蒸発濃縮装置とは何ですか？
工業用蒸発は、一般的な処理プラントの総熱エネルギー予算の約 18 ～ 25% を消費します。この 1 つのデータ ポイントは、適切な機器の選択が商品の決定では決してない理由を説明しています。蒸発濃縮装置は溶媒 (ほとんどの場合は水) を除去して、液体製品の固形分含有量を増やします。目標は、体積の削減、価値の濃縮、または溶媒の回収です。
中心的な課題は、製品の劣化とエネルギーの無駄を最小限に抑える条件下での熱伝達です。単に液体を沸騰させているだけではありません。粘度の限界、熱感度、汚れの傾向を考慮して相変化を設計しているのです。機器クラスは、単純なケトル蒸発器から多段階の機械的蒸気再圧縮システムに至るまで、根本的に異なる設計に及びます。
蒸発濃縮装置の主な種類
すべての用途に適合する単一の蒸発器はありません。各タイプは、熱感度、運用コスト、設備投資の異なる組み合わせを解決します。以下の 5 つのファミリーは、産業上の導入の大部分をカバーしています。
流下膜式蒸発器
薄い液膜が重力によって垂直チューブを流れ落ち、加熱された蒸気がシェル側で凝縮します。滞在時間はわずか数秒です。そのため、流下膜ユニットは、フルーツジュース、乳製品、タンパク質加水分解物などの熱に弱い製品のデフォルトの選択肢となっています。高い熱伝達係数により必要な表面積が減少し、シングルパス動作により熱履歴が制限されます。熱に弱い液体を処理する新しいプラントの場合、 流下膜式蒸発器 多くの場合、蒸発単位あたりの製品熱負荷は最も低くなります。
強制循環式エバポレーター
粘性のある流れ、スケールが落ちる流れ、または結晶化する流れを扱う場合、重力だけでは十分ではありません。再循環ポンプは、液体を 2 ～ 4 m/s の速度で熱交換器に送り込みます。これにより、チューブ内の沸騰が抑制され、蒸気の放出が別のフラッシュ チャンバーに移されます。この設計は、洗浄サイクル間の実行時間を延長し、流下膜システムを停止させる可能性がある非ニュートン流体を処理します。トレードオフは、より高いポンピングエネルギーとより大きな液体ホールドアップです。
機械的蒸気再圧縮 (MVR) 蒸発器
MVR システムは、蒸発器で生成された蒸気を圧縮し、熱媒体として再利用します。わずかな電気入力だけでコンプレッサーまたはファンに電力が供給されます。残りは潜熱回収から得られます。単効用式蒸気加熱ユニットと比較して、運転コストを 70 ～ 90% 削減できます。電気料金が中程度で蒸気コストが高い場合、多くの場合 2 年以内に回収が完了します。 MVRエバポレーター 現在、乳製品、エタノール、液体排出ゼロのプラントの新規設備で主流となっており、蒸気がほとんどない場合を除き、多重効用熱設計に取って代わられています。
削面・薄膜蒸発器
回転するワイパーブレードは、加熱された壁上の機械的に撹拌されたフィルムに原料を広げます。強制フィルム更新では、静止した表面に焼き付くような極端な粘度の製品を処理します。典型的な用途には、ポリマーの揮発分除去、ゲルの濃縮、汚れの多い栄養補助食品抽出物などがあります。 スクレーパーエバポレーター 他の設計では管理できない材料を処理できる能力と引き換えに、資本コストとメンテナンスコストが高くなります。
多重効用蒸発器
蒸発器を徐々に低圧で直列に接続することにより、ある蒸発器からの蒸気が次の蒸発器の加熱蒸気として機能します。トリプルエフェクトユニットでは、蒸気 1 kg あたり約 2.5 ～ 3 kg の水を蒸発させることができますが、シングルエフェクトでは 1 kg 未満です。効果の数は、資本対エネルギーの直接的な決定になります。 4 つまたは 5 つの効果を超えると、燃料価格が異常に高くない限り、効率の増加だけでは追加の設備コストをカバーできないことがよくあります。
| タイプ | 滞在時間 | 粘度限界 | エネルギー効率 | 汚れに対する感度 |
|---|---|---|---|---|
| 落下するフィルム | 秒 | 低～中 | 中～高 | 低～中 |
| 強制循環 | 分 | 高 | 中 | 低い |
| MVR | 秒 to Minutes | 低～中 | 非常に高い | 低～中 |
| 削られた表面 | 秒 | 非常に高い | 中 | 非常に低い |
| 複数の効果 | 秒 to Minutes | 低～中 | 高 | 中 |
