تبخير کننده ها
اهميت تبخيركننده ها در صنايع گوناگون براي كساني كه با آنها سروكار دارند پوشيده نيست، مخصوصا در پالايشگاه هاي نفت و گاز براي استفاده از آب هاي نامرغوب و جلوگيري از ورود آنها به محيط زيست، آنها را بازيافت مي كنند و به صورت آب مقطر يا آب هاي سرويس در مي آورند كه آب هاي سرويس براي شستشو استفاده مي شود، اما آب مقطر مي تواند استفاده هاي گوناگون داشته باشد كه از جمله مي تواند در ديگ هاي بخار براي تهيه بخار استفاده شود، لذا براي تهيه آب مقطر روش هاي گوناگوني وجود دارد كه يكي از آنها روش تبخير است كه در تبخيركننده هاي چند مرحله اي صورت مي گيرد. در اين جا خواص مايع تبخير شونده و انواع تبخيركننده ها و مشكلات حاكم بر آنها شرح داده مي شود.

• تبخير
تبخير يا غليظ كردن يك محلول، شامل يك ماده حل شونده غيرفرار و يك حلال فرار است. در اكثريت تبخيرها، حلال ما، آب است. در تبخير، بخشي از حلال، بخار مي شود و يك محلول غليظ توليد مي شود. تبخير كردن با خشك كردن فرق مي كند، زيرا در تبخير كردن، آن چه باقي مي ماند مايع است (بعضي اوقات مايعي با لزجي سطح بالا) نه يك جامد. همين طور تبخير با تقطير نيز فرق دارد، زيرا در تبخير معمولا بخار آب، خالص است و حتي هنگامي كه بخار آب مخلوط است، هيچ كوششي در مرحله تبخير براي جداسازي بخار آب در قسمت هاي مختلف صورت نمي گيرد. تبخير با بلورسازي نيز تفاوت دارد، زيرا در تبخير تأكيد برغليظ كردن محلول است نه برشكل دادن و ساختن بلورها در وضعيت معين، مثلا در تبخير آب نمك براي توليد نمك معمولي، خط بين تبخير و بلورسازي خيلي دور از نوك تيز بودن است.معمولا، در تبخير، مايع غليظ، محصول با ارزشي است و بخار آب بعد از چگال شدن دور ريخته مي شود، اما در يك وضعيت ويژه، عكس اين مطلب صادق است.
آب حاوي مواد معدني اغلب براي مصرف در بويلرها، فرايندهاي ويژه و مصرف انسان، تبخير مي شود و محصول عاري از مواد جامد است. اين روش اغلب، تقطير آب ناميده مي شود، اما از ديد فني، تبخير مي باشد. فرآيندهاي تبخير در مقياس بزرگ توسعه يافته است و براي تهيه آب شيرين از آب دريا به كار مي رود. فقط مقدار كمي از كل آب تغذيه بازيافت و شيرين مي شود و باقي مانده به دريا برمي گردد.

• خواص ويژه ي مايع
مشكل اساسي تبخير، كاملا به وسيله خاصيت مايعي كه بايد غليظ شود، تحت تأثير قرار مي گيرد. تغييرات وسيعي در خواص مايع وجود دارد (كه تشخيص و تجربه را در طراحي و عملياتي كردن تبخيركننده ها طلب مي كند) كه اين عمليات را از انتقال حرارت ساده به يك هنر مجزا مبدل مي كند. بعضي از مهمترين خواص مايع در حال تبخير به شرح زير است:
۱- غلظت: مايع رقيق ورودي به تبخيركننده، ممكن است به اندازه كافي رقيق باشد، اما هم چنان كه غلظت افزايش مي يابد، محلول بيشتر و بيشتر حالت خاص به خود مي گيرد. چگالي و لزجي با حجم مواد جامد افزايش مي يابد تا اين كه محلول اشباع شود يا اين كه به خاطر خود مايع، انتقال حرارتي صورت نگيرد. با جوش دادن بيشتر مايع اشباع شده، كريستال تشكيل مي شود كه باعث انسداد لوله ها مي شود.

۲-كف كردن: بعضي مواد مخصوصا مواد آلي، در مدت تبخير، كف تشكيل مي دهند. كف پايدار، با بخار آب خروجي بيرون مي رود و باعث كاهش بخار خروجي مي شود. در بسياري از حالت كل مايع، ممكن است در جوش زياد به همراه بخار آب خارج شود.

۳- حساسيت دما: بعضي از مواد شيميايي ظريف، محصولات دارويي و غذاها، در حين حرارت ديدن متوسط در زمان نسبتا كوتاه، صدمه مي بينند. در تغليظ چنين موادي، تكنيك هاي ويژه اي هم براي كاهش دماي مايع و هم براي مدت حرارت دادن، لازم است.

