تبخیرکننده فیلمی (Film Evaporator)

۵ ماه قبل ۱۹۰ ۰

هدف از تبخیر بالا بردن غلظت یک محلول دارای یک حلال فرار و یک حل شونده غیر فرار است. در تبخیر، بخشی از حلال به بخار تبدیل می شود تا محلول غلیظی حاصل شود. تبخیر با خشک کردن متفاوت است چون در تبخير ماده باقي مانده مایع است که اغلب گرانروی بالایی دارد نه جامه. تبخیر یا تقطیر نیز متفاوت است، چون در تبخیر سیستم ها اغلب یک جزئی هستند و اگر بخار تشکیل شده شامل دو جزء باشد، امکان جداسازی از راه تبخیر وجود ندارد. تبخیر با تبلور نیز متفاوت است چون در تبخير غلظت محلول افزایش می یابد و تشکیل ساختمان کریستالی چندان اهمیتی ندارد. در حالتي خاص مثل تشکیل نمک محلول از آب، مرز بین تبلور و تبخیر چندان مشخص نیست.

به طور کلی در تبخیر یکی از دو جزء بخار یا محلول غلیظ تبخیر شده اهمیت زیادی دارند و طراحی بر اساس گرفتن این جزء صورت می گیرد. معمولا محلول غلیظ با ارزش می باشد و بخار بعد از مایع شدن دور ریخته می شود ، البته در مواردی مثل بازیابی حلال از پلیمرهای نامرغوب عکس این مطلب صادق است.

Film Evaporator

خصوصیات مایع

بیشتر مسائل عملی تبخیر به خصوصیات محلول غلیط بر می گردد. خواص محلول بسیار متنوع است و نیاز به تجربه کافی در طراحی تبخیر کننده دارد به طوری که از انتقال گرمایی ساده به یک تکنیک تبدیل شده است. بعضی از مهمترین خواص مایعات در حال تبخير عبارتند از:

1- غلظت: در خلال فرایند تبخیر، غلظت محلول موجود در تبخیر کننده افزایش می یابد. این افزایش غلظت می تواند تا اشباع شدن محلول و نیز ایجاد بلور ادامه یابد. با افزایش غلظت محلول، ویسکوزیته و دانسیته به مقدار زیادی تغییر می کند. همچنین با افزایش مقدار جامد در محلول، نقطه جوش محلول به طور قابل توجهی افزایش می یابد، در نتیجه دمای جوش یک محلول غلیظ بسیار بیشتر از محلول خالص در همان فشار است.

٢- کف کردن: بعضی از مواد به هنگام تبخیر کف می کنند، کف باعث ایجاد ماندگي در گاز میشود (پدیده entertainment) در حالات بسیار شدید حتی ممکن است تمامی مایع بجوشد و به صورت تلفات خارج شود.

3-حساسیت دمایی: بسیاری از مواد شیمیایی حساس، محصولات دارویی و غذایی، وقتی در زمانی نسبتا کوناه تا درجه حرارت متوسطی گرم شوند، ضایع میشوند. در غلیظ کردن این مواد تکنیک های خاصی نیاز است تا هم دمای مایع و هم زمان گرم کردن را کاهش دهد.

۴- جرم گرفتگی: بعضی از محلول ها در عملیات تبخیر در دستگاه ایجاد جرم گرفتگی می کنند. این موضوع باعث کاهش میزان انتقال حرارت می شود که پدیده نامطلوبی است و در نتیجه باید طراحی طوری انجام گیرد که جرم گرفتگی حداقل باشد زیرا تمیز کردن مشکل و پرهزینه است.

۵- مصالح ساخت: بیشتر از جنس فولاد استفاده می شود. اما اگر محلول در فولاد ایجاد خوردگی کند باید از آلیاژهای گران قیمت تر استفاده کرد. فولاد ضد زنگ معمولا اولین انتخاب است.

تبخیر کننده های یک مرحله ای و چند مرحله ای

بسیاری از تبخیرکننده ها با حرارت ناشي از میعان بخار آب در لوله های فلزی، گرم مي شوند. در اکثر مواقع ماده ای که گرم    می شود در لوله قرار می گیرد. علت این موضوع سادگی شستشوی لوله ها می باشد زیرا مایع غلیظ رسوب بیشتری می دهد. فشار بخار آب اغلب پایین و زیر ۳ atm و مابع معمولا در خلا و در فشار 0.05atm میباشد.

