Parownik
Parownik to urządzenie służące do przekształcania ciekłej postaci substancji chemicznej, takiej jak woda, w parę .
Używa
Klimatyzacja i chłodnictwo
Niektóre klimatyzatory i lodówki wykorzystują sprężoną ciecz o niskiej temperaturze wrzenia, taką jak chlorodifluorometan lub R-410A , która odparowuje w systemie, emitując ciepło do otoczenia.
Przemysł spożywczy i chemia syntetyczna
Parowniki służą do zatężania roztworu. Jednym z przykładów jest wyparka z płytą wspinającą się/opadającą , która służy do wytwarzania skondensowanego mleka .
Podobnie redukcja (gotowanie) to proces odparowywania cieczy z roztworu w celu wytworzenia „zredukowanego” produktu spożywczego, takiego jak redukcja wina.
Odparowanie jest głównym procesem stojącym za destylacją , który służy do zatężania alkoholu , izolowania ciekłych produktów chemicznych lub odzyskiwania rozpuszczalników w reakcjach chemicznych ( zielona chemia ). Przemysł zapachowy i olejków eterycznych wykorzystuje destylację do oczyszczania związków. Każda aplikacja korzysta ze specjalistycznych urządzeń.
Inżynieria chemiczna
W przypadku odsalania wody morskiej lub w zakładach Zero Liquid Discharge obowiązuje odwrotny cel; odparowanie usuwa pożądaną wodę pitną z niepożądanej substancji rozpuszczonej/produktu, soli.
Inżynieria chemiczna wykorzystuje parowanie w wielu procesach. Na przykład wyparka z wieloma efektami jest używana w roztwarzaniu siarczanowym , procesie wytwarzania pulpy drzewnej z drewna.
Morski
Duże statki zwykle są wyposażone w parowniki do produkcji świeżej wody, zmniejszając w ten sposób ich zależność od dostaw z lądu. Statki parowe muszą być w stanie wytwarzać wysokiej jakości destylat, aby utrzymać poziom wody kotłowej. Statki z silnikami wysokoprężnymi często wykorzystują ciepło odpadowe jako źródło energii do produkcji świeżej wody. W tym układzie woda chłodząca silnik przepływa przez wymiennik ciepła , gdzie jest chłodzona stężoną wodą morską (solanką). Ponieważ woda chłodząca (która jest świeżą wodą uzdatnioną chemicznie) ma temperaturę 70–80 °C (158–176 °F), odparowanie pary wodnej nie byłoby możliwe, chyba że ciśnienie w zbiorniku wymiennika ciepła było upuszczony.
Aby złagodzić ten problem, do wytworzenia podciśnienia wewnątrz naczynia stosuje się pompę eżektora solanki i powietrza. Osiąga się częściowe odparowanie, a para przechodzi przez odmgławiacz przed dotarciem do sekcji skraplacza . Woda morska jest pompowana przez skraplacz w celu schłodzenia pary na tyle, aby ją wytrącić. Destylat gromadzi się na tacy, skąd jest pompowany do zbiorników magazynowych. Salinometr monitoruje zawartość soli i kieruje przepływ destylatu ze zbiorników magazynowych, jeśli zawartość soli przekracza granicę alarmową . Sterylizację przeprowadza się za parownikiem.
Parowniki są zwykle typu płaszczowo-rurowego (znane jako Atlas Plant) lub typu płytowego (takie jak typ zaprojektowany przez Alfa Laval ). Temperatura, produkcja i podciśnienie są kontrolowane przez regulację zaworów systemowych. Temperatura wody morskiej może zakłócać produkcję, podobnie jak wahania obciążenia silnika. Z tego powodu parownik jest regulowany wraz ze zmianą temperatury wody morskiej i całkowicie się wyłącza, gdy statek manewruje. Alternatywą na niektórych statkach, takich jak okręty wojenne i statki pasażerskie, jest zastosowanie odwróconej osmozy do produkcji świeżej wody zamiast parowników.
Energetyka
Odparowanie lub odparowanie to endotermiczny proces przemiany fazowej , który jest dokładnie poznany w dziedzinie termodynamiki . Jest ściśle związany z prężnością pary cieczy i ciśnieniem otoczenia, oprócz entalpii parowania .
Rodzaje parowników
Parowniki działają na tej samej zasadzie. Źródło ciepła styka się z cieczą, powodując jej odparowanie. Para jest całkowicie usuwana (jak podczas gotowania) lub jest przechowywana do ponownego użycia (jak w lodówce) lub produkt do izolacji (olejek eteryczny).
