登降式膜プレート蒸発器

上昇/下降膜プレート蒸発器は、蒸発プロセスを起こすために上昇および下降プレート上を薄い液体の膜が通過する特殊なタイプの蒸発器です。これは下降膜蒸発器の拡張であり、フルーツジュースの濃縮など、蒸発させる液体が高温への長時間の暴露に耐えられないあらゆる分野に応用されています。

上昇/下降膜プレート蒸発器の基本設計は、2 つの段階から構成されます。上昇段階では、液体供給物は波形プレートを通って上昇する蒸気の流れによって加熱されます。その後の下降段階では、液体は重力によって高速で下降します。下降段階では、蒸発と冷却が急速に起こります。

産業分野では、一般的にいくつかの設計バリエーションが使用されています。これには、単効用蒸発器と多重効用蒸発器が含まれます。蒸発器の設計の選択は、プロセスの制約によって決まります。基本的に、この蒸発器の設計には 4 つの要素が関係します。

• 核沸騰の防止;
• 滞在時間が短い;
• 廃棄物の生産;
• 治療後。

登り/落下膜プレート蒸発器の主な利点は、滞留時間が短いことです。液体原料は蒸発器内に長時間留まらないため、この蒸発器は熱/温度に敏感な材料に適しています。したがって、この蒸発器は食品、飲料、製薬業界で広く使用されています。それに加えて、液体原料の色、質感、栄養成分、味も保存できます。この蒸発器は機能性に優れていますが、エネルギー消費量が多いなどの欠点がいくつかあります。将来の開発では、多数の蒸気効果を設置し、可能な限り蒸気をリサイクルしてエネルギー効率を向上させることが課題です。

登攀/下降膜プレート蒸発器の設計は、単効用と多重効用膜プレート設計に分類できます。^[1]

単効用蒸発器の操作は、バッチ、半バッチ、または連続（バッチまたは連続） で実行できます。単効用蒸発器は、次のいずれかの条件で示されます。

• 蒸気は汚染されているためリサイクルできません。
• 飼料は非常に腐食性が高く、高価な建設資材を必要とする。
• 蒸気暖房を生成するためのエネルギーコストが低い。
• 必要な容量は小さいです。

熱圧縮は、蒸発器のエネルギー要件を削減する必要がある場合に便利です。これは、単効用蒸発器からの蒸気を圧縮し、加熱媒体と同じ蒸発器にリサイクルすることで実現できます。蒸気の熱圧縮は、蒸気ジェットを適用するか、コンプレッサーなどの機械的手段を使用することで実現できます。

• 蒸気ジェット熱圧縮

蒸気を圧縮して蒸発器に戻すには、蒸気ジェットが必要になります。

• 機械的熱圧縮

機械的熱圧縮は熱圧縮と同じ原理に基づいていますが、唯一の違いは、往復動型、回転式容積式、遠心式、または軸流式の圧縮機によって圧縮が行われることです。

エネルギー消費量を削減する最良の方法は、多重効用蒸発器を使用することです。多重効用蒸発器では、外部からの蒸気が第 1 効用の加熱要素によって凝縮され、第 1 効用から生成された蒸気が第 2 効用に再循環され、そこで第 1 効用の部分的に濃縮された生成物が供給されます。プロセスは、最終効用まで拡張され、最終的に目的の濃度が達成されます。^{[1] [2]}

蒸発器が最高の性能で動作するためには、考慮すべきプロセス特性がいくつかあります。

膜式蒸発器における液膜の蒸発は、流れる液体と液体が流れる表面を冷却するために非常に重要です。また、液体内の成分の濃度を高めることもできます。登攀/降下膜プレート蒸発器は、登攀段階と降下段階の両方で薄い膜を生成するように特別に設計されています。^[3]登攀膜式蒸発器の場合、供給物はチューブの底部から導入されます。蒸発により蒸気が膨張し、液体の薄い膜がチューブに沿って上昇します。蒸気せん断により、薄い膜がチューブの壁を登ります。一方、降下膜式蒸発器の供給物はチューブの上部から導入されます。液体はチューブを流れ落ち、下降するにつれて蒸発します。^[3]チューブを下る液体の流れは、蒸気せん断応力と重力によって駆動されます。蒸気せん断と重力の影響により、流量が増加し、滞留時間が短くなります。流下液膜蒸発器内の薄い液膜の流れは、並流と向流の2通りが考えられます。^[4]蒸気がチューブの上部から下部に引き出される場合は並流、逆の場合は向流です。並流では流量が増加し、滞留時間が短くなります。^[4]流れの種類は図2で説明できます。

