TZ 6 TEPELN ZAZEN Odpaovn a Odparky Rudolf

TZ 6 TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ Odpařování a Odparky Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010 V prezentaci jsou použity podkladové materiály firem GEA a Alfa Laval. Odparky a krystalizátory. Konstrukční uspořádání (periodické, cirkulační, filmové). Vícestupňové odparky, rekomprese brýdových par.

TZ 6 Kondenzace Kapičková kondenzace L Filmová kondenzace Velmi vysoké součinitele (až 20000 W/m 2 K), ale je třeba speciální úprava povrchu (nesmáčivost) Nusseltův vztah - klesá s délkou filmu

TZ 6 Var To je tzv. Nukyamova křivka závislosti hustoty tepelného toku na přehřátí teplosměnné plochy Krize varu při překročení kritické teploty přehřátí. Bublinkový var ztrácí stabilitu. Odparky by měly pracovat ve stabilní oblasti B-C Var v objemu. Výpočet varu v rubce je mnohem složitější než u varu v objemu. Je to patrné i z toho, jak se režim varu podél trubky mění. Var v trubce

TZ 6 Odparky Těleso odparky (kaladria) Brýdové páry (brüden) Odpařování (objemový nebo konvektivní var) Topná pára Kondenzace syté páry Řídký roztok Zahuštěný roztok (koncentrát) kondenzát Minton P. E. : Handbook of evaporation technology. Noyes Publ. , New Jersey, 1986

TZ 6 Odparky bilance (hmotnostní a entalpické) Brýdové páry W (kg/s) Tw (0 C) Topná pára D (kg/s) h. D (J/kg) TD (0 C) Řídký roztok (feed) mf (kg/s) hf (J/kg) f (hmotnostní zlomek) k. S Zahuštěný roztok mc hc c Kondenzát h. C (J/kg) Hmotnostní bilance Entalpické bilance 1. stupeň 2. stupeň U odparek předpokládáme, že v brýdách není rozpuštěná látka (to je rozdíl proti destilaci)

TZ 6 Odparky jednostupňové Brýdové páry Separátor (aerocyklon) Kondenzátor brýd Topná pára Vývěva (odtah inertů) předehřev kondenzát Řídký roztok Inerty (vzduch) se do systému, který pracuje za podtlaku, dostanou vždy a výrazně zhoršují přenos tepla na teplosměnné ploše (u teplosměnné kondenzační plochy se vytváří izolující vrstva inertů). Tyto nekondenzující plyny je třeba odstranit vývěvou (vodokružnou, ejektorovou). I kondenzátním potrubím protéká dvoufázová směs a proto i sem se zařazuje separátor plynů. koncentrát Recirkulace zahuštěného roztoku Recirkulace je nutná u odparek s krátkými dobami zdržení (malým objemem zahušťovaného roztoku v tělese odparky, filmové a deskové odparky), protože při kolísání průtoku hrozí nebezpečí úplného odpaření na části teplosměnné plochy jehož důsledkem je tvorba inkrustací. Recyklem je možné udržet průtok tak, aby k foulingu nedocházelo. Jako nouzové bezpečností opatření může být použit i nástřik kondenzátu. Na druhé straně je fakt, že recykl zhoršuje charakteristiky rozložení dob prodlení zpracovávané látky, část nástřiku se několikrát vrací a materiál je vystaven mnohonásobně delší teplotní expozici, což může být na závadu při zahušťování termolabilních materiálů (zpravidla potravinářských látek).

TZ 6 Odparky vícestupňové Odparka se dvěma efekty (výparné teplo brýdových par se využije pro topení následujícího tělesa) T 1 T 2 Protiproud Nástřik s nízkou viskozitou je veden do druhého stupně při nižší teplotě (což je výhodné z hlediska přenosu tepla) T 1>T 2 tudíž p 1>p 2 a je nutné čerpadlo T 1 T 2 Souproud Vysoká viskozita při nižší teplotě varu (z hlediska nevýhodné, ale teplotně citlivým produktům může při vysoké koncentraci vysoká teplota vadit)

