Avanços na Tecnologia de Compressão de Vapor
Existem vários métodos utilizados para produzir água de elevada pureza para a indústria farmacêutica e biotecnológica. As instalações de destilação por compressão de vapor (VC) têm sido amplamente utilizadas na produção de água purificada (PW) e água para injeção (WFI) a granel. Duas razões principais para a utilização da tecnologia VC são a elevada eficiência termodinâmica do processo e a oportunidade de utilizar um sistema de pré-tratamento simplificado.
Desenvolvemos este blogue para o ajudar a fazer uma comparação inteligente dos sistemas de VC com base no design e nas técnicas de construção. Esperamos que observe os detalhes que aumentam o valor de um destilador por compressão de vapor da MECO e que insista neles em qualquer sistema que selecionar.
Este artigo apresenta os avanços na tecnologia de compressão de vapor e a forma como estes avanços afectam a eficiência e a fiabilidade do equipamento.
Compressão de vapor: Como funciona
A destilação por compressão de vapor é um método de evaporação no qual um líquido é fervido dentro de um banco de tubos a uma temperatura ligeiramente superior a 212ºF (100ºC) para criar vapor. O vapor passa então por um eliminador de névoa para remover quaisquer gotículas de água. O vapor puro é retirado por um compressor onde a energia transmitida resulta em vapor comprimido com pressão e temperatura aumentadas. A temperatura máxima atingida através deste processo de compressão de vapor é de aproximadamente 224ºF (107ºC). O vapor comprimido de alta energia é descarregado no evaporador, no exterior do banco de tubos, onde cede a maior parte da energia (calor latente) à água no interior dos tubos. É gerado mais vapor e o processo repete-se. O condensado (água destilada) é retirado pela bomba de destilado e é descarregado através de um permutador de calor de duas correntes. O excesso de água de alimentação que não evaporou (blowdown) é também bombeado através de um permutador. Tanto o destilado como o blowdown são arrefecidos e a água de alimentação é pré-aquecida antes de entrar no evaporador. Estes permutadores minimizam o consumo de energia do sistema e eliminam a necessidade de água de arrefecimento adicional. O sistema funciona continuamente após o arranque e produz água que cumpre os requisitos para Água Purificada e Água para Injeção com uma condutividade inferior a um microsiemens por centímetro.
Evaporador vertical
O evaporador da MECO é um projeto de circulação natural de tubo vertical. O arranjo vertical permite que a água de alimentação fique no interior dos tubos, produzindo inúmeros benefícios para a operação e manutenção. A ebulição da água de alimentação no interior de um tubo permite que o fluxo suba pelo diâmetro interno do tubo e retorne à base do evaporador por meio de um downcomer interno. Este tipo de sistema é designado por projeto de evaporador de circulação natural. Os sistemas de compressão de vapor que empregam um projeto de evaporador de tubo horizontal têm de forçar a circulação utilizando bombas e bicos de pulverização, o que aumenta os custos de funcionamento e de manutenção.
A água de alimentação deve ser adequadamente pré-tratada com decloração, osmose inversa, desionização ou amaciamento para evitar a incrustação e a corrosão de qualquer sistema evaporativo. No entanto, podem ocorrer problemas no pré-tratamento e, quando isso acontece, os benefícios de um evaporador de circulação natural com água de alimentação no interior dos tubos tornam-se óbvios. Em primeiro lugar, não existem bicos de pulverização que possam ficar obstruídos, pelo que a deposição de incrustações se formará uniformemente ao longo da parede do tubo num evaporador de circulação natural. Como resultado, a remoção de incrustações, através de soluções de limpeza, é feita uniformemente em toda a superfície do tubo. Em segundo lugar, a folga para incrustações no diâmetro interno (ID) do tubo é substancialmente maior do que a folga para incrustações entre a superfície externa dos tubos num feixe horizontal. As concepções verticais de circulação natural simplesmente não funcionarão até ao ponto em que a incrustação bloqueie totalmente o diâmetro interno do tubo do evaporador, uma proteção inerente à conceção vertical.
