Perché un evaporatore a film sottile (WFE) è la scelta ideale?

Cos'è l'evaporatore a film pulito?

L'evaporatore a film sottile (WFE), noto anche come evaporatore a film sottile, è un tipo di apparato di distillazione che crea un sottile film rotante di liquido su una superficie riscaldata per evaporare rapidamente i componenti volatili da una miscela, anche con prodotti sensibili al calore, viscosi o incrostanti. I principali vantaggi includono un breve tempo di residenza, la massimizzazione della superficie per un efficiente trasferimento di calore e la riduzione al minimo della degradazione termica. Gli evaporatori a film sottile sono ampiamente utilizzati in settori come quello farmaceutico, chimico e alimentare per la purificazione e il recupero di componenti di valore.

Applicazione dell'evaporatore a film pulito nel processo di concentrazione del collagene

Requisito: Concentrare una soluzione di collagene dall'1,2% all'1,5% al ​​7% al 9%, con una capacità di movimentazione di 200 kg/ora.

Il materiale è sensibile al calore e il processo di concentrazione deve essere controllato a temperature inferiori a 30 °C. La viscosità prima e dopo la concentrazione è prossima a quella dell'acqua. La concentrazione si ottiene principalmente evaporando una parte dell'acqua per aumentare la concentrazione di collagene.

Perché un evaporatore a film sottile (WFE) è la scelta ideale?

L'evaporatore a film sottile è particolarmente adatto al processo di concentrazione del collagene descritto. I suoi vantaggi riguardano in particolare le proprietà del materiale (sensibilità al calore, basse temperature, bassa viscosità):

1. Eccellente efficienza di trasferimento del calore e breve tempo di residenza:

Il WFE utilizza pale del rotore per distribuire il materiale in una pellicola liquida molto sottile e uniforme (in genere 0,5-1,0 mm) sulla parete riscaldante, ovvero sulla superficie di evaporazione.

Il tempo di permanenza del materiale all'interno dell'evaporatore è estremamente breve, in genere da pochi secondi a decine di secondi**. Questo evita perfettamente il rischio di denaturazione, degradazione o perdita di bioattività che il collagene potrebbe subire in caso di riscaldamento prolungato.

2. Capacità di evaporazione a bassa temperatura:

La temperatura di evaporazione dipende dal livello di vuoto creato dalla bassissima pressione assoluta del sistema. Per ottenere l'evaporazione al di sotto dei 30 °C, la pressione assoluta del sistema deve essere controllata solo a circa 4,3 kPa (circa 32,5 mmHg) o inferiore (poiché la pressione di vapore saturo dell'acqua a questa temperatura è di circa 4,25 kPa). Il WFE può raggiungere e mantenere un livello di vuoto così elevato, garantendo che l'evaporazione avvenga alla bassa temperatura impostata.

3. Capacità di gestire le variazioni di viscosità:

Sebbene abbiate affermato che la viscosità è prossima a quella dell'acqua prima e dopo la concentrazione, potrebbe aumentare leggermente in prossimità della concentrazione del 9%. Il sistema di raschiamento del WFE agita e rinnova continuamente il film liquido, prevenendo efficacemente l'incrostazione o la formazione di incrostazioni sulla superficie di trasferimento del calore e garantendo un flusso e un'evaporazione stabili anche per materiali ad alta viscosità. Questo è fondamentale per garantire una produzione continua e stabile.

4. Alto rapporto di concentrazione:

Un elevato rapporto di concentrazione può essere ottenuto in un singolo passaggio. Il fattore di concentrazione dall'1,2% al 9% è 9/1,2 = 7,5 volte. Questo è perfettamente realizzabile per un filtro a camera stagna. Anche il tasso di evaporazione dell'acqua richiesto è significativo, il che evidenzia l'elevata efficienza del filtro a camera stagna.

Progettazione e calcolo dei parametri chiave del processo (in base alle vostre esigenze)

1. Bilancio dei materiali e velocità di evaporazione:

Portata di alimentazione (F): 200 kg/h

Concentrazione alimentare (Xf): prendere il valore medio 1,35%

Concentrazione del prodotto (Xp): Prendi il valore medio 8%

Sia la portata del prodotto P kg/h, la portata dell'acqua evaporata V kg/h

Bilancio di massa totale: `F = P + V` => `200 = P + V`

Equilibrio del soluto (collagene): `F Xf = P Xp` => `200 0,0135 = P 0,08`

Risoluzione: `P = (200 0,0135) / 0,08 = 33,75 kg/h`

Quindi: `V = 200 - 33,75 = 166,25 kg/h

Conclusione: è necessario far evaporare circa 166,25 kg/h di acqua.

2. Impostazione della temperatura e del livello di vuoto:

Temperatura di evaporazione target ≤ 30°C

Pressione assoluta corrispondente: consultare le tabelle del vapore, la pressione del vapore saturo dell'acqua a 30°C è 4,246 kPa (circa 31,9 mmHg).

Pressione di progetto del sistema: per garantire che l'evaporazione avvenga a 30 °C o anche a temperature inferiori, la pressione assoluta di esercizio del sistema dovrebbe essere leggermente inferiore a 4,25 kPa. L'obiettivo di progetto è solitamente fissato a una pressione assoluta di 3,0 - 4,0 kPa (circa 22,5 - 30 mmHg). Ciò richiede un sistema di vuoto ad alte prestazioni (ad esempio, una combinazione di pompa meccanica + pompa Roots, oppure una trappola fredda + pompa di espulsione del vapore).

