فناوری تبخیر در هر فرآیندی که نیاز به غلظت یک جریان با حذف آب یا حلال دیگر دارد، استفاده می شود. فرآیند تبخیر انرژی بر است. هر رویکرد طراحی سیستم اواپراتور نیاز به توجه زیادی به فلسفه بازیابی گرما و کاربرد کلی طراحی سیستم نهایی دارد. ویژگی های محصول نیز باید در طراحی سیستم در نظر گرفته شود. بسیاری از ویژگی های محصول را می توان در فرآیند تبخیر تغییر داد، به ویژه در برنامه غذایی و نوشیدنی.
تبخیر کننده ها در مجموعه ای از صنایع استفاده می شوند، مانند:
انواع مختلفی از طرح های اواپراتور وجود دارد که معمولاً در بخش های مختلف صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. انتخاب طرح مناسب بر اساس فاکتورهای زیادی است که کارایی سیستم و استفاده مناسب از یک نوع اواپراتور خاص را برای حفظ مشخصات نهایی محصول مورد نیاز در نظر می گیرد. در چارچوب طراحی سیستم، انتخاب تجهیزات مناسب در طراحی است. قطعه اصلی تجهیزات مورد استفاده در قلب فرآیند تبخیر، مبدل حرارتی تبخیری است. طرح های متنوع سیستم می توانند از فناوری های مختلف در سیستم اواپراتور استفاده کنند. دو فناوری اصلی مورد استفاده در طراحی اواپراتور توسط Thermal Kinetics عبارتند از:
اواپراتورهای لوله ای: یک مبدل حرارتی پوسته و لوله برای هدایت فرآیند تبخیر استفاده می شود. طراحی دقیق پوسته و لوله منجر به انواع پیکربندی سیستم اواپراتور می شود که عبارتند از:
اواپراتورهای صفحه ای: همانطور که از نام آن پیداست، یک اواپراتور صفحه ای از مبدل حرارتی صفحه ای در طراحی سیستم برای هدایت فرآیند تبخیر استفاده می کند. چندین مزیت نسبت به طراحی لوله ای دارد.
جداسازی، بازرسی و تمیز کردن مبدل حرارتی صفحه نسبتاً آسان است.
بسته به سیالات فرآیند، ضریب انتقال حرارت بالاتری به دست می آید.
منطقه مبدل حرارتی فشرده، اندازه کلی سیستم و نیاز فضای سر را کاهش می دهد
یک اواپراتور صفحه ای را می توان در همان پیکربندی های سیستم ذکر شده طراحی کرد. بالا برای اواپراتورهای لوله ای افزایش راندمان انتقال حرارت به ویژه هنگام پردازش سیالات چسبناک مفید است. پیکربندی صفحه همچنین در فرآیندهایی که فوم کردن مشکل است، برتر بوده است.
به دلیل شکاف کوچکی که بین صفحات مبدل حرارتی استفاده می شود، باید در کاربردهای رسوب گیری دقت شود. استفاده از اواپراتورهای صفحه ای باید با دقت انتخاب شود زیرا ممکن است در مورد رسوب مواد معدنی و خدمات خورنده مشکلاتی ایجاد شود. یکی از خدمات خورنده که به عنوان یک مشکل بزرگ شناخته شده است، استفاده از صفحات برای تبخیر سود سوزآور در صفحات نیکل است. نیروهای هیدرولیکی باعث مالش در نقاط تماس صفحه می شود و لایه اکسید محافظ را از بین می برد و منجر به خوردگی سریع صفحات می شود.
طراحی سیستم اواپراتور
اواپراتورهای با گردش اجباری از نرخ بالایی از گردش مجدد در مبدل حرارتی و مخزن جداسازی استفاده می کنند. این نوع اواپراتور برای کاربردهایی با محلول های چسبناک یا محصولات رسوبی بالا (انباشته شدن رسوبات روی سطح انتقال حرارت که مانع از تبادل حرارت مناسب از دستگاه به فرآیند می شود) مناسب است. سیالی که دوباره به گردش در می آید به طور مداوم بالاتر از فشار اشباع در جداکننده گرم می شود و به داخل ظرف می تابد و بخار فرآیند را تشکیل می دهد. اواپراتور با گردش اجباری معمولاً در طرح های کریستالایزر استفاده می شود. اواپراتور با گردش اجباری در مقایسه با اواپراتور فیلم، طراحی قوی تری دارد. محدودیت ویسکوزیته برای طرح های تبخیر کننده فیلم وجود دارد که به دلیل خرابی فیلم است که باعث ایجاد لکه های خشک روی لوله های تبادل می شود. طراحی گردش اجباری بر محدودیت ویسکوزیته غلبه کرده و سطح بالایی از کنترل و پایداری و همچنین کاهش قابل توجه رسوب را فراهم می کند.
