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.
Verwarmingsopties voor thermische scheidingsinstallaties
Traditioneel wordt een verdamper of kristallisator verhit door directe stoom, maar ook afvalwarmte (bv. gerecomprimeerde damp, damp uit drogers, heet water of thermische olie) kan als warmtebron worden gebruikt, zolang de vereiste hoeveelheid energie voor het thermische scheidingsproces wordt geleverd.
Stoomverhit (Single / Multi-effect)
A Product / B Concentraat / C Condensaat / D Verwarmingsstoom / E Damp
Bij de verdamping van water in een enkelwerkende verdamper wordt uit ongeveer 1 t/h directe stoom ongeveer 1 t/h damp geproduceerd, aangezien de specifieke waarden van verdampingswarmte aan de verwarmings- en productzijde ongeveer gelijk zijn.
Als de productdampen van een verdampingseffect worden gebruikt om een ander verdampingseffect te verhitten dat op lagere druk werkt, wordt het stoomverbruik van het algehele systeem dienovereenkomstig gereduceerd.
Als de hoeveelheid damp die geproduceerd wordt door primaire energie als verwarmingsstoom wordt gebruikt in een tweede effect, wordt het energieverbruik van het algehele systeem met ongeveer 50 % teruggebracht. Dit principe kan worden voortgezet over verdere effecten om nog meer energie te besparen.
| Directe stoom [t/h] | Damp [t/h] | Specifiek stoomverbruik | |
| Enkelwerkende installatie | 1 | 1 | 100% |
| Dubbelwerkende installatie | 1 | 2 | 50% |
| Drievoudig werkende installatie | 1 | 3 | 33% |
| Viervoudig werkende installatie | 1 | 4 | 25% |
De maximale verwarmingstemperatuur van het eerste effect in combinatie met de laagste kookpunttemperatuur van het laatste effect definieert een algeheel temperatuurverschil dat kan worden verdeeld over de afzonderlijke effecten.
Dit betekent dat bij een toenemend aantal effecten het temperatuurverschil per effect dienovereenkomstig afneemt.
Om deze reden moeten de verwarmingsoppervlakken van de afzonderlijke effecten in proportie groter bemeten worden om de gewenste verdampingssnelheid te krijgen bij een lager gemiddeld temperatuurverschil (∆ Tm). Een eerste benadering laat zien dat het totale verwarmingsoppervlak van alle effecten proportioneel toeneemt aan het aantal effecten. Dit heeft tot gevolg dat de investeringskosten aanzienlijk stijgen terwijl er in verhouding minder energie wordt bespaard.
Thermische damprecompressie (TVR)
A Product / B Concentraat / C Condensaat / D Verwarmingsstoom / E Damp
Bij damprecompressie wordt damp uit de separator gerecomprimeerd tot de hogere druk van een verwarmingszijde van de buizenbundel.
Ongeveer de helft van de dampen die worden geproduceerd door het verdampingsproces kan worden hergebruikt voor verwarming. De andere helft stroomt naar het volgende effect om het proces daar aan te drijven. Om een thermische damprecompressor te laten werken is een bepaalde hoeveelheid stoom nodig, de zogenaamde "aandrijfstoom".
Voor thermische damprecompressie (TVR) worden stoomstraalcompressoren gebruikt. Ze werken volgens het principe van de stoomstraalpomp. Ze bevatten geen bewegende (en dus geen slijtende) onderdelen waardoor de maximale betrouwbaarheid van het bedrijf verzekerd is. Thermische damprecompressoren worden in eigen bedrijf ontworpen.
GEA heeft meer dan honderd jaar ervaring in de levering van stoomstraalpompen en compressoren.
Mechanische dampcompressie (MVR)
A Product / B Concentraat / C Condensaat / D Verwarmingsstoom / E Damp / El Elektrische energie
Waar stoomstraalcompressoren maar een deel van de damp die de verdamper verlaat comprimeren, zijn mechanische dampcompressoren (MVR) in staat om alle damp te recyclen.
De damp wordt gerecomprimeerd tot de druk van de overeenkomstige temperatuur van de verwarmingsstoom van de verdamper, waarbij slechts een klein deel van de elektrische energie ten opzichte van de teruggewonnen enthalpie in de damp wordt gebruikt. De energie van het dampcondensaat wordt vaak gebruikt voor het voorverwarmen van de producttoevoer.
Afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden van de installatie kan er een kleine hoeveelheid extra stoom, of condensatie van een kleine hoeveelheid overtollige stoom, nodig zijn om de totale warmtebalans van de verdamper te behouden en stabiele bedrijfsomstandigheden te verzekeren, met name bij het opstarten.
Vanwege hun eenvoud en onderhoudsvriendelijke ontwerp worden in verdampingsinstallaties eenfasige centrifugaalventilatoren (geleverd als hogedrukventilatoren) gebruikt. Ze werken bij hoge stroomsnelheden en zijn daarom geschikt voor grote debieten bij verdampingscompressieverhoudingen van 1:1,2 tot 1:2. Rotatiesnelheden lopen van 3000 tot 12.000 tpm. Bij hoge drukstijgingen kunnen meerdere ventilatoren worden gebruikt.
Stoom of elektriciteit
Afhankelijk van lokale omstandigheden en de projectspecifieke kosten voor nutsvoorzieningen kan de meest ecologische en kostenefficiënte verwarmingsoptie worden gekozen op basis van typische verbruikscijfers.
