Revelando o design anti-incrustante dos evaporadores: a sinergia entre o caudal, o cisalhamento superficial e o modo de circulação.

Na operação de sistemas de evaporação, como os evaporadores MVR, os problemas de incrustação afetam severamente a eficiência do equipamento, o ciclo operacional e o consumo de energia. Especialmente no processamento de materiais com alto teor de sal, alta dureza e alto teor orgânico, o projeto anti-incrustante torna-se crucial para o sucesso da aplicação dos evaporadores. O efeito sinérgico da vazão, da força de cisalhamento superficial e do método de circulação é a principal chave tecnológica para solucionar o problema de incrustação em evaporadores.

I. Mecanismo de formação de incrustações e riscos

• Mecanismo de formação: Durante a evaporação, os sais dissolvidos, a matéria orgânica, os coloides, etc., atingem a supersaturação à medida que sua concentração aumenta, precipitando cristais ou formando uma camada de adesão que se fixa à superfície de troca de calor, formando incrustações.

• Riscos: A formação de incrustações reduz a eficiência da transferência de calor, aumenta o consumo de energia e, em casos graves, leva ao bloqueio de equipamentos, corrosão, paradas frequentes para limpeza e redução da vida útil dos equipamentos.

II. Elementos Essenciais do Projeto Antincrustante — Vazão, Cisalhamento Superficial e Modo de Circulação

1. Controle da Vazão — Lavagem e Inibição da Cristalização

• Limpeza com fluido em alta velocidade: O aumento da vazão do material dentro dos tubos/placas de troca de calor intensifica o efeito de limpeza com fluido, reduzindo a permanência e a adesão de cristais ou impurezas na superfície.

• Otimização da faixa de vazão: Uma vazão muito baixa leva facilmente à deposição de partículas, enquanto uma vazão muito alta aumenta a perda de pressão e o consumo de energia. Uma vazão econômica e adequada deve ser projetada com base nas características do material, tamanho das partículas, viscosidade, etc. (por exemplo, a evaporação por circulação forçada normalmente utiliza 1,5-3 m/s).

• Uniformidade da Vazão: Prevenção de zonas mortas localizadas causadas por vazões excessivamente baixas; otimização da estrutura do canal de fluxo para garantir uma distribuição uniforme do campo de fluxo.

2. Força de cisalhamento superficial – Descolamento e antiaderência

• Força de cisalhamento aprimorada: Fluidos de alta velocidade geram uma força de cisalhamento significativa na superfície de troca de calor, removendo eficazmente microcristais ou impurezas aderentes que estão prestes a se depositar, inibindo a formação de incrustações.

• Estrutura de superfície otimizada: Projetos de estrutura de superfície, como ranhuras, ondulações e espirais, aprimoram a troca de calor e a força de cisalhamento, melhorando a turbulência do fluido e as capacidades de autolimpeza.

• Seleção de materiais: Superfícies de troca de calor lisas, hidrofílicas e resistentes à corrosão (como titânio, aço duplex e revestimento de Teflon) reduzem a adesão e melhoram o desempenho anti-incrustante.

3. Métodos de Circulação Sinérgica – Circulação Forçada Combinada com Filme Descendente/Ascendente

• Sistema de Circulação Forçada: Adequado para materiais de alta concentração e alta viscosidade com alta tendência à incrustação. Acionado por uma bomba de circulação de alta vazão, garante a circulação rápida do material, inibindo a supersaturação localizada e a deposição.

• Os materiais cristalizantes geralmente utilizam sistemas de circulação externa ou tanques de expansão instantânea, garantindo que a cristalização ocorra principalmente dentro do separador ou cristalizador, protegendo a superfície de troca de calor.

• Efeito sinérgico da evaporação em película descendente/ascendente: A evaporação em película descendente caracteriza-se por uma película líquida fina, alta taxa de fluxo e alta força de cisalhamento, o que é benéfico para inibir a formação de incrustações; a evaporação em película ascendente apresenta forte turbulência de fluxo bifásico gás-líquido, resultando em um bom efeito de lavagem.

• Combinadas com a circulação forçada, as vantagens de cada uma são aproveitadas para melhorar tanto a eficiência da transferência de calor quanto a capacidade anti-incrustante.

• Percurso de Circulação Otimizado: Um layout racional dos percursos de alimentação, circulação e separação evita zonas mortas e curtos-circuitos, permitindo uma circulação eficiente e uma separação oportuna.

III. Otimização sinérgica e casos práticos de engenharia

Caso 1:  Projeto de circulação forçada MVR anti-incrustante para águas residuais de alta salinidade

Uma bomba de circulação forçada de alta velocidade (vazão de 2,5 m/s), combinada com tubos de troca de calor de titânio e uma estrutura de superfície corrugada, aumenta significativamente a força de cisalhamento superficial.

Um percurso de circulação otimizado, sem zonas mortas, garante que a cristalização ocorra principalmente na câmara de separação, resultando em uma ausência significativa de incrustações na superfície do tubo de troca de calor durante a operação a longo prazo, estendendo o ciclo de limpeza para 3 a 6 meses.

Estudo de Caso 2:  Aplicação de Evaporadores de Filme Descendente na Concentração de Laticínios. A evaporação em filme descendente envolve uma fina película líquida fluindo em alta velocidade sobre uma superfície lisa de aço inoxidável para troca de calor. A forte força de cisalhamento superficial impede a aderência das proteínas e do sal do leite.

Em conjunto com a limpeza automática CIP online, garante operação estável, baixo consumo de energia e alta qualidade do produto.

IV. Medidas auxiliares anti-incrustantes

Pré-tratamento: O amolecimento, a remoção do endurecimento e a filtração por floculação removem facilmente íons e impurezas que causam incrustações.

Inibição química de incrustações: A adição de inibidores de incrustações e dispersantes inibe o crescimento e a agregação de cristais.

Limpeza online (CIP): A limpeza automática regular garante um funcionamento estável a longo prazo.

Monitoramento Inteligente: O monitoramento em tempo real da diferença de temperatura, queda de pressão e alterações no coeficiente de transferência de calor fornece um alerta precoce de tendências de incrustação e otimiza dinamicamente os parâmetros de operação.

V. Resumo 

A chave para o projeto anti-incrustante de evaporadores reside na otimização sinérgica da vazão, da força de cisalhamento superficial e do modo de circulação. Utilizando lavagem com fluido em alta velocidade, aumento da força de cisalhamento superficial e seleção adequada do modo de circulação, combinados com otimização e pré-tratamento de materiais, limpeza online e outras medidas auxiliares, o risco de incrustação pode ser significativamente reduzido, e a eficiência operacional e a estabilidade do evaporador podem ser aprimoradas. No futuro, com o desenvolvimento da engenharia de superfícies, simulação de dinâmica de fluidos e tecnologias de controle inteligente, o desempenho anti-incrustante dos evaporadores continuará a melhorar, contribuindo para a operação eficiente, econômica e de longo ciclo do tratamento por evaporação de materiais complexos.