تبخیر فشرده‌سازی بخار

تبخیر فشرده‌سازی بخار (به انگلیسی: Vapor-compression evaporation) روشی از تبخیر سطحی است که در آن از یک دمنده، کمپرسور یا انژکتور جت برای فشرده‌سازی و در نتیجه افزایش فشار بخار تولیدشده استفاده می‌شود. از آنجا که افزایش فشار بخار، افزایش دمای میعان را نیز در پی دارد، همان بخار می‌تواند به عنوان محیط گرمایشی برای مایع یا محلولی که از آن تولید‌شده و در حال غلیظ شدن است، عمل کند. اگر فشرده‌سازی انجام نشود، بخار در همان دمای مایع/محلول جوشان خواهد بود و هیچ انتقال گرمایی نمی‌تواند صورت گیرد.

این فرایند گاهی «تقطیر تراکم-بخار» (VCD) نیز نامیده می‌شود. اگر فشرده‌سازی توسط یک کمپرسور یا دمنده با محرک مکانیکی انجام شود، این فرایند تبخیر معمولاً MVR (بازفشردگی مکانیکی بخار) نامیده می‌شود. در صورتی که فشرده‌سازی توسط انژکتورهای بخار پرفشار انجام شود، این فرایند معمولاً «تراکم گرمایی»، «تراکم بخار» یا «تراکم اجکتوری» نامیده می‌شود.^[۱]

فرایند MVR

ورودی انرژی

در این حالت، ورودی انرژی به سیستم شامل انرژی پمپاژ کمپرسور است. انرژی مصرفی نظری برابر خواهد بود با: $E=Q*(H2-H1)$ که در آن:

E کل انرژی پمپاژ نظری است.
Q جرم بخارات عبوری از کمپرسور است.
H₁ و H₂ کل محتوای گرمایی واحد جرم بخارات، به ترتیب در بالادست و پایین‌دست کمپرسور هستند.

در SI، این مقادیر به ترتیب با کیلوژول، کیلوگرم و کیلوژول بر کیلوگرم اندازه‌گیری می‌شوند.

ورودی انرژی واقعی بیشتر از مقدار نظری خواهد بود و به بازده سیستم بستگی دارد که معمولاً بین ۳۰٪ تا ۶۰٪ است. برای مثال، فرض کنید انرژی ورودی نظری ۳۰۰ کیلوژول و بازده ۳۰٪ باشد. انرژی ورودی واقعی برابر خواهد بود با ۳۰۰ ضرب‌در ۱۰۰ تقسیم بر ۳۰ که برابر ۱۰۰۰ کیلوژول است.

در یک واحد بزرگ، توان فشرده‌سازی بین ۳۵ تا ۴۵ کیلووات به ازای هر تن متریک بخار فشرده‌شده است.^[۱]

تجهیزات اواپراتورهای MVR

کمپرسور لزوماً هسته اصلی واحد است. کمپرسورهای مورد استفاده برای این کاربرد معمولاً از نوع گریز از مرکز یا واحدهای جابجایی مثبت مانند دمنده‌های روتس هستند که مشابه سوپرشارژرهای نوع روتس (در ابعاد بسیار کوچک‌تر) می‌باشند. واحدهای بسیار بزرگ (با ظرفیت تبخیر ۱۰۰ تن متریک در ساعت یا بیشتر) گاهی از کمپرسورهای محوری استفاده می‌کنند. کار فشرده‌سازی، بخار را در مقایسه با تعادل فشار/دمای نظری، به صورت فوق‌گرم تحویل می‌دهد. به همین دلیل، اکثریت قریب به اتفاق واحدهای MVR دارای یک دستگاه کاهش سوپرهیت (desuperheater) بین کمپرسور و مبدل گرمایی اصلی هستند.

تراکم گرمایی

ورودی انرژی

ورودی انرژی در اینجا توسط انرژی مقدار مشخصی از بخار (بخار محرک) تأمین می‌شود که فشار آن از فشار بخارات ورودی و خروجی بالاتر است. بنابراین مقدار بخارات فشرده‌شده بیشتر از مقدار ورودی است: $Qd=Qs+Qm$
که در آن Q_d مقدار بخار در خروجی اجکتور، Q_s در مکش اجکتور و Q_m مقدار بخار محرک است. به همین دلیل، یک اواپراتور تراکم گرمایی اغلب دارای یک کندانسور بخار است، که به دلیل احتمال وجود بخار اضافی لازم برای فشرده‌سازی در مقایسه با بخار مورد نیاز برای تبخیر محلول است. مقدار Q_m بخار محرک به ازای واحد مقدار مکش، تابعی از «نسبت محرک» فشار بخار محرک به فشار مکش و نسبت تراکم فشار خروجی به فشار مکش است. در اصل، هرچه نسبت تراکم بالاتر و نسبت محرک کمتر باشد، مصرف بخار محرک ویژه بیشتر خواهد بود، یعنی تراز انرژی کارایی کمتری خواهد داشت.