De mogelijkheid om in plaats van stoom uit fossiele brandstoffen elektriciteit uit hernieuwbare bronnen te gebruiken, is een van de grootste voordelen van elektrische verwarming.
Specifiek verbruik van nutsvoorzieningen per ton verdamping
| Stoom [t] | Elektriciteit [kWh] | Koelwater [m³ (∆T = 10K)] | |
| Directe stoom | 1 | minimaal | 60 |
| 2 effecten | 0,5 | minimaal | 30 |
| 3 effecten | 0,33 | minimaal | 20 |
| 4 effecten | 0,25 | minimaal | 15 |
| TVR | ~0,5 | minimaal | 30 |
| MVR | minimaal | ~30-50 | minimaal |
Niet minder belangrijk, en met name relevant voor dorre gebieden, is dat er bij elektrische verwarming aanzienlijk minder koelwater nodig is. Nu de kringloopeconomie en de nieuwe trends om energieverbruik te verlagen steeds sterker overheersen, komt MVR naar voren als de ideale optie.
Verschillende kristallisatieprocessen voltrekken zich bij lage temperaturen, vanwege de beperkingen van het fasensysteem of temperatuurgevoelige producten. Daarom is efficiënte koeling vereist, die mogelijk is met ofwel vacuümkoeling of oppervlaktekoeling.
Verwarmd met drogerdamp (verdampingsinstallaties)
Het belangrijkste criterium voor het gebruik van damp van drogers om verdampingsinstallaties te verwarmen is het dauwpunt van het waterstoom-luchtmengsel, gegeven door de aanwezigheid van inerte gassen en/of lucht hierin. Hoe hoger het dauwpunt, des te hoger het waterstoomgehalte en dus het bruikbare energiegehalte.
Als de dampen van de droger stof en vetdampen bevatten, kunnen deze terechtkomen in de calandria. Hierdoor wordt de warmteoverdracht van de verwarming naar de kookkamer verstoord of zelfs verhinderd. Dit kan worden vermeden door de damp van de droger te reinigen in een GEA dampscrubber. Gewoonlijk is een straalgasscrubber of een zelfaanzuigende vloeistofstraalventilator perfect geschikt voor deze toepassing.
Om de dampscrubber te laten werken kan het dampcondensaat van de verdampingsinstallatie worden benut. Er is dan geen extra proceswater nodig - en op deze manier wordt de energie hergebruikt om de verdamper te verwarmen en wordt tegelijkertijd het afvoergas van de droger gereinigd.
Vacuümkoeling (kristallisatie-installaties)
Vacuümkoeling is de voorkeursmethode omdat dit type koeling uitsluitend wordt gegenereerd door adiabatische uitzetting van het oplosmiddel en er geen actief koeloppervlak nodig is. Een dergelijk actief koeloppervlak zou relatief groot moeten zijn vanwege de beperkte warmteoverdrachtscoëfficiënten en brengt het risico op scaling met zich mee vanwege afnemende oplosbaarheid bij lagere temperaturen.
De belangrijkste parameter, alsook de beperking van vacuümkoeling, is de druk van de dampen die tijdens het proces worden gegenereerd. Afhankelijk van de vereiste druk moet de meest efficiënte combinatie worden gekozen uit de volgende beschikbare mogelijkheden:
- Oppervlaktecondensatie of directe condensatie
- Koelwater of gekoeld water
- Met of zonder stoomejector
Oppervlaktekoeling (kristallisatie-installaties)
Oppervlaktekoeling wordt toegepast als de gewenste temperatuur niet kan worden bereikt met vacuümkoeling.
Deze methode gebruikt een actief koeloppervlak (warmtewisselaar met buizenbundel) die wordt gekoeld met een willekeurig beschikbaar koelmiddel dat geschikt is voor de gewenste procestemperaturen.
Vanwege hoge lokale oververzadigingen op koude oppervlakken zouden deze systemen kunnen neigen tot scaling bij warmtewisselaarbuizen.
Om de bedrijfscyclus van dit soort units te maximaliseren, is een uiterst verfijnd ontwerp vereist wat betreft het koelingsprofiel, de warmteoverdrachtcoëfficiënten, dichtheden van vaste stoffen en leidingssnelheden, alsook de kwaliteit van de buizen. Daarnaast zijn er efficiënte reinigingsprocedures beschikbaar die de stilstandtijd tot een acceptabel niveau beperken.
Stoomejector of koeler (kristallisatie-installaties)
Voor koelingsdoeleinden is er ofwel een stoomejector of een koeler nodig.
Terwijl stoomejectors de dampen comprimeren tot een temperatuurniveau, zodat condensatie mogelijk is tegen koelwater, gebruiken koelers elektrische energie om koude media te genereren, zodat condensatie van dampen met lage druk mogelijk wordt gemaakt.
Om elke klant de meest kostenefficiënte en energiebesparende oplossing te bieden, worden beslissingen per geval genomen op basis van de lokale omstandigheden op locatie en de beschikbaarheid en prijs van nutsvoorzieningen.
Nu de kringloopeconomie en nieuwe trends om het energieverbruik terug te dringen steeds meer overheersen, komt de koeler naar voren als de ideale optie. Bestaande installaties zijn aangepast door de stoominjector in te ruilen voor een koeler.
