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循環式蒸発器は、従来の蒸発器では蒸発できない混合物を分離するために設計された蒸発装置の一種です。循環式蒸発では、熱交換器とフラッシュ分離装置を溶媒の循環と併用することで、従来の沸騰を行わずに液体混合物を除去します。循環式蒸発器には、自然循環式蒸発器と強制循環式蒸発器の2種類があり、どちらも現在でも産業界で使用されていますが、駆動力のない自然循環式システムとは異なり、循環ポンプを備えた強制循環式システムの方が、より幅広い用途に適しています。
蒸発器は、2 つの重要な目的で設計されます。選択する機器が用途に最適であるか、そして配置が最も効率的かつ経済的であるかです。[ 1 ]熱伝達は、運転コストの最大の要因であるため、蒸発器の設計に大きく影響します。最も適切な蒸発器は、機器コスト 1 ドルあたりの熱伝達係数が最も高くなります。[ 2 ]蒸発器の設計を最適化する際に、もう 1 つの重要な考慮事項は蒸気経済性 (使用する蒸気 1 kg あたりに蒸発する溶媒 kg) です。高い経済性 (100% をはるかに超える場合もあります) を達成する最良の方法は、多段蒸発器を使用することです。これにより、1 つの蒸発器 (または効果) からの蒸気が次の効果の供給物を加熱するために使用され、そこでより低い圧力と温度で沸騰が起こります。 [ 3 ]蒸気の熱圧縮により、蒸気が圧縮によって次の効果に再利用できるほど高い温度で凝縮されることで、効率も向上します。しかし、エネルギー効率の向上はより高い設備投資によってのみ達成可能であり、一般的には、システムが大きいほど、蒸発器の熱効率を高めるための投資回収額は大きくなる。 [ 1 ]
熱伝達は設計基準のすべてではありませんが、最も適切な蒸発器は、供給物と製品の特性にも依存します。結晶化、塩析とスケール生成、製品の品質とその熱感受性、溶液の発泡性、供給物の粘度（蒸発とともに増加）、およびその性質（スラリーまたは濃縮物）のすべてを考慮する必要があります。[ 2 ] [ 3 ]材料のスループットが低い小規模プロセスで使用される単効用蒸発器の場合、物質収支とエネルギー収支を使用してプロセスを設計および最適化できます。多効用蒸発器の設計では、多くの反復を伴う試行錯誤法が通常最も速く効率的です。設計の一般的な手順は次のとおりです。[ 2 ] [ 3 ]計算を容易にするために、Excel で実行されます。プロセス機器の組み込み機能を備えた Aspen Plus などの他の設計ソフトウェアも使用できます。
1) 沸点上昇を考慮して、蒸発器内の温度分布を推定します。すべての加熱面が等しい場合、各効果における温度降下は、その効果における熱伝達係数にほぼ反比例します。
2) 必要な総蒸発量を決定し、選択した効果数に応じた蒸気消費量を推定する。
3) 想定される供給温度または流量から、第1段における蒸発量を計算する。以降の段についても同様に計算し、初期および中間段階の想定が依然として有効であることを確認する。また、最終段において製品の品質が要求仕様を満たしているかどうかを判断する。
4) 熱要求が満たされているか、製品が所望の仕様を満たしているかを確認します。満たされていない場合は、第1段への蒸気流量の仮定を変えて、前の手順を繰り返します。
5) 各効果における濃度がわかったので、沸点上昇を再計算して熱負荷を求めます。この情報を用いて、仮定した温度差熱伝達係数を修正し、加熱面積の必要量を決定します。
6) 上記の条件に基づいて十分なデータが得られれば、熱伝達係数をより厳密に計算し、それに応じて表面加熱要件を調整することで、物理システム自体をより正確に反映した信頼性の高い設計を得ることができます。
蒸発器本体の設計が完了したら、システム全体の性能とコストを正確に見積もるために、ポンプ（特に強制循環式蒸発器の場合）やヒーターなどの補助機器の設計や仕様策定が必要となります。これらの機器は、上記の計算で決定された仕様に基づいて選定されます。