3. Selezione del mezzo riscaldante:

La temperatura di evaporazione è di circa 30 °C, quindi la temperatura del mezzo riscaldante richiesta non deve essere molto elevata, ma solo una differenza di temperatura (ΔT) sufficiente a favorire lo scambio termico. Un ΔT eccessivo può causare surriscaldamento locale.

Mezzo consigliato: acqua calda a 30-40 °C. In genere, si può utilizzare un sistema di circolazione dell'acqua, controllando la temperatura dell'acqua tramite uno scambiatore di calore a piastre che utilizza acqua proveniente da una torre di raffreddamento. L'uso di vapore o olio diatermico ad alta temperatura è severamente vietato.

Suggerimenti per la selezione delle apparecchiature e la configurazione del sistema

1. Stima delle dimensioni dell'evaporatore:

Un tasso di evaporazione di 166 kg/h è una scala da piccola a media per un WFE.

Il coefficiente di scambio termico (K) è solitamente relativamente elevato in condizioni di bassa viscosità e alto vuoto. Si supponga che K = 2000 W/m²·K (una stima relativamente conservativa).

L'area di trasferimento di calore richiesta (A) può essere stimata approssimativamente con la formula `A = Q / (K ΔT)`, dove Q è il carico termico e ΔT è la differenza di temperatura tra il mezzo riscaldante e la temperatura di evaporazione del prodotto (ad esempio, prendiamo 10°C).

Si tratta di un calcolo complesso che richiede un calcolo preciso del carico termico. Solitamente, i produttori di apparecchiature eseguono calcoli professionali basati sulla velocità di evaporazione, sull'innalzamento del punto di ebollizione, ecc.

Stima empirica: per tali condizioni operative, potrebbe essere adatto un evaporatore a film sottile in vendita con un'area di scambio termico di circa 0,5-1,5 metri quadrati. Le dimensioni finali devono essere confermate dal fornitore dell'apparecchiatura tramite un calcolo di processo preciso.

2. Componenti chiave del sistema:

Preriscaldatore: sebbene sia richiesta una bassa temperatura, si consiglia comunque di preriscaldare l'alimentazione alla temperatura di esercizio (ad esempio, 28-29 °C) per ridurre il carico termico sul corpo dell'evaporatore principale e migliorare l'efficienza. Si consiglia di utilizzare uno scambiatore di calore a piastre **, con acqua calda come fonte di calore.

Corpo principale dell'evaporatore:** Materiale consigliato: acciaio inossidabile 316L** per garantire pulizia e resistenza alla corrosione. Il design della lama raschiante deve essere adatto a liquidi a bassa viscosità.

Condensatore: utilizzare un condensatore a piastre o tubolare per condensare completamente il vapore acqueo evaporato utilizzando acqua refrigerata (o acqua di raffreddamento). L'efficienza del condensatore influisce direttamente sul vuoto del sistema.

Sistema del vuoto: questo è uno dei componenti principali del sistema. Si consiglia una combinazione di "pompa ad anello liquido + pompa Roots", oppure una combinazione di "trappola fredda + pompa per vuoto a vite secca" per raggiungere e mantenere il vuoto elevato richiesto in condizioni di efficienza energetica.

Sistema di controllo: deve essere dotato di un sistema PLC o DCS avanzato per il controllo automatico interbloccato della portata di alimentazione, della temperatura del mezzo riscaldante e del livello di vuoto del sistema (ovvero temperatura di evaporazione), garantendo parametri di processo stabili e proteggendo il materiale termosensibile.

Breve descrizione del processo

1. La materia prima di collagene all'1,2%-1,5% viene conservata in un serbatoio di alimentazione.

2. La materia prima viene trasportata tramite una pompa di alimentazione a un preriscaldatore a piastre e riscaldata a circa 28-29°C.

3. Il liquido preriscaldato entra nella parte superiore dell'evaporatore.

4. All'interno dell'evaporatore, il materiale viene distribuito in una pellicola estremamente sottile mediante lame raschianti rotanti e l'acqua evapora rapidamente sotto i 30°C sotto vuoto spinto.

5. La soluzione concentrata di collagene (7%-9%) viene scaricata continuamente tramite una pompa posta sul fondo.

6. Il vapore acqueo generato sale verso la parte superiore dell'evaporatore ed entra nel condensatore, dove si condensa completamente.

7. La condensa (acqua distillata) viene scaricata tramite una pompa per condensa e può essere recuperata e riutilizzata.

8. Il sistema a vuoto rimuove continuamente i gas non condensabili dal sistema, mantenendo l'ambiente ad alto vuoto.

Riepilogo

Per l'esigenza di concentrare 200 kg/h di soluzione di collagene da ~1,35% a ~8% operando a temperature inferiori a 30 °C, l'evaporatore a film sottile è attualmente la scelta tecnologica più affidabile e ideale. Soddisfa perfettamente tutti i requisiti di sensibilità al calore, bassa temperatura e alta efficienza.

Prossimi passi:

Fornire i parametri e i requisiti di cui sopra ai produttori professionali di evaporatori a film sottile (fornitori nazionali e internazionali di eccellenza). Possono eseguire calcoli di processo precisi e fornirvi una proposta tecnica dettagliata, un preventivo per l'attrezzatura e le relative specifiche.