Verschillen tussen een continu proces en een batchproces

Elk productieproces kan worden ingedeeld op basis van hoe de grondstoffen worden aangevoerd en hoe het product daaruit wordt verkregen.

Er wordt voornamelijk onderscheid gemaakt tussen continue processen en batchprocessen, hoewel er varianten bestaan die kenmerken van beide processen combineren.

• Continu proces. De toevoer van grondstoffen naar het systeem is constant gedurende het hele productieproces, waarbij ook de output van het product constant is.
• Batchproces (ook bekend als batchverwerking). De totale hoeveelheid grondstoffen wordt aan het begin van het proces in het systeem gebracht, waarna na een bepaalde tijd de totale hoeveelheid product wordt verkregen.

In processen waarbij warmte aan het product moet worden toegevoegd of onttrokken, verschillen het energieverbruik en de duur van het proces als het continu of in batches wordt uitgevoerd.

Bovendien bepaalt het type proces de grootte van de benodigde warmtewisselaar.

Enkele veelvoorkomende redenen om te kiezen voor een batchproces in plaats van een continu proces zijn:

• De beschikbaarheid van het te verwerken product of de warme of koude dienst is niet continu.
• Er is een bepaalde retentietijd in het proces nodig, bijvoorbeeld voor het stabiliseren van de eigenschappen van het product of het ontwikkelen van chemische reacties.
• De onderhouds- en/of reinigingswerkzaamheden nemen een aanzienlijk deel van het proces in beslag.

Voorbeeld. Stel dat er een debiet van 10.000 kg/u warm water van 85 ºC nodig is voor gebruik in een bepaald productieproces, dat 30 minuten duurt. Hiervoor is leidingwater van 20 ºC beschikbaar en stoom van 4,5 barg (155 ºC) als verwarmingsmedium. Men wil de verwarming uitvoeren met behulp van een buisvormige warmtewisselaar.

Continu proces

De warmwaterstroom wordt gedurende het hele proces constant aangevoerd.

Figuur 1. Schema van een continu proces met warmtewisselaar

Het totale waterverbruik bedraagt 10.000 kg/u x 0,5 u = 5.000 kg.

Het vereiste stoomdebiet bij 4,5 barg, volgens de energiebalans, bedraagt 1.300 kg/u, dat gedurende het hele proces constant blijft.

• Het totale stoomverbruik bedraagt dus 1.300 kg/u x 0,5 u = 650 kg.

De buiswarmtewisselaar moet in staat zijn om de waterstroom onmiddellijk van 20 ºC tot 85 ºC op te warmen.

• De ontwerper moet eerst een behuizingsdiameter kiezen met een aantal binnenbuizen dat geschikt is voor de waterstroom.
• De lengte van de buizen moet zorgen voor een voldoende groot uitwisselingsoppervlak, volgens de vergelijking Q = U x A x LMTD, waarbij Q het uitwisselingsvermogen is, U de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt, A het uitwisselingsoppervlak en LMTD het gemiddelde logaritmische temperatuurverschil.
• Bij grote temperatuurschommelingen, zoals in dit voorbeeld (van 20 ºC tot 85 ºC), is het gebruikelijk dat het continue proces een warmtewisselaar met een grote nominale lengte vereist, bijvoorbeeld 3.000 mm.

Batchproces

De massa warm water wordt toegevoerd voordat het proces begint.

Figuur 2. Schema van een batchproces (in batches) met warmtewisselaar

Om het batchproces (proces per partij) uit te voeren, is een reservoir nodig met een capaciteit om de totale benodigde watermassa van 5.000 kg op te slaan. Het totale waterverbruik is dus hetzelfde als bij een continu proces. Maar er zijn verschillen ten opzichte van het continue proces:

• Bij batchprocessen is een bepaalde tijd t1 nodig om eerst de totale watermassa van 20 ºC in het reservoir op te slaan.
• Vervolgens is er een bepaalde tijd t2 nodig om die watermassa op te warmen van 20 ºC tot 85 ºC. Dit is afhankelijk van het recirculatiedebiet, dat niet noodzakelijkerwijs overeenkomt met het verbruiksdebiet (10.000 kg/u in dit voorbeeld).
• De totale bedrijfstijd in batch is de som van de duur van het proces (30 minuten in dit voorbeeld) plus deze voorafgaande tijden: dat wil zeggen t1 + t2 + 0,5 uur. In het continue proces komt de totale bedrijfstijd echter overeen met de duur van het proces, namelijk 0,5 uur.

Energiebalans

Vanwege de energiebalans is het vereiste stoomdebiet bij 4,5 barg groter aan het begin van de recirculatie, wanneer het water kouder is (bij 20 ºC bij het opstarten), en neemt het bij elke passage door de buiswarmtewisselaar af naarmate het water in het reservoir warmer wordt.

• Stel dat er een maximale opwarmtijd t2 van 1 uur wordt ingesteld en een recirculatiestroom van 7.500 kg/u wordt geselecteerd: in dit voorbeeld is voor het verwarmen van 5.000 kg water van 20 ºC tot 85 ºC 700 kg/u stoom nodig aan het begin van de recirculatie en 410 kg/u aan het einde.
• Hoewel de afname van het stoomdebiet in de loop van de tijd niet lineair is, kan het totale verbruik worden benaderd als het gemiddelde van het begin- en eindverbruik: ½ x (700 kg/u + 410 kg/u) x 1 u = 555 kg. De vermindering van het stoomverbruik ten opzichte van een continu proces is aanzienlijk, namelijk 14,6%: 555 kg in plaats van 650 kg.

In tegenstelling tot wat er in het continue proces gebeurt, hoeft de buisvormige warmtewisselaar in batch niet onmiddellijk het volledige temperatuurverschil van 20 ºC tot 85 ºC te overbruggen, maar zal hij steeds kleinere stappen zetten totdat het opwarmen voltooid is.

• Over het algemeen zal, bij behoud van dezelfde diameter van de behuizing en hetzelfde aantal binnenbuizen als in het continue proces, de nominale lengte van de warmtewisselaar voor het batchproces aanzienlijk kleiner zijn.
• Het is gebruikelijk dat het batchproces een buiswarmtewisselaar met een nominale lengte van 1.500 mm vereist (de helft van het continue proces in dit voorbeeld), waardoor de kosten lager zullen zijn.

SACOME beschikt over een assortiment standaard warmtewisselaars met een nominale lengte van 1.500 mm, onze SERIE V, voor toepassingen voor het verwarmen en koelen van water.

Andere technische artikelen over onze warmtewisselaars met mantel en buizen