Evaporador de efeito múltiplo de película descendente

I. Conceitos básicos e mecanismo de funcionamento

O evaporador de película descendente de múltiplos efeitos é um dispositivo de concentração altamente eficiente e econômico em termos de energia, que opera sob pressão negativa. Seu princípio fundamental reside na conexão em série de múltiplas unidades de evaporação para alcançar a utilização gradual da energia térmica. O sistema requer apenas uma pequena quantidade de vapor fresco como fonte inicial de calor; o vapor secundário gerado no estágio anterior é introduzido no estágio seguinte como meio de aquecimento, alcançando assim um modo de economia de energia de "fornecimento de vapor único, múltiplos usos". O líquido bruto é distribuído uniformemente a partir do topo do equipamento através de um dispositivo de distribuição, formando uma película líquida com espessura de 0,1 a 0,5 mm ao longo da parede interna dos tubos de aquecimento por ação da gravidade. O líquido flui de cima para baixo enquanto é aquecido pelo vapor externo aos tubos, completando rapidamente o processo de evaporação. O vapor secundário gerado no último efeito é recuperado e processado por um condensador ou compressor MVR. Este processo permite controlar o consumo de vapor por tonelada de água evaporada entre 0,28 e 0,35 kg/kg, com um consumo de energia de apenas cerca de um terço do de um evaporador de efeito simples, demonstrando excelentes efeitos de economia de energia.

II. Componentes-chave

1. Unidade de pré-aquecimento: Adota uma estrutura horizontal de casco e tubos, utilizando o vapor secundário de baixa temperatura do último estágio do sistema para pré-aquecer a alimentação, reduzindo a carga de aquecimento do primeiro estágio e melhorando a eficiência térmica geral.

2. Dispositivo de Distribuição de Líquido: Como parte crítica da operação do sistema, geralmente adota um guia de fluxo tipo calha combinado com bicos ou um projeto de cone guia de fluxo espiral para garantir que todos os tubos de troca de calor sejam totalmente umedecidos, com uma taxa de umedecimento de pelo menos 120%, prevenindo eficazmente a formação de coque causada por paredes secas.

3. Componente de Aquecimento: Os tubos de troca de calor podem ser fabricados em aço inoxidável 316L, aço inoxidável duplex 2205 ou liga de titânio, com diâmetro entre 25 e 50 mm e comprimento entre 3 e 8 m, mantendo uma relação comprimento/diâmetro de 80 a 120 para garantir a estabilidade do fluxo do filme líquido; o lado do casco é equipado com defletores de separação vapor-líquido para evitar que o condensado atinja o feixe de tubos.

4. Câmara de Separação Gás-Líquido: Adota uma estrutura ciclônica de entrada de gás tangencial ou um desembaçador de malha metálica de alta eficiência para garantir que a concentração de gotículas arrastadas no vapor secundário seja ≤100 mg/Nm³, reduzindo efetivamente o valor de DQO do condensado. 5. Dispositivo de Aprimoramento de Energia Térmica: Equipado com um termocompressor, pode pressurizar parte do vapor secundário e devolvê-lo ao primeiro ciclo, alcançando uma economia de energia adicional de 12–18%; se integrado à tecnologia MVR, o consumo de energia da unidade pode ser controlado em ≤18 kWh/t de água.

6. Sistema de limpeza online: Apresenta um programa de três etapas de lavagem alcalina, lavagem ácida e passivação, combinado com circulação de esferas de esponja ou cabeçotes de pulverização rotativos, permitindo a limpeza a baixas temperaturas de 40°C, reduzindo o tempo de inatividade e garantindo a produção contínua.

III. Características Técnicas Excepcionais

1. Alta eficiência de transferência de calor: A película líquida está em contato próximo com a superfície de aquecimento, e o coeficiente de transferência de calor pode atingir 3000–5000 W/(m²·K), uma melhoria de mais de 30% em comparação com os equipamentos tradicionais de película ascendente.

2. Tempo de residência curto do material: O tempo de passagem única é de apenas 5 a 30 segundos, adequado para a concentração de substâncias sensíveis ao calor, como vitaminas, enzimas e sucos de frutas e vegetais, maximizando a retenção dos ingredientes ativos.