Film Evaporator

وقتی از یک تبخیر کننده استفاده شود، بخار حاصل از مایع در حال جوش به مایع تبدیل می شود و دور ریخته می شود، به این روش، تبخیر یک مرحله ای گویند که روش ساده و با هزینه ساخت پایین می باشد. اگر بخار خروجی از یک تبخیر کننده وارد محفظه بخار تبخیر کننده دیگری شود و بخار حاصل از این تبخیر کننده وارد مبرد گردد، در این عمل از دو دستگاه تبخیر کننده استفاده کرده ایم، اما بخار حاصل از مرحله اول به جای دور ريخته شدن وارد يك تبخیر کننده دیگر می شود و در آنجا صرف تبخیر محلول می شود. در این حالت اقتصاد بخاار را بهبود داده ایم. یعنی با همان میزان بخار ورودی از utility تقریبا دو برابر مرتبه تبخير قبل انجام داده ایم. با این کار هزینه عملیاتی کاهش می یابد، یعنی انرژی کمتری نیاز است حال آنکه هزینه ساخت دستگاه افزایش یافته است.

Film Evaporator

در این صورت احتیاج به یک بهینه سازی می باشد بین هزینه عملیاتی و هزینه ساخت اولیه دستگاه، تعداد واحدهای بهینه توصیه شده برای عملیات ثبخیر بین ۳ تا ۵ مرحله می باشد.

Film Evaporator

انواع تبخیر کننده

 الگوی جریان در تبخیر کننده ها به دو صورت می باشد:

1- تبخیر کننده با یک مسیر عبوری 

2- تبخیر کننده با مسیر گردشی

در نوع اول خوراک مايع فقط یک بار از داخل لوله عبور می کند و با آزاد کردن بخار به صورت محلول غلیظ از تبخیر کننده خارج می شود. کاربرد این نوع الگوی جریان برای مواد حساس به گرما می باشد. زیرا مواد تنها یکبار از لوله های تبخیر کننده عبور می کند.

در تبخیر کننده های گردشی، حوضچه مایعی در دستگاه تعبیه شده است. خوراک ورودی با مایع داخل حوضچه مخلوط می شود و مخلوط حاصل از داخل لوله ها  می گذرد. مایع تبخیر نشده از داخل لوله تخلیه شده، به حوضچه بر می گردد، پس فقط قسمتی از کل تبخیر در یک مسیر انجام میشود. همه تخبر کننده های به روش گردش اجباری به این صورت کار می کنند. تبخیر کننده های با جریان رو به بالا نیز معمولا از واحدهای گردشی تشکیل شده اند. تبخیر کننده های گردشی برای مایعات حساس به گرما مناسب نیستند. در به وجود آوردن گردش از پمپ با اختلال دانسیته استفاده می شود. در ساخت تبخیرکننده های چند مرحله ای معمولا از الگوی جریان "یک مسیر عبوری" استفاده می شود. حال آنکه در ساخت تبخیر کننده های تک مرحله ای معمولا از الگوی جریان "مسیر گردشی" استفاده می شود.

به علت کاربرد گسترده تبخیر کننده ها در صنعت، امروزه طراحی های متنوعی از این دستگاه وجود دارد . معرفی تمامی این تبخیر کننده ها از حوصله بحث خارج می باشد و در ادامه تنها به توضیح انواع تبخیر کننده های فیلمی می پردازیم.

1-4 تبخیر کننده فیلمی

دستگاه تبخیر کننده فیلمی یکی از پرکاربردترین انواع تبخیر کننده ها در صنایع شیمیایی می باشد. به طور کلی این تبخیر کننده برای موادی با ویسکوزیته بالا و حساس به گرما بکار می رود. اساس کار این تبخیر کننده ها بر مبنای تشكیل فیلم مایع در حال تبخیر در اطراف محیطی است که انتقال حرارت صورت می گیرد.