Para além dos problemas óbvios de manutenção associados aos bicos de pulverização e às bombas de circulação, podem existir problemas operacionais inerentes à conceção de um sistema que pulveriza água de alimentação no exterior de um feixe tubular horizontal. Os sistemas de pulverização depositam tipicamente escamas em áreas isoladas, deixando expostas outras áreas do feixe tubular. As limpezas químicas subsequentes atacam o metal nu enquanto removem os depósitos de incrustações isolados.
É possível que os projectos horizontais tenham incrustações que preencham o espaço entre as paredes do tubo, "entupindo" o feixe tubular. A limpeza mecânica de um evaporador é rara, mas se a ocasião surgir, as impurezas na água de alimentação no ID de um tubo podem ser escovadas de um evaporador de tubo vertical. É fisicamente impossível limpar mecanicamente as impurezas do exterior de um tubo dentro de um
feixe tubular horizontal.
Pegada
Os requisitos de espaço para sistemas de evaporação verticais ou horizontais podem ser dramaticamente diferentes. O projeto vertical minimiza os requisitos de espaço no piso. Além disso, os tubos de evaporação verticais não requerem espaço adicional no piso para liberação de serviço em situações em que a remoção e a limpeza dos feixes de tubos do evaporador são necessárias. À medida que a sua instalação continua a expandir-se e são acrescentados alambiques adicionais, devem ser considerados os custos adicionais associados ao fornecimento de espaço adequado para este equipamento.
Folhas de tubos
Todos os alambiques de compressão de vapor da MECO utilizam um design de tubo reto que requer dois guarda tubos com os tubos enrolados e expandidos em ambas as extremidades. É mais caro fazer desta forma, mas há vários benefícios. Qualquer um dos tubos pode ser substituído sem perturbar os tubos adjacentes ou sem desmontar todo o feixe e os espelhos. Além disso, este desenho permite à MECO fornecer um acabamento exterior de 25 RA ou melhor na área de superfície em contacto direto com o destilado.
A utilização de dois espelhos tubulares fixa o feixe em ambas as extremidades, eliminando a necessidade de deflectores exigidos nos modelos de espelhos tubulares em U simples. O deflector pode ser uma fonte de fendas, riscos superficiais e subsequentes problemas de corrosão.
A MECO tem experiência com projetos horizontais e verticais. A nossa decisão de oferecer apenas um evaporador de design vertical nos nossos alambiques pode custar-nos mais (oferecemos evaporadores verticais e horizontais nos nossos geradores de vapor puro), mas acreditamos que os benefícios superam os custos adicionais nesta situação.
Design de tubo reto
A conceção de tubo reto MECO elimina a necessidade de dobrar os tubos inerente à conceção de tubo em U. Na ausência de tratamento térmico, a curvatura dos tubos transmite tensões residuais que tornam o feixe mais suscetível à corrosão e perturbam o acabamento da superfície nas curvas.
Tubagem
Os requisitos e as escolhas para a tubagem do evaporador podem, por vezes, ser confusos e têm um impacto no custo associado ao fabrico de alambiques de qualidade. Os evaporadores MECO podem utilizar tubos sem costura ou soldados (ASTM A-269). Normalmente, recomendamos o tubo soldado recozido brilhante, que é padrão, devido ao seu acabamento superficial naturalmente superior. É um facto pouco conhecido que a tubagem soldada e recozida brilhante tem um acabamento superficial normal inferior a 20 Ra, tanto interna como externamente. Os evaporadores que utilizam feixes de tubos em U estão limitados ao uso de tubos sem costura, considerando as tensões transmitidas pela flexão. Os tubos sem costura devem ser polidos mecanicamente e/ou electropolidos para atingir o mesmo nível de acabamento de superfície normalmente disponível num tubo soldado recozido brilhante. A vantagem do processo de recozimento é que a tubagem é aliviada de tensões e, na ausência de qualquer curvatura, é menos suscetível aos efeitos da corrosão ou falha relacionada com tensões.
