Поднимающийся и падающий пленочный пластинчатый испаритель

Пластинчатый испаритель с восходящей/нисходящей пленкой представляет собой специализированный тип испарителя, в котором тонкая пленка жидкости проходит через поднимающуюся и опускающуюся пластину, чтобы обеспечить процесс испарения. Он является продолжением испарителя с падающей пленкой и может применяться в любой области, где испаряемая жидкость не может выдерживать длительное воздействие высоких температур, например, при концентрации фруктовых соков.

Дизайн

Базовая конструкция пластинчатого испарителя с восходящей/нисходящей пленкой состоит из двух фаз. На этапе подъема жидкое сырье нагревается потоком пара, поднимающегося через гофрированную пластину. На последующей фазе падения жидкость течет вниз с высокой скоростью под действием гравитационной силы. В нисходящей фазе испарение и охлаждение происходят быстро.

Существует несколько вариантов конструкции, которые обычно используются в промышленной сфере. К ним относятся однокорпусные и многокорпусные испарители. Выбор конструкции испарителя продиктован ограничениями технологического процесса. По сути, при проектировании этого испарителя участвуют четыре фактора:

предотвращение пузырькового кипения ;
короткое время пребывания ;
отходы производства отходов; и
после лечения.

Основным преимуществом пластинчатого испарителя с восходящей/нисходящей пленкой является его короткое время пребывания. Поскольку жидкая подача не остается в испарителе в течение длительного времени, этот испаритель подходит для материалов, чувствительных к теплу/температуре. Таким образом, этот испаритель широко используется в пищевой промышленности, производстве напитков и фармацевтической промышленности. Кроме того, можно сохранить цвет, текстуру, питательную ценность и вкус жидкого корма. Несмотря на свою функциональность, этот испаритель имеет ряд недостатков, таких как большое потребление энергии. Будущая разработка предполагает установку большого количества паровых эффектов и переработку пара, где это возможно, для повышения энергоэффективности.

Доступные дизайны

Конструкции испарителей с поднимающимися/падающими пленочными пластинами можно разделить на однокорпусные и многокорпусные пленочные пластинчатые испарители. ^{[ 1 ]}

Одноэффектный

Работа однокорпусного испарителя может осуществляться периодическим , полупериодическим, непрерывно-периодическим или непрерывным способом. Однокорпусные испарители показаны в любом из следующих состояний:

пар не может быть переработан, поскольку он загрязнен;
сырье очень коррозионно-агрессивное, требует дорогостоящих строительных материалов;
затраты энергии на паровое отопление низкие;
требуемая мощность небольшая.

Термокомпрессия

Термокомпрессия полезна, когда необходимо снизить энергопотребление испарителя. Этого можно достичь путем сжатия и рециркуляции пара из однокорпусного испарителя в тот же испаритель, что и теплоноситель. Термокомпрессия пара может быть достигнута применением пароструйного аппарата или использованием механических средств, таких как компрессоры.

Пароструйная термокомпрессия

Паровая струя потребуется для сжатия пара обратно в испаритель.

Механическая термокомпрессия

Механическая термокомпрессия основана на том же принципе, что и термокомпрессия, но с той лишь разницей, что сжатие осуществляется поршневыми, ротационными, центробежными или осевыми компрессорами.

Многокорпусные испарители

Лучший способ снизить потребление энергии — использовать многокорпусные испарители. В многокорпусных испарителях пар снаружи конденсируется нагревательным элементом первой ступени, а пары, образующиеся в первой ступени, затем возвращаются обратно во вторую ступень, где сырьем будет частично концентрированный продукт первой ступени. Процесс расширяется до последнего эффекта, когда достигается конечная желаемая концентрация. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Характеристики процесса

Существует несколько характеристик процесса, которые следует учитывать, чтобы испаритель работал с максимальной производительностью.