主なプロセス特性は、熱交換と圧力操作による蒸発を中心としている。これは、基となる液体混合物を加熱し、ポンプを用いてシステム内を強制循環させるフラッシュ分離法である。
強制/自然循環蒸発は、ベース液体の沸騰が望ましくない場合に使用されます。これは、結晶化やスケールが発生する液体の処理と分離のために特別に開発されました。[ 1 ]蒸発器は、熱交換器、分離タンク、強制循環システム（自然循環システムとは対照的に）の場合は循環ポンプなど、システム全体を構成する別々の部品を使用しますが、分離される混合物の液体の特性や特定の設計に応じて変更される場合があります。熱交換器内のユニット（熱伝達が行われる場所）は、加熱ユニットまたはカランドリア（単管式熱交換器の場合）と呼ばれます。液気分離タンクは、フラッシュセパレーター、フラッシュチャンバー、またはフラッシュ容器と呼ばれます。蒸発器の基本モジュールは、蒸発器の「本体」として知られており、カランドリアとフラッシュチャンバーを指します。「効果」という用語は、原料から蒸気が抽出され、同じ沸点で動作する本体を説明するために使用されます。[ 4 ]
蒸発とは、溶液から溶媒を蒸気の形で除去することです。ほとんどの蒸発システムでは、溶媒は水であり、熱は蒸気の凝縮によって供給されます。[ 4 ]強制循環蒸発では、液体がシステム内を常に循環します。混合物は熱交換器を通過し、そこで加圧下で過熱されます。[ 5 ] 汚れを防ぐために、通常1.5～4 m/sの高い循環速度が使用されます[ 6 ]が、これは最終的には構成要素の特性に依存し、循環ポンプによって容易に制御できます。液体は、バルブやオリフィスなどの圧力安定器によって外部から、またはシステム内で静水圧によって熱交換器を通して加圧されます。[ 1 ]
熱交換器での液体の加熱は、標準的な温度差2～3Kで最小限に抑えられています。[ 1 ]液体がフラッシュ容器に入ると、圧力は熱交換器の圧力よりわずかに低くなり、フラッシュ蒸発が起こります。蒸気流は液体流から分離されます。この蒸気は通常、蒸発ユニットからの目的の製品ではありません。そのため、蒸気はシステムに応じて収集または廃棄されます。濃縮された液体溶液は、蒸気と同じ方法で収集されるか、システムを通して再び循環されます。
これにより、除去された蒸気1kgあたり100～150kgの液体（溶媒）が再循環されるという高い再循環比が得られます。これらの高い再循環率により、チューブ内の液流速度が速くなり、結晶やその他の堆積物の蓄積が最小限に抑えられ、結果として汚れも最小限に抑えられます。 [ 1 ]結晶化用途では、フラッシュセパレーター内で結晶化が依然として発生し、特定のシステムでは、再循環スラリーから固体粒子をさらに分離する必要があることに注意することが重要です。
強制循環式蒸発器を設計する際には、熱伝達、液相・気相分離、エネルギー消費効率の 3 つの考慮事項があります。[ 4 ]効率的なシステムを構築するには、これらの考慮事項すべてを最大化する必要があります。システム内で循環と加熱が維持されるため、液体の温度と流量を製品要件に合わせて制御することができ[ 7 ]、その結果、最適なチューブ速度に到達し、設計上の考慮事項に対応した効率的なシステムが構築されます。[ 8 ]
強制循環式蒸発器は液体の流速が高く、乱流も大きいため[ 6 ]、熱伝達係数も高くなります。このシステムは正の循環を備え、汚れやスケール、塩分が付着しにくく、腐食性や粘性の高い溶液にも適しています[ 8 ] 。
運転特性は、用途基準に合わせて特別に調整されます。強制循環式蒸発器は用途が広く、さまざまな用途に使用できます（用途を参照）。たとえば、結晶化操作に最適です。強制循環式蒸発器の濃縮値は、溶解塩を含む供給液を処理する場合、従来の管状蒸発器の限界を超えることができ、低固形分多段蒸発、TVR、またはMVR蒸発の後に液体を高固形分濃度に濃縮するための仕上げ蒸発器としてよく使用されます。[ 9 ]