سه نوع تبخیر کننده فیلمی وجود دارد:

Falling Film (فیلم پایین رونده)

Rising Film (فیلم بالا رونده) 

Thin Film (فیلم نازک) 

حال به شرح کامل هر کدام از این تبخیر کننده ها می پردازیم:

4-1-1 تبخیر کننده با فیلم پایین رونده (Falling Film) 

قسمت های اصلی این دستگاه عبارتند از:

1- مبدلی لوله ای که بخار در داخل پوسته و ماده ای که غلیظ می شود در لوله ها قرار می گیرد.

2- جدا کننده مایع از بخار (Separator)

3- توزیع کننده مایع در قسمت های فوقانی

Film Evaporator

در مقایسه با دو نوع تبخیر کننده دیگر این تبخیر کننده ها برای مایعاتی با خواص جرم گرفتگی و رسوب کم و ویسکوزیته پایین تر و نیز مایعات به نسبت رقيق مناسب میباشد. این تبخیر کننده ها به میزان وسیعی در صنابع شیمیایی ، غذابی و صنایع مشابه کاربرد دارند.

در حالت نک مسیره، مایع از قسمت فوقانی وارد می شود و در داخل لوله های داغ جریان می باید (به صورت فیلم) و از انتهای ستون خارج می شود. لوله ها بزرگ هستند و قطر آنها ۵۰ تا ۲۵۰ میلی متر (۲ تا ۱۰ اینچ) میباشد.

بخار حاصل از مایع همراه مایع به طرف پایین لوله ها حرکت کرده و از قسمت انتهایی دستگاه خارج میشود.مشکل اساسی این تبخیر کننده ها نحوه توزیع مایع به طور یکنواخت و به صورت فیلم در داخل لوله ها است. این کار با قرار دادن صفحه فلزی سوراخ دار (مشبک) در بالای صفحه لوله انجام می شود که باعث جریان مایع به طور یکنواخت در لوله می شود. روش دیگر استفاده از توزیع کننده های عنکبوتی با بازوهای شعاعی می باشد که خوراک تحت حالت پایا به داخل لوله ها پاشیده می شود. روش دیگر استفاده از یک پاشنده در داخل هر لوله است.

Film Evaporator

اگر امکان گردش مجدد مایع بدون اینکه ضایع شود وجود داشته باشد، توزيع ماده در لوله با برگرداندن مایع به قسمت فو قانی لوله آسان می شود، حجم جریان مایع در لوله ها در این حالت بسیار بیشتر از حالت تک مسیره است.

مزایای تبخیر کننده های با فیلم پایین رونده:

 1- ساخت ساده

۲- عمليات تمیز کردن راحت

3- ضرایب انتقال حرارت بالا 

۴- امكان عملیات در اختلاف دمای پایین (در واحدهایی که از نظر مکانیکی و حرارتی محدودیت دارند) 

۵- زمان اقامت کوتاه (برای محصولات با حساسیت دمایی) 

6- انعطاف پذیری عملیاتی خوب

Film Evaporator

4 تبخیر کننده های با فیلم بالارونده ( Rising Film)

شکل کلی این دستگاه مثل دستگاه تبخیر کننده با فیلم پایین رونده میباشد با این تفاوت که مایع از پایین وارد می شود. قسمت های اصلی دستگاه عبارتند از:

1- مبدلی لوله ای که بخار در داخل پوسته و مایعی که غلیظ می شود در لوله ها قرار می گیرد.

2- جداکننده مایع از بخار (Separator)

٣- وفنی سیستم به صورت برگشتی کار کند، شاخه ای که مایع را از جداکننده به انتهای مبدل برمی گرداند. در این تبخیر کننده قطر لوله ها از تبخیر کننده های با فیلم پایین رونده کمتر می باشد و حدود ۲۵ تا ۵۰ میلیمتر (۱ تا ۲ اینچ) می باشد و طول آنها ۳ تا ۱۰ متر است.

Film Evaporator

خوراک رقیق به همراه مایعی که از جدا کننده بر می گردد مخلوط شده سپس وارد دستگاه می شود. محلول غلیظ شده از انتهای  گرم کن خارج می شود ، مایع غلیظ باقی مانده وقتی از داخل لوله عبور می کند. به طور جزئی تبخیر می شود. مخلوط مایع و بخار از قسمت فوقانی لوله ما وارد جدا کننده می شود. در این تبخیر کننده نیازی به پخش مایع روی دیوار های لوله نیست. هنگامیکه تبخیر شروع می شود، بخار تولید شده در لوله ها، مایع غلیظ شده را به سمت بالا می برد. به علت رژیم جریان آشفته ضریب انتقال حرارت بهبود می یابد.

