evaporador tubular de triplo efeito com película descendente

Princípio de funcionamento

1. Processo em série de três efeitos:

• Primeiro Efeito: O líquido de alimentação, pré-aquecido pelo pré-aquecedor, entra no topo do evaporador de primeiro efeito e é distribuído uniformemente na parede interna dos tubos de aquecimento pelo distribuidor de líquido, formando uma película líquida. O vapor de aquecimento (geralmente vapor fresco) condensa e libera calor para fora dos tubos, fazendo com que a película líquida evapore e gere vapor secundário. O líquido concentrado e o vapor secundário entram no separador gás-líquido. O líquido concentrado separado entra no segundo efeito, onde o vapor secundário serve como fonte de calor.

• Segundo efeito: O líquido concentrado do primeiro efeito entra no evaporador do segundo efeito, utilizando o vapor secundário gerado no primeiro efeito como meio de aquecimento. De forma semelhante, a película líquida evapora, gerando novo vapor secundário. O líquido concentrado entra no terceiro efeito, onde o vapor secundário serve como fonte de calor.

• Terceiro Efeito: O líquido concentrado do segundo efeito é ainda mais concentrado no terceiro efeito. O vapor de aquecimento para o terceiro efeito provém do vapor secundário gerado no segundo efeito. Finalmente, o líquido concentrado é descarregado do terceiro efeito, e o vapor secundário gerado neste entra no condensador para condensação. Os gases não condensáveis são descarregados através do sistema de vácuo.

2. Utilização da Cascata de Energia: 

A temperatura e a pressão de evaporação diminuem progressivamente em cada estágio (geralmente projetado para operação a vácuo), garantindo que o vapor flua naturalmente para o próximo estágio como fonte de calor, formando um "gradiente de temperatura e pressão".

A diferença de temperatura entre os efeitos impulsiona a transferência de calor, e a concentração do material aumenta gradualmente durante o processo de concentração progressiva, atingindo, por fim, a taxa de concentração desejada.

3. Direção do fluxo de material e vapor:

Direção do fluxo de material: Normalmente em co-corrente (na mesma direção do vapor), ou seja, fluindo sequencialmente do primeiro ao terceiro efeito, com a concentração aumentando progressivamente.

Sentido do fluxo de vapor: Contracorrente (na direção oposta à do material), ou seja, o vapor fresco entra pelo primeiro efeito, é utilizado progressivamente até o terceiro efeito e, finalmente, condensa.

Estrutura e componentes principais

1. Unidade de evaporação de três efeitos:

Cada efeito contém um evaporador de película descendente tubular independente (feixe de tubos de aquecimento, distribuidor de líquido, separador gás-líquido).

2. Pré-aquecedor: Utiliza condensado ou vapor de baixa temperatura de cada efeito para pré-aquecer o líquido de alimentação, melhorando a eficiência térmica.

3. Sistema de vácuo: Mantém um ambiente de baixa pressão dentro de cada evaporador, reduzindo o ponto de ebulição dos materiais e adaptando-se a materiais sensíveis ao calor.

4. Sistema de Controle: Integra sensores de temperatura, pressão e nível de líquido para ajustar automaticamente parâmetros como vazão de alimentação, pressão do vapor e nível de vácuo para cada efeito.

5. Bomba de Circulação: Utilizada para a transferência de material entre os efeitos, garantindo um fluxo estável do concentrado.

6. Sistema de Condensação: O vapor proveniente do último efeito é condensado através de um condensador (como um condensador de casco e tubos ou de placas) para recuperar o condensado ou solvente.

Vantagens significativas

1. Economia de energia extrema: Através da evaporação de triplo efeito, o vapor gerado em cada estágio é utilizado pelo estágio seguinte, reduzindo significativamente o consumo de vapor fresco. Comparado aos evaporadores de efeito simples, a economia de energia pode chegar a mais de 70%.

2. Alta taxa de concentração: A evaporação em múltiplos estágios permite uma alta concentração do material, sendo adequada para aplicações como recuperação de sais cristalizados e tratamento de águas residuais com alta concentração de sal.

