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.
Opcje ogrzewania dla instalacji do oddzielania termicznego
Tradycyjnie wyparka lub krystalizator są ogrzewane parą świeżą, ale ciepło odpadowe (np. opary poddane rekompresji, opary z suszarni, gorąca woda lub olej grzewczy) może być również wykorzystywane jako źródło energii, pod warunkiem, że ilość energii wymaganej do procesu separacji termicznej jest określona.
Ogrzewanie parą (jednostopniowe/wielostopniowe)
A Produkt / B Koncentrat / C Kondensat / D Para grzewcza / E Opary
Zwykle w przypadku odparowywania wody w wyparce jednostopniowej produkowanych jest około 1 kg/godz. oparów na 1 kg/godz. pary świeżej, ponieważ ciepło właściwe parowania po stronie grzewczej i po stronie produktu są takie same.
Jeśli opary produktu z jednego stopnia odparowania zostaną wykorzystane do ogrzewania na kolejnym stopniu parowania pracującym pod niższym ciśnieniem, to zużycie pary w całym systemie zostanie odpowiednio zmniejszone.
Jeżeli opary wyprodukowane za pomocą podstawowego źródła energii używane są jako para grzewcza na drugim stopniu, zużycie energii całego systemu zostaje obniżone o 50%. Tę zasadę można kontynuować na kolejnych stopniach, aby zaoszczędzić więcej energii.
| Para świeża [t/godz.] | Opary [t/godz.] | Jednostkowe zużycie pary | |
| Instalacja jednostopniowa | 1 | 1 | 100% |
| Instalacja dwustopniowa | 1 | 2 | 50% |
| Instalacja trzystopniowa | 1 | 3 | 33% |
| Instalacja czterostopniowa | 1 | 4 | 25% |
Maksymalna temperatura grzania na pierwszym stopniu i najniższa temperatura wrzenia na ostatnim stopniu tworzą ogólną różnicę temperatur, którą można podzielić na poszczególne stopnie.
Oznacza to, że w przypadku zwiększenia liczby stopni, różnica temperatur dla każdego stopnia odpowiednio maleje.
Z tego powodu na poszczególnych stopniach muszą być zwymiarowane odpowiednio większe powierzchnie grzejne, aby zapewnić wymaganą wydajność odparowania przy niższej średniej różnicy temperatur (∆ Tm). Pierwszy przybliżony szacunek pokazuje, że całkowita powierzchnia grzejna na wszystkich stopniach wzrasta proporcjonalnie do liczby stopni. W konsekwencji koszty inwestycyjne rosną znacznie, natomiast ilość zaoszczędzonej energii staje się proporcjonalnie niższa.
Termalna kompresja pary (TVR)
A Produkt / B Koncentrat / C Kondensat / D Para grzewcza / E Opary
Podczas rekompresji oparów, opary z separatora są ponownie sprężane do wyższego ciśnienia po stronie grzewczej wiązki rur.
Około połowa oparów powstałych w procesie odparowania może być ponownie wykorzystana do ogrzewania, druga połowa przepływa do kolejnego stopnia, aby tam napędzać proces. Do termalnej kompresji pary wymagana jest określona ilość tak zwanej pary napędowej.
Do termalnej kompresji pary (TVR) stosowane są sprężarki pneumatyczne. Działają one zgodnie z zasadą działania parowych pomp pneumatycznych. Nie posiadają żadnych ruchomych części, a tym samym żadnych części zużywających się, co zapewnia maksymalną niezawodność działania. Termiczne kompresory pary są projektowane w naszych zakładach.
GEA ma ponad stuletnie doświadczenie w dostarczaniu pomp pneumatycznych i sprężarek.
Mechaniczna kompresja pary (MVR)
A Produkt / B Koncentrat / C Kondensat / D Para grzewcza / E Opary / El Energia elektryczna
Podczas gdy sprężarki pneumatyczne sprężają tylko część oparów opuszczających wyparkę, mechaniczne kompresory pary (MVR) są w stanie odzyskać całość tych oparów.
Opary są rekompresowane do ciśnienia odpowiadającego temperaturze pary grzewczej wyparki, wykorzystując jedynie niewielką ilość energii elektrycznej w stosunku do zawartości ciepła odzyskanego z oparów. Energia kondensatu oparów często wykorzystywana jest do wstępnego ogrzewania podawanego produktu.
W zależności od warunków operacyjnych instalacji potrzebna może być niewielka ilość dodatkowej pary lub kondensacja niewielkiej ilości nadmiaru oparów, aby zachować ogólny bilans ciepła wyparki oraz zapewnić stabilne warunki robocze, zwłaszcza podczas uruchomienia.
Dzięki prostocie i łatwej konserwacji w instalacjach wyparnych wykorzystywane są jednostopniowe wentylatory odśrodkowe (dostarczane jako wentylatory wysokociśnieniowe). Działają przy wysokich prędkościach przepływu i dlatego sprawdzają się przy dużych przepływach ze współczynnikiem kompresji od 1:1,2 do 1:2. Prędkości obrotowe zwykle wynoszą od 3000 do 12 000 obr./min. W wypadku dużych wzrostów ciśnienia można używać wielu wentylatorów.
Para a elektryczność
W zależności od warunków lokalnych i kosztów mediów specyficznych dla danego projektu, można ocenić najbardziej ekologiczny i ekonomiczny wariant ogrzewania na podstawie typowych danych dotyczących zużycia.
Możliwość wykorzystania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł zamiast pary z paliw kopalnych jest jedną z największych zalet, jakie oferuje ogrzewanie elektryczne.
