Le tecnologie di evaporazione per risparmiare energia

Quale tecnologia scegliere per aumentare l’efficienza energetica degli evaporatori? Multiplo effetto, MVR o TVR?

La tecnologia di evaporazione più adatta alle esigenze specifiche di ogni cliente dipende essenzialmente da tre fattori:

• I costi energetici
• Il prodotto finale
• L’efficienza energetica

Le tecnologie a livello di evaporazione sono fondamentalmente tre e possono essere combinate in vario modo per massimizzare la resa energetica dell’intero impianto. In questo articolo passeremo in rassegna varie soluzioni tecnologiche, partendo dalla soluzione più tradizionale, per arrivare alla soluzione più all’avanguardia.

Tecnologia di evaporazione a Multiplo Effetto

La tecnologia a multiplo effetto, incarnata dai nostri evaporatori Venus (per il concentrato di pomodoro), Mixflow (per le puree di frutta) e Poseidon (per i succhi di frutta), è una tipologia di evaporazione tradizionale. L’obiettivo finale è ottenere, attraverso lo sviluppo di un processo in più stadi di evaporazione, la concentrazione di un prodotto per sottrazione dell’acqua, ottenendo approssimativamente un chilo di evaporato da ogni stadio dell’impianto a fronte di un chilo di vapore speso come energia termica. L’efficienza dell’evaporatore è pari quindi al numero degli effetti: dal singolo al quadruplo (nel caso della lavorazione della frutta se ne implementa un numero maggiore). Di conseguenza, con un’unità di vapore di caldaia si evapora un’unità di vapore di prodotto nel singolo effetto (efficienza 1:1) e quattro unità nel quadruplo effetto (efficienza 1:4). Nella produzione di concentrato di pomodoro, la soluzione più economica in termini di costi di investimento ed esercizio è l’evaporatore a triplo effetto (efficienza 1:3).

Immagine 1 – Funzionamento della tecnologia di evaporazione Effetto Multiplo

Tecnologia di evaporazione TVR

La ricompressione termica del vapore o TVR (Thermal Vapour Recompression) è una tecnologia che sfrutta il principio di Venturi per recuperare vapore di prodotto a bassa temperatura ricomprimendolo mediante vapore di caldaia ad alta pressione. In questo modo, il consumo di vapore di caldaia viene dimezzato considerando un aumento di temperatura del vapore ricompresso di 10°C. 

Tecnologia di evaporazione MVR

La ricompressione meccanica dei vapori o MVR (Mechanical Vapour Recompression) è la tecnologia che garantisce ancora oggi il massimo risparmio energetico negli evaporatori destinati al settore alimentare.

L’MVR si basa sul riutilizzo del vapore secondario e del suo calore latente, prodotto dal sistema di evaporazione stesso, come fonte di riscaldamento del liquido da evaporare. La temperatura del vapore generato in concentrazione viene aumentata dalla sua compressione meccanica in condizioni di saturazione. In questo modo, il vapore ricompresso (di circa 6-8°C) può essere riciclato attraverso uno scambiatore, raggiungendo un duplice obiettivo:

• Azzerare il consumo di vapore di caldaia
• Ridurre quasi totalmente la necessità di torri di raffreddamento per la condensazione dei vapori in eccesso

La soluzione CFT più rappresentativa di questa tecnologia ad alta efficienza energetica è l’evaporatore a film cadente Apollo MVR.

Immagine 2 – Funzionamento della tecnologia di evaporazione MVR

La scelta della tipologia di compressore dell’evaporatore MVR è oggetto di un’ulteriore analisi sul risparmio di energia. Il compressore dell’evaporatore MVR può infatti essere alimentato da:

• Un motore elettrico
• Una turbina a vapore

Quando le condizioni in termini di servizi nello stabilimento lo permettono, la soluzione con turbina è preferibile perché consente un risparmio energetico addizionale di energia elettrica. Essa può essere sfruttata per creare una rete di bassa pressione, a partire dal vapore di scarico della turbina stessa, che viene recuperato per alimentare gli impianti a valle della linea, se presenti.

Combinare diverse tecnologie di evaporazione

Le diverse tecnologie di evaporazione possono essere combinate tra di loro per ottenere ulteriori benefici in termini di risparmio energetico.

MVR e TVR come soluzione di preriscaldamento del prodotto

Per massimizzare l’efficienza dell’evaporatore MVR occorre che il prodotto in entrata abbia una temperatura superiore a quella di ebollizione interna di 75°C: in questo modo il processo di evaporazione inizierà già a partire dalla sommità del fascio tubiero, minimizzando gli sprechi energetici.

