Evaporatori e cristallizzatori
Opzioni di riscaldamento per impianti di separazione termica
Tradizionalmente, un evaporatore o un cristallizzatore è riscaldato da vapore vivo, ma anche il calore di scarto (ad esempio vapore ricompresso, vapore di essiccatori, acqua calda o olio termico) può essere usato come fonte di energia, a condizione che sia disponibile nella quantità richiesta per il processo di separazione termica.
Riscaldamento a vapore (effetto singolo/multiplo)
A Prodotto / B Concentrato / C Condensato / D Vapore di riscaldamento / E Vapore
Per l'evaporazione dell'acqua in un evaporatore a effetto singolo, circa 1 t/h di vapore vivo produce circa 1 t/h di vapore poiché i valori di calore specifico di evaporazione sul lato di riscaldamento e del prodotto sono circa gli stessi.
Se i vapori prodotti da un effetto di evaporazione vengono utilizzati per riscaldare un altro effetto di evaporazione generato a una pressione inferiore, il consumo di vapore dell'intero sistema viene ridotto di conseguenza.
Se la quantità di vapore prodotta dall'energia primaria viene utilizzata come vapore di riscaldamento in un secondo effetto, il consumo energetico dell'intero sistema si riduce di circa il 50%. Questo principio può essere applicato ad altri effetti per risparmiare ancora più energia.
| Vapore vivo [t/h] | Vapore [t/h] | Consumo specifico di vapore | |
| Impianto a effetto singolo | 1 | 1 | 100% |
| Impianto a 2 effetti | 1 | 2 | 50% |
| Impianto a 3 effetti | 1 | 3 | 33% |
| Impianto a 4 effetti | 1 | 4 | 25% |
La massima temperatura di riscaldamento del primo effetto combinata alla minima temperatura di ebollizione dell'effetto finale, definisce una differenza di temperatura complessiva che può essere divisa tra i singoli effetti.
Questo significa che se il numero di effetti aumenta, la differenza di temperatura per effetto diminuisce di conseguenza.
Per questo motivo, le superfici di riscaldamento dei singoli effetti devono essere progettate con dimensioni più grandi per raggiungere il tasso di evaporazione richiesto con una differenza di temperatura media inferiore (∆ Tm). Una prima approssimazione mostra che la superficie totale di riscaldamento di tutti gli effetti aumenta proporzionalmente al numero di effetti. Di conseguenza, i costi di investimento aumentano considerevolmente mentre il risparmio energetico si riduce in modo proporzionale.
Ricompressione termica del vapore (TVR)
A Prodotto / B Concentrato / C Condensato / D Vapore di riscaldamento / E Vapore
Durante la ricompressione del vapore, il vapore del separatore viene ricompresso alla pressione più alta di un lato di riscaldamento del fascio tubiero.
Circa la metà dei vapori prodotti dal processo di evaporazione può essere riutilizzata per il riscaldamento, l'altra metà viene convogliata verso l'effetto successivo in cui va ad attivare il processo. Il ricompressore di vapore termico richiede l’impiego di una certa quantità di vapore, il cosiddetto "vapore motore".
Per la ricompressione termica del vapore (TVR) si usano compressori a getto di vapore che funzionano secondo il principio della pompa a getto di vapore. Non avendo parti mobili, sono privi di componenti soggetti a usura, garantendo la massima affidabilità di funzionamento. I ricompressori termici di vapore sono progettati internamente.
GEA vanta oltre un secolo di esperienza nella fornitura di pompe a getto di vapore e compressori.
Ricompressione meccanica del vapore (MVR)
A Prodotto / B Concentrato / C Condensato / D Vapore di riscaldamento / E Vapore / El Energia elettrica
Mentre i compressori a getto di vapore comprimono solo una parte del vapore che esce dall'evaporatore, i ricompressori meccanici di vapore (MVR) sono in grado di riciclarlo tutto.
Il vapore viene ricompresso alla pressione della temperatura del vapore di riscaldamento dell’evaporatore corrispondente utilizzando una minima quantità di energia elettrica rispetto all’entalpia recuperata nel vapore. L’energia della condensa di vapore viene spesso utilizzata per preriscaldare l’alimentazione del prodotto.
A seconda delle condizioni operative dell’impianto, una piccola quantità supplementare di vapore o la condensazione di una parte limitata di vapore in eccesso potrebbero rendersi necessarie per mantenere l’equilibrio generale del calore nell’evaporatore e per garantire condizioni operative stabili soprattutto in fase di avviamento.
Grazie alla loro semplicità e al design che consente una facile manutenzione, negli impianti di evaporazione vengono utilizzati dei ventilatori centrifughi monostadio (sotto forma di ventilatori ad alta pressione). Operando a velocità di flusso elevate, sono adatti all’impiego con portate elevate o molto elevate a tassi di compressione del vapore da 1:1,2 a 1:2. La velocità di rotazione va normalmente da 3.000 a 12.000 giri/min. Per grandi incrementi di pressione è possibile utilizzare ventilatori multipli.
Vapore rispetto ad elettricità
A seconda delle condizioni locali e dei costi delle utenze specifiche del progetto, è possibile valutare l'opzione di riscaldamento più ecologica ed economica sulla base dei dati di consumo tipici.