熱効率を高めるために、複数の加熱効果を利用できます。[ 10 ] [ 4 ]このシステム設計では、抽出された蒸気が、最初の効果よりも低い圧力で、2 番目の加熱効果の加熱媒体として使用されます。これを複数の効果に対して繰り返すことができます。
自然循環蒸発は、基本的にシステム配管を通して操作される自然対流の流れに基づいており、循環を生み出します。対流による循環は、気泡の形成によって実現されます。気泡は密度が低く、液体の中を上昇して蒸発容器への上昇気流を促進します。[ 11 ]
物理的には、自然循環蒸発器は、バッチパン内に短いチューブバンドルを使用するか、メイン容器の外側に外部シェルアンドチューブ熱交換器を設けることによって機能します（図に示すように）[ 1 ]。熱交換器による外部加熱は、カランドリアのサイズや形状に依存しないという利点があるため、通常使用されます。そのため、フラッシュ分離タンクの容量を大きくすることができます。[ 1 ]
循環ポンプをなくすことで運転コストは削減されますが、前述のシステム特性により、蒸発器の滞留時間が長く流量が低いため、[ 11 ]強制循環蒸発器に比べて用途が著しく制限されます。自然循環蒸発の最も一般的な用途は、蒸留塔のリボイラーとしてです。
現在では、様々な用途に合わせて特別に設計された、幅広い種類の強制循環式蒸発器が市販されている。
プレート強制循環蒸発器は、遠心ポンプを使用して液体をプレート構造と熱交換器を通して循環させます。[ 12 ]この設計の柔軟性は大きな利点であり、プレートを追加または削除することで蒸発速度を操作できるため、より高い熱伝達係数を必要とする幅広い用途に対応できます。より具体的には、粘度の高い製品の方がこの設計に適しており、プレート強制循環蒸発器は、管状強制循環システムと比較して、より高い性能と改善された蒸発を示しています。液体は過熱温度にさらされる必要があり、これは液体の元の沸点を大幅に超え、急速な蒸発を促します。柔軟性に加えて、このシステムはコンパクトで、小さなスペースしか必要とせず、プレートに簡単にアクセスできるため、清掃やメンテナンスが容易です。[ 13 ]適合性に関して言えば、この設計は現在、蒸発速度が低～中程度の液体を扱い、未溶解溶質が微量で、汚染を引き起こす可能性がほとんどないプロセスで使用されています。
管状強制循環蒸発器は、軸方向循環ポンプを使用して、システムの熱交換器内で液体を円運動させ、過熱します。その後、液体が分離器に到達すると、液圧が急激に低下し、液体の一部が急速に沸騰します。この設計は、直径が 2 mm を超える製品および/または粒子に特化しています。[ 14 ]蒸発作用は分離器でのみ発生し、熱交換器では発生しないため、設計上の乱流レベルが高いにもかかわらず、汚れが軽減されます。あるいは、別の設計パラメータとして、循環ポンプによって制御される管側の流れの液体速度の最適化があります。[ 1 ]
食品産業における強制循環式蒸発器は、元のシステムを模倣した改良設計を採用しているが、強制循環の流れを強化するために追加の二次蒸気ユニットを備えている。[ 13 ]単効設計では、熱交換器からの蒸気流入後に凝縮作用を促進するために凝縮器ユニットが使用されるが、二重効設計では同様の役割を果たすものの、追加のコンポーネントによってシステム全体の圧力が低下する。これに対し、三重効システムは、最小限の労力で高いレベルの有効蒸発が必要な場合に使用される。[ 1 ]この設計では、液体は低温で第3効に入り、前の蒸発効果により濃度が上昇した第2ストリームに移動する。最終的に、第1効で最適な製品濃度が達成される。[ 1 ]
強制循環蒸発システムの設計コンポーネントに関して言えば、熱交換器は様々です。シェルアンドチューブ式熱交換器は、さまざまな圧力と温度値に対応できる柔軟な設計のため、最も広く普及しています。[ 1 ]強制循環式熱交換器は、水平または垂直のシェルアンドチューブ式熱交換器を使用することができ、チューブ（熱交換器内部に存在する）の内外の流体間の熱交換を可能にします。溶質濃度が高い液体は通常、より一般的に使用される垂直熱交換器を必要とします。[ 1 ]