3. Forte capacidade de controle de espuma: Adotando um design de fluxo concorrente e uma estrutura de sucção inferior, ele pode quebrar a espuma rapidamente e reduzir o arraste, eliminando a necessidade de agentes antiespumantes adicionais.

4. Excelente desempenho em economia de energia: Com uma configuração de triplo efeito e um termocompressor, a relação de consumo de vapor (Q/S) é ≤0,33; quando combinado com MVR, o consumo total de energia pode ser tão baixo quanto ≤27 kg de carvão padrão/t de água.

5. Layout espacial compacto: Utilizando uma estrutura de empilhamento vertical ou "paralela", economiza-se até 40% de área de instalação em comparação com equipamentos tradicionais de efeito único, adaptando-se a cenários de aplicação com espaço limitado.

IV. Principais áreas de aplicação

1. Tratamento de águas residuais industriais com alto teor de sal: Adequado para águas residuais com teor de sal de 12 a 25% provenientes das indústrias química, de pesticidas, de corantes e de licor-mãe para materiais de baterias de lítio, o tratamento pode ser concentrado próximo à saturação, seguido de cristalização, alcançando o "descarte zero" de águas residuais e a recuperação de sais (NaCl, Na₂SO₄, KCl com pureza ≥97%).

2. Setores Alimentício e Farmacêutico: Utilizado para a concentração em baixa temperatura de materiais como leite, maltose e extratos da medicina tradicional chinesa, com uma taxa de retenção de ingredientes ativos superior a 90%. 3. Projeto de Dessalinização de Água do Mar: Como equipamento principal do sistema de Destilação Multiefeito em Baixa Temperatura (LTMED), possui uma taxa de produção de água ≥10 e produz água doce com TDS ≤5 mg/L, adequada para abastecimento de água em áreas com escassez hídrica.

4. Recuperação de solventes orgânicos: Adequado para a recuperação de solventes de baixo ponto de ebulição, como etanol, isopropanol e DMAC. O vácuo operacional é controlado entre 50 e 150 mbar, e a eficiência de recuperação é superior a 98%, promovendo a reciclagem de recursos e a proteção ambiental.

V. Pontos-chave de seleção e projeto de processo

1. Determinação do número de efeitos: Quando o preço do vapor é de 0,25 RMB/kg, um sistema de três efeitos oferece a melhor eficiência econômica; se o custo do vapor for superior a 0,35 RMB/kg, uma solução integrada de quatro efeitos ou MVR deve ser considerada em primeiro lugar.

2. Otimização do processo: Para materiais propensos à formação de incrustações, recomenda-se o uso de um projeto de efeito final "fluxo direto + circulação forçada", mantendo uma vazão de ≥2 m/s, controlando o tamanho das partículas de cristal para <0,2 mm e estendendo o ciclo de limpeza para mais de 45 dias.

3. Critérios para a Seleção de Materiais: Selecione os materiais de forma adequada com base na corrosividade do meio – o aço inoxidável 304 pode ser usado para concentrações de íons cloreto <500 mg/L; o 316L para 500–5000 mg/L; e o aço inoxidável duplex 2205, 2507 ou titânio são recomendados para >5000 mg/L ou quando contiverem elementos fortemente corrosivos, como flúor e bromo.

4. Controle da diferença de temperatura e do vácuo: A temperatura do primeiro estágio é controlada entre 75 e 90 °C, a do último estágio é mantida entre 40 e 45 °C, e a diferença de temperatura entre cada estágio não deve exceder 15 °C para evitar que altas temperaturas localizadas causem carbonização ou danos ao equipamento.

VI. Procedimentos Operacionais e Especificações Operacionais

1. Preparação para o Início das Atividades:

Garantir a estabilidade da água de refrigeração, da fonte de ar comprimido para instrumentação e da pressão do vapor vivo (0,5–0,7 MPa);

Abra a válvula superior de quebra de vácuo e alimente o material lentamente até que o nível do líquido em cada elemento atinja a linha média do visor, para evitar paredes secas;

Inicie o sistema de vácuo e introduza vapor vivo somente após o grau de vácuo do último efeito atingir ≥0,085 MPa. 2. Monitoramento da operação:

Manter um equilíbrio dinâmico entre a taxa de alimentação, a taxa de evaporação e a taxa de descarga para garantir níveis estáveis de líquido em cada efeito;

Controle a flutuação da pressão do vapor vivo dentro de ±0,02 MPa para evitar o funcionamento instável da bomba de calor;

Verifique a condutividade do condensado a cada 2 horas. Se ultrapassar 150 μS/cm, investigue imediatamente a possibilidade de vazamentos.