۴- جرم: بعضي محلول ها روي سطح حرارتي، جرم تشكيل مي دهند كه باعث كاهش شديد ضريب انتقال حرارت مي شود. در چنين حالتي بايد تبخير كننده را از كار انداخت و جرم ها را از بين برد.

۵- مواد ساختماني تبخيركننده: معمولا از بعضي انواع فولاد ساخته مي شوند، اما بعضي از محلول ها، فلزات آهني را مورد حمله قرار مي دهند يا آنها را آلوده مي كنند. بعضي مواد گران قيمت ممكن است در ساختمان تبخير كننده براي جلوگيري از خوردگي به كار رود كه بايد نرخ انتقال حرارت بالايي داشته باشند تا گراني را توجيه كند. بعضي خواص مايع هم بايد توسط طراح درنظر گرفته شود، مثل: حرارت ويژه، حرارت غلظت، نقطه انجماد، سمي بودن، خطرات انفجار، راديو اكتيويته و عمليات استريل.

• عمليات يك مرحله اي و چند مرحله اي
بيشتر تبخيركننده ها به وسيله بخار چگال شونده برروي لوله هاي فلزي، حرارت داده مي شوند. تقريبا هميشه موادي كه تبخير مي شوند، درون لوله ها جريان دارند. معمولا بخار، در فشار پايين يعني زير atm 3مي باشد. مايع جوشنده نيز در خلأيي زير خلأ متوسط، تا حدود Kpa 5مي باشد. كاهش دماي جوش مايع، اختلاف دما بين بخار و مايع جوشنده را افزايش مي دهد كه موجب افزايش نرخ انتقال حرارت در تبخير كننده مي شود. در تبخير كننده هاي يك مرحله اي، بخار به صورت غير مؤثر استفاده مي شود (كارايي پايين). در تبخير كننده يك مرحله اي براي تبخير يك پوند آب حدود يك تا يك و سه دهم پوند ( lb1.3 – 1) بخار مصرف مي شود.در تبخير كننده دو مرحله اي، بخار آب توليد شده با بخار ورودي به سيستم، تركيب مي شود و در مرحله دوم مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين مرحله بخار آب توليد شده به وسيله واحد جرم بخار ورودي به سيستم تقريبا دوبرابر است. به طوركلي، روش عمومي افزايش تبخير در واحد جرم بخار ورودي به سيستم، با استفاده از سري هاي تبخيركننده ها، بين منبع بخار و چگالنده، تبخير چند مرحله اي ناميده مي شود.

• انواع تبخيركننده ها
۱-تبخيركننده هاي عمودي با لوله دراز
• جريان صعودي:Climbing film))
• جريان نزولي:(Falling film)
• چرخش وادار شده:(Forced circulation)
2-تبخيركننده هاي مغشوش(Agitated-film)

• تبخيركننده هاي يك بار گذر و تبخيركننده هاي چرخشي
در تبخيركننده هاي يك بار گذر، مايع تغذيه فقط يك بار از ميان لوله ها عبور مي كند، بخارهايش را آزاد مي كند و به صورت مايع غليظ از واحد بيرون مي رود. همه تبخير در يك بار گذر از لوله ها، انجام مي شود.

نسبت تبخير به تغذيه (خوراك ورودي) در واحد يك بار گذر محدود است. بنابراين، اين تبخيركننده ها خيلي خوب با عمليات چند مرحله اي سازگار هستند، طوري كه كل مقدار غلظت، مي تواند روي چند مرحله پخش شود. تبخير كننده هاي مغشوش هميشه به صورت يك بار گذري كار مي كنند، تبخيركننده هاي صعودي و نزولي نيز مي توانند به اين روش به كار گرفته شوند.تبخيركننده هاي يك بار گذر، مخصوصا براي مواد حساس به حرارت مفيد هستند.در خلأ خيلي بالا، دماي مايع مي تواند پايين نگه داشته شود. با يك بار عبور سريع از ميان لوله ها، مايع غليظ در زماني كوتاه در دماي تبخير است و به محض اين كه تبخير كننده را ترك كرد مي تواند سريعا سرد شود.

