Evaporators & Crystallizers
Heating options for thermal separation plants
Traditionally, an evaporator or crystallizer is heated by live steam, but waste heat (e.g. recompressed vapor, drier vapor, hot water or thermal oil) can be used as energy source as well, as long as the amount of energy required for the thermal separation process is given.
熱分離装置の加熱オプション
蒸発器や晶析装置の加熱には従来から生蒸気が使用されていますが、熱分離プロセスに十分なエネルギー量が担保されている場合には、その廃熱（再圧縮蒸気、乾燥蒸気、温水、熱油など）をエネルギー源として利用することもできます。
蒸気加熱（単一効用 / 多重効用）
A 製品 / B 濃縮 / C 凝縮 / D 加熱蒸気 / E 蒸気
単一効用蒸発器内で水を蒸発させる場合、加熱側と生成物側の蒸発比熱がほぼ同じであることから、約1 t/hの生蒸気は約1 t/hの蒸気を生成します。
蒸発効果による生成物蒸気を使用して、低圧で作動する別の蒸発効果を加熱すると、システム全体の蒸気消費量はそれに応じて減少します。
一次エネルギーによって生成された蒸気量を二次的効果で加熱蒸気として使用すると、システム全体のエネルギー消費量を約50%削減することができます。この原則は継続してさらに多くの効果に適用することができ、さらに多くのエネルギーを節約できます。
| 生蒸気量 [t/h] | 蒸発量 [t/h] | 蒸気消費率 | |
| 単一効用装置 | 1 | 1 | 100% |
| 2重効用装置 | 1 | 2 | 50% |
| 3重効用装置 | 1 | 3 | 33% |
| 4重効用装置 | 1 | 4 | 25% |
最終効用の最低沸点は、第一効用の最大加熱温度と共にして、個々の効用間で分割可能な全体的な温度差を定義します。
これは、効用数が増加する場合、それに応じて効用ごとの温度差が減少することを意味します。
このため、より小さな平均温度差（∆ Tm）で必要な蒸発速度を達成するには、それに応じて個々の効用の加熱面サイズを大きくする必要があります。一次近似は、すべての効用の加熱面サイズが効果数に比例して増加することを示します。その結果、投資コストが大幅に上昇すると同時に、節約されるエネルギー量は比例的に減少します。
熱蒸気再圧縮（TVR）
A 製品 / B 濃縮 / C 凝縮 / D 加熱蒸気 / E 蒸気
分離器からの蒸気は、蒸気再圧縮中に管束加熱器内で高圧に再圧縮されます。
蒸発プロセスによって生成された蒸気の約半分は加熱に再利用可能で、残りの半分は次の効用に移動して蒸発プロセスを駆動します。特定の蒸気量、いわゆる「駆動蒸気量」が熱蒸気再圧縮機の運転に必要とされます。
熱蒸気再圧縮（TVR）には、蒸気噴射（スチームジェット）圧縮機が使用されます。この圧縮機は蒸気噴射ポンプの原理に従って動作します。この圧縮機には、可動部品がないために摩耗部品がないことから、最大の動作信頼性が保証されます。熱蒸気再圧縮機は社内で設計されています。
GEAは、蒸気噴射ポンプとコンプレッサーの供給に100年以上の経験を有しています。
機械式蒸気再圧縮機（MVR）
A 製品 / B 濃縮 / C 凝縮 / D 加熱蒸気 / E 蒸気 / El 電気エネルギー
蒸気噴射（スチームジェット）圧縮機は蒸発器を出る蒸気の一部のみを圧縮する一方、機械式蒸気再圧縮機（MVR）はその蒸気のすべてを圧縮してリサイクルすることができます。
この蒸気は、蒸気中で回収されたエンタルピーに比例する少量の電気エネルギーを使用して、蒸発器の対応する加熱蒸気温度の圧力に再圧縮されます。この蒸気凝縮エネルギーは頻繁に製品供給の予熱に利用されます。
この装置の操作条件に応じて、特に起動時に、蒸発器全体の熱のバランスを取り、安定した操作条件を維持するために、少量の追加スチームまたは少量の余分な水蒸気の濃縮が必要になる場合があります。
設計が簡素で保全しやすいことから、蒸発装置では単段遠心ファン（高圧ファンとして供給）が使われます。蒸発装置は高い流速で作動することから、1:1.2～1:2 の蒸気圧縮率での大流量に適しています。回転速度は通常-3,000～12,000 rpmです。高圧が高くなる場合、複数のファンを使用可能です。