TZ 6 Odparky vícestupňové Kdyby byla teplota varu ve všech stupních odparky stejná a kdyby nebyly tepelné ztráty stačilo by u N-stupňové odparky na odpaření 1 kg vody pouze 1/N kg páry. V reálné situaci je to poněkud více Počet efektů 1 2 3 4 5 kg páry/kg odpařené vody 1, 1 0, 6 0, 4 0, 3 0, 25 Příklad: jednostupňová odparka průtok topné páry D, průtok brýdové páry W, nástřik při teplotě varu. Z entalpické bilance (při zanedbání tepelných ztrát) a pro teplotu kondenzující páry 1000 C a brýdy 500 C plyne

TZ 6 Odparky vícestupňové Počet efektů je omezen rozsahem teplot (teplotami varu v prvním členu kaskády efektů a teplotou v kondenzátoru) T 1 > T 2 > T 3 T 2 T 1 -T 2 = THE + Tpch + T p Teplotní diference na teplosměnné ploše (šplhající film>100 C, klesající film >40 C) Pokles teploty odpovídající tlakové ztrátě (třecí ztráty). Obvykle málo ~ 10 C Fyzikálně chemické zvýšení bodu varu (roztok vře při vyšší teplotě než je teplota par). Závisí na koncentraci Tpch Cukr 0. 5~3 Na. Cl 10 Na. OH 16

TZ 6 Odparky vícestupňové Rozlišuje se počet efektů a počet stupňů. Následující uspořádání má 3 efekty stejně jako předchozí, ale 4 stupně (řídký roztok prochází postupně tělesy 4, 3, 2, 1 a zahušťuje se) T 1 T 2 T 4 T 3

Odparky s tepelným čerpadlem TZ 6 Místo vodní páry se může topit chladivem v oběhu tepelného čerpadla 4 p 1 2 3 1 3 Kompresor 1 2 4 hh Příklad odparky EVALED typ E (nucená cirkulace), typ R (stíraný film)

Odparky s rekompresí brýd TZ 6 TVR (Thermal Vapor Recompression) odparky s termokompresorem 2 1 5 Termokompresor Účinnost termokompresoru je dost nízká a termokompresor se nedá dost dobře regulovat. Ale nejsou tam žádné pohyblivé části. Asi nejvhodnější literatura pro potřebu navrhování TVR je monografie Power R. : Steam jet ejectors for the process industries. Mac Graw Hill, New York, 1994

Odparky s rekompresí brýd TZ 6 MVR (Mechanical Vapor Recompression) odparky s mechanickým kompresorem Rootsův kompresor A C D Nástřik kondenzátu Odstředivý nebo Rootsův kompresor (kompresní poměr typicky 1. 8). Před kompresorem musí být demister. Přehřátou páru je třeba převést na sytou nástřikem kondenzátu.

TZ 6 Porovnání odparek

TZ 6 Typy odparek Odparky • • s přirozenou cirkulací (var v krátkých trubkách) s nucenou cirkulací se šplhajícím filmem - Kestner (var v dlouhých trubkách) s klesajícím filmem – Wiegand deskové se stíraným filmem – Luwa odstředivé – Centritherm Alfa Laval

TZ 6 Var v krátkých trubkách V krátkých trubkách (L/D<50) dominuje bublinkový var. Bublinky zajišťují přirozenou cirkulaci postupně zahušťovaného roztoku. Horizontální varné trubky Robertova odparka Košíková odparka

TZ 6 Var v krátkých trubkách (L/D < 50) Jaký je to typ odparky? Robertova odparka Srážeče pěny V tělese odparky je velký objem zahušťovaného roztoku tudíž jsou dlouhé střední doby zdržení. Na druhé straně je odparka necitlivá na fluktuace koncentrací řídkého roztoku a je poměrně odolná vůči foulingu. Přirozená cirkulace omezuje aplikace na menší viskozity (<50 m. Pa. s). Řídký roztok Topná pára kondenzát V tomto článku je popsána dvouefektová odparka (první efekt odparka s klesajícím filmem a ve druhém efektu 3 paralelní Robertovy odparky). Článek je zaměřen na fouling (model Kern Seaton) koncentrát Jorge, L. M. M. , Righetto, A. R. , Polli, P. A. , Santos, O. A. A. , Filho, R. M. , Simulation and analysis of a sugarcane juice evaporation system, Journal of Food Engineering (2010), doi: 10. 1016/j. jfoodeng. 2010. 03. 017

TZ 6 Vysunutá topná soustava Odparky s vysunutou topnou soustavou (příklad Vogelbusch). Varné trubky jsou mimo, což usnadňuje čištění. Trubky jsou skloněné (30 až 450) aby mohly být dost dlouhé a současně se nezvyšoval hydrostatický tlak na jejich vstupu (a nepotlačoval se tak var). Cirkulace je stimulována nástřikem řídkého roztoku. Kondenzát topné páry je využit pro předehřev.