登上・下降膜プレート式蒸発器の熱伝達性能は、チューブ内の供給物の高さや温度差など、いくつかの要因によって影響を受けます。供給水の高さは、登上膜の高さに反比例します。^[5]供給水の高さが低いと、登上膜の高さが高くなります。登上膜の高さが高くなると、飽和流沸騰領域の割合が増加するため、局所熱伝達係数が増加します。供給水の最適な高さの比は、R _h = 0.3であることがわかりました。^[5]高さの比が 0.3 未満の場合、局所熱伝達係数が低下します。それに加えて、チューブ内の液体含有量が少ないと、泡立ちの問題を最小限に抑えることができます。

登攀膜式蒸発器と流下膜式蒸発器を組み合わせることで、蒸発器を広い温度範囲で動作させることができます。蒸発器は、加熱媒体と液体の間の温度差が小さい状態でも動作できます。これは、蒸発器内で静水圧降下がないためです。静水圧降下がないと温度降下がなくなり、温度が比較的均一になります。^[4]それに加えて、チューブ内の局所的な熱伝達係数は温度変化に依存します。Luopeng Yangは、ある実験で温度変化の最小閾値 ( ΔT ) が 5 °C であることを発見しました。 ^[5]温度変化が 5 °C 未満の場合、液膜はチューブを上ることができず、チューブ内の局所的な熱伝達係数が低下します。

蒸発器は主に熱に敏感な材料を扱うプロセスで使用されるため、滞留時間は可能な限り短くする必要があります。^[6]滞留時間とは、製品が熱に接触するのにかかる時間です。製品の品質を向上させるには、1回のパス操作で熱接触時間を短くすることで、製品の劣化を最小限に抑えることができます。登攀および流下膜プレート蒸発器は、この要件を満たすことができます。流下膜蒸発器内のチューブを下る液体の流量を増やすことで、滞留時間を短縮できます。 ^[4]重力の影響で液体の流量が増加し、滞留時間が短くなります。

フィルムプレート蒸発器を設計する際には、核沸騰を防ぐために過熱液体の使用を制御する必要があります。核沸騰は、温度上昇による化学反応速度の増加により製品の劣化を引き起こします。核沸騰は汚れを引き起こし、プロセスの熱伝達速度に影響を与えます。核沸騰を回避するには、使用する液体に応じて液体の過熱を3〜40 Kの範囲にする必要があります。^[4]

滞留時間を最小限に抑えることは、原料と蒸発器材料の間の化学反応の発生を最小限に抑え、蒸発器内の汚れを減らすために重要です。このガイドラインは、出力製品の純度が最も重要である食品加工業界では特に重要です。^[4]このアプリケーションでは、滞留時間は製品の品​​質に直接影響するため、登りおよび落下膜プレート蒸発器では滞留時間が短いことが重要です。^[7]

凝縮水は、上昇式および下降式膜蒸発器の廃液流を通して排出された廃棄物です。この蒸発器は、チューブ内の液体の流れよりも蒸気が速く通過するため、凝縮水として蒸気を排出します。

各蒸発ユニットでは、原料はチューブシートの底から入り、上昇および下降膜セグメントを通過します。液体がチューブ全体を上昇すると、蒸気加熱プレートと接触して沸騰および蒸発プロセスが発生します。次に、液体と蒸気を含む混合物が排出され、下降膜パスチューブの上部に再配置されます。上昇膜によって生成された蒸気は、熱伝達を上昇させるために、分配液体チューブ内の液体の速度を上げるために使用されます。外部セパレーターは、ダウンフローで生成された液体と水の混合物を分離するために使用されます。