در بالای تبخیر کننده برای حذف قطرات موجود در بخار، قبل از ورود به جداکننده (Separator) از یک دسته صفحات پره دار و یا mesh استفاده می شود. نبخیر کننده های با فیلم بالارونده برای مایعاتی که ایجاد کف می کنند بسیار موثر هستند. وقتی مخلوط مایع و بخار با سرعت بالا از میان صفحات پره دار عبور می کند، کف از بین میرود.

Film Evaporator

مزایای این تبخیر کننده ها:

1- هیچ وسیله ای برای پخش مایع جهت ساخت فيلم لازم نیست.

2- پمپ های Circulating حذف شده اند و نیازی به آنها نیست.

٣- ابزار دقیق کمتری مورد نیاز است.

۴- ساختار ساده ای دارد.

5- برای مایعات با ویسکوزیته بالا و تمایل جرم گرفتگی مناسب می باشد.

 محدودیت ها:

1- شرایط عملیاتی، انعطاف پذیری دارد.

۲- ضریب انتقال حرارت پایین تر می باشد، زیرا بخار تولید شده نیز به همراه مایع در مجاورت انتقال حرارت قرار می گیرد.

3-1-4  تبخیر کنندهای با فیلم نازک (Thin Film)

یک تبخیر کننده با فیلم نازک از بخش های اصلی زیر تشکیل شده است:

 1- یک بخش استوانه ای شکل ژاکت دار

2- یک بخش جدا کننده بخار با صفحات ساکن در بالایی ظرف استوانه ای

۳- یک روتور جرخنده که در انتهای آن یکسری تیغه (blade) و یا جارو کننده (wipe) نصب می باشد که وظیفه تشكیل فیلم مایع غليط و انتقال سریع محصول فیلمی بر روی سطح داغ را بر عهده دارند

Film Evaporator

مزیت اصلی تبخیر کننده Thin Film در انتقال حرارت سریع به مایعات با ویسکوزیته بالا می باشد. در دمای تبخیر محلول ممکن است ویسکوزیته بالای P۱۰۰۰ داشته باشد. در تبخیر کننده های دیگر با افزایش ویسکوزیته ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد، اما در این تبخیر کننده کاهش ضريب کمتر است. از اینرو برای موادی با ویسکوزیته بالا و حساس به درجه حرارت مثل ژلاتین، مواد خام پلیمری، آنتی بیوتیک ها و آب میوه ها بسیار کاربرد دارد.

 در این تبخیر کننده معمولا فشار بسیار پایین می باشد و می توان تا فشار ۱ mmHg خلا ایجاد کرد. حتی برخی از انواع جدید وجود دارند که در فشار های پایین تر نیز کار می کنند.

سه روش جهت ایجاد فیلم نازک در این تبخیر کننده ها وجود دارد:

1- روتور با تیغه ثابت ( Rigid Blade Rotor):

در این روش پین تیغه و سطح انتقال حرارت یک فاصله ثابت وجود دارد.

Film Evaporator

2- روتور جاروبي (wiper) با حرکت شعاعي ( Rotor with Radial Moving wiper) :

در این روش روی روتور جاروهایی نصب می شود که وظیفه توزيع مایع را بر عهده دارند. جنس این جارو ها معمولا گرافیت     می باشد.

Film Evaporator

3- روتور با تیغه جارویی لغزنده (Rotor with Hinged Free-Swinging wiper Blade):

در این روش روی روتور مثل قبل جاروهایی وصل می شوند که روی روتور لولا شده اند و انعطاف پذیرتر از حالت قبل می باشد.

Film Evaporator

محدودیت های تبخیر کننده با فیلم ناز ک:

 1- هزینه ساخت بالا 

۲- قسمت های متحرک میانی که باید نگهداری و تعمیر شوند و نیز هزینه عملیاتی بیشتری لازم دارند.

 3- ظرفیت پایین این تبخیر کننده در مقایسه با تبخیر کننده های لوله ای

Film Evaporator

 

نگارش : بهنام آسایش


۰ دیدگاه