کریستالایزر گردش اجباری
فلسفه طراحی اواپراتور با گردش اجباری نیز می باشد. در چندین پیکربندی در کاربردهای کریستالایزر صنعتی استفاده می شود. طیف گسترده ای از مواد شیمیایی صنعتی و نمک های معدنی به سیستم های تبخیر متبلور قوی نیاز دارند. سیال تغذیه به سیستم وارد می شود و دوباره به گردش در می آید و تا نقطه جوش گرم می شود. با گذشت زمان محصول به تدریج در سیستم متمرکز می شود تا زمانی که پارامترهای غلظت و اندازه کریستال مورد نیاز به دست آید. اندازه کریستال تابعی از زمان اقامت (RT) مجاز با اندازه ظرف است. مطلوب است که یک پروتکل آزمایشی در مرحله طراحی اجرا شود تا RT بهینه مرتبط با اندازه کریستال مورد نظر تعیین شود.
اواپراتورهای فیلم
اواپراتورهای فیلم از مقرون به صرفه ترین تبخیر هستند. سیستم هایی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. آنها همچنین ضرایب انتقال حرارت بسیار بالایی (HTC) را ارائه می دهند. با این حال، آنها می توانند در مقایسه با اواپراتورهای با گردش اجباری تمایل به رسوب گیری بیشتری داشته باشند، که به نوبه خود، کارایی آنها را در برخی از کاربردها محدود می کند.
اواپراتور لوله ای فیلم سقوطی
اواپراتور فیلم در حال سقوط است. طراحی سیستم تبخیر ملایم ترین در نظر گرفته شده است. زمان اقامت بسیار کوتاه و انتقال حرارت کارآمد از مزایای اصلی این طراحی است و به ماهیت "پردازش ملایم" درک شده طراحی کمک می کند. در عملکرد یک اواپراتور فیلم در حال سقوط، سیال به بالای مبدل حرارتی پمپ می شود و به طور مساوی در سراسر صفحه لوله و در ناحیه انتقال حرارت توزیع می شود. خیس کردن مناسب ناحیه انتقال حرارت برای حفظ پویایی فرآیند تبخیر مورد نیاز است. خیس شدن نامناسب ناشی از جریان کم یا توزیع نادرست در لوله ها باعث ایجاد لکه های خشک و رسوب در داخل لوله می شود. به دلیل کارایی طراحی فیلم سقوط، معمولاً در سیستم های بزرگ استفاده می شود زیرا مساحت مورد نیاز انتقال حرارت و در نتیجه هزینه کلی سیستم کاهش می یابد. تفاوت کم در دمای بخار و محصول (ΔT) امکان سودمندی بیشتر از فلسفه طراحی اواپراتور چندگانه را فراهم می کند. دیدن طرح های اواپراتور فیلم در حال سقوط با 5 تا 7 جلوه غیر معمول نیست.
اواپراتور لوله ای فیلم بالارونده/افتاده
برگرفته از طراحی اواپراتور فیلم در حال سقوط است که برای مشخصات محدود کننده کلی مفید است. ارتفاع سیستم طراحی فیلم در حال افزایش/افت است. Thermal Kinetic از طراحی اختصاصی اواپراتور در حال افزایش/افت استفاده می کند. علاوه بر کاهش ارتفاع، مزیت دیگر طراحی فیلم بالارونده/پایین، حذف سر پمپاژ اضافی و لوله کشی مورد استفاده در طراحی اواپراتور فیلم در حال سقوط است. طراحی انحصاری Thermal Kinetics به شرح زیر است:
یکی از طرح های اواپراتور «مدرن» اولیه، اواپراتور فیلم بالارونده از مبدل حرارتی صفحه ای یا پوسته عمودی و مبدل حرارتی لوله ای با سیال فرآیند در لوله ها استفاده می کند. همانطور که مایع به جوش می آید، در نتیجه حجم بخار تولید شده، یک لایه در داخل صفحه یا لوله ایجاد می کند. مانند هر طرحی به سبک فیلم، ضریب انتقال حرارت حاصل، طراحی را از نظر منطقه انتقال حرارت مورد نیاز بسیار کارآمد می کند. این سیستم با عمل ترموسیفون گردش طبیعی عمل می کند و در نتیجه نیاز به پمپ های چرخش بزرگ را از بین می برد. به طور متناوب، می تواند در یک پاس مانند شکل زیر عمل کند. نیروی بخار به سمت بالا تولید شده توسط مایع در حال جوش، مایع در حال افزایش را به یک لایه نازک با مقدار زیادی تلاطم فشار می دهد. سیستم هیدرولیک مزیتی برای پردازش محصولات چسبناک تر ارائه می دهد. اواپراتور فیلم بالارونده طرح های فشرده ای هستند که عملکرد بسیار ساده ای را در مقایسه با سایر طرح ها ارائه می دهند.