TZ 6 Nucená cirkulace (odparky s potlačeným bodem varu) GEA-Wiegand Odparky s potlačeným varem (expanzní odparky) jsou zdánlivě podobné odparkám s vysunutou topnou soustavou, ale ve výměníku, kde je úmyslně udržován vyšší tlak, k varu nedochází (výměník je nízko, tlak je zvyšován i škrcením na výstupu – perforované desky). K rychlému odpaření (flash evaporation) dochází až při náhlém snížení tlaku na výstupu. K dosažení přetlaku je nutné oběhové čerpadlo (odstředivé nebo objemové u extrémně vazkých kapalin). Vysoký průtok snižuje fouling a zvyšuje přestup tepla ve výměníku.

TZ 6 Odparky se šplhajícím filmem Kestnerova odparka s extrémně dlouhými trubkami (cca 12 m) a vysokou rychlostí tenkého filmu kapaliny (až 20 m/s). Film šplhá po stěně trubek hnán brýdovou párou, která proudí centrem trubek rychlostí až 100 m/s. Trubky jsou zaplaveny do cca 1/4 až 1/5 výšky trubek. Odparka je vhodná pro málo vazké a pěnivé roztoky. Nevýhodou je vysoký rozdíl teplot mezi topnou párou a roztokem ( T>140 C). Navíc jsou teploty varu omezené tlakem brýdových par, který nesmí být moc nízký (brýdy by pak neměly dostatečnou energii pro pohon filmu). Odparka je citlivá na změny provozních podmínek (při malém průtoku hrozí úplné odpaření filmu a zanesení trubek – krize varu druhého druhu). Luopeng Yang, Xue Chen, Shengqiang Shen: Heat-transfer characteristics of climbing film evaporation in a vertical tube. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 34, Issue 6, September 2010, Pages 753 -759

TZ 6 Odparky se šplhajícím filmem Pro výpočet odparky se šplhajícím filmem byl na našem ústavu vyvinut jednoduchý Excelovský program.

TZ 6 Odparky s klesajícím filmem Odparka s klesajícím filmem (Wiegand) vystačí s nižšími teplotami páry ( T>20 C) a je vhodná i pro viskóznější kapaliny (maximálně 0, 1 až 0, 5 Pa. s) a nižší tlaky; střední doby zdržení jsou delší než u odparek se šplhajícím filmem, cca 15 až 60 s. Délka trubek je až 14 m, průměr cca 50 mm. GEA-Wiegand Pro nástřik řídkého roztoku (shora) se používají perforované desky, speciální rozprašovací trysky (dynamický distribuční systém) nebo prostě vysouvání trubek nad hladinu. U dynamické distribuce musí být řídký roztok přehřátý (flash) aby se vytvořila homogenní směs kapek a páry. K tomu aby odparka fungovala správně (aby se vytvořil rovnoměrný film a pokryla se celá teplosměnná plocha trubek) nesmí rychlost klesající filmu klesnout pod mez danou nerovností (We=Weberovo číslo) Tím je vlastně daná minimální tloušťka filmu a tedy i součinitel přenosu tepla = /

TZ 6 Deskové odparky brýda Cyklonový separátor Předseparátor, často jen T-kus Deskové kazety Topná pára shora Kondenzát je dvoufázová směs a proto i zde se použije separátor Deskové odparky se často používají jako posilovače (boostery) větších, například Robertsových, odparek (seriové nebo paralelní zapojení, viz následující snímek). koncentrát kondenzát Řídký roztok (feed) C. R. F. Pacheco, L. S. M. Frioni: Experimental results for evaporation of sucrose solution using a climbing/falling film plate evaporator Journal of Food Engineering, Volume 64, Issue 4, October 2004, Pages 471 -480 Deskové odparky jsou prostorově výhodnější a lacinější než trubkové, jsou snadno čistitelné a prosazují se zejměna v potravinářském průmyslu (mlékárenském, cukrovarnickém). Některé deskové odparky (APV Paravap) dokáží díky speciálnímu tvarování desek odpařovat i poměrně vysokoviskózní cukrové roztoky, škrobové sirupy, atd (viskozita až 30 Pas, přechod do turbulence už při Re 100 !).