در تبخير كننده هاي چرخشي يك حوض مايع درون تجهيزات است. خوراك ورودي با مايع درون حوض مخلوط مي شود و هر دو از لوله ها عبور مي كنند. مايع تبخير نشده از لوله ها تخليه مي شود و به حوض برمي گردد. به طوري كه فقط بخشي از كل تبخير در يك گذر رخ مي دهد. همه تبخيركننده هاي چرخشي وادار شده، از اين نوع هستند. تبخيركننده هاي جريان بالا نيز معمولا از اين نوع هستند. مايع غليظ شده، از حوض بيرون كشيده مي شود، در غير اين صورت به علت بالابودن غلظت، چگالي، لزجي و نقطه ي جوش، ضريب انتقال حرارت كاهش مي يابد. اين نوع تبخيركننده ها، براي غليظ كردن مايعات حساس به دما، مناسب نيستند. اگر چه با بالا بردن خلاء، دماي كل مايع پايين مي آيد و در ظاهر اين دما براي اين نوع مواد غيرمخرب است، اما به دليل تماس مكرر مايع با لوله هاي داغ، مقداري از مايع به دماي خيلي بالايي مي رسد كه مطلوب نيست. اگر چه زمان متوسط ماندگاري مايع در ناحيه حرارتي ممكن است كوتاه باشد، ولي بخشي از مايع براي زمان قابل ملاحظه اي در تبخير كننده باقي مي ماند كه همين زمان حتي براي مقدار كمي از مواد حساس به حرارت، مثل غذاها، باعث فساد كل محصول مي شود. اما تبخيركننده هاي چرخشي مي توانند در دامنه وسيعي از غلظت، بين خوراك ورودي و مايع غليظ، در يك واحد يك مرحله اي عمل كنند و خيلي خوب با تبخير يك مرحله اي سازگار مي شوند. آنها مي توانند يا با چرخش طبيعي كه جريان درون لوله ها به وسيله اختلاف چگالي تأمين مي شود، كار كنند يا مي توانند با چرخش وادار شده كه جريان درون لوله به وسيله پمپ تأمين مي شود، كار كنند.

• تبخيركننده هاي لوله بلند با جريان صعودي
قطعات اصلي اين نوع تبخيركننده شامل:
۱ – مبدل حرارتي لوله اي كه بخار در پوسته و مايع غليظ شونده در لوله است
۲ – يك جداكننده براي گرفتن مايعات همراه بخار آب
۳- در صورت چرخشي بودن واحد، يك لوله، براي برگشت مايع جدا شده از بخار به انتهاي مبدل حرارتي كه اين لوله بين جدا كننده و مبدل حرارتي وصل مي باشد.
ورودي هاي آن بخار و مايع خروجي هاي آن، بخار آب، مايع غليظ، بخارچگال شده و گازهاي غيرقابل چگال از بخار، لوله ها به قطر۲ و۱اينچ و طول ۳۲-۱۲فوت هستند. در اثر جوشيدن، بخار آب و مايع به طرف بالا حركت مي كنند و مايع جدا شده در اثر نيروي ثقل به انتهاي لوله ها باز مي گردد. خوراك ورودي رقيق و مايعات گرفته شده در جدا كننده، وارد سيستم مي شود. در فاصله كوتاهي از زمان، خوراك ورودي، از لوله بالا مي روند و از بخار كه در بيرون لوله ها است حرارت دريافت مي دارد. هم چنان كه مايع مي جوشد، حباب هايي درون آن شكل مي گيرد كه باعث افزايش سرعت خطي و نرخ انتقال حرارت مي شوند. نزديك بالاي لوله ها، حباب ها با سرعت رشد مي كنند. در اين ناحيه، حباب هاي بخار آب به همراه تفاله هاي مايع، خيلي سريع درون لوله ها بالا مي روند و با سرعت زياد از بالا خارج مي شوند. از لوله ها مخلوط مايع و بخار آب، وارد جدا كننده مي شوند. قطر جدا كننده از مبدل حرارتي بيشتر است و همين باعث افت شديد سرعت خطي مي شود. به عنوان كمك بيشتر در حذف قطرات مايع، بخار آب به مانع برخورد مي كند و پيش از ترك جدا كننده، از اطراف مجموعه اي از تيغه ها عبور مي كند. اين نوع تبخير كننده ها، مخصوصا براي غليظ كردن مايعاتي كه تمايل به كف كردن دارند مؤثر است. هنگامي كه مخلوط مايع و بخار آب با سرعت خيلي بالا، به تيغه ها برخورد مي كنند، كف ها شكسته مي شوند.