「蒸気」対「電力」
局地的条件とプロジェクト特定の光熱費に応じて、最も環境に優しく、費用効果の高い加熱オプションを一般的な消費量に基づいて評価することができます。
化石燃料由来の蒸気の代わりに再生可能エネルギー源からの電力を使用する可能性のあるオプションは、電気加熱が提供する最大の利点の1つです。
蒸発量1トンあたりのユーティリティ使用量
| 蒸気 [t] | 電力 [kWh] | 冷却水 [m³ (∆T = 10K)] | |
| 生蒸気 | 1 | 軽度 | 60 |
| 2重効用 | 0.5 | 軽度 | 30 |
| 3重効用 | 0.33 | 軽度 | 20 |
| 4重効用 | 0.25 | 軽度 | 15 |
| TVR | ~0.5 | 軽度 | 30 |
| MVR | 軽度 | ~30～50 | 軽度 |
電気加熱の使用は、その他のオプションと同様に重要な方法であり、乾燥地では特に重要で、冷却水の必要性を大幅に低減します。全体から見て、サーキュラーエコノミーと、エネルギー消費削減という新しい傾向とがこれまで以上に極めて重要な役割を担っていることから、MVRが選択肢として人気急上昇しています。
一部の結晶化プロセスは、位相系または温度感受性製品の制約に起因して低温で行われます。したがって、真空冷却または表面冷却法のいずれかによって誘発され得る効率的な冷却が必要となります。
乾燥機蒸気加熱（蒸発装置）
蒸発装置の加熱に乾燥機蒸気を使用する際の主な基準は、当該装置内に存在する不活性ガスおよび/または不活性空気によって提供される水蒸気と空気混合物の露点です。この露点が高いほど、水蒸気含有量が高くなり、それによって使用可能なエネルギー含量が高くなります。
その乾燥機蒸気内に塵埃やグリース蒸気が含まれていると、それらがカランドリア内に入り、加熱室から沸騰室への熱伝達を妨害したり、防止する可能性さえあります。これは、乾燥機の蒸気をGEA蒸気スクラバーで洗浄することで回避できます。通常、自給式液体噴出ファンであるジェットスクラバーがこの用途に最適です。
この蒸気スクラバーは、蒸発装置からの蒸気凝縮液で動作することが可能です。したがって、追加のプロセス水は不要です。このように、蒸発器を加熱するエネルギーが節約され、それと同時に乾燥機の排気が洗浄されます。
真空冷却（晶析装置）
この真空冷却は溶液の断熱膨張によってのみ生成され、能動冷却面は不要であり、真空冷却が推奨される方法です。このような能動冷却面は、熱伝達率が制限されているため比較的に大きくする必要があることから、低温での溶解度が低下するため、スケーリングのリスクがあります。
真空冷却の主なパラメータおよび制限事項は、そのプロセス中に生成される蒸気圧力です。最も費用効果の高い混合は、必要な圧力によって異なりますが、以下の利用可能なオプションから選択するものとします。
- 表面凝縮または直接凝縮
- 冷却水または冷水
- 蒸気エジェクタの有無
表面冷却法（晶析装置）
表面冷却法は、真空冷却では必要な温度に到達できない場合に適用されます。
この方法では、必要なプロセス温度に適切な任意の利用可能な冷却媒体によって冷却される能動冷却面（チューブバンドル熱交換器）を使用します。
これらのシステムは、低温表面における局所的過飽和が高いことから、熱交換器チューブでスケーリング傾向を示すリスクがあります。
このようなユニットの動作サイクルを最大化するには、その設計が、冷却プロファイル、設計熱伝達率、固相密度、チューブ速度、およびチューブの品質に関して、高度に洗練されている必要があります。それに加えて、ダウンタイムを許容レベルまで最小限に抑える効率的な洗浄方法が利用される必要があります。
「蒸気エジェクタ」対「冷却装置」（晶析装置）
蒸気エジェクタまたは冷却装置のいずれかを冷却目的に使用する必要があります。
蒸気エジェクタが蒸気を温度レベルに圧縮して冷却水に対する凝縮を可能にする一方、冷却装置は電気エネルギーを使用して冷媒を生成して低圧蒸気の凝縮を可能にします。
局地的条件並びにユーティリティの可用性と価格に応じて、意思決定が個別に行われ、すべてのお客様に最も費用効果の高い、エネルギーに精通したソリューションが提供されます。
サーキュラーエコノミーと、エネルギー消費削減という新しい傾向とがこれまで以上に極めて重要な役割を担っていることから、この冷却装置は選択肢として人気急上昇しています。既存の装置は、その蒸気エジェクタを冷却装置用に変更するために改造されています。
