مبخر متعدد التأثير

المبخر متعدد التأثير (MEE) هو نظام تركيز موفر للطاقة يربط عدة مبخرات أحادية التأثير على التوالي. يستخدم هذا النظام البخار الثانوي المتولد في المرحلة السابقة (التأثير الأولي) لتشغيل المرحلة التالية (التأثير الثانوي)، مما يسمح بإعادة استخدام كيلوغرام واحد من البخار النقي عدة مرات، وبالتالي مضاعفة قدرة التبخير. تقدم هذه المقالة نظرة عامة منهجية من سبعة جوانب: المبدأ، ونوع العملية، والتركيب الهيكلي، ومؤشرات الأداء، ومجالات التطبيق، والمزايا والعيوب، ونقاط الاختيار.

أولاً: مبدأ العمل

1. الطاقة الحرارية المتتالية: يدخل البخار الحي فقط إلى حجرة التسخين في المرحلة الأولى، حيث يُسخّن المحلول لتوليد بخار ثانوي. ورغم أن درجة حرارة وضغط هذا البخار الثانوي أقل قليلاً، إلا أنه يظل مصدراً حرارياً للمرحلة التالية، وهكذا دواليك.

2. انخفاض الفراغ: لضمان وجود فرق في درجة الحرارة لنقل الحرارة في كل مرحلة، يتم توصيل التأثير النهائي بنظام فراغ، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط التشغيل ونقطة الغليان لكل تأثير على التوالي.

3. زيادة التركيز: يزداد تركيز المحلول مع كل مرحلة، ليصل في النهاية إلى التركيز المستهدف في المرحلة رقم n؛ ويتم تصريف المكثف والمركز بشكل منفصل. 4. توفير الطاقة: نظريًا، يمكن لعدد n من المراحل أن تزيد من قدرة تبخير 1 كجم من البخار الحي إلى n كجم؛ عمليًا، ونظرًا لفقدان الحرارة وارتفاع درجة الغليان، تستهلك خمس مراحل ما يقارب 0.3 طن من البخار النقي لتبخير 1 طن من الماء.

ثانياً: تدفق العملية (التغذية وتدفق البخار)

1. التدفق المتزامن: يتدفق سائل التغذية والبخار في نفس الاتجاه. يكون الضغط مرتفعًا في المرحلة الأولى، ويمكن أن تتدفق المراحل اللاحقة بفعل الجاذبية دون الحاجة إلى مضخة؛ ومع ذلك، مع ازدياد التركيز وانخفاض درجة الحرارة، تزداد اللزوجة، وينخفض معامل انتقال الحرارة.

2. التدفق المعاكس: يُضخ سائل التغذية من المرحلة الأخيرة إلى المرحلة الأولى. وتكون درجة الحرارة أعلى ما يمكن عند أعلى تركيز، مما يقلل اللزوجة. يُناسب هذا الأسلوب المواد التي تزداد لزوجتها بسرعة مع التركيز؛ إلا أنه يتطلب مضخات بين المراحل، مما يُعقّد عملية التحكم.

3. التدفق المتوازي: لكل مرحلة تغذية منفصلة ومخرج مركز منفصل. يُستخدم هذا النظام غالبًا في الحالات التي يحدث فيها تبلور أثناء عملية التبخير، مما يمنع انسداد الأنابيب بالبلورات.

4. التدفق المختلط: مزيج من الطرق المذكورة أعلاه، مثل التدفق المتوازي في التأثيرات القليلة الأولى والتدفق المعاكس في التأثيرات اللاحقة، لتحقيق التوازن بين استهلاك الطاقة والتحكم في اللزوجة.

ثالثًا: بنية النظام ومكوناته الرئيسية

1. وحدة التأثير: تحتوي كل وحدة تأثير على حجرة تسخين (أنبوب/صفيحة) وحجرة فصل (خزان وميض)، وأحيانًا يتم دمجها في وحدة واحدة.

2. المكثف: يدخل البخار الثانوي من المرحلة الأخيرة إلى مكثف سطحي أو مكثف خلط، حيث يتم تكثيفه باستخدام الماء المتداول ويتم الحفاظ على فراغ.