3. Forte aplicabilidade a materiais sensíveis ao calor: O curto tempo de residência (segundos) e a operação em baixa temperatura (ponto de ebulição reduzido sob vácuo) da evaporação em filme descendente impedem a decomposição ou deterioração do material. 

4. Operação estável e automatizada: O sistema PLC permite o ajuste automático de parâmetros, como temperatura, nível de líquido e controle de pressão para cada efeito, reduzindo a intervenção manual.

5. Benefícios ambientais: Reduz o consumo de vapor e água de refrigeração, diminui as emissões de carbono e atende aos requisitos de produção sustentável.

Áreas de aplicação

1. Indústria Química: Concentração de águas residuais com alta salinidade e descarga zero; recuperação de solventes orgânicos (ex.: álcoois, ácidos).

2. Alimentos e Bebidas: Alta concentração de sucos de frutas, laticínios e xaropes, preservando o sabor e os nutrientes.

3. Indústria Farmacêutica e Bioengenharia: Concentração de intermediários termossensíveis; separação de extratos de antibióticos.

4. Dessalinização da água do mar e recuperação de recursos: Concentração da água do mar para produção de sal ou recuperação de sais valiosos a partir de águas residuais.

5. Novos Materiais Energéticos: Concentração de eletrólitos de baterias de lítio; separação de elementos de terras raras, etc.

Principais considerações de projeto e operação

1. Correspondência de temperatura e pressão entre os efeitos: É necessário um cálculo preciso da diferença de temperatura e pressão de evaporação entre cada efeito para garantir um fluxo de vapor natural e evitar a "evaporação até a secagem" ou a transferência de calor insuficiente. 

2. Prevenção e limpeza de incrustações: Para materiais propensos à formação de incrustações, projete feixes de tubos de canal largo ou sistemas de limpeza online para limpeza química ou mecânica regular.

3. Controle da Fluidez do Material: Mantenha uma espessura estável da película líquida em cada efeito, utilizando bombas de circulação ou controle do nível do líquido para evitar paredes secas ou ruptura da película líquida.

4. Manutenção do sistema de vácuo: Garanta o funcionamento estável da bomba de vácuo para evitar vazamentos de ar que possam reduzir a eficiência da evaporação.

Comparação com evaporadores MVR

1. Fonte de energia: Os evaporadores de triplo efeito dependem de vapor fresco para a inicialização e consomem apenas uma pequena quantidade de vapor durante a operação a longo prazo; os evaporadores MVR dependem inteiramente de eletricidade para acionar o compressor e não requerem vapor externo.

2. Cenários aplicáveis: Evaporadores de triplo efeito são adequados para cenários com preços de vapor baixos e ampla oferta; evaporadores MVR são adequados para situações com custos de vapor elevados ou disponibilidade limitada de vapor.

3. Investimento inicial e consumo de energia: O investimento inicial para evaporadores de triplo efeito é menor do que para MVR, mas seu consumo de energia a longo prazo é ligeiramente maior.

Tendências de desenvolvimento

1. Atualização Inteligente: Integra algoritmos de IA para otimizar o controle de parâmetros, possibilitando ajustes dinâmicos e alertas de falhas.

2. Inovação em Materiais: Utilização de ligas resistentes à corrosão ou revestimentos cerâmicos para lidar com materiais altamente corrosivos.

3. Tecnologia de acoplamento multiefeito: Combinada com bombas de calor, separação por membrana e outras tecnologias, melhora ainda mais a utilização de energia.

Resumo: 

O evaporador tubular de triplo efeito com película descendente, através da conexão em série de múltiplos efeitos e da tecnologia de evaporação por película descendente, proporciona rápida economia de energia, alta taxa de concentração e operação estável. É um equipamento essencial para o processamento em larga escala de materiais complexos por meio de evaporação e concentração. Seu equilíbrio entre economia de energia e custo o torna insubstituível em diversos setores industriais.