3. Procedimento de desligamento:

Primeiro, interrompa o fornecimento de vapor, libere o vácuo, pare a alimentação, faça a circulação e enxágue com água quente a 85°C por 30 minutos, drene o líquido restante e execute os procedimentos de limpeza CIP alcalina e ácida para garantir que o sistema esteja limpo.

VII. Manutenção e resolução de problemas

1. Plano de limpeza:

Incrustações leves: Circule e limpe com solução de NaOH a 2% a 50°C durante 2 horas;

Incrustações duras à base de sulfato: Primeiro, realize a limpeza complexante com 5% de EDTA + 1% de ácido cítrico a 60°C e, em seguida, realize o tratamento de passivação com 1% de HNO₃;

Critério de conclusão da limpeza: diferença de pH entre a entrada e a saída < 0,2, diferença de condutividade < 50 μS/cm.

2. Problemas e soluções comuns:

Capacidade de evaporação reduzida: Verifique se o distribuidor de líquido está bloqueado; se a espessura da incrustação nos tubos de troca de calor for superior a 2 mm, é necessária limpeza mecânica;

Grau de vácuo não atende aos padrões: Confirme se a temperatura da água de resfriamento é ≤ 32℃ e se a temperatura da água de vedação da bomba de vácuo é < 25℃;

DQO (Demanda Química de Oxigênio) anormal no condensado: Isso pode ser devido a danos no desembaçador ou a um nível de líquido excessivamente alto na câmara de separação; é necessário interromper o processo para inspeção ou substituição.

3. Medidas preventivas regulares:

Inspecione os bicos de distribuição de líquido durante a revisão anual; substitua-os se o desgaste for superior a 1 mm;

Realizar inspeção por amostragem de 10% da espessura da parede do tubo de troca de calor; se a espessura restante for < 2,0 mm, recomenda-se a substituição total;

Calibre o sistema de controle do instrumento a cada seis meses para garantir uma resposta precisa do vácuo, nível do líquido, condutividade e outros sinais interligados.

VIII. Avaliação dos Benefícios Econômicos e Ambientais

Tomando como exemplo um projeto que processa 60 toneladas de águas residuais com alto teor de sal por dia, ao utilizar um sistema de destilação por película descendente de triplo efeito com circulação forçada em vez do equipamento original de efeito simples, a economia anual de vapor é de 1,1 × 60 × 330 = 21.780 toneladas, o equivalente a 2.480 toneladas de carvão padrão, reduzindo as emissões de dióxido de carbono em aproximadamente 6.500 toneladas. Simultaneamente, cerca de 1.600 toneladas de sal industrial podem ser recuperadas anualmente, gerando benefícios econômicos adicionais de aproximadamente 720.000 RMB, com um período de retorno do investimento inferior a 1,5 anos. Isso demonstra um excelente valor econômico e ambiental.

IX. Resumo e Perspectivas

O evaporador de película descendente de múltiplos efeitos, com suas vantagens técnicas de "transferência de calor de alta eficiência, operação em baixa temperatura e economia de energia em múltiplos estágios", tornou-se a principal escolha nas áreas de aproveitamento de recursos hídricos com alta salinidade, concentração de materiais sensíveis ao calor e recuperação de solventes. Ao adotar com firmeza os três elementos essenciais de "projeto de distribuição de líquidos, adequação do material e estratégia de limpeza" durante a seleção do equipamento, integração do sistema e gestão da operação, as empresas podem alcançar uma operação estável, de baixo custo e a longo prazo do dispositivo. Essa tecnologia não só aumenta a sustentabilidade da produção industrial, como também fornece suporte técnico prático para alcançar as metas estratégicas nacionais de "carbono duplo", tornando-se um dos equipamentos importantes para promover a transformação industrial verde.