تجهیزات تراکم گرمایی

قلب هر اواپراتور تراکم گرمایی، اجکتور بخار است که در صفحه مربوط به خود به طور کامل توصیف شده است. اندازه سایر قطعات تجهیزات، مانند مبدل گرمایی اصلی، کلاهک بخار و غیره (برای جزئیات به تبخیرکننده مراجعه کنید)، توسط فرایند تبخیر تعیین می‌شود.

مقایسه

این دو نوع اواپراتور تراکم‌محور، حوزه‌های کاربرد متفاوتی دارند، اگرچه گاهی با هم همپوشانی دارند.

یک واحد MVR به دلیل کاهش مصرف انرژی، برای واحدهای بزرگ ترجیح داده می‌شود. بزرگ‌ترین اواپراتور MVR تک‌بدنه ساخته‌شده (۱۹۶۸، توسط شرکت وایتینگ، بعداً شرکت اواپراتور اسونسون، در چیرو مارینا، ایتالیا) یک بلورساز نمک بود که حدود ۴۰۰ تن متریک آب در ساعت تبخیر می‌کرد و دارای یک کمپرسور محوری (براون باوری، بعداً ABB) بود. این واحد در حدود سال ۱۹۹۰ تغییر یافت تا به اولین اثر یک اواپراتور چندمرحله‌ای تبدیل شود. اواپراتورهای MVR با ظرفیت تبخیر ۱۰ تن یا بیشتر رایج هستند.
نسبت تراکم در یک واحد MVR معمولاً از ۱.۸ تجاوز نمی‌کند. در نسبت تراکم ۱.۸، اگر تبخیر در فشار اتمسفر (۰.۱۰۱ مگاپاسکال) انجام شود، فشار میعان پس از فشرده‌سازی ۰.۱۸۱۸ مگاپاسکال خواهد بود. در این فشار، دمای میعان بخار آب در مبدل گرمایی ۳۹۰ کلوین خواهد بود. با در نظر گرفتن بالارفتن نقطه جوش آب نمکی که می‌خواهیم تبخیر کنیم (۸ کلوین برای محلول نمک اشباع)، این امر اختلاف دمایی کمتر از ۸ کلوین را در مبدل گرمایی باقی می‌گذارد. اختلاف دمای کوچک (∆T) منجر به انتقال گرمای کند می‌شود، به این معنی که برای انتقال گرمای مورد نیاز به سطح گرمایشی بسیار بزرگی نیاز خواهیم داشت. کمپرسورهای محوری و روتس ممکن است به نسبت‌های تراکم کمی بالاتر برسند.
اواپراتورهای تراکم گرمایی ممکن است به نسبت‌های تراکم بالاتری برسند - اما با هزینه بیشتر. نسبت تراکم ۲ (و گاهی بیشتر) ممکن است، اما مگر اینکه بخار محرک در فشار نسبتاً بالایی باشد (مثلاً ۱۶ بار یا بیشتر)، مصرف بخار محرک در محدوده ۲ کیلوگرم به ازای هر کیلوگرم بخار مکش خواهد بود. نسبت تراکم بالاتر به معنای مبدل گرمایی کوچک‌تر و هزینه سرمایه‌گذاری کاهش‌یافته است. علاوه بر این، کمپرسور یک ماشین گران‌قیمت است، در حالی که اجکتور بسیار ساده‌تر و ارزان‌تر است.

به عنوان نتیجه‌گیری، ماشین‌های MVR در واحدهای بزرگ و با بهره‌وری انرژی بالا استفاده می‌شوند، در حالی که واحدهای تراکم گرمایی تمایل دارند استفاده خود را به واحدهای کوچک محدود کنند، جایی که مصرف انرژی مسئله بزرگی نیست.

بازده

بازده و امکان‌سنجی این فرایند به بازده دستگاه فشرده‌ساز (مانند دمنده، کمپرسور یا اجکتور بخار) و ضریب انتقال حرارت حاصل در مبدل گرمایی که با بخار در حال میعان و محلول/مایع «مادر» جوشان در تماس است، بستگی دارد. از نظر تئوری، اگر میعانات حاصل فوق‌سرد شوند، این فرایند می‌تواند امکان بازیابی کامل آنتالپی تبخیر را فراهم کند که در غیر این صورت اگر بخار، به جای میعانات، محصول نهایی بود، از دست می‌رفت؛ بنابراین، این روش تبخیر بسیار از نظر انرژی کارآمد است. فرایند تبخیر سطحی ممکن است صرفاً توسط کار مکانیکی ارائه‌شده توسط دستگاه فشرده‌ساز هدایت شود.

برخی کاربردها

تولید آب پاک

یک اواپراتور تراکم-بخار، مانند اکثر اواپراتورها، می‌تواند از هر منبع آبی، آب نسبتاً پاک تولید کند. برای مثال در یک بلورساز نمک، تحلیل معمولی میعانات حاصل نشان‌دهنده محتوای نمک باقی‌مانده‌ای نیست که از ۵۰ پی‌پی‌ام بیشتر باشد یا از نظر رسانایی الکتریکی، از ۱۰ میکروزیمنس بر سانتی‌متر فراتر نرود. این منجر به آب آشامیدنی می‌شود، در صورتی که سایر الزامات بهداشتی برآورده شوند. اگرچه این روش نمی‌تواند در بازار با اسمز معکوس یا نمک‌زدایی رقابت کند، تبخیر تراکم-بخار عمدتاً به دلیل توانایی‌اش در تولید آب پاک از آب‌شورهای اشباع یا حتی در حال بلورش با کل مواد جامد محلول (TDS) تا ۶۵۰ گرم در لیتر، متمایز است. دو فناوری دیگر می‌توانند از منابعی با TDS حداکثر حدود ۳۵ گرم در لیتر، آب پاک تولید کنند.