Parownik obrotowy
Wyparki obrotowe wykorzystują pompę próżniową do wytworzenia niskiego ciśnienia nad rozpuszczalnikiem, jednocześnie obracając kolbę z cieczą, aby zwiększyć powierzchnię i zmniejszyć rozmiar pęcherzyków. Zwykle opary przepuszcza się przez zimny palec lub cewkę, aby odparowany materiał nie uszkodził pompy. Wyparka rotacyjna najlepiej nadaje się do usuwania rozpuszczalnika z roztworów zawierających pożądany produkt, który nie odparuje pod ciśnieniem roboczym w celu oddzielenia lotnych składników mieszaniny od materiałów nielotnych.
Parownik z naturalną/wymuszoną cyrkulacją
Wyparki z naturalną cyrkulacją opierają się na naturalnej cyrkulacji produktu spowodowanej różnicami gęstości wynikającymi z ogrzewania ( konwekcja ). Komorę zawierającą roztwór ogrzewa się, a odparowaną ciecz zbiera się w odbieralniku.
Parownik z opadającą warstwą
Ten typ parownika jest zwykle wykonany z rur o długości 4–8 m (13–26 stóp) otoczonych płaszczami parowymi. Równomierne rozprowadzenie roztworu jest ważne przy stosowaniu tego typu parownika. Roztwór wchodzi i nabiera prędkości, gdy płynie w dół. Ten wzrost prędkości przypisuje się wydzielaniu pary w stosunku do czynnika grzewczego, który również przepływa w dół. Parownik ten jest zwykle stosowany do roztworów o dużej lepkości , dlatego jest często stosowany w przemyśle chemicznym, cukrowniczym, spożywczym i fermentacyjnym.
Parownik z wznoszącym się filmem (długa rura pionowa).
Ten typ parownika jest przydatny do zatężania roztworu. Działanie jest bardzo podobne do działania kalandrii, w której ciecz gotuje się w pionowych rurkach, doprowadzając ciepło na zewnątrz rur. Wytworzone opary rozpuszczalnika dociskają ciecz do ścianek rurek, tworząc cienką warstwę, która porusza się w górę wraz z oparami. Para może zostać uwolniona z układu, podczas gdy ciecz może zostać ponownie przepuszczona przez parownik w celu dalszego zatężenia substancji rozpuszczonej . W wielu przypadkach rury wyparki z wznoszącym się filmem mają zwykle wysokość od 3 do 10 metrów (10-33 stóp) i średnicę od 25 do 50 milimetrów (1-2 cale). Dobór wielkości parownika wymaga dokładnej oceny rzeczywistego poziomu cieczy w rurkach oraz natężenia przepływu pary i filmu.
Wyparka płytowa z opadającą i wspinającą się warstwą
Wyparki płytowe wznoszące i opadające mają stosunkowo dużą powierzchnię. Płyty są zwykle pofałdowane i są podtrzymywane przez ramę. Podczas parowania para przepływa przez kanały utworzone przez wolne przestrzenie między płytami. Para naprzemiennie wznosi się i opada równolegle do stężonej cieczy. Para porusza się po współprądowej, przeciwprądowej ścieżce z cieczą. Koncentrat i para są doprowadzane do etapu rozdzielania, gdzie para jest przesyłana do skraplacza. Ten typ wyparki płytowej jest często stosowany w przemyśle mleczarskim i fermentacyjnym, ponieważ zapewnia elastyczność przestrzenną. Wadą tego typu wyparki jest jej ograniczona zdolność do obróbki produktów lepkich lub zawierających cząstki stałe. Istnieją inne typy wyparek płytowych, które działają tylko z folią pnącą.
Parowniki z wieloma efektami
W przeciwieństwie do parowników jednostopniowych, parowniki te mogą składać się z maksymalnie siedmiu stopni parowania (efektów). Zużycie energii w przypadku parowników z pojedynczym efektem jest bardzo wysokie i stanowi większość kosztów systemu odparowywania. Łączenie parowników pozwala zaoszczędzić ciepło, a tym samym wymaga mniej energii. Dodanie jednego parownika do oryginału zmniejsza zużycie energii o 50%. Dodanie kolejnego efektu zmniejsza go do 33% i tak dalej. Równanie procentowej oszczędności ciepła może oszacować, ile można zaoszczędzić, dodając określoną liczbę efektów.
Liczba efektów w wyparce z wieloma efektami jest zwykle ograniczona do siedmiu, ponieważ później koszt sprzętu zbliża się do oszczędności kosztów związanych ze spadkiem zapotrzebowania na energię.