• تبخيركننده هاي نزولي
غليظ كردن مواد خيلي حساس به حرارت مانند آب پرتقال كمترين زمان حرارت دهي را لازم دارد.اين كار مي تواند در تبخيركننده هاي يك بار گذر، جريان نزولي انجام شود كه در آن مايع از بالا وارد مي شود، در درون لوله هاي داغ به عنوان يك ورقه نازك(Film) جريان مي يابد و از انتها بيرون مي رود. لوله ها حدود۱۰-۲اينچ قطر دارند. بخار آب توليد شده از مايع، معمولا همراه مايع به سمت پايين هدايت مي شود و از ته واحد، بيرون مي رود. ظاهر اين تبخيركننده ها مشابه مبدل حرارتي دراز، عمودي و لوله اي مي باشد كه داراي جدا كننده ي بخار آب و مايع در پايين و توزيع كننده مايع در بالا مي باشد. مسأله مهم در اين نوع تبخيركننده ها، توزيع يكنواخت مايع، درون لوله ها به صورت ورقه نازك يكنواخت است. اين كار به وسيله مجموعه اي از صفحات فلزي سوراخ دار كه به طور يكنواخت در هر لوله جريان دارد يا به وسيله توزيع كننده ي پروانه اي داراي بازوهاي شعاعي كه به وسيله آن خوراك ورودي با نرخ يكنواخت روي سطح داخلي هر لوله پاشيده مي شود. يك روش ديگر، استفاده از يك نازل افشانه اي مخصوص در داخل هر لوله است. چنانچه گردش مجدد مجاز باشد و به مايع خسارتي وارد نياورد، مي توان مايع را با ملايمت به بالاي لوله ها هدايت كرد. اين عمل باعث مي شود تا حجم بيشتري از جريان نسبت به حالت يك بار گذر، درون لوله ها جريان يابد. براي انتقال حرارت خوب، عدد رينولدز، مربوط به ورقه نازك آبشاري بايد در سراسر لوله بزرگتر از عدد ۲۰۰۰ باشد. همانطور كه مايع از بالاي لوله به سمت پايين آن جريان مي يابد، مقدار آن به طور پيوسته كاهش مي يابد به طوري كه مقدار غلظتي كه مي تواند در يك گذر (Single pass) انجام شود، محدود است. تبخيركننده هاي جريان نزولي، بدون گردش مجدد و زمان ماندگاري خيلي كم در لوله، محصولات حساسي را حمل مي كنند كه به هيچ روش ديگري نمي توانند تغليظ شوند. هم چنين آنها براي تغليظ مايعات لزج خيلي خوب سازگار هستند.

• تبخيركننده هاي با گردش وادار شده (Forced circulation evaporators)
در تبخيركننده هاي با گردش طبيعي، مايع با سرعت ft/s 4-1 وارد لوله ها مي شود. هم چنان كه بخار آب در لوله ها شكل مي گيرد سرعت خطي تا اندازه اي افزايش مي يابد به طوري كه نرخ انتقال حرارت در حد كلي رضايت بخش است.اما وقتي مايعات لزج در واحد گردش طبيعي در جريان باشد، ضريب كلي به طور غيراقتصادي پايين است. ضرايب بالاتر در تبخيركننده هاي گردش وادار شده، به دست مي آيد.در اينجا پمپ گريز از مركز، مايع را با سرعت وروديft/s 18-6 به لوله ها پمپ مي كند. لوله ها تحت ارتفاع استاتيكي كافي براي جلوگيري از جوشيدن مايع در لوله ها هستند. هم چنان كه ارتفاع استاتيكي در حين جريان مايع از گرم كننده تا فضاي بخار آب كاهش مي يابد، مايع، حرارت فوق العاده زيادي مي بيند، (superheat) و به يك مخلوط بخار آب ارسال مي شود و درست قبل از ورود به بدنه تبخيركننده، به خط خروجي مبدل حرارتي، افشانده مي شود. مخلوط بخار آب و مايع به يك صفحه منعكس كننده در فضاي بخار آب، برخورد مي كند. مايع به ورودي پمپ برمي گردد و با خوراك ورودي مخلوط مي شود، و بخار آب هم بالاي بدنه تبخير كننده را به سمت چگالنده يا مرحله بعدي، ترك مي كند. بخشي از مايع هم كه جداكننده را ترك مي كند به طور دائم بيرون كشيده مي شود.در موارد ديگر از مبدل هاي عمودي يك بارگذر استفاده مي شود. در هر دو نوع، انتقال حرارت مخصوصا هنگامي كه داراي مايعات رقيق باشند، بالا است، اما، بزرگترين بهبود در تبخير گردش طبيعي زماني است كه داراي مايع لزج باشند. براي مايعات رقيق، بهبود به وسيله گردش وادار شده، هزينه هاي افزوده شده پمپاژ را نسبت به گردش طبيعي توجيه نمي كند، اما براي مواد چسبنده، مخصوصا زماني كه فلزات گران قيمت بايد استفاده شوند، هزينه هاي افزون توجيه پذيرند.