به دلایل اقتصادی، اواپراتورها به ندرت بر روی منابع آب با TDS پایین کار می‌کنند. آن کاربردها توسط اسمز معکوس پوشش داده می‌شوند. آب شور ورودی به یک اواپراتور معمولی، بیشتر غلیظ می‌شود. افزایش مواد جامد محلول باعث افزایش نقطه جوش بسیار فراتر از آب خالص می‌شود. آب دریا با TDS حدود ۳۰ گرم در لیتر، بالارفتن نقطه جوش کمتر از ۱ کلوین را نشان می‌دهد، اما محلول سدیم کلرید اشباع در ۳۶۰ گرم در لیتر، بالارفتن نقطه جوش حدود ۷ کلوین دارد. این بالارفتن نقطه جوش چالشی برای تبخیر تراکم-بخار است، زیرا نسبت فشاری را که کمپرسور بخار باید برای انجام تبخیر به دست آورد، افزایش می‌دهد. از آنجا که بالارفتن نقطه جوش، نسبت فشار در کمپرسور را تعیین می‌کند، عامل اصلی کلی در هزینه‌های عملیاتی است.

زهکشی گرانشی به کمک بخار

فناوری مورد استفاده امروزی برای استخراج قیر از ماسه‌های نفتی آتاباسکا، روش آب‌بر زهکشی گرانشی به کمک بخار (SAGD) است.^[۱] در اواخر دهه ۱۹۹۰، بیل هاینز، مهندس سابق هسته‌ای از شرکت جنرال الکتریک کمپانی، فناوری اواپراتوری به نام فیلم ریزان یا تبخیر تراکم-بخار مکانیکی را ابداع کرد. در سال‌های ۱۹۹۹ و ۲۰۰۲، تأسیسات مک‌کی ریور شرکت پترو-کانادا اولین مرکزی بود که سیستم‌های تخلیه مایع صفر (ZLD) SAGD جنرال الکتریک را با استفاده از ترکیبی از فناوری تبخیری جدید و سیستم بلورساز نصب کرد که در آن تمام آب بازیافت می‌شد و تنها مواد جامد از سایت خارج می‌شدند.^[۱] این فناوری تبخیری جدید شروع به جایگزینی تکنیک‌های قدیمی تصفیه آب مورد استفاده در تأسیسات SAGD کرد که شامل استفاده از نرم‌سازی با آهک گرم برای حذف سیلیس و منیزیم و تبادل یونی کاتیونی اسید ضعیف برای حذف کلسیم بود.⟦REF_5⟧ فرایند تبخیر تراکم-بخار جایگزین ژنراتورهای بخار یک‌بارگذر (OTSG) شد که به طور سنتی برای تولید بخار استفاده می‌شدند. OTSGها معمولاً با گاز طبیعی کار می‌کردند که در سال ۲۰۰۸ به طور فزاینده‌ای ارزشمند شده بود. کیفیت آب اواپراتورها چهار برابر بهتر است که برای دیگ‌های بخار درام‌دار مورد نیاز است. اواپراتورها، هنگامی که با دیگ‌های بخار درام‌دار استاندارد جفت می‌شوند، بخاری تولید می‌کنند که «قابل‌اطمینان‌تر، کم‌هزینه‌تر برای بهره‌برداری و کمتر آب‌بر» است. تا سال ۲۰۰۸ حدود ۸۵ درصد از تأسیسات SAGD در ماسه‌های نفتی آلبرتا فناوری تبخیری را پذیرفته بودند. «SAGD، برخلاف سایر فرایندهای حرارتی مانند تحریک چرخه‌ای بخار (CSS)، به بخار با کیفیت ۱۰۰ درصد نیاز دارد.»⟦REF_6⟧</ref>

جستارهای وابسته

سیستم بخار فشرده کریستیانی
اسلینگ‌شات (سیستم تقطیر بخار آب)
سرمایش تراکم-بخار
نمک‌زدایی تراکم-بخار

پانویس

1 2 3 4 Smith, Maurice (2008 November), "Watershed moment: SAGD operators embrace new water treatment options", Air Water Land {{یادکرد}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)

منابع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «[en:Vapor-compression_evaporation Vapor-compression evaporation]». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی.

مطالعه بیشتر

Badawi Tleimat، W. (۱۹۸۳). Vapor-Compression Evaporation. Desalination.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)

پیوند به بیرون

BRAM-COR - Vapor Compression Distillers

[airwaterland-1] 1 2 3 4 Smith, Maurice (2008 November), "Watershed moment: SAGD operators embrace new water treatment options", Air Water Land {{یادکرد}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)

[۱]