Испарение тонкой пленки жидкости

Испарение пленки жидкости в пленочных испарителях очень важно для охлаждения текущей жидкости и поверхности, по которой она течет. Это также может увеличить концентрацию компонентов в жидкости. Пластинчатый испаритель с восходящей/нисходящей пленкой специально разработан для образования тонкой пленки как на фазе подъема, так и на фазе падения. ^{[ 3 ]} В испарителях с восходящей пленкой сырье подается в нижнюю часть трубок. Испарение приводит к расширению пара, в результате чего вдоль трубок поднимается тонкая пленка жидкости. Сдвиг пара подтолкнет тонкую пленку подняться вверх по стенкам трубок. С другой стороны, сырье для испарителя с падающей пленкой подается сверху труб. Жидкость стекает по трубкам и испаряется по мере спуска. ^{[ 3 ]} Поток жидкости по трубкам обусловлен напряжением сдвига пара и силами гравитации. Эффект сдвига пара и силы тяжести приведет к более высоким скоростям потока и более короткому времени пребывания. Течение тонкой пленки жидкости в испарителе с падающей пленкой возможно двумя способами: прямоточным и противоточным. ^{[ 4 ]} Прямоток является, если пар втягивается сверху вниз по трубкам и наоборот для противотока. Прямоток увеличит скорость потока, что приведет к сокращению времени пребывания. ^{[ 4 ]} Тип потока можно описать на рисунке 2.

Характеристика теплопередачи

На эффективность теплопередачи пластинчатого испарителя с восходящей и нисходящей пленкой влияют несколько факторов, в том числе высота подачи внутри трубы и разница температур. Высота питательной воды обратно пропорциональна высоте поднимающейся пленки. ^{[ 5 ]} Низкая высота питательной воды приведет к высокой высоте взбирающейся пленки. Увеличение высоты восходящей пленки увеличит процент области кипения насыщенного потока, что приведет к увеличению местного коэффициента теплопередачи. Установлено, что оптимальным соотношением высот питательной воды является $R h = 0,3$ . ^{[ 5 ]} Любое соотношение высот менее 0,3 приведет к снижению местного коэффициента теплопередачи. Кроме того, небольшое содержание жидкости в трубке может свести к минимуму проблему пенообразования.

Сочетание испарителя с поднимающейся и падающей пленкой позволяет испарителю работать в широком диапазоне температур. Испарители могут работать при небольшой разнице температур между теплоносителем и жидкостью. Это связано с отсутствием гидростатического перепада давления в испарителе. Отсутствие перепада гидростатического давления устранит перепад температуры, в результате чего температура станет относительно однородной. ^{[ 4 ]} Кроме того, локальный коэффициент теплопередачи внутри трубки зависит от изменения температуры. Минимальный порог изменения температуры ( ΔT ) 5 °C был найден Луопэн Янгом в одном из своих экспериментов. ^{[ 5 ]} Если изменение температуры составляет менее 5 °C, пленка жидкости не сможет перемещаться вверх по трубкам, что приведет к падению местного коэффициента теплопередачи в трубке.

Время проживания

Поскольку испаритель в основном используется в процессах, связанных с термочувствительными материалами, время пребывания должно быть как можно меньшим. ^{[ 6 ]} Время пребывания – это время, необходимое продукту для контакта с теплом. Чтобы улучшить качество продукта, короткий период теплового контакта при однопроходной операции может свести к минимуму порчу продукта. Пластинчатый испаритель с поднимающейся и падающей пленкой способен удовлетворить это требование. Короткое время пребывания может быть достигнуто за счет более высоких скоростей потока жидкости по трубке испарителя с падающей пленкой. ^{[ 4 ]} Эффект гравитационной силы увеличит скорость потока жидкости, что приведет к сокращению времени пребывания.