3. مضخة التفريغ: تقوم بضخ الغازات غير القابلة للتكثيف أثناء بدء التشغيل/التشغيل لضمان مستوى التفريغ للتأثير الأخير.

4. المسخن المسبق: يستخدم الحرارة المهدرة من مكثف كل مرحلة لرفع درجة حرارة التغذية، مما يقلل من استهلاك البخار الحي.

5. مضخة الدوران القسري (اختياري): للمواد سهلة التبلور أو عالية اللزوجة، تحافظ على معدل تدفق جانبي للأنبوب يتراوح بين 2-4 م/ث داخل التأثير، مما يمنع الترسيب ويحسن معامل نقل الحرارة.

رابعاً: مؤشرات الأداء الرئيسية

1. كفاءة استهلاك البخار: معدل التبخر لكل كيلوغرام من الماء لكل كيلوغرام من البخار الحي: 1.8-2.0 لوحدتين، 2.5-2.8 لثلاث وحدات، وحوالي 4.5 لخمس وحدات. 2. مساحة نقل الحرارة النوعية: تزداد مع عدد الوحدات، مما يؤدي إلى زيادة خطية في الاستثمار؛ تنخفض تكاليف التشغيل بينما ترتفع تكاليف المعدات، مما يشير إلى وجود عدد أمثل للوحدات. تستخدم التطبيقات الصناعية عادةً وحدتين أو ثلاث وحدات، بحد أقصى ست وحدات.

3. فقدان فرق درجة الحرارة: يبلغ فرق درجة الحرارة الفعال ΔT لكل تأثير حوالي 8-15 درجة مئوية؛ مع فرق درجة حرارة إجمالي ثابت، كلما زاد عدد التأثيرات، قل ΔT لكل تأثير، مما يتطلب مساحة أكبر.

4. مقارنة استهلاك الطاقة: بالمقارنة مع المبخرات أحادية التأثير، يمكن للمبخرات ثلاثية التأثير توفير أكثر من 60٪ من البخار؛ بالمقارنة مع إعادة ضغط البخار الميكانيكي (MVR)، فإن المبخرات متعددة التأثير لديها استثمار أولي أقل ومتطلبات أقل لجودة البخار، ولكن استهلاك الطاقة على المدى الطويل أعلى.

خامساً: مجالات التطبيق النموذجية

1. الصناعات الكيميائية: تركيز الصودا الكاوية، ورماد الصودا، والفوسفات، والمواد الوسيطة للأصباغ.

2. صناعة الأغذية: عصير الفاكهة، مصل اللبن، محاليل السكر، صلصة الصويا، والمالتوديكسترين.

٣. صناعة الأدوية: تركيز مستخلصات الطب الصيني التقليدي، ومرق تخمير المضادات الحيوية، ومحاليل الفيتامينات. ٤. حماية البيئة: عدم تصريف مياه الصرف الصحي عالية الملوحة، أو عصارة مدافن النفايات، أو المحلول الأم للطلاء الكهربائي؛ واستعادة أملاح المنتجات الثانوية مثل كلوريد الصوديوم وكبريتات الصوديوم.

5. تحلية مياه البحر: مقترنة بالمعالجة الكهروكيميائية متعددة التأثيرات ذات درجة الحرارة المنخفضة (LT-MEE) والتوليد المشترك، مما يؤدي إلى نسبة إنتاج مياه عالية وميل منخفض للترسبات.

6. التطبيقات البتروكيميائية والمعدنية: مياه الصرف الناتجة عن التخليل، والمحلول الأم للمحفز، وفصل الزيت عن الماء.

سادساً: المزايا والعيوب

المزايا

يقلل بشكل كبير من استهلاك البخار الحي؛ وتنخفض تكاليف التشغيل مع زيادة الحجم.

متطلبات منخفضة لضغط البخار الداخل والكهرباء، مناسبة للمحطات التي تحتوي على بخار منخفض الضغط.