Proteção contra a corrosão
Os aços inoxidáveis são susceptíveis à fissuração por corrosão sob tensão (SCC). Vários factores influenciam a suscetibilidade de um evaporador à SCC. Estes factores são tipicamente uma função do ambiente operacional (como a qualidade da água e a temperatura operacional) juntamente com os materiais e técnicas de construção. O processo da MECO e o projeto do evaporador levam em conta os efeitos do ambiente operacional. Especificamente, os alambiques MECO têm um desaerador no fluxo de água de alimentação para remover o oxigénio e o dióxido de carbono antes que os seus efeitos nocivos tenham a oportunidade de afetar o evaporador. A experiência ensinou-nos que os condensadores de ventilação são mais susceptíveis à corrosão, dada a propensão dos gases não condensáveis para se acumularem e se fixarem nas superfícies relativamente mais frias e atacarem as soldaduras e as fendas. A lavagem contínua da superfície do tubo na operação do projeto de circulação natural evita o acúmulo de cloretos que, de outra forma, formariam células de concentração e induziriam o SCC. Os tubos dentro do evaporador MECO são tratados termicamente através de recozimento, eliminando tensões residuais que possam ter se formado durante a fabricação do tubo. Finalmente, antes do envio, cada instalação MECO é cuidadosamente limpa, passivada e documentada de acordo com procedimentos rigorosos.
Construção
À semelhança das escolhas de design, os materiais e técnicas de construção variam, mas devem incorporar apenas a mais alta qualidade. A MECO constrói de acordo com os padrões de construção cGMP e separa toda a fabricação de aço inoxidável numa instalação com uma força de trabalho dedicada exclusivamente à indústria farmacêutica. Não há mistura de ferramentas, estações de trabalho ou pessoas. O fabrico de alambiques WFI não é um esforço ocasional ou um negócio secundário para nós. Em qualquer altura, a nossa carteira de encomendas está cheia de sistemas de água farmacêutica em produção para os líderes da indústria. Como seria de esperar, tudo é feito com pessoal qualificado, ferramentas de precisão calibradas de acordo com especificações exactas e documentadas de acordo com procedimentos escritos.
Compressores
Uma caraterística de um sistema de VC eficiente utiliza um compressor que gera uma baixa pressão diferencial (e, consequentemente, a temperatura do vapor) para conduzir o processo de destilação ao coeficiente ótimo de transferência de calor. Uma baixa pressão diferencial através do compressor contribui para um baixo consumo de energia eléctrica no ciclo de VC. Foram utilizados três tipos principais de compressores até se desenvolver o compressor centrífugo de velocidade variável acionado diretamente. A abordagem accionada por correia, embora simples e prática, é uma fonte de manutenção, tal como o sistema de recirculação de óleo. A configuração física do ventilador industrial, com as suas condutas externas, grande base de apoio, caixa, impulsor, bloco de rolamentos intermédio e vários acessórios, contribui para um elevado custo de capital. Os modelos de compressores mais pequenos tinham despesas de capital semelhantes, embora diferentes, em correias, roldanas, protecções de correia e suporte do motor. Os sistemas de alimentação forçada de óleo lubrificante em ambos os modelos são um subsistema significativo.
Os seguintes objectivos foram considerados na conceção de um compressor moderno de velocidade variável com acionamento direto:
- Sustentabilidade
- Reduzir a manutenção
- Melhorar a fiabilidade
- Simplificar o funcionamento
- Reduzir os custos de capital
Os atributos dos compressores mais pequenos de velocidade mais elevada eram desejáveis, mas a utilização de um sistema de transmissão, como correias ou engrenagens para aumentar a velocidade, não o era. Da mesma forma, também seria desejável uma alternativa aos sistemas de lubrificação com óleo de alimentação forçada. Tornou-se evidente que um motor de velocidade variável a funcionar a velocidades elevadas diretamente acoplado à extremidade do fluido do pequeno compressor anteriormente descrito ofereceria
várias vantagens e desafios de projeto. Uma vez que não foi encontrado nenhum disponível comercialmente para se adequar ao serviço requerido, foi desenvolvido um novo sistema para satisfazer as necessidades específicas. Ao acoplar a extremidade do fluido do compressor centrífugo a uma série de modelos de estator e rotor, foi possível obter uma gama diversificada de características de desempenho. Estas foram combinadas com accionamentos de frequência variável adequados à aplicação. A aplicação de um motor e acionamento de velocidade variável oferece várias vantagens. A principal delas é a capacidade de variar a produção de destilado e o consumo de energia associado. Isto torna-se importante, uma vez que os custos operacionais da destilação de água são muitas vezes o primeiro custo da
da central, tendo em conta a vida útil do equipamento. A eliminação de sistemas de transmissão, tais como correias ou engrenagens e caixas de rolamentos intermédias, permite poupanças adicionais de energia.