適切なエバポレーターの選択: 結果を決定する 5 つのパラメーター
仕様プロセスはハードウェアではなく製品から始まります。プロセスデータではなく装置の好みを優先するエンジニアは、表面が慢性的に汚れたり、希釈水の過剰な消費につながることがよくあります。
1. 熱に対する敏感さ
タンパク質は変性し、フレーバーは酸化し、生理活性化合物は分解します。対象製品が 60°C 未満で 30 秒以内の暴露を必要とする場合、真空流下フィルムまたは MVR システムが必須となります。堅牢な無機塩水の場合、より単純な強制循環設計が大気圧で機能する可能性があります。
2. 濃縮時の粘度プロファイル
多くの液体は、水が離れると劇的に濃くなります。 1 cP から開始したフィードは、最終濃度では簡単に 500 cP を超える可能性があります。落下するフィルムユニットは 200 ～ 300 cP を超えると苦戦します。それを超えると、フィルムの分布が崩れ、乾燥した斑点が形成されます。強制循環または表面を削り取る設計により、高粘度の端部を焦げずに処理できます。
3. 汚れとスケールの傾向
濃度が上昇すると、カルシウム塩、タンパク質、糖が沈殿します。蒸発器のタイプと流速は、堆積物の形成速度を直接制御します。強制循環の高いチューブ側せん断により、表面をより長くきれいに保ちます。対照的に、バッチケトル内の停滞したプールでは、急速な汚れが確実に発生します。多くの場合、ランレングス要件によって、自動洗浄設計の追加コストが正当化されるかどうかが決まります。
4. 目標の最終固体と共晶限界
溶解度の限界を超えて蒸発すると、結晶の形成が促進されます。プロセスの目標が濃縮液体の場合は、沈殿が生成する前に停止します。結晶の製造が目的の場合、一般的な蒸発器ではなく、水簸脚を備えた強制循環晶析装置が適切なツールになります。
5. 光熱費とサイト固有の経済性
500 kW コンプレッサーを備えた MVR ユニットでは、年間 400,000 ドルの蒸気を節約できますが、150,000 ドルの電力が必要になります。純利益は完全に地域のエネルギー価格に依存します。多重効用熱システムは、低コストの蒸気や廃熱を利用できる場所に適しています。すべての地域にわたって単一の「最も効率的な」ラベルが適用されることはありません。
エネルギー効率: 本当のお金が隠れている場所
蒸気の消費量は、ほとんどの蒸発プラントにとって最大の運転経費です。単効用熱蒸発器では、水 1 kg あたり平均 1.1 kg の蒸気が蒸発します。三重効果により、0.35 ～ 0.40 kg/kg に削減されます。 MVR は、コンバインド サイクル ガス タービンからの電力は燃料から電力への変換係数が約 50% であるため、一次燃料投入量として測定した場合の等価熱エネルギー使用量を 0.05 kg/kg 未満に抑えます。 単一効果システムと MVR システムの差は、一般的な産業用エネルギー価格では、蒸発水 1 トンあたり 50 ドルを超える場合があります。
凝縮水と蒸気廃棄物の流れを使用して供給原料を予熱することは、迅速な回収が保証された最も簡単な改造です。機械的な蒸気の再圧縮は次のステップであり、プラント全体のピンチ解析と統合することで、冷却塔に送られる低級熱を利用する機会が明らかになります。
一般的なアプリケーション分野
蒸発濃縮装置は、液体流の価値がその固形分含有量に応じて変化する場合に使用されます。乳製品工場では、輸送と乾燥のコストを削減するために、ホエイとミルクを濃縮します。果物と野菜の加工業者は、5 ～ 8 Brix のジュースを 65 ～ 70 Brix の濃縮物に加工します。医薬品抽出ラインでは、熱に弱い有効成分を変性させることなく捕捉するために、穏やかな真空蒸発器を使用しています。エタノールおよび溶媒回収システムは、蒸発と精留を組み合わせて廃棄物の処理量を削減します。液体排出ゼロの産業廃水システムは、強制循環と MVR 蒸発器を利用してブラインを留出物と固体残留物に変換します。
それぞれの分野では、滞留時間、温度、洗浄プロトコルの特定の相互作用が必要です。全乳に使用できる乳製品流下膜式蒸発器は、予熱と CIP シーケンスを再設計しない限り、酸性の高いホエーで急速に汚れてしまいます。機器だけがすべての答えではありません。その周囲のプロセス サイクルも同様に重要です。