La possibilità di utilizzare elettricità da fonti rinnovabili anziché vapore di combustibili fossili è uno dei maggiori vantaggi offerti dal riscaldamento elettrico.
Consumo specifico per tonnellata di evaporazione
| Vapore [t] | Elettricità [kWh] | Acqua di raffreddamento [m³ (∆T = 10K)] | |
| Vapore vivo | 1 | minore | 60 |
| 2 effetti | 0,5 | minore | 30 |
| 3 effetti | 0,33 | minore | 20 |
| 4 effetti | 0,25 | minore | 15 |
| TVR | ~0,5 | minore | 30 |
| MVR | minore | ~30-50 | minore |
Non meno importante e di particolare rilevanza per le regioni aride, l'uso del riscaldamento elettrico riduce drasticamente la necessità di acqua di raffreddamento. Tutto sommato, con il ruolo sempre più preponderante che l'economia circolare e le nuove tendenze di riduzione del consumo energetico stanno assumendo, la MVR si sta affermando come l'opzione da preferire.
Diversi processi di cristallizzazione sono eseguiti a basse temperature a causa di vincoli posti dal sistema a fasi o da prodotti sensibili alla temperatura. Pertanto, è necessario un raffreddamento efficiente che potrebbe essere rappresentato sia dal raffreddamento sotto vuoto che dal raffreddamento superficiale.
Riscaldamento con vapore di essiccatori (impianti di evaporazione)
Il criterio principale per l'uso del vapore di essiccatori per riscaldare gli impianti di evaporazione è il punto di rugiada della miscela vapore acqueo-aria dato dalla presenza di gas inerti e/o aria in essa. Maggiore è il punto di rugiada, più alto è il contenuto di vapore acqueo e quindi il contenuto di energia utilizzabile.
Se i vapori dell'essiccatore contengono polvere e vapori di grasso, questi potrebbero finire nella calandria, alterando o addirittura impedendo il trasferimento di calore dal riscaldamento alla camera di ebollizione. Questo può essere evitato pulendo il vapore dell'essiccatore in uno scrubber di vapore GEA. Di solito, un jet scrubber, un ventilatore a getto liquido autoadescante, è perfettamente adatto a questa applicazione.
Lo scrubber di vapore può funzionare con la condensa di vapore dell'impianto di evaporazione. Pertanto, non è necessaria ulteriore acqua di processo; in questo modo, si riutilizza energia per il riscaldamento dell'evaporatore, pulendo contemporaneamente lo scarico dell'essiccatore.
Raffreddamento sotto vuoto (impianti di cristallizzazione)
Il raffreddamento sotto vuoto è il metodo preferito in quanto il raffreddamento è generato solo dall'espansione adiabatica del solvente e non è richiesta alcuna superficie attiva di raffreddamento. Una tale superficie attiva di raffreddamento dovrebbe essere relativamente estesa a causa dei bassi coefficienti di scambio termico e presenterebbe il rischio di incrostazioni dovuto alla diminuzione della solubilità a temperature più basse.
Il parametro principale e il limite per il raffreddamento sotto vuoto è la pressione dei vapori generati durante il processo. A seconda della pressione richiesta, è necessario scegliere la soluzione economicamente più conveniente tra le seguenti opzioni disponibili:
- Condensazione superficiale o diretta
- Acqua di raffreddamento o acqua refrigerata
- Con o senza eiettore di vapore
Raffreddamento superficiale (impianti di cristallizzazione)
Il raffreddamento superficiale viene applicato quando la temperatura richiesta non può essere raggiunta con il raffreddamento sotto vuoto.
Questo metodo utilizza una superficie di raffreddamento attiva (scambiatori di calore a fascio tubiero) raffreddata con qualsiasi mezzo di raffreddamento disponibile adatto alle temperature di processo richieste.
Questi sistemi presentano il rischio di tendenza all'incrostazione dei tubi dello scambiatore di calore a causa di alte sovrasaturazioni locali sulle superfici fredde.
Per massimizzare il ciclo operativo di queste unità, è necessaria una sofisticata progettazione in termini di profilo di raffreddamento, coefficienti di scambio termico di progetto, densità dei solidi, velocità e qualità dei tubi. Inoltre, sono disponibili efficienti procedure di pulizia che riducono i tempi di fermo in misura accettabile.
Eiettore di vapore rispetto a refrigeratore (impianti di cristallizzazione)
Per il raffreddamento si utilizza un eiettore di vapore o un refrigeratore.
Mentre gli eiettori di vapore comprimono i vapori a un certo livello di temperatura, permettendo la condensazione a contatto con l'acqua di raffreddamento, i refrigeratori usano l'energia elettrica per generare un mezzo freddo che permette la condensazione dei vapori a bassa pressione.
A seconda delle condizioni locali, nonché della disponibilità e dei prezzi delle utenze, è necessario valutare nel singolo caso la soluzione più efficiente in termini di costi e di risparmio energetico.
Con il ruolo sempre più preponderante che l'economia circolare e le nuove tendenze di riduzione del consumo energetico stanno assumendo,il refrigeratore si sta affermando come l'opzione da preferire. In impianti esistenti l'eiettore di vapore è stato sostituito con un refrigeratore.