Questo è ciò che avviene quando il prodotto arriva all’evaporatore MVR da un trattamento termico Hot Break (HB), mentre se arriva da un trattamento diverso e con una temperatura inferiore rispetto a quella di concentrazione, dovrà essere preriscaldato. è il caso del concentrato di pomodoro Cold Break, del latte e dei succhi di frutta.

L’immagine 3 mostra come sia possibile associare due tecnologie di ricompressione del vapore per ridurre il consumo energetico necessario per preriscaldare il prodotto. Questa soluzione prevede di riutilizzare una parte del vapore che non condensa nella calandra dell’evaporatore MVR (freccia blu a sx), in quanto in eccesso, per alimentare un TVR. Grazie a tale configurazione, il TVR aumenta la temperatura del prodotto in entrata, con una quantità di vapore di caldaia dimezzata grazie al riutilizzo del vapore proveniente dall’evaporatore MVR.

Immagine 3 – MVR e TVR come tecnologie di evaporazione combinate per il preriscaldamento

MVR e TVR come soluzione per efficientare il finitore

L’utilizzo combinato delle tecnologie MVR e TVR si applica anche quando occorre installare un finitore, ossia una colonna di concentrazione aggiuntiva.

I motivi per cui occorre applicare un finitore sono molteplici:

• Nel caso dei succhi di frutta ed alimenti liquidi proteici: questi prodotti sono soggetti al fenomeno dell’innalzamento ebullioscopico (Boiling Point Elevation, abbreviato in BPE) che è la differenza osservata tra la temperatura di ebollizione del prodotto e quella dei vapori dello stesso. La discrepanza fra temperature (prodotto-vapori) erode il Δt all’interno dell’evaporatore MVR, così da rendere necessaria l’aggiunta di un finitore con Δt superiore rispetto a quello dell’MVR per finalizzare la concentrazione.
• L’altro caso in cui diventa necessario usare un finitore avviene quando il prodotto in uscita dall’MVR (es. pomodoro) è molto viscoso. Per compensare la diminuzione del coefficiente di scambio termico, che tende a diminuire con i prodotti molto viscosi, si aumenta la temperatura dei vapori che devono essere alimentati all’interno del finitore. Per raggiungere questo risultato in modo efficiente dal punto di vista energetico, si aggiunge un piccolo finitore a circolazione forzata.

In entrambi i casi, per diminuire il consumo di vapore di caldaia che occorre per aumentare la temperatura del vapore nel finitore (e quindi il Δt), è possibile utilizzare un TVR ed alimentarlo con una parte di vapori di prodotto provenienti dall’evaporatore MVR. Questi vengono ricompressi con la stessa quantità di vapore di caldaia che risulta così dimezzata.

Immagine 4 – MVR e TVR come tecnologie di evaporazione combinate per efficientare il finitore

TVR come soluzione per efficientare l’Effetto Multiplo

La ricompressione termica dei vapori (TVR)è una tecnologia che consente di aumentare l’efficienza del multiplo effetto a cui viene applicato.

Nell’immagine 5 è possibile osservare il funzionamento della tecnologia TVR applicata ad un evaporatore a doppio effetto (efficienza 1:2).  Il vapore in uscita dal secondo effetto viene diviso in due parti uguali: una va al condensatore, mentre l’altra viene inviata all’eiettore per essere ricompressa con la stessa quantità di vapore di caldaia, aumentandone la temperatura di 10°C. La miscela di vapori così creata torna ad alimentare il primo effetto dando vita al nuovo ciclo. In questo modo con un solo chilo di vapore è possibile evaporare fino a quattro chili di vapore di prodotto: in altre parole, un evaporatore a doppio effetto, a cui viene applicata la tecnologia TVR, ha la stessa resa di un quadruplo effetto, ma un costo di investimento molto inferiore.

Immagine 5 – TVR ed Effetto Multiplo come tecnologie di evaporazione combinate

Conclusione

Le tecnologie di evaporazione prese in esame si applicano agli evaporatori CFT offrendo soluzioni ibride all’avanguardia e ad alta efficienza. In particolare, la tecnologia MVR, applicabile fino alla concentrazione massima di circa 16°Bx corrispondente all’83% dell’acqua evaporata totale, consente di risparmiare fino al 98% di vapore di caldaia grazie alla ricompressione meccanica dei vapori acidi. Essa garantisce prodotti finali di elevata qualità grazie ai bassi tempi di permanenza e bassi Δt tra prodotto e vapori di riscaldamento.

L’altissima resa energetica di questa tecnologia permette di aumentare quella dell’intera linea, se utilizzata in combinazione con altre tipologie di evaporazione più energivore come l’effetto multiplo. La soluzione di evaporazione ibrida CFT non è solo più efficiente in termini di consumo di energia rispetto all’evaporazione tradizionale, ma offre anche notevoli benefici ambientali, fiscali ed in termini di costi operativi e di flessibilità di produzione.