Применение рекомендаций по проектированию

Предотвращение пузырькового кипения

При проектировании пленочного пластинчатого испарителя необходимо контролировать использование перегретой жидкости, чтобы предотвратить пузырьковое кипение. Пузырьковое кипение приведет к ухудшению качества продукта в результате увеличения скорости химических реакций из-за повышения температуры. Пузырьковое кипение приведет к загрязнению, что повлияет на скорость теплопередачи в процессе. Чтобы избежать пузырькового кипения, перегрев жидкости должен находиться в диапазоне от 3 до 40 К в зависимости от используемой жидкости. ^{[ 4 ]}

Короткое время пребывания

Сведение к минимуму времени пребывания важно для минимизации возникновения химических реакций между сырьем и материалами испарителя, тем самым уменьшая засорение испарителя. Это правило особенно важно в пищевой промышленности, где чистота выпускаемой продукции имеет первостепенное значение. ^{[ 4 ]} В этом случае время пребывания напрямую влияет на качество продукта, поэтому важно, чтобы пластинчатый испаритель с поднимающейся и падающей пленкой имел низкое время пребывания. ^{[ 7 ]}

Производство отходов

Конденсат – это отходы, которые были сброшены через поток отходов в испарителе с поднимающейся и падающей пленкой. Этот испаритель будет выпускать пар вместе с конденсатом, поскольку пар проходит быстрее, чем жидкость течет по трубке.

В каждую выпарную установку сырье поступает снизу трубной решетки через восходящий и нисходящий сегменты пленки. При подъеме жидкости по трубке происходили процессы кипения и испарения при ее контакте с нагретыми паром пластинами. Затем смесь, содержащая жидкость и пар, выгружается и перераспределяется вверху трубок пропускания падающей пленки. Пар, образующийся при поднимающейся пленке, используется для увеличения скорости жидкости в распределительных жидкостных трубках с целью повышения теплопередачи. Внешний сепаратор используется для разделения смеси жидкости и воды, образующейся в нисходящем потоке.

Пост-обработка

В многокорпусном испарителе пар, выходящий из одной фазы испарителя, рециркулируется в качестве теплоносителя для следующей фазы, что снижает общий расход пара для испарителя.

Поверхностный конденсатор используется для конденсации пара, образующегося в процессе второго эффекта. Чтобы восстановить тепло, которое было использовано в этом испарителе, оба конденсата пара перекачиваются в подачу предварительного нагревателя, чтобы он мог производить тепло для этого процесса. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Область применения

Пластинчатые испарители с поднимающейся/падающей пленкой используются в ряде областей применения:

Концентрация фруктового сока

Фруктовые соки конденсируются путем выпаривания для хранения, транспортировки и коммерческого использования. ^{[ 10 ]} Если фруктовые соки подвергаются воздействию тепла, это может повлиять на содержание питательных веществ, таких как витамин С. ^{[ 11 ]} Кроме того, эти питательные вещества легко окисляются при высокой температуре. Испаритель может преодолеть это ограничение, поскольку он работает при высокой скорости потока сырья и небольшой разнице температур. Кроме того, благодаря использованию испарителя этого типа можно предотвратить изменение цвета и текстуры соков.

Молочная промышленность

Другие богатые белком продукты, такие как сухая сыворотка в пищевых добавках и молоко (включая как обезжиренное , так и цельное молоко ), концентрируются для удаления большинства жидких компонентов для дальнейших процессов. ^{[ 12 ]} Белок легко денатурирует при высокой температуре, поскольку его третичная структура разрушается под воздействием тепла. Испарение за счет конструкции пластин с поднимающейся и падающей пленкой может минимизировать эффект денатурации белка и, таким образом, оптимизировать качество продукта.

Другие применения в пищевой промышленности

Ингредиенты быстрого приготовления и концентрированные кулинарные ингредиенты, такие как соус для пасты, куриный бульон, овощные пюре и т. д., подвергаются выпариванию с помощью одного и того же выпарного оборудования. Хотя они относительно менее чувствительны к теплу, их выпаривание при низкой температуре и коротком времени пребывания имеет решающее значение для сохранения качественного вкуса, внешнего вида текстуры и пищевой ценности. ^{[ 13 ]}

Фармацевтика

Антибиотики, дополнительные таблетки и лекарства, содержащие органические и неорганические соединения, выпаривают, чтобы удалить как можно больше влаги для кристаллизации. Это связано с тем, что в кристаллической форме антибиотики и ферментные соединения хорошо сохраняются и их стабильность повышается. ^{[ 14 ]} Более того, воздействие высокой температуры приведет к разложению неорганических соединений. Хотя большинство фармацевтических продуктов чрезвычайно чувствительны к температуре, использование испарителей этого типа по-прежнему практично, поскольку некоторые конструкции этих испарителей могут работать при низком давлении, поскольку температура кипения воды снижается при уменьшении давления.