Jednostkowe zużycie mediów na tonę odparowania
| Para [t] | Energia elektryczna [kWh] | Woda chłodząca [m³ (∆T = 10K)] | |
| Para świeża | 1 | nieznaczne | 60 |
| Instalacja dwustopniowa | 0,5 | nieznaczne | 30 |
| Instalacja trzystopniowa | 0,33 | nieznaczne | 20 |
| Instalacja czterostopniowa | 0,25 | nieznaczne | 15 |
| TVR | ~0,5 | nieznaczne | 30 |
| MVR | nieznaczne | ~30-50 | nieznaczne |
Nie mniej ważne i szczególnie istotne dla regionów suchych jest zastosowanie ogrzewania elektrycznego, które drastycznie zmniejsza zapotrzebowanie na wodę chłodzącą. Podsumowując, wraz ze wzrostem znaczenia gospodarki obiegowej i nowych tendencji do zmniejszania zużycia energii, MVR staje się coraz częściej wybieraną opcją.
Kilka procesów krystalizacji przebiega w niskich temperaturach ze względu na ograniczenia układu fazowego lub produkty wrażliwe na temperaturę. Dlatego wymagane jest efektywne chłodzenie, które może być wywołane albo przez chłodzenie próżniowe albo przez chłodzenie powierzchniowe.
Ogrzewanie (instalacji wyparnej) oparami z suszarni
Głównym kryterium wykorzystania oparów z suszarni do ogrzewania instalacji wyparnej jest punkt rosy mieszaniny wody z parą wodną i powietrzem, wynikający z obecności w niej gazów obojętnych i/lub powietrza. Im wyższy punkt rosy, tym wyższa zawartość pary wodnej i tym samym energii użytkowej.
Jeżeli opary z suszarni zawierają pyły i opary smarów, mogą one odkładać się w rurkowej komorze grzejnej oraz zakłócać a nawet uniemożliwiać wymianę ciepła między komorą grzejną a komorą wrzenia. Można temu zapobiec poprzez oczyszczenie pary z suszarni w płuczce pary GEA. Zwykle jest to płuczka pneumatyczna — samozasysający cieczowy wentylator pneumatyczny, który idealnie sprawdza się w tych zastosowaniach.
Płuczka pary może działać z wykorzystaniem kondensatu pary z instalacji wyparnej. Dzięki temu nie jest potrzebna dodatkowa woda procesowa — w ten sposób można zaoszczędzić energię na ogrzewanie wyparki i jednocześnie oczyścić wylot z suszarni.
Chłodzenie próżniowe (instalacji do krystalizacji)
Chłodzenie próżniowe jest preferowaną metodą, ponieważ chłodzenie jest generowane wyłącznie przez adiabatyczne rozszerzanie rozpuszczalnika i nie jest wymagana żadna aktywna powierzchnia chłodząca. Taka aktywna powierzchnia chłodząca musiałaby być stosunkowo duża ze względu na ograniczone współczynniki wymiany ciepła i stwarzałaby ryzyko powstawania kamienia kotłowego ze względu na zmniejszającą się rozpuszczalność w niższych temperaturach.
Głównym parametrem, jak również ograniczeniem dla chłodzenia próżniowego jest ciśnienie oparów powstających podczas procesu. W zależności od wymaganego ciśnienia, należy wybrać najbardziej ekonomiczną mieszankę spośród następujących dostępnych opcji:
- Kondensacja powierzchniowa lub kondensacja bezpośrednia
- Woda chłodząca lub woda schłodzona
- Ze strumienicą parową lub bez niej
Chłodzenie powierzchniowe (instalacji do krystalizacji)
Chłodzenie powierzchniowe jest stosowane, gdy wymagana temperatura nie może być osiągnięta przez chłodzenie próżniowe.
Metoda ta wykorzystuje aktywną powierzchnię chłodzącą (rurowe wymienniki ciepła) chłodzoną przez dowolne dostępne media chłodzące odpowiednie dla wymaganych temperatur procesu.
Systemy te stwarzają ryzyko wystąpienia tendencji do tworzenia się kamienia kotłowego na rurach wymiennika ciepła z powodu wysokich lokalnych wartości przesycenia na zimnych powierzchniach.
Aby zmaksymalizować cykl operacyjny takich jednostek, ich projekt musi być wysoce zaawansowany pod względem profilu chłodzenia, projektowych współczynników przenikania ciepła, gęstości substancji stałych i prędkości przepływu w rurach, jak również jakości rur. Ponadto dostępne są wydajne procedury czyszczenia, które minimalizują czas przestoju do akceptowalnego poziomu.
Strumienica parowa a chiller (w instalacjach do krystalizacji)
Do celów chłodzenia należy zastosować strumienicę parowa lub chiller.
Podczas gdy strumienice parowe sprężają opary do poziomu temperatury umożliwiającego kondensację z wodą chłodzącą, chillery wykorzystują energię elektryczną do wytworzenia zimnego czynnika umożliwiającego kondensację oparów pod niskim ciśnieniem.
W zależności od warunków lokalnych, dostępności mediów i cen, decyzja jest podejmowana indywidualnie, aby zaoferować najbardziej opłacalne i energooszczędne rozwiązanie dla każdego klienta.
Podsumowując, wraz ze wzrostem na znaczeniu gospodarki obiegowej i nowych tendencji do zmniejszania zużycia energii, MVR staje się coraz częściej wybieraną opcją. Już istniejące instalacje zostały zmodernizowane w celu wymiany strumienicy parowej na chiller.
