Evaporador de placa de filme de escalada e queda - Climbing and falling film plate evaporator

Um evaporador de placa de filme ascendente / descendente é um tipo especializado de evaporador no qual uma fina película de líquido é passada sobre uma placa ascendente e descendente para permitir que o processo de evaporação ocorra. É uma extensão do evaporador de filme descendente , e tem aplicação em qualquer campo onde o líquido a ser evaporado não resista à exposição prolongada a altas temperaturas, como a concentração de sucos de frutas.

Projeto

O projeto básico do evaporador de placa de filme escalável / descendente consiste em duas fases. Na fase de subida, a alimentação líquida é aquecida por um fluxo de vapor à medida que sobe por uma placa ondulada. Na fase de queda subsequente, o líquido flui para baixo em alta velocidade sob a força gravitacional. A evaporação e o resfriamento ocorrem rapidamente na fase descendente.

Existem várias variações de design que são comumente usadas no campo industrial. Isso inclui evaporadores de efeito único e de efeito múltiplo. A escolha do projeto do evaporador é ditada pelas restrições do processo. Fundamentalmente, existem quatro fatores envolvidos no projeto deste evaporador:

A principal vantagem do evaporador de placa de filme subindo / descendo é o seu curto tempo de residência. Uma vez que a alimentação de líquido não permanece no evaporador por muito tempo, este evaporador é adequado para materiais sensíveis ao calor / temperatura. Assim, este evaporador é amplamente utilizado nas indústrias de alimentos, bebidas e farmacêutica. Além disso, a cor, textura, conteúdo nutricional e sabor da ração líquida também podem ser preservados. Apesar de sua funcionalidade, este evaporador tem algumas desvantagens, como grande consumo de energia. O desenvolvimento futuro compromete a instalação de um grande número de efeitos de vapor e reciclar o vapor sempre que possível para melhor eficiência energética.

Projetos disponíveis

Os projetos de evaporador de placa de filme ascendente / descendente podem ser agrupados em designs de placa de filme de efeito único e de efeito múltiplo.

Efeito único

As operações para o evaporador de efeito único podem ser realizadas em lote , semi-lote, lote contínuo ou continuamente. Os evaporadores de efeito único são indicados em qualquer uma das seguintes condições:

  • o vapor não pode ser reciclado porque está contaminado;
  • a alimentação é altamente corrosiva, exigindo materiais de construção caros;
  • o custo de energia para produzir o aquecimento a vapor é baixo;
  • a capacidade necessária é pequena.

Termocompressão

A termocompressão é útil sempre que os requisitos de energia do evaporador precisam ser reduzidos. Isso poderia ser alcançado comprimindo e reciclando o vapor de um evaporador de efeito único no mesmo evaporador do meio de aquecimento. A termocompressão de vapor pode ser alcançada aplicando o jato de vapor ou usando meios mecânicos, como compressores

  • Termocompressão Steam Jet
O jato de vapor seria necessário para comprimir o vapor de volta ao evaporador.
  • Termocompressão Mecânica
A termocompressão mecânica baseia-se no mesmo princípio da termocompressão, mas a única diferença é que a compressão é feita por compressores alternativos, rotativos de deslocamento positivo, centrífugos ou de fluxo axial.

Evaporadores de efeito múltiplo

A melhor maneira de reduzir o consumo de energia é usando evaporadores de efeito múltiplo. Para evaporadores de efeito múltiplo, o vapor de fora é condensado pelo elemento de aquecimento do primeiro efeito e os vapores produzidos a partir do primeiro efeito são então reciclados de volta para o segundo efeito, onde a alimentação será parcialmente concentrada do produto do primeiro efeito. O processo se expande até o último efeito quando a concentração final desejada é alcançada.

Características do processo

Existem várias características do processo que devem ser levadas em consideração para que o evaporador opere com seu melhor desempenho.

Evaporação de filme líquido fino

A evaporação do filme líquido em evaporadores de filme é muito importante para resfriar o líquido que flui e a superfície na qual o líquido flui. Também pode aumentar a concentração dos componentes no líquido. O evaporador de placa de filme de escalada / queda é projetado especificamente para produzir um filme fino durante as fases de escalada e queda. Para os evaporadores de filme escalável, a alimentação é introduzida na parte inferior dos tubos. A evaporação faz com que o vapor se expanda, fazendo com que uma fina película de líquido suba ao longo dos tubos. O cisalhamento de vapor empurrará o filme fino para subir na parede dos tubos. A alimentação para o evaporador de filme descendente, por outro lado, é introduzida no topo dos tubos. O líquido flui pelos tubos e vai evaporar à medida que desce. O fluxo do líquido pelos tubos é impulsionado pela tensão de cisalhamento de vapor e pelas forças gravitacionais. O efeito do cisalhamento do vapor e da gravidade levará a taxas de fluxo mais altas e menor tempo de residência. O escoamento do filme líquido fino no evaporador de filme descendente é possível de duas maneiras: co-corrente e contracorrente. É co-corrente se o vapor é puxado do topo para o fundo dos tubos e vice-versa para o fluxo em contracorrente. O fluxo de co-corrente aumentará as taxas de fluxo resultando em um tempo de residência mais curto. O tipo de fluxo pode ser descrito na figura 2.

