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.
Termal ayrıştırma tesisleri için ısıtma seçenekleri
Geleneksel olarak bir evaporatör veya kristalizatör, canlı buhar ile ısıtılır, ancak termal ayrıştırma işlemi için gereken enerji miktarı sağlandığı sürece atık ısı da (örn. yeniden sıkıştırılmış buhar, kurutucu buharı, sıcak su veya termal yağ) enerji kaynağı olarak kullanılabilir.
Buhar-ısıtmalı (Tekli / Çoklu-etki)
A Ürün / B Konsantre / C Yoğuşma / D Isıtma buharı / E Buhar
Suyun tek etkili bir evaporatör içinde evaporasyonunda, ısıtma ve ürün taraflarındaki özgül evaporasyon ısı değerleri yaklaşık olarak aynı olduğu için, yaklaşık 1 t/s buhar, 1 t/s canlı buhar ile üretilecektir.
Eğer evaporasyon etki alanından gelen ürün buharları daha düşük basınçtaki bir başka evaporasyon etkisini ısıtmak için kullanılacaksa, sistemin tamamının buhar tüketimi de ona göre azalacaktır.
Birincil enerji tarafından üretilen buhar miktarı ikinci etkide ısıtıcı buhar olarak kullanılıyorsa, bütün sistemin enerji tüketimi yaklaşık %50 azalacaktır. Bu prensip, daha da fazla enerji tasarrufu yapmak için sonraki etkilerde de sürdürülebilir.
| Canlı buhar [t/s] | Buhar [t/s] | Özgül buhar tüketimi | |
| 1-etkili tesis | 1 | 1 | %100 |
| 2-etkili tesis | 1 | 2 | %50 |
| 3-etkili tesis | 1 | 3 | %33 |
| 4-etkili tesis | 1 | 4 | %25 |
Birinci etkinin maksimum izin verilen ısıtma sıcaklığı ve son etkinin en düşük kaynama sıcaklığı, bireysel etkiler arasında bölünebilen bir toplam sıcaklık farkını oluşturur.
Bu da etki sayısı arttığında, etki başına sıcaklık farkının buna göre azalacağı anlamına gelmektedir.
Bu nedenle her bir bağımsız etkinin ısıtma yüzeyi, istenilen evaporasyon oranını daha düşük ortalama sıcaklık farkı ile (∆ Tm) elde etmek için uygun şekilde daha geniş olarak boyutlandırılmalıdır. İlk yaklaşım, bütün etkilerin toplam ısıtma yüzeyinin, etki sayısı ile orantılı şekilde arttığını göstermektedir. Sonuç olarak yatırım maliyetleri önemli ölçüde artarken, tasarruf edilen enerji miktarı gittikçe daha düşük olmaktadır.
Termal buhar rekompresörü (TVR)
A Ürün / B Konsantre / C Yoğuşma / D Isıtma buharı / E Buhar
Buhar rekompresyonu esnasında, separatörden gelen buhar, boru kümesinin ısıtma tarafındakinden daha yüksek bir basınçta yeniden sıkıştırılır.
Evaporasyon işlemi ile üretilen buharların yaklaşık yarısı ısıtma için kullanılabilirken, diğer yarısı bir sonraki etkiye akarak oradaki prosesi yürütür. "Yönlendirici buhar" adı verilen belirli bir buhar miktarı, termal buhar rekompresyonunun çalışması için gerekir.
Termal buhar rekompresyonu (TVR) için buhar jeti kompresörleri kullanılır. Buhar jeti pompası prensibine göre çalışırlar. Hareketli parçaları yoktur, o yüzden aşınan parçaları da yoktur, bu da maksimum işletim güvenilirliği sağlar. Termal buhar rekompresörleri, kurum içinde tasarlanmaktadır.
GEA'nın buhar jeti pompası ve kompresörü tedarikinde yüz yılı aşkın deneyimi bulunmaktadır.
Mekanik buhar rekompresyonu (MVR)
A Ürün / B Konsantre / C Yoğuşma / D Isıtma buharı / E Buhar / El Elektrik enerjisi
Buhar jeti kompresörleri evaporatörden çıkan buharın sadece bir kısmını sıkıştırırken, mekanik buhar rekompresörleri (MVR) tamamını geri dönüştürme özelliğine sahiptir.
Buhar, buhardan geri kazanılan entalpiye kıyasla elektrik enerjisinin daha küçük bir bölümünü kullanarak evaporatörün ilgili ısıtma buharı sıcaklığına karşılık gelen basınca yeniden sıkıştırılır. Buhar yoğuşmasının enerjisi, sıklıkla ürün beslemesinin ön-ısıtması için kullanılır.
Tesisin işletim koşullarına bağlı olarak, genel evaporatör ısı dengesini korumak ve özellikle ilk çalıştırma esnasında dengeli işletim koşulları sağlamak için küçük miktarda bir ek buhar veya küçük miktarda buhar fazlası yoğuşması gerekebilir.
Basit olmaları ve bakım kolaylığından dolayı, evaporasyon tesislerinde tek aşamalı santrifüjlü fanlar (yüksek-basınç fanı olarak tedarik edilir) kullanılmaktadır. Yüksek debi hızlarında çalışırlar ve bu nedenle 1:1.2 ila 1:2 buhar sıkıştırma oranlarındaki yüksek debilere uygundur. Dönme hızları tipik olarak 3.000 ila 12.000 rpm arasında değişmektedir. Yüksek basınç artışları için çok sayıda kompresör kullanılabilir.
Buhara karşın Elektrik
Yerel şartlara ve projeye özel yardımcı hizmet maliyetlerine bağlı olarak en ekolojik ve maiyet-verimli ısıtma seçeneği, tipik tüketim miktarları bazında değerlendirilebilir.
