Выпарные установки, принцип работы и назначение

УЗСК — компетентный производитель выпарных установок «под ключ»: от технико-экономического обоснования и подбора схемы до изготовления, автоматизации, CIP/SIP и пуско-наладки на вашем объекте в Кургане.

Зачем нужны выпарные установки

Выпарка — это управляемое удаление растворителя (чаще воды) для повышения концентрации продукта, снижения объёма стоков и подготовки потока к последующим стадиям (кристаллизация, сушка, ректификация). Результат — стабильное качество, экономия энергии на последующих операциях и уменьшение логистических затрат.

Классификация аппаратов

• Плёночные (восходящая/нисходящая плёнка). Короткое время пребывания, мягкий температурный профиль — выбор для теплонежных продуктов (соки, молочные среды, сиропы).
• С вынужденной циркуляцией (FC). Высокие скорости в трубах подавляют накипеобразование; подходят для вязких, загрязняющих и склонных к кристаллизации растворов (солерасходы, химические смеси).
• Тонкоплёночные со счищающими органами (scraped/wiped). Очень тонкая плёнка и интенсивный теплообмен — аккуратная обработка «капризных» сред, достижение высоких сухих веществ.
• Многоэффектные (2–7 эффектов). Каскад ступеней: вторичный пар предыдущей ступени служит греющим для следующей — растёт пароэкономичность.
• С паровой рекомпрессией.
  • TVR (тепловая): пароструйный эжектор сжимает часть вторичного пара и возвращает его как греющий.
  • MVR (механическая): компрессор/турбодувка поднимает давление и температуру вторичного пара — радикально снижает потребление свежего пара.

Принцип работы

1. Подвод тепла к теплообменной поверхности вызывает кипение раствора и образование вторичного пара.
2. Фазовое разделение в сепараторе: каплеуловители ограничивают унос капель, обеспечивая чистоту конденсата.
3. Рекуперация энергии: вторичный пар либо идёт в следующий эффект (многоэффектная схема), либо возвращается в контур через TVR/MVR.
4. Концентрат уходит на кристаллизацию/сушку или дальше в технологическую цепочку, конденсат — на возврат/подготовку.

Ключевое уравнение теплопередачи:

Q=U⋅A⋅ΔTлог,Q=U \cdot A \cdot \Delta T_{\text{лог}},Q=U⋅A⋅ΔTлог​,

где UUU — суммарный коэффициент теплопередачи (режим течения, загрязнения), AAA — площадь, ΔTлог\Delta T_{\text{лог}}ΔTлог​ — доступный температурный напор.

Что влияет на тепловой баланс: BPE и реология

При концентрировании точка кипения раствора повышается относительно чистой воды — явление BPE (boiling point elevation). Рост BPE уменьшает доступный температурный напор и требует:

• корректного распределения площадей по эффектам,
• продуманного выбора прямотока или противотока,
• контроля времени пребывания и скоростей сдвига для вязких систем.

Технологические схемы

• Прямоточные выпарные установки. Простая гидравлика и малые потери давления; хорош для теплонежных материалов, где температура может плавно расти по ходу сгущения.
• Противоточные выпарные установки. Улучшенный средний температурный напор для густых концентратов: «горячая» ступень обрабатывает более вязкую фазу.
• Смешанные выпарные установки / байпасные выпарные установки. Гибкая адаптация под BPE, фоллинг и габариты теплообменников.
• Интеграция TVR/MVR. Снижение расхода свежего пара и охлаждающей воды, особенно выгодно в круглосуточном режиме.

Энергетика: пароэкономичность

Пароэкономичность = (масса выпаренного растворителя) / (масса поданного свежего пара).
Ориентиры:

• 1 эффект: ~0,6–0,8;
• 2–3 эффекта: ~1,5–2,5;
• 4–6 эффектов и/или TVR/MVR: ещё выше при грамотной балансировке.
  Большее число эффектов повышает экономичность, но усложняет автоматизацию и увеличивает CAPEX — нужен разумный компромисс.

Санитария и эксплуатация

• Соответствие санитарным нормам CIP/SIP. Дренируемые контуры, отсутствие «мёртвых» полостей, совместимость материалов с щёлочными/кислотными моющими, валидированные скорости и температуры.
• Фоллинг (накипь). Минимизируется короткими гидравлическими путями, достаточными скоростями в трубах и корректным тепловым потоком. Для тяжёлых сред — FC/тонкоплёночные решения.
• Унос капель. Демистеры и ограничение скоростей пара в сепараторе защищают конденсат и теплообменники «вниз по течению».
• Материалы. Нержавеющая сталь 316L — базовый стандарт; при высоких хлоридах обосновывают дуплекс/титан.

Как выбрать тип под продукт: «правила большого пальца»

1. Теплонежные и маловязкие среды → плёночные (falling/rising film) с коротким временем пребывания.
2. Вязкие/загрязняющие/кристаллизующиеся → вынужденная циркуляция или тонкоплёночные со счищающими органами.
3. Высокая наработка часов и дорогой пар → рассматривать TVR/MVR (сравнивать CAPEX/OPEX).
4. Высокий BPE и конечные сухие вещества → противоток, перераспределение площадей и температурных напоров.
5. Строгая санитария → гигиеничный дизайн, валидированные CIP-программы и каплеуловители.

Расчёт выпарных установок «с нуля»

1. Исходные данные: расход, нач./конч. концентрация, допустимые T/вакуум, состав (BPE, склонность к фоллингу), регион эксплуатации (Курган или другой населенный пункт в РФ и ЕАЭС)
2. Концепт-выбор: число эффектов; прямоток/противоток; тип теплообменника; необходимость TVR/MVR.
3. Мат- и теплобаланс: распределение ΔT\Delta TΔT по эффектам, оценка UUU, расчёт AAA, прогноз пароэкономичности.
4. Гидравлика и унос: скорости в трубах/сепараторах, выбор демистеров.
5. CIP/SIP и материалы: сценарии моек, совместимость уплотнений и датчиков, выбор стали/сплава.
6. Автоматизация: каскадное регулирование (температура процесса → греющий контур), вакуум, уровни, проводимость конденсата, антифоминг.

Примеры типовых конфигураций

• Пищевой концентрат, 15→65 % сухих веществ. Пятиэффектная нисходящая плёнка + TVR; демистеры; вакуум 0,1–0,2 бар; CIP щёлочь/кислота.
• Минерализованные стоки. Двух-/трёхступенчатая вынужденная циркуляция + MVR; материал — 316L/дуплекс/титан по расчёту коррозии; опциональная кристаллизация.
• Растворители/тонкая химия. Тонкоплёночная выпарка с минимальным временем пребывания; возврат конденсата; онлайн-контроль плотности/сухих веществ.

Выпарные установки — важнейший инструмент управления качеством и энергией в технологической цепочке. Правильное сочетание типа аппарата, числа эффектов, учёта BPE и фоллинга, а также применение TVR/MVR обеспечивает высокую пароэкономичность и стабильный продукт. Организуем доставку в (Курган и другие населенные пункты в РФ и ЕАЭС.