O Compressor MECO GII Centurbo™
O design do compressor MECO GII Centurbo™ influencia o consumo de energia, a fiabilidade do sistema, a manutenção e o cumprimento das directrizes regulamentares. A tecnologia GII emprega um impulsor de compressor acionado diretamente através de um motor e acionamento de velocidade variável. O resultado é um sistema com maior fiabilidade, menor manutenção, melhor eficiência e menos ruído. O compressor GII elimina a necessidade de sistemas de transmissão, tais como acoplamentos, correias e engrenagens. Também é eliminado o sistema de circulação de óleo com os seus filtros, arrefecedores, bombas e válvulas e instrumentação associadas. O compressor GII Centurbo™ funciona a menos de 80dBA a um metro de distância e é o compressor mais silencioso do mercado para esta aplicação.
Talvez o mais importante seja o impacto do compressor GII no consumo de energia. A tecnologia GII permite uma produção variável do seu destilador dentro de uma determinada capacidade máxima. Em vez de arrancar e parar para produzir uma potência fixa, os destiladores MECO GII têm uma potência variável para satisfazer necessidades de produção reduzidas ou crescentes. Como se pode ver no gráfico abaixo, uma redução de 25% na capacidade de produção traduz-se numa redução de 40% na potência do compressor.
As melhorias na conceção dos compressores aumentaram a fiabilidade, diminuíram a manutenção, o ruído, o consumo de energia, os custos de instalação e simplificaram o funcionamento do processo de compressão de vapor. A integração da tecnologia de velocidade variável no sistema de compressores melhorado aumentou a capacidade de sincronizar a produção com as necessidades de produção.
ARRANQUE RÁPIDO E ESPERA QUENTE: SERPENTINA DE AQUECIMENTO
Os evaporadores VC de tubos verticais da MECO têm a vantagem de utilizar uma serpentina de aquecimento dentro do evaporador, combinada com um sistema de controlo avançado para um aquecimento rápido e um funcionamento em modo de espera a quente. A partir de uma condição fria, as plantas da MECO normalmente ficam on-line em 45 minutos e são instantânea e confiavelmente iniciadas a partir de uma condição de espera quente.
Para uma abordagem mais sustentável, a MECO oferece permutadores de calor de placas, se preferidos em vez de serpentinas de aquecimento. O permutador de calor de placas abrange uma grande área de superfície, o que resulta numa maior taxa de transferência de calor e em custos de serviços públicos mais baixos.
QUALIDADE DA ÁGUA
Os gases não condensáveis, como o CO2 e o oxigénio, se entrarem no evaporador, causam corrosão e cobrem as superfícies de transferência de calor, o que reduz o rendimento e pode contribuir para uma maior condutividade. O desaerador de água de alimentação elimina a maioria dos gases não condensáveis antes de entrarem no evaporador, maximizando assim a eficiência e minimizando a corrosão.
FUNCIONAMENTO MAIS SILENCIOSO
Operando a apenas 72 - 85 dBA, o Compressor GII Centurbo™ da MECO é silencioso. Não precisa de paredes acústicas ou proteção auditiva pessoal. Como as pessoas em espaços adjacentes não são afectadas, pode posicionar a sua sala de água praticamente em qualquer lugar, mesmo ao lado de um escritório. A sua sala de água funciona melhor e é um melhor local para trabalhar.