蒸発とは一般的に、他の液体や微細な固体を含む混合物または溶液から水を蒸発させることを指します。この濃縮された流れはほとんどの場合製品であり、唯一の廃棄物は純水です。純水は環境にリスクをもたらさず、雨水排水システムや下水処理システムに排出できます。塩水を蒸発させて飲料水を製造する場合のように、濃縮物が廃棄物となる場合は、塩の濃縮物を海洋に放出するか、さらに乾燥させて廃棄処分するか、他の用途に利用する必要があります。ほとんどの場合、自然循環式および強制循環式の蒸発器には、有害な廃棄物は発生しません。
自然循環式/強制循環式蒸発器には多くの利点があり、産業界でより一般的な蒸発器の選択肢となっています。[ 15 ]
循環式蒸発器に入る液体は、加熱面ではなく分離器内で沸騰するため、汚れが最小限に抑えられます。一方、プレート式蒸発器では、沸騰は加熱面で起こります。[ 15 ]このため、汚れやすい液体には循環式蒸発器が好まれます。汚れが最小限に抑えられるということは、プレート式蒸発器などの他の蒸発器に比べて洗浄サイクルが頻繁に行われないことを意味します。[ 4 ]
循環式蒸発器は比較的コンパクトで、清掃や操作が簡単です。[ 13 ]また、必要な製品に応じて簡単に調整することもできます。[ 15 ]熱伝達係数が高く、循環流量も大きいため、[ 4 ] [ 13 ]どちらも蒸発器の効率を高めるのに役立ちます。
強制循環式/自然循環式蒸発器の主な制約の 1 つはコストです。循環式蒸発器は特に建設コストが高いのに対し、落下薄膜式蒸発器は投資コストが低くなっています。落下薄膜式蒸発器には回転する内部部品がないため、機械的な劣化は発生しませんが、循環式蒸発器はメンテナンスコストが高くなります。[ 13 ] [ 15 ]
これまで利点として挙げられてきた高い循環流量には、欠点もあります。流速が速くなると機器の腐食が加速し、他の蒸発器に比べて維持費が高いことを考慮すると、蒸発器の運転コスト全体が増加する可能性があります。
自然循環式/強制循環式蒸発器は、食品および飲料業界で重要な役割を果たしています。具体的には、トマトジュース濃縮液、（熱帯およびベリー類）フルーツ濃縮液の製造プロセス、および特定の原材料の特性を維持しながら水分を除去する必要がある場合に使用できます。[ 4 ]
一般的に、液体が加熱面で沸騰すると汚れやすい性質があるため、強制循環式蒸発器が必要となる。[ 16 ] [ 8 ]これらの蒸発器は、固形分含有量が高く粘度が高い液体にも使用される。[ 4 ] [ 9 ]
強制循環式蒸発器の使用を必要とするプロセスは他にもいくつかあり、これらは結晶化蒸発器として特に効果的である。[ 15 ]これらには、塩、コーンスティープウォーター、炭酸カルシウムを製造するプロセスが含まれる。[ 9 ]
自然循環式蒸発器は、無水水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、砂糖大根、特に泡立ちやすい酒類、低粘度から中粘度の酒類、沈殿性液体などを製造する他のプロセスでも使用されています。 [ 15 ]
自然循環式/強制循環式蒸発器は、排水処理施設や化学工業、製薬工業でも必要とされている。[ 8 ]
強制循環式/自然循環式蒸発器の設計の改良は、工業製品やプロセスに大きな影響を与えてきました。粒子用の外部循環運動を備えた自己洗浄式熱交換器設備の登場により、汚染レベルが大幅に低下しました。[ 17 ]さらに、前述の設計のセクションで説明したように、多段式蒸発プラントでの強制循環式蒸発器の使用により、高粘度で容易に堆積し、高濃度を必要とする液体の用途が大幅に拡大しました。北イタリアの埋立地に関するケーススタディからも、さらなる証拠が得られます。このケーススタディでは、単段式蒸発器のバイオガスでは浸出液を完全に蒸発させることができず、その結果、三段式強制循環式蒸発器が使用されました。[ 18 ]