TZ 6 Deskové odparky Booster Robertovy odparky ( Laval) Expanzní nádoba (předodparka). Produkt odchází z tělesa odparky na teplotě varu. Vlivem tlakových ztrát (ventil) se roztok stává přehřátým a začne se odpařovat. Předčasná expanze zhoršuje podmínky nátoku do deskové odparky. Výška expanzní nádoby musí být dostatečná, aby nebylo nutné čerpadlo. T-kus funguje jako odlučovač. Oddělí se v něm až 95% kapalné fáze. Zbytek se odloučí v separátoru Robertovy odparky. Regulace expanzního tlaku. Měl by být mírně vyšší než tlak v následujícím odlučovači. Robert Desková odparka Průtok je regulován na základě hladiny v Robertově odparce. Ventil musí být dostatečně nízko aby nedocházelo k odpařování (tok ve ventilu by měl být jednofázový) Sborník kondenzátů jednotlivých stupňů Tento ventil slouží jen pro rozběh odparky, kdy jsou rozdíly teplot a tlaků ve stupních odparek malé. Separátor inertů (nekondenzujících plynů)

TZ 6 Deskové odparky (klesající film GEA) Deskové odparky firmy GEA s klesajícím filmem EVAPplus pro zahušťování cukerných roztoků (je možný i retrofit Robertových odparek). Svařované desky mají v podstatě rovné vertikální kanály pro stékající film cukrové šťávy. Čištění CIP: 1) Na. OH 2) HCOOH při 1000 C, 3) neutralizace

TZ 6 Deskové odparky (šplhající film GEA) Deskové odparky firmy GEA se šplhajícím filmem Concitherm CT 193. Jsou použity svařované desky pro topnou páru (dvojice desek tvoří kazetu, téměř stejné řešení má GEA i Alfa Laval), těsněné desky pro zahušťovaný roztok (možnost čištění).

TZ 6 Odparky se stíraným filmem (rotorové) Müller Sambay POPE Pro nehomogenní nebo extrémně viskozní kapaliny (s viskozitou až 50 Pas) sa používají filmové odparky s mechanicky stíraným filmem (rotorové filmové odparky). Müllerova odparka má rovné rotující lopatky, s fixní vzáloností od stěny (0, 5 až 3 mm); obvodová rychlost lopatiek je 10 - 15 m/s. Odparka Sambay má výkyvné lopatky tlačené ke stěně odstředivou silou. Obvodové rychlosti lopatek bývají menší, 3 - 4 m/s. Odparky s výkyvnými lopatkami nebo pružnými stěrkami umožňují zpracování viskoznějších roztoků než s pevnými lopatkami. Odparky POPE Scientific mají šikmé drážky zajišťující přesný axiální transport zahušťované látky a tedy doby zdržení řízené otáčkami rotoru. Zajímavé řešení představuje horizontální odparka SAKO s pevnými lopatkami v mírně kuželovém plášti – axiálním posuvem rotoru se vymezuje štěrbina mezi lopatkami a pláštěm a doby zdržení. Obecně platí, že horizontální odparky mívají stabilnější film a doby zdržení nejsou tak citlivé na viskozitu kapaliny. Pro odpařování při extrémně nízkých tlacích (<150 Pa) sa navrhují rotorové odparky s kondenzátorem, který je integrální částí odpařovacího tělesa což minimalizuje vzdálenost cesty molekuly z povrchu vroucího filmu ke kondenzátoru.

TZ 6 Odparky odstředivé Mezi nejlepší odparky patří odstředivé odparky Centritherm fy. Alfa Laval, viz obr. Odstředivá sila pohání nejen zahušťovaný roztok (střední doba zdržení ~5 s), ale především parní bubliny (vypuzované proti směru odstředivé síly), čímž se zintenzívňuje var. Odstředivá síla však zlepšuje i kondenzaci na straně topné páry, protože vyvolává kapkovou kondenzaci s vysokými hodnotami , cca 170000 Wm-2 K-1 (kapky dřív než splynou do souvislého filmu jsou odtrženy od teplosměnné plochy). Je třeba si uvědomit, že var se zintenzivňuje vždy na vnitřní, zatímco kondenzace na vnější ploše! Princíp intenzifikace varu roztoku rotujícího filmu konec konců využívají i rotorové filmové odparky. CENTRITHERM ALFA LAVAL