多重効果蒸発器では、蒸発器の 1 つのフェーズの蒸気出力が次のフェーズの加熱媒体としてリサイクルされ、蒸発器の全体的な蒸気消費量が削減されます。

表面凝縮器は、第2効果プロセスで生成された蒸気を凝縮するために使用されます。この蒸発器で使用された熱を回収するために、蒸気凝縮液の両方が予熱器フィードにポンプで送られ、このプロセスに熱を生成できるようにします。^{[7] [8] [9]}

登り/落下膜プレート蒸発器は、さまざまな用途に使用されます。

果汁は、貯蔵、輸送、商業利用のために蒸発によって濃縮される。^[10]果汁が熱にさらされると、ビタミンCなどの栄養素が影響を受ける可能性がある。^[11]さらに、これらの栄養素は高温で酸化されやすい。蒸発器は、高い供給流量と小さな温度差で動作するため、この制約を克服することができる。さらに、このタイプの蒸発器を動作させることで、ジュースの色や質感の変化を防ぐことができる。

栄養補助食品に含まれるホエイパウダーや牛乳（脱脂乳と全乳の両方を含む）などのタンパク質を多く含む製品は、ほとんどの液体成分を除去して次の処理に備えるために濃縮されています。 ^[12]タンパク質は、その三次構造が熱にさらされると分解するため、高温で容易に変性します。登り膜プレートと落下膜プレートの設計による蒸発は、タンパク質の変性の影響を最小限に抑え、製品の品質を最適化することができます。

パスタソース、チキンブロス、野菜ピューレなどのインスタントおよび濃縮調理材料は、同じ蒸発装置で蒸発されます。これらは熱に比較的敏感ではありませんが、低温で短い滞留時間で蒸発させることは、品質の味、食感、栄養価を維持するために重要です。^[13]

抗生物質、補助錠剤、有機および無機化合物を含む医薬品は、結晶化のためにできるだけ多くの水分を除去するために蒸発されます。これは、結晶化された形では抗生物質と酵素化合物が適切に保存され、安定性が向上するためです。^[14]さらに、高温にさらされると無機化合物が分解します。ほとんどの医薬品は温度に非常に敏感ですが、このタイプの蒸発器は、圧力が低下すると水の沸点が低くなるため、いくつかの設計の蒸発器は低圧で動作できるため、依然として実用的です。

この蒸発器には、すべての範囲の工業プロセスに適用できるわけではないという制限がいくつかあります。蒸発器は 26 ～ 100 °C の範囲で操作する必要があり、450 ～ 16,000 kg/h の範囲で水分を除去できます。適切な上昇/下降特性を提供するために、ほとんどの蒸発器は非常に高く、高さ 4 メートル (13 フィート) のスペースにしか設置できません。液体供給物内の浮遊物質は低くする必要があり、50 メッシュのスクリーンを通過できる必要があります。

登り膜式および落下膜式プレート蒸発器に関連する問題はいくつかあります。その 1 つはエネルギー集約型システムです。プラントの生産性を向上させるには、蒸気の使用を減らすことを意図してエネルギー消費を削減する必要があります。研究者は、蒸気の利用を減らして経済的な蒸気システムを改善する新しい戦略を提案しました。運用戦略の例としては、原料、製品、凝縮液のフラッシュ、原料と蒸気の分割、最適な原料フロー シリーズの使用などがあります。^[9]

エネルギー消費を最小限に抑えるためのいくつかの技術が提案されている：^[8]

• 蒸発器に多数の蒸気効果装置を設置します。
• 可能な場合は、熱圧縮または機械圧縮によって蒸気をリサイクルします。
• 蒸発器への供給物が沸点まで予熱されていることを確認します。
• 蒸発器内の熱勾配を最小限に抑えます。
• 機器を断熱して熱の損失を最小限に抑えます。