تكنولوجيا ناضجة، ومرونة تشغيلية عالية، وقادرة على التعامل مع المواد غير الحساسة للحرارة، وذات التركيز العالي، والمواد البلورية.

نظام معياري؛ يمكن دمج 2-6 تأثيرات بحرية، مما يسهل توسيع القدرة الإنتاجية.

القيود

تؤدي زيادة عدد تأثيرات الكفاءة إلى زيادة أسية في مساحة نقل الحرارة، واستهلاك الصلب، والاستثمار الأولي؛

المواد ذات الارتفاع الكبير في درجة الغليان (مثل محاليل هيدروكسيد الصوديوم والسكر) ستؤدي إلى تآكل سريع في فرق درجة الحرارة، مما يحد من عدد تأثيرات الكفاءة؛

يلزم وجود مياه تبريد متداولة ومضخات تفريغ، ويبقى استهلاك المياه والكهرباء كما هو؛

لا تزال درجة الحرارة مرتفعة للغاية بالنسبة للمواد الحساسة للحرارة، مما يتطلب اقترانها بالأغشية المتساقطة، أو إعادة الضغط الميكانيكي، أو إعادة الضغط الحراري.

سابعاً: اعتبارات الاختيار وتصميم النظام

1. خصائص المادة: ارتفاع نقطة الغليان، واللزوجة، وطريقة التبلور، والحساسية للحرارة، والتآكل تحدد عدد تأثيرات الكفاءة، وتدفق العملية، والمادة (304/316L/2205/Ti).

2. المرافق: ضغط البخار في الموقع، ودرجة حرارة مياه التبريد، وسعر الكهرباء؛ إذا كانت أسعار البخار مرتفعة وأسعار الكهرباء منخفضة، فيمكن استخدام MVR؛ إذا كان البخار غير مكلف، فإن أنظمة الكفاءة المتعددة هي الخيار الأكثر استقرارًا.

3. نمط التشغيل: يتميز التشغيل المستمر بأقل استهلاك للطاقة؛ ويمكن استخدام التشغيل شبه المستمر أو التشغيل الدوري على دفعات للعمليات المتقطعة أو ذات الدفعات الصغيرة. 4. منع الترسبات والتنظيف: بالنسبة للأملاح قليلة الذوبان مثل كبريتات الكالسيوم وثاني أكسيد السيليكون، يتم توفير واجهات تنظيف وحقن كيميائي مباشر؛ ولتحسين كفاءة التبلور، تُستخدم بلورات من نوع أوسلو (OSLO) أو بلورات DTB.

5. الأتمتة: يتحكم نظام DCS/PLC في مستوى السائل والضغط والكثافة وموصلية المكثف لتحقيق إزالة المركزات تلقائيًا والتنظيف التلقائي في الخط (CIP).

6. المقايضات الاقتصادية: باستخدام "التكلفة الإجمالية السنوية = الاستهلاك + تكلفة البخار + تكلفة المياه والكهرباء + تكلفة الصيانة" كدالة هدف، فإن 2-4 تأثيرات تصل عادة إلى الحد الأدنى من القيمة؛ بالنسبة للمقاييس >10 طن/ساعة، فإن ثلاثة تأثيرات أو أكثر تظهر مزايا كبيرة.

الخلاصة: تستغل المبخرات متعددة التأثير الطاقة الحرارية استغلالاً كاملاً من خلال "تتابع البخار متعدد المراحل"، مما يجعلها من أكثر تقنيات التركيز نضجاً وموثوقية على نطاق واسع المتاحة حالياً. ومع تزايد الطلب على معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة دون تصريف، وتطوير مواد جديدة لبطاريات الليثيوم، وتحلية مياه البحر، يجري تطوير المبخرات متعددة التأثير لتصبح أكبر حجماً، ذات فراغ عالٍ، وفروق درجات حرارة منخفضة، ودوران قسري، وتقنية دمج إعادة تعبئة البخار الميكانيكي/إعادة تعبئة البخار الحراري، لتستمر في لعب دور محوري في مجال ترشيد الطاقة الصناعية وإعادة تدوير الموارد على مستوى العالم.