TZ 6 Odparky se spirálovými trubkami

TZ 6 Odparky s fluidním ložem Aplikace na odsolování mořské vody Dick G. Klaren and Eric F. de Boer: Multi-Stage. Flash / Fluidised Bed Evaporator: Resurrection in Thermal Seawater Desalination? Carib. DA Conference, Grand Cayman, 2010 Fluidní lože ve všech vertikálních trubkách kondenzátoru se skleněnými kuličkami (2 mm) Odparka funguje jako protiproudý výměník tepla: chladná slaná voda teče trubkami s výplní kuliček nahoru. Brýda tekoucí dolů na povrchu trubek kondenzuje • Vysoký součinitel přenosu tepla 2500 W/m 2 K • Nízká rychlost kapaliny 0. 12 m/s • Nízký fouling Investigation of flow boiling in circulating three-phase fluidised bed: Part II: Theoretical correlation Michael Arumemi-Ikhidea, Khellil Sefiane, a, , Gail Duursmaa and Donald Glassa

TZ 6 Porovnání odparek (Pas) stupeň zahuštění sklon k foulingu doba zdržení Přirozená cirkulace 0, 05 malý velký velmi dlouhá ~600 s Nucená cirkulace 1 malý velký nižší velmi dlouhá šplhající film 0, 5 malý velký vemi krátká ~3 - 10 s 15 klesající film 0, 1 malý střední krátká ~15 - 60 s rotorové 10 až 100 velký malý variabilní 5 - 3000 s expanzní 0, 01 malý střední malý krátká dlouhá Typ odparky T 5

TZ 6 Optimalizace Odparky Tansey

TZ 6 Optimalizace Odparky Dvoustupňová odparka WI Co je zadané (předpokládá se, že teplota TII je dána teplotou kondenzátoru a je stejná jako teplota vroucího roztoku i koncentrátu ): WII Tf mf f – teplota, hmotnostní průtok a zlomek nástřiku TII c – teplota a hmotnostní zlomek produktu D, TS TI Tf, mf, f k. ISI TS – teplota topné páry TII k. IISII Co je třeba určit (9 parametrů): D, WII – hmotnostní průtok topné páry a brýd m 1, mc – hmotnostní průtoky roztoku z 1. a 2. stupně mc, c m 1, 1 Hmotnostní bilance 1 - hmotnostní zlomek částečně zahuštěného roztoku TI –teplota varu a brýd v prvním stupni k. ISI, k. IISII- teplosměnné plochy (x součinitel prostupu tepla) Entalpické bilance 1. stupeň 2. stupeň Je pouze 8 rovnic pro 9 parametrů – jeden z nich lze volit (např. teplotu varu v prvním stupni TI). Tento stupeň volnosti může být využit pro optimalizaci (např. velikosti teplosměnné plochy nebo minimalizaci spotřeby páry).

TZ 6 Optimalizace Odparky Návrh dvoustupňové souproudé odparky implementovaný jako Excelovský program Zadej teplotu topné páry a parametry nástřiku Zvol teplotu brýdy v 1. stupni TI Vyber rozpuštěnou látku (ovlivnění zvýšení bodu varu roztoku) CALC startuje výpočet Výsledkem bude teplosměnná plocha

TZ 6 Odparky články Al- Sahali, M. , Ettouney, H. ; Developments in thermal desalination processes: Design, energy, and costing aspects. Desalination, Kuwait, 2006, pp. 227 -240.

TZ 6 Odparky příklady aplikací Vermeer

TZ 6 Odparky příklady aplikací BAT: EVALEDTM TC, MVR

TZ 6 Odparky příklady aplikací BAT: zahušťování mléka GEA Niro

TZ 6 Odparky příklady aplikací (GEA) Zahušťování jablečné šťávy

TZ 6 Odparky příklady aplikací (GEA) Nealkoholické pivo

TZ 6 Odparky příklady aplikací (GEA) Výroba piva: zahušťování extraktu

TZ 6 Odparky příklady aplikací (GEA) Zahušťování dextrozy (škrobárenství)

TZ 6 Odparky příklady aplikací (GEA) Výroba škrobu: zahušťování bramborové škrobové vody