessa höga återcirkulationshastigheter resulterar i höga vätskehastigheter genom röret och minimerar i sin tur uppbyggnaden av kristaller, andra avlagringar och minimerar i sin tur nedsmutsning. Det är viktigt att notera att vid kristallisationstillämpningar sker kristallisation fortfarande i flashseparatorn och i vissa specifika system behövs ytterligare separering av fasta partiklar från den recirkulerade slurryn.

Bedömning av egenskaper

När man designar en förångare med tvångscirkulation finns det 3 överväganden att ta hänsyn till; värmen som överförs, vätskeångseparationen och energiförbrukningseffektiviteten. Alla dessa överväganden måste maximeras för att skapa ett effektivt system. Eftersom cirkulation och uppvärmning upprätthålls för systemet, kan vätsketemperaturer och flödeshastigheter kontrolleras specifikt för att passa produktkraven och som sådan kan optimala rörhastigheter uppnås vilket resulterar i ett effektivt designat system som tar hänsyn till designöverväganden.

Forcerad cirkulationsförångare har hög vätskehastighet och därför en hög turbulens, vilket är likställt med höga värmeöverföringskoefficienter. Systemet innehåller positiv cirkulation, fri från hög nedsmutsning, avlagringar eller saltning och är lämpligt för frätande och viskösa lösningar.

Driftsegenskaperna är specifikt manipulerade för att passa applikationskriterierna. Forcerad cirkulationsförångare är dock mångsidiga i sin tillämpning och kan användas i en mängd olika tillämpningar (se tillämpningar). De är till exempel idealiska för kristalliseringsoperationer. Koncentrationsvärden för evaporatorer med forcerad cirkulation kan hantera mer än gränserna för konventionella rörformade förångare vid hantering av foder med lösta salter och används ofta som slutförångare för koncentration av vätskor till hög fast substans efter flerstegs-, TVR- eller MVR-avdunstning med lågt torrsubstans.

Flera uppvärmningseffekter kan användas för att öka den termiska effektiviteten. I denna systemdesign används extraherad ånga som värmemedium för den andra värmeeffekten vid ett lägre tryck än den första effekten. Detta kan upprepas för flera effekter.

Natural Circulation evaporator egenskaper

Naturlig cirkulationsavdunstning är i huvudsak baserad på naturliga konvektionsströmmar som manipuleras genom systemets rör för att skapa cirkulation. Cirkulation genom konvektion uppnås genom bubbelbildning. Bubblor har lägre densitet och stiger genom vätskan för att främja lyft uppåt in i förångningskärlet.

Fysiskt Förångare med naturlig cirkulation använder ett kort rörknippe i satspannan eller genom att ha en extern skal och rörvärmeväxlare utanför huvudkärlet (som visas i diagrammet) Extern uppvärmning genom värmeväxlare används normalt eftersom det har fördelen att det är inte beroende av calandrias storlek eller form. Som sådan kan större kapaciteter för flashseparationstanken erhållas.

Demontering av cirkulationspumpen minskar driftskostnaderna, men på grund av systemets egenskaper som nämnts ovan har förångaren lång uppehållstid och låga flödeshastigheter, vilket gör dess användningsområden mycket mer begränsad än en tvångscirkulationsförångare. Den vanligaste användningen av Natural Circulation-indunstning är som en återkokare för destillationskolonner.

Systemdesigner tillgängliga

För närvarande finns ett brett utbud av tvångscirkulationsindunstare tillgängliga som är speciellt skräddarsydda för att utföra distinkta applikationer.

Plattforcerad cirkulationsförångare använder en centrifugalpump som tvingar vätska att cirkulera genom plattstrukturerna och värmeväxlaren. Flexibiliteten i denna design är en stor fördel, eftersom förångningshastigheten kan manipuleras genom att antingen lägga till eller ta bort extra plattor, vilket gör att den kan utföra ett brett spektrum av uppgifter som kräver högre värmeöverföringskoefficient. Närmare bestämt har produkter med högre viskositet varit bättre lämpade för denna konstruktion, där plattcirkulationsförångaren uppvisar högre prestanda och förbättrad förångning jämfört med det rörformiga forcerade cirkulationssystemet. Vätskan måste genomgå överhettad temperatur, som överstiger vätskans ursprungliga kokpunkt i hög grad, vilket tvingar fram snabb avdunstning. Utöver flexibiliteten är detta system kompakt, kräver endast litet utrymme och är lätt att rengöra och underhålla eftersom plattorna är lättillgängliga. När det gäller lämplighet används denna design för närvarande i processer som involverar vätskor med låga till medelhöga avdunstningshastigheter och består av små portioner av olösta lösta ämnen med nästan ingen kapacitet att framkalla nedsmutsning.

Rörformade tvångscirkulationsförångare använder en axiell cirkulationspump som navigerar vätskeflödet i en cirkulär rörelse genom systemets värmeväxlare där den överhettas. Därefter, när vätskan når separatorn, minskar vätsketrycket dramatiskt vilket tvingar en del av vätskan att snabbt kokas bort. Denna design är specifikt för produkter och/eller partiklar med en diameter på över 2 mm. Eftersom avdunstningen endast sker i separatorn och inte i värmeväxlaren, minskar nedsmutsningen trots högre nivåer av turbulens i konstruktionen. Alternativt är en annan designparameter optimeringen av vätskehastigheten i rörets sidoflöde som regleras av cirkulationspumpen.