Figura 2: Exemplos de evaporadores de filme

Característica de transferência de calor

O desempenho de transferência de calor do evaporador de placa de filme subindo e descendo é afetado por vários fatores, incluindo a altura da alimentação dentro do tubo e a diferença de temperatura. A altura da água de alimentação está inversamente relacionada à altura do filme de escalada. A baixa altura da água de alimentação levará à alta altura do filme de escalada. Uma altura mais alta do filme de escalada aumentará a porcentagem da região de ebulição do fluxo saturado, portanto, levará a um aumento no coeficiente de transferência de calor local. A proporção ótima de altura da água de alimentação é R h = 0,3 . Qualquer proporção de altura inferior a 0,3 fará com que o coeficiente de transferência de calor local diminua. Além disso, o pequeno conteúdo de líquido no tubo pode minimizar o problema de formação de espuma.

A combinação do evaporador de filme ascendente e descendente permite que o evaporador opere em uma ampla faixa de temperatura. Os evaporadores podem operar em uma pequena diferença de temperatura entre o meio de aquecimento e o líquido. Isso se deve à falta de queda de pressão hidrostática no evaporador. A falta de queda de pressão hidrostática eliminará a queda de temperatura, fazendo com que a temperatura seja relativamente uniforme. Além disso, o coeficiente de transferência de calor local dentro do tubo depende da mudança de temperatura. Um limite mínimo de mudança de temperatura ( ΔT ) de 5 ° C foi encontrado por Luopeng Yang em um de seus experimentos. Se a mudança na temperatura for inferior a 5 ° C, o filme líquido não será capaz de viajar pelos tubos, resultando em uma queda do coeficiente de transferência de calor local no tubo.

Tempo de residência

Uma vez que o evaporador é usado principalmente em processos que lidam com materiais sensíveis ao calor, o tempo de residência deve ser mantido o mais baixo possível. O tempo de residência é o tempo que o produto leva para entrar em contato com o calor. Para melhorar a qualidade do produto, um curto período de contato térmico na operação de passagem única pode minimizar a deterioração do produto. O evaporador de placa de filme ascendente e descendente é capaz de satisfazer este requisito. O curto tempo de residência pode ser alcançado por taxas de fluxo de líquido mais altas descendo o tubo no evaporador de filme descendente. O efeito da força gravitacional aumentará a taxa de fluxo do líquido resultando no curto tempo de residência.

Aplicação de diretrizes de design

Prevenção de ebulição nucleada

Ao projetar um evaporador de placa de filme, o uso de líquido superaquecido precisa ser controlado para evitar a ebulição nucleada. A ebulição do nucleado causará a deterioração do produto resultante de aumentos nas taxas de reação química decorrentes do aumento da temperatura. A ebulição do nucleado causará a ocorrência de incrustação, afetando assim a taxa de transferência de calor do processo. Para evitar a ebulição nucleada, o superaquecimento do líquido deve estar na faixa de 3 a 40 K dependendo do líquido usado.

Tempo de residência curto

Minimizar o tempo de residência é importante para minimizar a ocorrência de reações químicas entre a alimentação e os materiais do evaporador, reduzindo assim a incrustação dentro do evaporador. Essa diretriz é especialmente importante na indústria de processamento de alimentos, onde a pureza do produto final é fundamental. Nesta aplicação, o tempo de residência influencia diretamente na qualidade do produto, portanto, é importante que o evaporador de placa de filme subindo e descendo tenha baixo tempo de residência.

Produção de fluxo de resíduos

Condensado é o resíduo que foi descarregado através do fluxo de resíduos no evaporador de película ascendente e descendente. Este evaporador irá descarregar o vapor à medida que o condensado passa mais rapidamente do que o líquido flui no tubo.