تبخیر فرآیندی پر انرژی است. در فرآیند طراحی، برای استفاده از طرحی که نه تنها برای سیال در حال پردازش مناسب است، بلکه برای حفظ انرژی نیز در نظر گرفته شود، باید به دقت توجه شود. تبخیر با اثر چندگانه کل وظیفه اواپراتور (مقدار آب یا حلال در حال حذف) را می توان به چندین اثر اواپراتور تفکیک کرد. تفکیک وظیفه با یک گرادیان فشار در کل اواپراتور ترکیب می شود تا امکان استفاده مجدد از انرژی در سیستم فراهم شود. شکل های زیر نحوه عملکرد مفهوم طراحی جلوه های چندگانه را نشان می دهد. در اصل، صرفه جویی در بخار سیستم نسبت به مقدار اثرات استفاده شده در یک طراحی خطی است. بسته به محدودیت های فرآیند، طرح های جلوه های چندگانه معمولاً به حدود 7 اثر محدود می شوند. فشرده سازی مجدد بخار حرارتی (TVR) TVR را می توان بر روی یک اواپراتور تک اثر برای افزایش مصرف بخار یا در ارتباط با طراحی چند افکت برای افزایش بیشتر بخار سیستم استفاده کرد. اقتصاد TVR از بخار پرفشار همراه با بخار فرآیند برای هدایت فرآیند تبخیر استفاده می کند.
طراحی های فشرده سازی مجدد بخار مکانیکی (MVR) از یک دستگاه فشرده سازی برای افزایش فشار بخار فرآیند و استفاده مجدد از آن به عنوان گرمایش استفاده می کنند. متوسط برای اواپراتور دستگاه های مکانیکی معمولی مورد استفاده در طراحی MVR عبارتند از: فن های گریز از مرکز، کمپرسورها و دمنده ها. طرح های MVR از نظر تئوری می توانند کارایی 100 اثر معادل یک طراحی اواپراتور چند اثر را ارائه دهند. هزینه الکتریسیته برای به حرکت درآوردن تراکم عاملی در مقایسه اثر معادل است.
دو عامل عمده در فرآیند انتخاب مواد برای سیستم تبخیر وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. : خوردگی و تمیز کردن. اواپراتورها معمولاً در شرایط محیطی سخت کار می کنند. آنها ممکن است مایعات خورنده ای که ممکن است حاوی کلریدها، عوامل اسیدی یا مواد شیمیایی سوزاننده باشند را پردازش کنند. به همین دلیل، ضروری است که اواپراتورها از مواد بادوام و ارتجاعی ساخته شوند. مثال های زیر اهمیت انتخاب مواد را نشان می دهند:
فولاد ضد زنگ برخی از کاربردها به سطوح بالایی از بهداشت نیاز دارند، بنابراین باید تمیز کردن مکرر و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی پاک کننده سوزاننده یا اسیدی را تحمل کنند. بسیاری از تولید کنندگان از فولاد ضد زنگ 304 و 316 برای اواپراتورهای بهداشتی استفاده می کنند. آنها سطوحی را که محصول با آنها تماس پیدا می کند صیقل می دهند، برای صافی بهینه، جوش را زمین می کنند، و لوله ها و سایر قطعات تجهیزات را بر اساس کدهای خاص می سازند.
سایر سینتیک حرارتی آلیاژ فلز، تعدادی از فلزات ویژه را بسته به این موارد به کار می گیرد. روی برنامه برخی از نمونه ها عبارتند از:
گرافیت گرافیت دارای سطح بالایی از مقاومت در برابر خوردگی در برابر اسیدها و حلال های رایج از جمله اسید سولفوریک است. بنابراین، این یک انتخاب عالی به عنوان یک ماده منبع برای ساخت اواپراتور اسید سولفوریک است، زیرا می تواند از خوردگی مبدل حرارتی جلوگیری کند و همچنین سطح مناسبی از انتقال حرارت را فراهم کند. برای سایر خدمات با Thermal Kinetics مشورت کنید. در بسیاری از موارد، انتخاب های صنعتی اثبات شده وجود دارد. در موارد دیگر، آزمایش خوردگی برای یافتن بهترین انتخاب مورد نیاز است.