مثال اين كار غلظت سود سوزآور است كه در تجهيزات نيكلي انجام مي شود. در تبخيركننده هاي چند مرحله اي كه مايع غليظ لزج توليد مي كنند، ممكن است مراحل اوليه از نوع گردش طبيعي باشند و بقيه كه داراي مايع لزج تر هستند از نوع گردش وادار شده باشند. به علت سرعت بالا در تبخير كننده هاي با گردش وادار شده، زمان قرارگيري مايعات درون لوله در برابر حرارت پايين است، (sec 3-1)، به طوري كه مايعات حساس به حرارت به خوبي در آنها تغليظ مي شوند. هم چنين در تبخير مايعات نمكي يا آنهايي كه تمايل به ايجاد كف دارند، مؤثر است.

• تبخيركننده هاي مغشوش Agitated-film) evaporators)
مقاومت اصلي در برابر انتقال حرارت كلي از بخار به مايع در حال جوش در يك تبخيركننده، ناشي از جدار مايع است. برداشتن اين مقاومت به هر طريق ممكن، باعث بهبودي قابل ملاحظه اي در ضريب انتقال حرارت مي شود. در تبخيركننده هاي لوله اي دراز مخصوصا داراي گردش وادار شده، سرعت مايع بالاست. مايع تا حد زيادي مغشوش و نرخ انتقال حرارت بزرگ است. يكي از راه ها، استفاده از هم زن مكانيكي است. اين، نوعي تبخيركننده ي جريان پايين اصلاحي است كه داراي لوله پوشش دار و حاوي هم زن داخلي است. خوراك ورودي از بالاي بخش پوشش دار وارد مي شود و به وسيله تيغه هاي عمودي يك هم زن، درون يك ورقه نازك بسيار مغشوش، پخش مي شود. مايع غليظ از انتهاي بخش پوشش دار بيرون مي رود و بخار آب توليدي از ناحيه در حال تبخير بالا مي رود و درون جدا كننده ي بدون پوشش مي ريزد كه از لوله هاي تبخيركننده گشادتر است. در جدا كننده، تيغه هاي هم زن، مايع ورودي همراه بخار آب را به سمت صفحات عمودي ساكن پرتاب مي كند. قطرات، روي اين صفحات به هم مي پيوندند و به تبخير كننده برمي گردند. بخار آب بدون مايع از بالاي واحد و از ميان خروجي ها بيرون مي رود.

مزيت عمده يك تبخير كننده مغشوش، دادن نرخ بالاي انتقال حرارت به مايعات لزج است. محصول ممكن است مايع لزجي به بزرگي p1000 در دماي تبخير، داشته باشد. هم چنان كه ضريب كلي انتقال حرارت با افزايش لزج بودن در ديگر تبخير كننده ها افت مي كند، اما در اين نوع، افت، كم است. براي مواد بسيار لزج، ضريب انتقال حرارت تا حد قابل ملاحظه اي در تبخيركننده هاي گردش وادار شده، بزرگتر است و در واحدهاي گردش طبيعي، خيلي بزرگتر. تبخيركننده هاي نوع

مغشوش، مخصوصا براي محصولات لزج حساس به حرارت نظير ژلاتين، لاستيك، آنتي بيوتيك و آب ميوه ها مؤثر است. از عيب هايش، قيمت (هزينه) بالا، قطعات متحرك داخلي، كه به نگه داري قابل توجهي نياز دارند، و ظرفيت كم واحدهاي انفرادي است كه خيلي زير ظرفيت تبخيركننده هاي چند لوله اي است.

• كارايي تبخيركننده هاي لوله اي
مقياس اصلي كارايي تبخيركننده هاي لوله اي گرم شونده به وسيله بخار، ظرفيت و مزيت اقتصادي است. ظرفيت به عنوان مقدار آب بخار شده برحسب پوند، در ساعت است. مزيت اقتصادي، مقدار بخار آب ايجاد شده برحسب پوند به يك پوند بخار تزريق شده به واحد است. در تبخيركننده هاي يك مرحله اي، عدد مزيت اقتصادي، تقريبا هميشه زير يك است. اما در تجهيزات چند مرحله اي تا حدقابل ملاحظه اي بالا است. مقدار مصرف بخار برحسب پوند در ساعت نيز مهم است و مساوي است با ظرفيت تقسيم بر مزيت اقتصادي.

• ظرفيت تبخيركننده
نرخ انتقال حرارت در سطوح حرارت دهنده ي تبخيركننده چنين است:
U: ضريب انتقال حرارت
A: مساحت سطح انتقال حرارت
ΔT: افت دماي كلي است.