دانلود مقاله تبخیر کننده ها

اهمیت تبخیرکننده ها در صنایع گوناگون برای کسانی که با آنها سروکار دارند پوشیده نیست، مخصوصا در پالایشگاه های نفت و گاز برای استفاده از آب های نامرغوب و جلوگیری از ورود آنها به محیط زیست، آنها را بازیافت می کنند و به صورت آب مقطر یا آب های سرویس در می آورند که آب های سرویس برای شستشو استفاده می شود، اما آب مقطر می تواند استفاده های گوناگون داشته باشد که از جمله می تواند در دیگ های بخار برای تهیه بخار استفاده شود، لذا برای تهیه آب مقطر روش های گوناگونی وجود دارد که یکی از آنها روش تبخیر است که در تبخیرکننده های چند مرحله ای صورت می گیرد.

در این جا خواص مایع تبخیر شونده و انواع تبخیرکننده ها و مشکلات حاکم بر آنها شرح داده می شود.

• تبخیر

تبخیر یا غلیظ کردن یک محلول، شامل یک ماده حل شونده غیرفرار و یک حلال فرار است.

در اکثریت تبخیرها، حلال ما، آب است.

در تبخیر، بخشی از حلال، بخار می شود و یک محلول غلیظ تولید می شود.

تبخیر کردن با خشک کردن فرق می کند، زیرا در تبخیر کردن، آن چه باقی می ماند مایع است (بعضی اوقات مایعی با لزجی سطح بالا) نه یک جامد.

همین طور تبخیر با تقطیر نیز فرق دارد، زیرا در تبخیر معمولا بخار آب، خالص است و حتی هنگامی که بخار آب مخلوط است، هیچ کوششی در مرحله تبخیر برای جداسازی بخار آب در قسمت های مختلف صورت نمی گیرد.

تبخیر با بلورسازی نیز تفاوت دارد، زیرا در تبخیر تأکید برغلیظ کردن محلول است نه برشکل دادن و ساختن بلورها در وضعیت معین، مثلا در تبخیر آب نمک برای تولید نمک معمولی، خط بین تبخیر و بلورسازی خیلی دور از نوک تیز بودن است.معمولا، در تبخیر، مایع غلیظ، محصول با ارزشی است و بخار آب بعد از چگال شدن دور ریخته می شود، اما در یک وضعیت ویژه، عکس این مطلب صادق است.

آب حاوی مواد معدنی اغلب برای مصرف در بویلرها، فرایندهای ویژه و مصرف انسان، تبخیر می شود و محصول عاری از مواد جامد است.

این روش اغلب، تقطیر آب نامیده می شود، اما از دید فنی، تبخیر می باشد.

فرآیندهای تبخیر در مقیاس بزرگ توسعه یافته است و برای تهیه آب شیرین از آب دریا به کار می رود.

فقط مقدار کمی از کل آب تغذیه بازیافت و شیرین می شود و باقی مانده به دریا برمی گردد.

• خواص ویژه ی مایع

مشکل اساسی تبخیر، کاملا به وسیله خاصیت مایعی که باید غلیظ شود، تحت تأثیر قرار می گیرد.

تغییرات وسیعی در خواص مایع وجود دارد (که تشخیص و تجربه را در طراحی و عملیاتی کردن تبخیرکننده ها طلب می کند) که این عملیات را از انتقال حرارت ساده به یک هنر مجزا مبدل می کند.

بعضی از مهمترین خواص مایع در حال تبخیر به شرح زیر است:

1- غلظت: مایع رقیق ورودی به تبخیرکننده، ممکن است به اندازه کافی رقیق باشد، اما هم چنان که غلظت افزایش می یابد، محلول بیشتر و بیشتر حالت خاص به خود می گیرد.

چگالی و لزجی با حجم مواد جامد افزایش می یابد تا این که محلول اشباع شود یا این که به خاطر خود مایع، انتقال حرارتی صورت نگیرد.

با جوش دادن بیشتر مایع اشباع شده، کریستال تشکیل می شود که باعث انسداد لوله ها می شود.

2-کف کردن: بعضی مواد مخصوصا مواد آلی، در مدت تبخیر، کف تشکیل می دهند.

کف پایدار، با بخار آب خروجی بیرون می رود و باعث کاهش بخار خروجی می شود.

در بسیاری از حالت کل مایع، ممکن است در جوش زیاد به همراه بخار آب خارج شود.

3- حساسیت دما: بعضی از مواد شیمیایی ظریف، محصولات دارویی و غذاها، در حین حرارت دیدن متوسط در زمان نسبتا کوتاه، صدمه می بینند.

در تغلیظ چنین موادی، تکنیک های ویژه ای هم برای کاهش دمای مایع و هم برای مدت حرارت دادن، لازم است.

4- جرم: بعضی محلول ها روی سطح حرارتی، جرم تشکیل می دهند که باعث کاهش شدید ضریب انتقال حرارت می شود.

در چنین حالتی باید تبخیر کننده را از کار انداخت و جرم ها را از بین برد.