Ограничения

У этого испарителя есть несколько ограничений, которые делают его неприменимым для всего спектра промышленных процессов. Испаритель должен работать в диапазоне 26–100 °C и способен удалять воду в диапазоне 450–16 000 кг/ч. Чтобы обеспечить надлежащие характеристики подъема/спада, большинство испарителей довольно высокие и могут быть установлены только в помещении высотой 4 метра (13 футов). Суспензий в жидком сырье должно быть мало, и они могут проходить через сито 50 меш.

Разработка

Существует несколько проблем, связанных с подъемом и падением пленочных пластинчатых испарителей. Одна из них – энергоемкая система. Чтобы повысить производительность установки, необходимо снизить потребление энергии с целью сокращения использования пара. Исследователь предложил новые стратегии по сокращению использования пара для улучшения системы экономического пара. Примерами операционных стратегий являются испарение сырья, продукта и конденсата, разделение сырья и пара и использование оптимального ряда потоков сырья. ^{[ 9 ]}

Было предложено несколько методов минимизации энергопотребления: ^{[ 8 ]}

Установка большого количества паровых эффектов на испаритель.
Рециркуляция пара посредством термокомпрессии или механического сжатия, если это возможно.
Обеспечение предварительного нагрева сырья, поступающего в испаритель, до точки кипения.
Минимизация теплового градиента в испарителе.
Изоляция оборудования для минимизации потерь тепла.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Грин, Дон В.; Перри, Роберт Х (2008). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0071593137 .
^ Биллет, Рейнхард. Технология выпаривания: принципы, применение, экономика . ВЧ.
^ Перейти обратно: ^а ^б Джеймс Дж. Бреннан; Алистер С. Грандисон (2012). Справочник по пищевой промышленности . Германия: WILEY_VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Амир Фагри; Ювэнь Чжан (2006). Явления переноса в многофазных системах . Лондон: Elsevier Inc.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Луопэн Ян; Сюэ Чен; Шэнцян Шен (2010). «Характеристики теплопередачи при испарении восходящей пленки в вертикальной трубе». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . 34 (6): 753–759. Бибкод : 2010ETFS...34..753Y . doi : 10.1016/j.expthermflusci.2010.01.004 .
^ Берк, Зеки (2009). «Инженерия и технология пищевых процессов». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . Сан-Диего: Эльзевир.
^ Перейти обратно: ^а ^б Пластинчатый испаритель (Отчет). Сан-Диего: APV Crepaco Inc.
^ Перейти обратно: ^а ^б Справочник по испарителю (отчет). Чикаго: APV Crepaco Inc.
^ Перейти обратно: ^а ^б Джайшри В. (2010). Оптимизация многокорпусной испарительной системы (дипломная работа на степень бакалавра технологий). Орисса, Индия: Национальный технологический институт.
^ Маскан, Медени (2006). «Производство концентрата сока граната ( Punica granatum L.) различными методами нагрева: ухудшение цвета и кинетика». Журнал пищевой инженерии . 72 (3): 218–224. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2004.11.012 .
^ Ли, Хён С.; Чен, Чин С. (1998). «Скорость потери витамина С и обесцвечивания прозрачного концентрата апельсинового сока при хранении при температуре 4–24 ° C». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 46 : 4723–4727. дои : 10.1021/jf980248w .
^ Рибейро-младший; Клаудио Патрисио; Кано Андраде; Мария Елена (2003). «Анализ производительности системы концентрирования молока бразильского завода по производству сухого молока» . Журнал пищевой промышленности . 26 (2): 181–205. дои : 10.1111/j.1745-4530.2003.tb00596.x .
^ Бомбен, Джон Л.; Брюин, Солке; Тейссен, Ханс AC; Мерсон, Ричард Л. (1973). «Восстановление и сохранение аромата при концентрировании и сушке пищевых продуктов: процессы сушки, при которых аромат сохраняется». В Чичестере, Колорадо (ред.). Достижения в области пищевых исследований . Том. 20. Нью-Йорк: Академик Пресс. стр. 64–74.
^ Шекунов; Б.Ю; Йорк, П. (2000). «Процессы кристаллизации в фармацевтической технологии и дизайне доставки лекарств». Журнал роста кристаллов . 211 (1–4): 122–136. Бибкод : 2000JCrGr.211..122S . дои : 10.1016/S0022-0248(99)00819-2 .