Em cada unidade de evaporação, a alimentação entra pela parte inferior do tubo e passa pelo segmento de filme ascendente e descendente. Quando o líquido sobe pelo tubo, ocorre o processo de ebulição e vaporização ao entrar em contato com as placas aquecidas a vapor. Em seguida, a mistura que contém o líquido e o vapor são descarregados e realocados no topo dos tubos de passagem de filme descendente. O vapor que é produzido pelo filme escalável é usado para aumentar a velocidade do líquido nos tubos de distribuição do líquido, a fim de aumentar a transferência de calor. O separador externo é usado para separar a mistura de líquido e água produzida no fluxo descendente.

Pós tratamento

Em um evaporador de múltiplos efeitos, a saída de vapor de uma fase do evaporador é reciclada como meio de aquecimento para a próxima fase, reduzindo o consumo geral de vapor para o evaporador.

Um condensador de superfície é usado para condensar o vapor que é produzido no processo de segundo efeito. Para recuperar o calor que foi utilizado neste evaporador, ambos os condensados ​​de vapor são bombeados para a alimentação do pré-aquecedor para que este possa produzir calor para este processo.

Gama de aplicações

Evaporadores de placa de filme ascendente / descendente são usados ​​em uma variedade de aplicações:

Concentração de suco de fruta

Os sucos de frutas são condensados ​​por evaporação para armazenamento, transporte e uso comercial. Se os sucos de frutas forem expostos ao calor, o conteúdo de nutrientes como a vitamina C pode ser afetado. Além disso, esses nutrientes são facilmente oxidados em altas temperaturas. O evaporador pode superar essa restrição, pois opera em alta taxa de fluxo de alimentação e pequena diferença de temperatura. Além disso, a mudança na cor e textura dos sucos pode ser evitada por meio da operação deste tipo de evaporador.

Laticínios

Outros produtos ricos em proteínas, como soro de leite em pó em suplementos dietéticos e leite (incluindo leite desnatado e integral ), são concentrados para remover a maioria dos componentes líquidos para processos posteriores. A proteína é facilmente desnaturada em alta temperatura porque sua estrutura terciária é degradada após a exposição ao calor. A evaporação por meio do design da placa de filme subindo e descendo pode minimizar o efeito da desnaturação da proteína e, portanto, otimizar a qualidade do produto.

Outras aplicações da indústria alimentícia

Ingredientes de cozimento instantâneos e concentrados, como molho para macarrão, caldo de galinha, purês de vegetais, etc., evaporam pelo mesmo equipamento de evaporação. Embora sejam relativamente menos sensíveis ao calor, evaporá-los em baixa temperatura e curto tempo de residência é crucial para manter a qualidade do sabor, textura, aparência e valor nutricional.

Farmacêutica

Antibióticos, pílulas suplementares e medicamentos contendo compostos orgânicos e inorgânicos são evaporados para remover o máximo de umidade possível para a cristalização. Isso ocorre porque na forma cristalizada, os antibióticos e compostos enzimáticos serão bem preservados e melhorados em estabilidade. Além disso, a exposição a altas temperaturas levará à decomposição de compostos inorgânicos. Embora a maioria dos produtos farmacêuticos sejam extremamente sensíveis à temperatura, este tipo de evaporador ainda é prático para ser usado, uma vez que vários projetos desses evaporadores são capazes de operar a baixa pressão, já que o ponto de ebulição da água é baixo à medida que a pressão diminui.

Limitações

Existem algumas limitações deste evaporador que o torna não aplicável para toda a gama de processos industriais. O evaporador precisa ser operado dentro da faixa de 26–100 ° C e é capaz de remover água na faixa de 450–16.000 kg / h. Para fornecer as características adequadas de subida / descida, a maioria dos evaporadores são bastante altos e só podem ser instalados em um espaço de 4 metros (13 pés) de altura. O sólido suspenso na alimentação de líquido precisa ser baixo e pode passar pela tela de 50 mesh.

Desenvolvimento

Existem vários problemas relacionados aos evaporadores de placa de filme subindo e descendo. Um deles é o sistema intensivo de energia. Para melhorar a produtividade da planta, o consumo de energia precisa ser reduzido com o intuito de diminuir o uso de vapor. Novas estratégias foram propostas pelo investigador para reduzir a utilização de vapor para melhorar o sistema de vapor econômico. Os exemplos de estratégias operacionais são flashing de alimentação, produto e condensado, divisão de alimentação e vapor e uso de séries de fluxo de alimentação ideal.

Várias técnicas foram sugeridas para minimizar o consumo de energia:

  • Instalação de um grande número de efeitos de vapor em um evaporador.
  • Reciclagem do vapor por termocompressão ou compressão mecânica quando possível.
  • Garantir que a alimentação para um evaporador seja pré-aquecida até o ponto de ebulição.
  • Minimizando o gradiente de calor no evaporador.
  • Isolar o equipamento para minimizar as perdas de calor.

Referências