5- مواد ساختمانی تبخیرکننده: معمولا از بعضی انواع فولاد ساخته می شوند، اما بعضی از محلول ها، فلزات آهنی را مورد حمله قرار می دهند یا آنها را آلوده می کنند.

بعضی مواد گران قیمت ممکن است در ساختمان تبخیر کننده برای جلوگیری از خوردگی به کار رود که باید نرخ انتقال حرارت بالایی داشته باشند تا گرانی را توجیه کند.

بعضی خواص مایع هم باید توسط طراح درنظر گرفته شود، مثل: حرارت ویژه، حرارت غلظت، نقطه انجماد، سمی بودن، خطرات انفجار، رادیو اکتیویته و عملیات استریل.

• عملیات یک مرحله ای و چند مرحله ای

بیشتر تبخیرکننده ها به وسیله بخار چگال شونده برروی لوله های فلزی، حرارت داده می شوند.

تقریبا همیشه موادی که تبخیر می شوند، درون لوله ها جریان دارند.

معمولا بخار، در فشار پایین یعنی زیر atm 3می باشد.

مایع جوشنده نیز در خلأیی زیر خلأ متوسط، تا حدود Kpa 5می باشد.

کاهش دمای جوش مایع، اختلاف دما بین بخار و مایع جوشنده را افزایش می دهد که موجب افزایش نرخ انتقال حرارت در تبخیر کننده می شود.

در تبخیر کننده های یک مرحله ای، بخار به صورت غیر مؤثر استفاده می شود (کارایی پایین).

در تبخیر کننده یک مرحله ای برای تبخیر یک پوند آب حدود یک تا یک و سه دهم پوند ( lb1.3 - 1) بخار مصرف می شود.در تبخیر کننده دو مرحله ای، بخار آب تولید شده با بخار ورودی به سیستم، ترکیب می شود و در مرحله دوم مورد استفاده قرار می گیرد.

در این مرحله بخار آب تولید شده به وسیله واحد جرم بخار ورودی به سیستم تقریبا دوبرابر است.

به طورکلی، روش عمومی افزایش تبخیر در واحد جرم بخار ورودی به سیستم، با استفاده از سری های تبخیرکننده ها، بین منبع بخار و چگالنده، تبخیر چند مرحله ای نامیده می شود.

• انواع تبخیرکننده ها 1-تبخیرکننده های عمودی با لوله دراز • جریان صعودی:Climbing film)) • جریان نزولی:(Falling film) • چرخش وادار شده:(Forced circulation) 2-تبخیرکننده های مغشوش(Agitated-film) • تبخیرکننده های یک بار گذر و تبخیرکننده های چرخشی در تبخیرکننده های یک بار گذر، مایع تغذیه فقط یک بار از میان لوله ها عبور می کند، بخارهایش را آزاد می کند و به صورت مایع غلیظ از واحد بیرون می رود.

همه تبخیر در یک بار گذر از لوله ها، انجام می شود.

نسبت تبخیر به تغذیه (خوراک ورودی) در واحد یک بار گذر محدود است.

بنابراین، این تبخیرکننده ها خیلی خوب با عملیات چند مرحله ای سازگار هستند، طوری که کل مقدار غلظت، می تواند روی چند مرحله پخش شود.

تبخیر کننده های مغشوش همیشه به صورت یک بار گذری کار می کنند، تبخیرکننده های صعودی و نزولی نیز می توانند به این روش به کار گرفته شوند.تبخیرکننده های یک بار گذر، مخصوصا برای مواد حساس به حرارت مفید هستند.در خلأ خیلی بالا، دمای مایع می تواند پایین نگه داشته شود.

با یک بار عبور سریع از میان لوله ها، مایع غلیظ در زمانی کوتاه در دمای تبخیر است و به محض این که تبخیر کننده را ترک کرد می تواند سریعا سرد شود.

در تبخیر کننده های چرخشی یک حوض مایع درون تجهیزات است.

خوراک ورودی با مایع درون حوض مخلوط می شود و هر دو از لوله ها عبور می کنند.

مایع تبخیر نشده از لوله ها تخلیه می شود و به حوض برمی گردد.

به طوری که فقط بخشی از کل تبخیر در یک گذر رخ می دهد.

همه تبخیرکننده های چرخشی وادار شده، از این نوع هستند.

تبخیرکننده های جریان بالا نیز معمولا از این نوع هستند.

مایع غلیظ شده، از حوض بیرون کشیده می شود، در غیر این صورت به علت بالابودن غلظت، چگالی، لزجی و نقطه ی جوش، ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد.

این نوع تبخیرکننده ها، برای غلیظ کردن مایعات حساس به دما، مناسب نیستند.

اگر چه با بالا بردن خلاء، دمای کل مایع پایین می آید و در ظاهر این دما برای این نوع مواد غیرمخرب است، اما به دلیل تماس مکرر مایع با لوله های داغ، مقداری از مایع به دمای خیلی بالایی می رسد که مطلوب نیست.