[perry-1] Перейти обратно: ^а ^б Грин, Дон В.; Перри, Роберт Х (2008). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0071593137 .

[Billet-2] Биллет, Рейнхард. Технология выпаривания: принципы, применение, экономика . ВЧ.

[James-3] Перейти обратно: ^а ^б Джеймс Дж. Бреннан; Алистер С. Грандисон (2012). Справочник по пищевой промышленности . Германия: WILEY_VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

[faghri-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Амир Фагри; Ювэнь Чжан (2006). Явления переноса в многофазных системах . Лондон: Elsevier Inc.

[Yang-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Луопэн Ян; Сюэ Чен; Шэнцян Шен (2010). «Характеристики теплопередачи при испарении восходящей пленки в вертикальной трубе». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . 34 (6): 753–759. Бибкод : 2010ETFS...34..753Y . doi : 10.1016/j.expthermflusci.2010.01.004 .

[Berk-6] Берк, Зеки (2009). «Инженерия и технология пищевых процессов». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . Сан-Диего: Эльзевир.

[APV-7] Перейти обратно: ^а ^б Пластинчатый испаритель (Отчет). Сан-Диего: APV Crepaco Inc.

[APV1-8] Перейти обратно: ^а ^б Справочник по испарителю (отчет). Чикаго: APV Crepaco Inc.

[Jaishree-9] Перейти обратно: ^а ^б Джайшри В. (2010). Оптимизация многокорпусной испарительной системы (дипломная работа на степень бакалавра технологий). Орисса, Индия: Национальный технологический институт.

[Maskan-10] Маскан, Медени (2006). «Производство концентрата сока граната ( Punica granatum L.) различными методами нагрева: ухудшение цвета и кинетика». Журнал пищевой инженерии . 72 (3): 218–224. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2004.11.012 .

[Lee-11] Ли, Хён С.; Чен, Чин С. (1998). «Скорость потери витамина С и обесцвечивания прозрачного концентрата апельсинового сока при хранении при температуре 4–24 ° C». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 46 : 4723–4727. дои : 10.1021/jf980248w .

[Ribeiro-12] Рибейро-младший; Клаудио Патрисио; Кано Андраде; Мария Елена (2003). «Анализ производительности системы концентрирования молока бразильского завода по производству сухого молока» . Журнал пищевой промышленности . 26 (2): 181–205. дои : 10.1111/j.1745-4530.2003.tb00596.x .

[Bomben-13] Бомбен, Джон Л.; Брюин, Солке; Тейссен, Ханс AC; Мерсон, Ричард Л. (1973). «Восстановление и сохранение аромата при концентрировании и сушке пищевых продуктов: процессы сушки, при которых аромат сохраняется». В Чичестере, Колорадо (ред.). Достижения в области пищевых исследований . Том. 20. Нью-Йорк: Академик Пресс. стр. 64–74.

[Shekunov-14] Шекунов; Б.Ю; Йорк, П. (2000). «Процессы кристаллизации в фармацевтической технологии и дизайне доставки лекарств». Журнал роста кристаллов . 211 (1–4): 122–136. Бибкод : 2000JCrGr.211..122S . дои : 10.1016/S0022-0248(99)00819-2 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]