Forcerad cirkulationsindunstare inom livsmedelsindustrin använder modifierade konstruktioner som efterliknar det ursprungliga systemet, men involverar extra sekundära ångenheter för att förbättra det forcerade cirkulationsflödet. Medan enkeleffektskonstruktionen använder en kondensatorenhet för att stimulera en kondensationsverkan efter ånginflöde från värmeväxlaren, gör dubbeleffektkonstruktionen en liknande uppgift, men den extra komponenten verkar för att minska det totala trycket i systemet. Som jämförelse används trippeleffektsystemet när höga nivåer av effektiv avdunstning behövs med minimalt arbete. I denna design går vätskan in i den tredje effekten vid låg temperatur och går till den andra strömmen där koncentrationen ökar på grund av den tidigare förångningseffekten. Slutligen uppnås den optimala produktkoncentrationen i den första effekten.

När det gäller konstruktionskomponenterna inom tvångscirkulationsindunstningssystem kan värmeväxlarna variera. Skal- och rörväxlare är de mest uppenbara som ett resultat av den flexibla designen som kan ta emot olika tryck- och temperaturvärden. Forcerade cirkulationsväxlare kan använda antingen horisontella eller vertikala skal- och rörvärmeväxlare, vilket möjliggör utbyte av värme mellan vätskor inom och utanför rören (som finns inuti värmeväxlaren). Vätskor med höga halter av löst ämne kräver vanligtvis vertikala värmeväxlare som är vanligare.

Avfall

Indunstning handlar i allmänhet om avdunstning av vatten från en blandning eller lösning som innehåller en annan vätska eller fina fasta ämnen. Denna koncentrerade ström är i de flesta fall produkten och som sådan är den enda avfallsströmmen rent vatten, som inte utgör någon risk för miljön och kan slängas ut i dagvatten/avloppssystemet. I de fall där koncentratet är avfallsströmmen, såsom vid avdunstning av saltvatten för att producera dricksvatten, bör saltkoncentratet dispergeras tillbaka i haven eller ytterligare torkas och skickas för bortskaffande/användning i andra operationer. I de flesta fall finns det inga farliga avfallsströmmar förknippade med naturliga och forcerade cirkulationsförångare.

Fördelar och begränsningar

Fördelar

Naturlig/forcerad cirkulationsförångare har många fördelar, vilket gör dem till det populäraste valet av förångare inom industrin.

Vätskan som kommer in i cirkulationsförångaren kommer att koka i separatorn, inte på en uppvärmningsyta, vilket minimerar nedsmutsning, medan med plattförångare kommer kokning att ske på en uppvärmningsyta. Det är av denna anledning som cirkulationsförångare är att föredra för vätskor med högre tendens att smutsas. Minimal nedsmutsning innebär också att rengöringscyklerna inte är lika frekventa som med andra förångare som plattförångare.

Cirkulationsförångare är ganska kompakta och är lätta att rengöra och använda. De kan också enkelt anpassas efter den produkt som behöver skaffas. De har en hög värmeöverföringskoefficient samt ett högt cirkulationsflöde, som båda arbetar för att öka effektiviteten i förångaren.

Begränsningar

En av de huvudsakliga begränsningarna för de forcerade/naturliga cirkulationsförångarna är kostnaden. Cirkulationsförångare har särskilt höga konstruktionskostnader, medan fallfilmsförångare har en låg investeringskostnad. Fallfilmsförångare har ingen roterande inre del och upplever därför ingen mekanisk försämring, medan cirkulationsförångare har höga underhållskostnader.

Även om det tidigare beskrivits som en fördel, finns det också en baksida med det höga cirkulationsflödet. Den ökade hastigheten kan göra att utrustningen korroderar i en snabbare takt, vilket kommer att öka den totala kostnaden för att driva förångaren med tanke på hur dyr den är att underhålla jämfört med andra förångare.

Ansökningar

Naturlig/forcerad cirkulationsindunstare har en stor roll i livsmedels- och dryckesindustrin. Specifikt kan de användas för processer som producerar tomatjuicekoncentrat , (tropiskt och bär) fruktkoncentrat, och när vatten behöver avlägsnas från vissa råvaror på ett sådant sätt att råvaruegenskaperna bibehålls.

I allmänhet krävs förångare med tvångscirkulation när en vätskas nedsmutsningsegenskaper kommer att orsaka problem om vätskan kokar på en uppvärmningsyta. Dessa förångare används även för vätskor med hög torrhalt och hög viskositet.

Det finns flera andra processer som kräver användning av tvångscirkulationsförångare, som fungerar särskilt bra som kristalliserande förångare. Dessa inkluderar processer som producerar salt, majsvatten och kalciumkarbonat.

Naturliga cirkulationsindunstare används i andra processer som de som producerar vattenfri natriumhydroxid (kaustik), sockerbetor, lutar som är särskilt skummande eller de som har en låg till måttlig viskositet och utfällande vätskor.

Naturlig/forcerad cirkulationsindunstare är också nödvändiga i avloppsreningsverk och i både den kemiska och läkemedelsindustrin .

Nya utvecklingar

Förbättringar i utformningen av förångare med forcerad/naturlig cirkulation har haft betydande konsekvenser för industriella produkter och processer. Tillkomsten av självrengörande värmeväxlarinstallationer som innehåller en extern cirkulerande rörelse för partiklar har drastiskt minskat nivåerna av nedsmutsning. Dessutom har användningen av tvångscirkulationsindunstare i multieffektindunstningsanläggningar, som beskrivits tidigare i avsnittet om tillgängliga konstruktioner, avsevärt breddat applikationerna för vätskor som har höga viskositeter, lätt kan deponeras och kräver högre koncentrationer. Ytterligare bevis kan hämtas från fallstudien angående deponin i Norditalien, där biogas i en enstaka effektförångare inte helt kunde förånga lakvattnet. Som ett resultat användes en förångare med tvångscirkulation med trippeleffekt.