تعریف، مفاهیم، ویژگی های عملیاتی و محصول
هنگام تامین منابع ماشین آلات تبخیر، مهم است که اصطلاحات مربوط به فرآیندها را درک کنید. و محصولات عبارات زیر به شما کمک می کند تا درک درستی از فرآیند تبخیر و تجهیزات مورد استفاده برای تسهیل آن داشته باشید.
حساسیت حرارتی. برخی از مواد شیمیایی یا مواد غذایی با درجات مختلف قرار گرفتن در معرض گرما تغییر می یابند. در این صورت، دمای تبخیر را می توان با کارکردن سیستم در فشارهای کمتر کاهش داد. کاهش حجم سیال و زمان نگهداری سیال فرآیند در داخل اواپراتور نیز به محصولاتی با حساسیت به گرما کمک می کند.
رسوب گیری. این اصطلاح به تجمع تدریجی رسوبات جامد بر روی سطوح انتقال حرارت اشاره دارد. علائم اولیه رسوب افزایش فشار عملیاتی است. نشانه ثانویه رسوب، افزایش فشار بخار به سیستم است. اگر نادیده گرفته شود، رسوب باعث "سوختن" محصول در سطح انتقال حرارت می شود و در نتیجه سیستم برای اهداف تمیز کردن و نگهداری خاموش می شود.
کف کردن. این یک محصول جانبی رایج فرآیند تبخیر است. در حالی که فوم اضافی در سیستم به طور بالقوه بی ضرر است، باعث انتقال محصول به میعانات سیستم می شود. راه هایی برای به حداقل رساندن اثر منفی فوم عبارتند از افزایش سرعت بخار لوله ای، پاشیدن محلول روی فوم، یا افزودن یک ماده ضد کف.
بالا بردن نقطه جوش. در فشار اتمسفر، نقطه جوش آب 212 درجه فارنهایت است. با این حال، جامدات محلول می توانند نقطه جوش واقعی را افزایش دهند. مواد جامد محلول مانند نمک و سود سوزآور تأثیر شدیدی بر نقطه جوش دارند. به عنوان مثال، نقطه جوش 30٪ کلرید کلسیم در فشار اتمسفر 230 درجه فارنهایت است. تغییراتی مانند این باید در مشخصات فشار و دمای اواپراتور در نظر گرفته شود.
واکنش پذیری. مواد در فرآیند تبخیر ممکن است گاهی در معرض واکنش های شیمیایی در دماها یا غلظت های خاص قرار گیرند. اگر این واکنش ها نامطلوب باشند، مهم است که از شرایط فرآیندی که منجر به آن شرایط خاص می شود اجتناب شود.
ویسکوزیته. ویسکوزیته معیاری برای اندازه گیری ضخامت لایه یا مقاومت مایع در برابر تغییر شکل است. افزایش ویسکوزیته مایع با کاهش کلی ضرایب انتقال حرارت مرتبط است. پیکربندی یک سیستم اثر چندگانه، و همچنین راه اندازی روش های انقباض، می تواند عملکرد اواپراتور را هنگام برخورد با سیالات با ویسکوزیته بالا بهینه کند.
سیال انتقال حرارت. اواپراتورهایی که از بخار برای هدایت فرآیند تبخیر استفاده می کنند، نسبت به اواپراتورهای گرم شده با روغن داغ، به سطح انتقال حرارت کمتری نیاز دارند. با این حال، اگر ماده مورد نظر تحت فرآیند تبخیر حساس به گرما نباشد، روغن داغ اغلب گزینه بهتری است، زیرا دمای روغن می تواند بالاتر از دمای بخار باشد، و مقدار مورد نیاز منطقه انتقال حرارت را برای سیستم کاهش می دهد.
سرعت بخار سمت پوسته. لوله های اواپراتور و ژاکت های گرمایش (سمت پوسته سیستم تبخیر لوله ای) باید بخار را با سرعت های دقیق عبور دهند تا از بین بردن گاز یا هوا غیرقابل تراکم تقویت شود و برش بخار خوب ایجاد شود.
میزان خیس شدن روانکاری ناحیه انتقال حرارت سمت فرآیند در یک اواپراتور یکی از جنبه های طراحی ضروری فرآیند تبخیر است. این امر به ویژه در اواپراتور فیلم در حال سقوط صادق است. برای رسیدن به سرعت مرطوب شدن مناسب باید مایع کافی وجود داشته باشد. این سرعت خیس شدن خطر رسوب گرفتگی و همچنین تجمع مواد جامد روی سطوح انتقال حرارت را کاهش می دهد.