Fosil yakıtlardan elde edilen buhar yerine yenilenebilir kaynaklardan elektrik kullanma imkanı, elektrikli ısıtmanın sağladığı en büyük avantajlardan biridir.
Bir ton evaporasyon başına özgül yardımcı hizmet tüketimi
| Buhar [t] | Elektrik [kWs] | Soğutma suyu [m³ (∆T = 10K)] | |
| Canlı buhar | 1 | minör | 60 |
| 2-etki | 0,5 | minör | 30 |
| 3-etki | 0,33 | minör | 20 |
| 4-etki | 0,25 | minör | 15 |
| TVR | ~0.5 | minör | 30 |
| MVR | minör | ~30-50 | minör |
Bir o kadar önemli olan ve kurak bölgeler için özel bir avantaj da elektrikli ısıtma kullanımının soğutma suyu ihtiyacını önemli oranda azaltmasıdır. Sonuç olarak, döngüsel ekonomi ve enerji tüketimini azaltmaya yönelik yeni trendlerin giderek daha baskın şekilde öne çıkışıyla MVR, daha çok tercih edilen seçenek durumuna geliyor.
Çoğu kristalizasyon prosesi, faz sisteminin kısıtlamaları veya sıcaklığa hassas ürünler nedeniyle düşük sıcaklıklarda işletilmektedir. O nedenle Vakum Soğutma veya Yüzey Soğutma ile sağlanabilecek etkili bir soğutma gereklidir.
Kurutucu Buharı ile ısıtma (Evaporasyon tesisleri)
Evaporasyon tesislerini ısıtmada kurutucu buharı kullanımı için ana kriter, içeride inert gazların ve/veya havanın varlığı ile belirlenen su buharı-hava karışımının çiy noktasıdır. Çiy noktası ne kadar yüksekse, su buharı içeriği ve dolayısı ile kullanılabilir enerji içeriği de o kadar yüksektir.
Eğer kurutucu buharı toz ve yağ buharı içeriyorsa, bunlar buharlı eşanjöre yerleşebilir ve ısıtmadan kaynama odasına ısı transferini bozabilir ve hatta engelleyebilir. Bu durum, kurutucu buharını bir GEA buhar yıkayıcı ile temizleyerek önlenebilir. Genellikle bu bir jetli yıkayıcı, kendinden emişli bir jet fanı bu uygulamaya mükemmel uyar.
Buhar yıkayıcı, evaporasyon tesisinden gelen buhar yoğuşması ile çalıştırılabilir. Böylece ek proses suyu gerekmez -bu şekilde enerji, evaporatörün ısıtılması için yeniden kullanılır ve aynı zamanda kurutucu egzozu temizlenir.
Vakum soğutma (Kristalizasyon tesisleri)
Vakum soğutma, tercih edilen metottur, çünkü soğutma sadece solventin adiyabatik genleşmesi ile sağlanır ve aktif soğutma yüzeyi gerekmez. Bu türden bir soğutma yüzeyinin, büyük oranda sınırlı ısı transferi katsayılarına bağlı olarak nispeten geniş olması gerekir ve düşük sıcaklıklarda azalan çözünürlükten dolayı kireçlenme riski arz eder.
Ana parametre ve vakum soğutmanın sınırlılığı, proses esnasında üretilen buharların basıncıdır. Gereken basınca bağlı olarak çoğu maliyet-etkin karışımlar, aşağıda yer alan seçenekler arasından seçilir:
- Yüzey yoğuşması veya doğrudan yoğuşma
- Soğutma suyu veya soğutulmuş su
- Buhar ejektörlü veya buhar ejektörsüz
Yüzey soğutma (Kristalizasyon tesisleri)
Yüzey soğutması, vakum soğutmanın gereken sıcaklığı sağlamadığı durumlarda uygulanır.
Bu metot, gereken proses sıcaklıkları için uygun herhangi bir mevcut soğurma medyası ile soğutulan aktif bir soğutma yüzeyi (boru kümeli ısı eşanjörleri) kullanır.
Bu sistemler, soğuk yüzeylerdeki yüksek bölgesel süper-satürasyonlar nedeniyle ısı eşanjörü borularında kireçlenme eğilimi gösterme riski arz eder.
Bu türden ünitelerin işletim döngüsünü maksimuma çıkartmak için, tasarımının soğutma profili, tasarım ısı transferi katsayıları, katı madde yoğunlukları ve boru hızları ile boru kalitesi bakımından oldukça sofistike olması gerekir. Buna ek olarak, hizmet dışı kalma sürelerini kabul edilebilir seviyelerde minimuma indirgemek için etkili temizlik prosedürleri mevcuttur.
Buhar Ejektörüne karşın Soğutucu (Kristalizasyon tesisleri)
Soğutma amacıyla bir Buhar Ejektörü veya bir Soğutucu kullanılır.
Buhar Ejektörleri buharları bir sıcaklık seviyesine sıkıştırıp, soğutma suyuna karşın yoğuşmayı sağlarken, Soğutucular ise düşük basınçlı buharların yoğuşmasını sağlayan soğuk medyayı üretmek için elektrik enerjisini kullanır.
Yerel tesis koşullarına ve yardımcı hizmetlerin mevcudiyeti ile fiyatlandırmasına bağlı olarak karar, her müşteri için en maliyet-etkin ve en enerji tasarruflu çözümü sunmak için ayrı, ayrı alınmalıdır.
Döngüsel ekonomi ve enerji tüketimini azaltmaya yönelik yeni trendlerin giderek daha baskın şekilde öne çıkışıyla Soğutucu, daha çok tercih edilen seçenek durumuna geliyor. Mevcut tesisler, Buhar Ejektörünü Soğutucu ile değiştirmek üzere yenilenmiştir.