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Eléctricos, instrumentos e controlos
O Grupo de Automação da MECO projeta, instala e testa uma variedade de sistemas que abrangem algumas aplicações complexas, incluindo a instalação geral de tratamento de água. Temos experiência em readaptações e actualizações de sistemas mais antigos e de sistemas de velocidade variável que têm benefícios substanciais para a indústria. Um sistema de indicação de segurança e alarme first out é padrão em todas as unidades. O painel de controlo aloja disjuntores principais e individuais, arrancadores de motores, contactores e cablagem de controlo. A MECO foi pioneira na utilização de controlos PLC em aplicações de destilação farmacêutica há décadas atrás e é hoje líder em controlos baseados em PC e sistemas de velocidade variável que têm benefícios substanciais para a indústria.
Qualidade
A MECO tem a certificação ISO 9001 há quase 25 anos. O nosso empenho em fornecer produtos e serviços da melhor qualidade aos nossos clientes continua a ser um reflexo disso mesmo. Estabelecemos padrões elevados e cumprimos os nossos objectivos de forma consistente. Naturalmente, não somos novos no que respeita à obtenção de certificação. Fomos certificados segundo as normas militares dos EUA MIL-Q-9858A, MIL-I-45708, os códigos ASME, NEMA e IEC. Também possuímos certificação CE e UL.
Serviço
24 horas por dia, 7 dias por semana, a MECO está disponível para atender às necessidades dos clientes. Considerando que temos a maior base instalada de alambiques de compressão de vapor em todo o mundo, é lógico que teríamos a organização de serviços mais experiente e talentosa do setor. Se é cliente da MECO, sabe que o nosso grupo de assistência técnica é proactivo e não reativo.
Nossa mais recente inovação tecnológica, MECO smartANALYTICS™, é um serviço de perfil de dados e manutenção preditiva que permite aos engenheiros da MECO monitorar o desempenho de seus sistemas de água em tempo real, bem como programar proativamente a manutenção, otimizar as operações e fazer recomendações sobre as melhores práticas sustentáveis. Os benefícios adicionais da incorporação do smartANALYTICS™em qualquer sistema de água incluem o desempenho optimizado do sistema, a diminuição dos custos de serviços públicos, a redução da utilização de energia e a redução de consumíveis. Ao evitar interrupções na produção e identificar oportunidades para reduzir o desperdício de água, o MECO smartANALYTICS™ajuda a minimizar o impacto na pegada hídrica das instalações e maximiza a recuperação de água pura, apoiando as estratégias de zero líquido das instalações.
Validação
A MECO oferece o pacote de validação mais abrangente disponível no sector. Centenas de unidades MECO foram validadas de acordo com as mais rigorosas directrizes da indústria. O pacote de validação padrão da MECO inclui uma lista abrangente de documentos para apoiar os protocolos de Teste de Aceitação no Local (SAT), Qualificação de Instalação (IQ) e Qualificação Operacional (OQ). O material de validação opcional está disponível para atender às suas necessidades específicas de validação. Além disso, a MECO oferece um protocolo de SAT, IQ e OQ validável pela FDA.
Em resumo
Ninguém investiu mais no desenvolvimento da destilação por compressão de vapor do que a MECO. A MECO foi a primeira empresa a patentear a tecnologia de compressão de vapor em 1939. Introduzimos o processo de compressão de vapor na indústria farmacêutica em 1954. O projeto do evaporador é o coração do sistema e culmina com anos de experiência com outros projetos. A experiência não é algo que possa ser passado adiante. Ela é adquirida através de anos de dedicação e compreensão da ciência e da indústria por trás de uma tecnologia. Ao longo das últimas sete décadas, conquistámos uma reputação e uma lista de clientes e referências que não fica atrás de nenhuma outra no sector. Se desejar solicitar mais informações sobre a nossa tecnologia de compressão de vapor ou entrar em contacto com um representante da MECO, preencha o nosso formulário abaixo!
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