«УЗСК» — надежный поставщик решений по выпариванию «под ключ»: от ТЭО и выбора конфигурации до производства, оснащения АСУ, обеспечения CIP/SIP и проведения пусконаладочных работ.
Роль выпарных агрегатов
Выпаривание — целенаправленное испарение растворителя (обычно воды) для концентрирования раствора, минимизации объема сточных вод и подготовки к дальнейшим стадиям (кристаллизация, сушка, дистилляция). Это гарантирует стабильность продукта, экономию энергии на последующих этапах и сокращение транспортных расходов.
Типы выпарных систем
Пленочные (прямоточные/противоточные). Минимальное время контакта, щадящий нагрев — оптимальны для термочувствительных материалов (соки, продукты молочной переработки, сиропы).
С принудительной циркуляцией (FC). Интенсивное движение потока в трубках предотвращает образование отложений; применяются для вязких, склонных к загрязнению и кристаллизации жидкостей (рассолы, химические реактивы).
Тонкопленочные с вращающимися элементами (scraped/wiped). Создание тончайшей пленки и эффективный теплоперенос — бережная обработка сложных продуктов, достижение высокой конечной концентрации.
Многокорпусные (2–7 корпусов). Каскад: вторичный пар из предыдущего корпуса греет следующий — повышается энергоэффективность.
С рекомпрессией пара.
TVR (термокомпрессия): эжектор сжимает долю вторичного пара, возвращая его в виде греющего.
MVR (механокомпрессия): компрессор/вентилятор повышает давление и температуру вторичного пара — кардинально сокращает потребление исходного пара.
Как работает процесс
Нагрев греющей поверхности приводит к кипению раствора и генерации вторичного пара.
Разделение фаз в сепараторе: каплеуловители исключают энтренинг, обеспечивая чистоту дистиллята.
Утилизация тепла: вторичный пар направляется в следующий корпус (многокорпусная схема) либо рециркулирует через TVR/MVR.
Концентрат отправляется на кристаллизацию/сушку или далее, конденсат — на рекуперацию.
Основное уравнение:
Q=U⋅A⋅ΔTлог,Q=U \cdot A \cdot \Delta T_{\text{лог}},Q=U⋅A⋅ΔTлог,
где UUU — общий коэффициент теплопередачи (определяется режимом течения, загрязнением), AAA — поверхность теплообмена, ΔTлог\Delta T_{\text{лог}}ΔTлог — движущая сила процесса.
Факторы теплового баланса: BPE и реология
При концентрировании температура кипения раствора становится выше, чем у чистого растворителя — это BPE (boiling point elevation). Увеличение BPE снижает ΔTлог\Delta T_{\text{лог}}ΔTлог, что диктует:
верное распределение поверхностей нагрева по корпусам,
обоснованный выбор схемы движения потоков,
регулирование времени пребывания и сдвиговых напряжений для вязких сред.
Конструктивные решения
Прямоточные схемы. Простота гидравлики, малые гидропотери; подходят для термочувствительных сред, допускающих постепенный нагрев.
Противоточные схемы. Улучшенная средняя разность температур для густых продуктов: наиболее нагретая ступень контактирует с максимально вязкой фазой.
Комбинированные / байпасные схемы. Гибкая настройка под BPE, загрязнение и размеры теплообменников.
Внедрение TVR/MVR. Сокращение расхода греющего пара и воды на охлаждение, особенно рентабельно при непрерывной работе.
Энергоэффективность
Пароэкономичность = (масса выпаренной воды) / (масса исходного греющего пара).
Примерные значения:
1 корпус: ~0,6–0,8;
2–3 корпуса: ~1,5–2,5;
4–6 корпусов и/или TVR/MVR: выше, при условии корректного проектирования.
Рост числа корпусов повышает экономичность, но наращивает капитальные затраты и сложность управления — необходим оптимум.
Гигиена и обслуживание
Соответствие стандартам CIP/SIP. Дренируемость, исключение «мертвых» зон, стойкость материалов к моющим средствам, валидированные режимы мойки.
Образование накипи. Снижается за счет компактной гидравлики, высоких скоростей и контролируемой тепловой нагрузки. Для сложных случаев — аппараты FC или тонкопленочные.
Энтренинг капель. Сепарационные устройства и ограничение скорости пара в сепараторе предохраняют конденсат и оборудование.
Конструкционные материалы. Нержавеющая сталь 316L — стандарт; для агрессивных сред выбирают дуплекс-стали/титан.
Критерии выбора под конкретный продукт
Термочувствительные и маловязкие среды → пленочные аппараты с кратковременным контактом.
Вязкие/загрязняющие/кристаллизующиеся растворы → принудительная циркуляция или тонкопленочные аппараты с механическим воздействием.
Интенсивная эксплуатация и дорогая энергия → целесообразность TVR/MVR (анализ инвестиций и эксплуатационных расходов).
Значительный BPE и высокие конечные концентрации → противоточная схема, оптимизация поверхностей и температурных градиентов.
Жесткие гигиенические требования → гигиеничное исполнение, валидированные моечные циклы, эффективные сепараторы.
Проектирование выпарных установок
Исходные параметры: производительность, нач./конеч. концентрации, допустимые T/вакуум, свойства раствора (BPE, склонность к накипи).
Концептуальный проект: число корпусов; схема тока; тип теплообменника; применение TVR/MVR.
Материальный и тепловой балансы: распределение ΔT\Delta TΔT, определение UUU, расчет AAA, оценка пароэкономичности.
Гидравлика и сепарация: скорости в трубках/сепараторах, подбор каплеуловителей.
CIP/SIP и материалы: регламенты мойки, совместимость уплотнений, подбор металла.
Автоматизация: каскадное управление (T процесса → греющий контур), вакуум, уровни, контроль конденсата, подавление пены.
Типовые примеры
Пищевой концентрат, 15→65 %. Пятикорпусная нисходящая пленка + TVR; сепараторы; вакуум 0,1–0,2 бар; CIP щелочь/кислота.
Минерализованные стоки. Двух-/трехступенчатая принудительная циркуляция + MVR; материал — 316L/дуплекс/титан; опция кристаллизации.
Растворители/тонкий синтез. Тонкопленочный испаритель с минимальным временем пребывания; рецикл конденсата; онлайн-анализ плотности/концентрации.
Выпарные установки — ключевой элемент для управления качеством и энергозатратами в технологической цепи. Грамотная комбинация типа аппарата, количества эффектов, учета BPE и загрязнений, наряду с использованием TVR/MVR, дает высокую энергоэффективность и стабильный выход продукта.