اگر چه زمان متوسط ماندگاری مایع در ناحیه حرارتی ممکن است کوتاه باشد، ولی بخشی از مایع برای زمان قابل ملاحظه ای در تبخیر کننده باقی می ماند که همین زمان حتی برای مقدار کمی از مواد حساس به حرارت، مثل غذاها، باعث فساد کل محصول می شود.

اما تبخیرکننده های چرخشی می توانند در دامنه وسیعی از غلظت، بین خوراک ورودی و مایع غلیظ، در یک واحد یک مرحله ای عمل کنند و خیلی خوب با تبخیر یک مرحله ای سازگار می شوند.

آنها می توانند یا با چرخش طبیعی که جریان درون لوله ها به وسیله اختلاف چگالی تأمین می شود، کار کنند یا می توانند با چرخش وادار شده که جریان درون لوله به وسیله پمپ تأمین می شود، کار کنند.

• تبخیرکننده های لوله بلند با جریان صعودی قطعات اصلی این نوع تبخیرکننده شامل: 1 - مبدل حرارتی لوله ای که بخار در پوسته و مایع غلیظ شونده در لوله است 2 - یک جداکننده برای گرفتن مایعات همراه بخار آب 3- در صورت چرخشی بودن واحد، یک لوله، برای برگشت مایع جدا شده از بخار به انتهای مبدل حرارتی که این لوله بین جدا کننده و مبدل حرارتی وصل می باشد.

ورودی های آن بخار و مایع خروجی های آن، بخار آب، مایع غلیظ، بخارچگال شده و گازهای غیرقابل چگال از بخار، لوله ها به قطر2 و1اینچ و طول 32-12فوت هستند.

در اثر جوشیدن، بخار آب و مایع به طرف بالا حرکت می کنند و مایع جدا شده در اثر نیروی ثقل به انتهای لوله ها باز می گردد.

خوراک ورودی رقیق و مایعات گرفته شده در جدا کننده، وارد سیستم می شود.

در فاصله کوتاهی از زمان، خوراک ورودی، از لوله بالا می روند و از بخار که در بیرون لوله ها است حرارت دریافت می دارد.

هم چنان که مایع می جوشد، حباب هایی درون آن شکل می گیرد که باعث افزایش سرعت خطی و نرخ انتقال حرارت می شوند.

نزدیک بالای لوله ها، حباب ها با سرعت رشد می کنند.

در این ناحیه، حباب های بخار آب به همراه تفاله های مایع، خیلی سریع درون لوله ها بالا می روند و با سرعت زیاد از بالا خارج می شوند.

از لوله ها مخلوط مایع و بخار آب، وارد جدا کننده می شوند.

قطر جدا کننده از مبدل حرارتی بیشتر است و همین باعث افت شدید سرعت خطی می شود.

به عنوان کمک بیشتر در حذف قطرات مایع، بخار آب به مانع برخورد می کند و پیش از ترک جدا کننده، از اطراف مجموعه ای از تیغه ها عبور می کند.

این نوع تبخیر کننده ها، مخصوصا برای غلیظ کردن مایعاتی که تمایل به کف کردن دارند مؤثر است.

هنگامی که مخلوط مایع و بخار آب با سرعت خیلی بالا، به تیغه ها برخورد می کنند، کف ها شکسته می شوند.

• تبخیرکننده های نزولی غلیظ کردن مواد خیلی حساس به حرارت مانند آب پرتقال کمترین زمان حرارت دهی را لازم دارد.این کار می تواند در تبخیرکننده های یک بار گذر، جریان نزولی انجام شود که در آن مایع از بالا وارد می شود، در درون لوله های داغ به عنوان یک ورقه نازک(Film) جریان می یابد و از انتها بیرون می رود.

لوله ها حدود10-2اینچ قطر دارند.

بخار آب تولید شده از مایع، معمولا همراه مایع به سمت پایین هدایت می شود و از ته واحد، بیرون می رود.

ظاهر این تبخیرکننده ها مشابه مبدل حرارتی دراز، عمودی و لوله ای می باشد که دارای جدا کننده ی بخار آب و مایع در پایین و توزیع کننده مایع در بالا می باشد.

مسأله مهم در این نوع تبخیرکننده ها، توزیع یکنواخت مایع، درون لوله ها به صورت ورقه نازک یکنواخت است.

این کار به وسیله مجموعه ای از صفحات فلزی سوراخ دار که به طور یکنواخت در هر لوله جریان دارد یا به وسیله توزیع کننده ی پروانه ای دارای بازوهای شعاعی که به وسیله آن خوراک ورودی با نرخ یکنواخت روی سطح داخلی هر لوله پاشیده می شود.

یک روش دیگر، استفاده از یک نازل افشانه ای مخصوص در داخل هر لوله است.

چنانچه گردش مجدد مجاز باشد و به مایع خسارتی وارد نیاورد، می توان مایع را با ملایمت به بالای لوله ها هدایت کرد.

این عمل باعث می شود تا حجم بیشتری از جریان نسبت به حالت یک بار گذر، درون لوله ها جریان یابد.

برای انتقال حرارت خوب، عدد رینولدز، مربوط به ورقه نازک آبشاری