W przypadku parowników z wieloma efektami można zastosować dwa rodzaje zasilania. Podawanie do przodu ma miejsce, gdy produkt wchodzi do systemu przez pierwszy efekt w najwyższej temperaturze. Produkt jest następnie częściowo zagęszczany, ponieważ część wody zamienia się w parę i jest odprowadzana. Następnie jest podawany do drugiego efektu, który ma nieco niższą temperaturę. Drugi efekt wykorzystuje podgrzaną parę powstałą w pierwszym etapie jako źródło ciepła (stąd oszczędność na wydatkach energetycznych). Połączenie niższych temperatur i wyższej lepkości w kolejnych efektach zapewnia dobre warunki do obróbki produktów wrażliwych na ciepło, takich jak enzymy i białka. W układzie tym wymagane jest zwiększenie powierzchni grzewczej kolejnych efektów.
Inną metodą jest karmienie wsteczne. W tym procesie rozcieńczone produkty podawane są do ostatniego efektu o najniższej temperaturze i przenoszone z efektu na efekt wraz ze wzrostem temperatury. Końcowy koncentrat jest zbierany w najgorętszym efekcie, co ma tę zaletę, że produkt jest bardzo lepki w ostatnich etapach, więc przenoszenie ciepła jest lepsze. do użytku weszły systemy parowników próżniowych z wieloma efektami (z pompą ciepła ). Powszechnie wiadomo, że są one bardziej efektywne energetycznie i technicznie niż systemy z mechaniczną rekompresją oparów (MVR). Dzięki niższej temperaturze wrzenia mogą pracować z cieczami silnie korozyjnymi lub skłonnymi do tworzenia się osadów.
Wyparki cienkowarstwowe z mieszaniem
Odparowanie cienkowarstwowe z mieszaniem było bardzo skuteczne w przypadku produktów trudnych w obróbce. Mówiąc najprościej, metoda ta szybko oddziela składniki lotne od mniej lotnych, wykorzystując pośrednią wymianę ciepła i mechaniczne mieszanie przepływającej błony produktu w kontrolowanych warunkach. Separacja jest zwykle przeprowadzana w warunkach próżni, aby zmaksymalizować ∆T przy zachowaniu najkorzystniejszej temperatury produktu, tak aby produkt widział tylko warunki równowagi wewnątrz wyparki i mógł zmaksymalizować odpędzanie lotnych składników i odzysk.
Problemy
Problemy techniczne mogą pojawić się podczas odparowywania, zwłaszcza gdy proces ten jest stosowany w przemyśle spożywczym. Niektóre parowniki są wrażliwe na różnice w lepkości i konsystencji rozcieńczonego roztworu. Te parowniki mogą pracować nieefektywnie z powodu utraty obiegu. Pompa parownika może wymagać wymiany, jeśli parownik musi być używany do zatężania bardzo lepkiego roztworu.
Zanieczyszczenia występują również wtedy, gdy na powierzchniach czynników grzewczych w parownikach tworzą się twarde osady. W żywności białka i polisacharydy mogą tworzyć takie osady, które zmniejszają efektywność wymiany ciepła. Pienienie może również stwarzać problem, ponieważ radzenie sobie z nadmiarem piany może być kosztowne pod względem czasu i wydajności. środki przeciwpieniące , ale tylko nieliczne można stosować podczas przetwarzania żywności.
Korozja może również wystąpić, gdy kwaśne roztwory, takie jak soki cytrusowe, są skoncentrowane. Uszkodzenia powierzchni mogą skrócić długą żywotność parowników. Jakość i smak żywności może również ucierpieć podczas parowania. Ogólnie rzecz biorąc, przy wyborze parownika należy dokładnie rozważyć właściwości produktu.
Zobacz też
- Parowanie błyskawiczne
- Odparowanie próżniowe
- Wyparka odśrodkowa
- Parownik obrotowy
- Parownik ze sprężaniem pary
- Chłodnica wyparna
- Technologia pompowania lodu
- Parownik obiegowy
- Fennema, Owen R., Marcus Karel i Daryl B. Lund. Fizyczne zasady konserwacji żywności. Marcel Deker, Inc. Nowy Jork i Bazylea, 1975.
- Krijgsman, Ir J., główny naukowiec i kierownik projektów badawczych, Gist-brocades, Delft and Delft University of Technology, Delft i Holandia. Odzyskiwanie produktów w technologii bioprocesowej. Butterworth-Heinemann, 1992.