مبخر ذو تأثير رباعي بغشاء ساقط

1. مبدأ العمل الأساسي والعملية

المبدأ الأساسي يكمن في تكوين وتبخير فيلم سائل داخل كل أنبوب تسخين لكل تأثير، والاستخدام التدريجي للبخار الثانوي.

توزيع الغشاء والتبخير: يُوزّع السائل المُعالَج مسبقًا بالتساوي على قمة حزمة أنبوب التسخين ذي التأثير الأول عبر موزع دقيق. بفعل الجاذبية، يُشكّل غشاءً سائلًا متجانسًا ويتدفق لأسفل على طول الجدار الداخلي للأنابيب. يُدخَل البخار الحيّ خارج الأنابيب للتسخين، فيمتصّ الغشاء السائل الحرارة ويتبخر فورًا، مُولِّدًا بخارًا ثانويًا.

اتصال سلسلة الطاقة الحرارية متعددة التأثيرات:

• يعتبر البخار الثانوي الناتج عن التأثير الأول بمثابة مصدر للحرارة للتأثير الثاني.

• يعتبر البخار الثانوي الناتج عن التأثير الثاني بمثابة مصدر للحرارة للتأثير الثالث.

• يعتبر البخار الثانوي الناتج عن التأثير الثالث بمثابة مصدر للحرارة للتأثير الرابع.

التغذية بتيار معاكس (عملية شائعة): لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة الحرارية، تُستخدم عادةً عملية تيار معاكس. تُسخّن المادة الخام أولًا في التأثير الرابع، ثم تُضخّ بالتتابع في التأثيرين الثالث والثاني، وتُركّز أخيرًا في التأثير الأول. بهذه الطريقة، تدخل المادة الأبرد إلى التأثير الأخير ذي أعلى فراغ وأقل درجة حرارة، بينما تدخل المادة الأكثر تركيزًا وسخونة في التأثير الأول ذي أعلى درجة حرارة، مما يُحقق كفاءة تبادل حراري مثالية.

نظام التكثيف والفراغ: يدخل البخار الثانوي غير القابل للاستخدام من التأثير الرابع إلى مكثف التأثير النهائي، حيث يُكثَّف بالكامل بواسطة ماء التبريد. يُدار النظام بأكمله بواسطة مضخة تفريغ، خاصةً في التأثير النهائي حيث يكون مستوى الفراغ في أعلى مستوياته (عادةً أعلى من -0.085 ميجا باسكال) ودرجة الغليان في أدنى مستوياتها (تصل إلى 50-60 درجة مئوية).

2. الميزات والمزايا التقنية

كفاءة طاقة استثنائية: تُظهر الحسابات النظرية أن الكفاءة الاقتصادية لتبخير التأثير الرابع يمكن أن تصل إلى (٠.٣ كجم بخار/كجم ماء). في التشغيل الفعلي، يتطلب تبخير طن واحد من الماء ما بين ٠.٢٥ و٠.٣ طن من البخار الحي، مما يُحقق وفورات كبيرة في الطاقة وتكاليف تشغيل منخفضة للغاية.

تكيف ممتاز مع المواد الحساسة للحرارة: تتبخر المواد عند درجات حرارة منخفضة في كل تأثير، وخاصةً التأثير النهائي، مع فترات بقاء قصيرة جدًا للفيلم الساقط (عشرات الثواني فقط). هذا يمنع تمامًا تحلل المكونات الحساسة للحرارة (مثل الأغذية والأدوية والمنتجات البيولوجية)، أو تفككها، أو بلمرتها، أو احتراقها، مما يعزز الحفاظ على نشاط المنتج ولونه ونكهته.

كفاءة نقل الحرارة العالية: فيلم سائل رقيق، اضطراب جيد، لا يوجد ارتفاع في نقطة الغليان بسبب الضغط الساكن لعمود السائل، فرق كبير في درجة حرارة نقل الحرارة الفعالة، ومعامل نقل الحرارة العالي.

فقدان رأس الضغط الساكن المنخفض: نظرًا لعدم وجود مستوى سائل داخل الأنابيب، يتم تجنب ارتفاع نقطة الغليان الناجم عن الضغط الساكن لعمود السائل بشكل فعال، ويتم الاستفادة الكاملة من فرق درجة حرارة نقل الحرارة.

قدرة معالجة كبيرة: يمكن للتصميم المتوازي متعدد التأثيرات التعامل مع متطلبات التبخر الكبيرة جدًا.

3. مكونات النظام الرئيسية

غرفة التسخين: أربع مجموعات من المبادلات الحرارية الرأسية على شكل صدفة وأنبوب، وهي جوهر نقل الحرارة.

موزع دقيق: جوهر النظام، يضمن توزيعًا موحدًا للأغشية في كل أنبوب ويمنع جفاف الجدران. تشمل القوالب ألواح غربال، وفوهات، ومحولات إعصارية.

غرفة الفصل: تتيح الفصل السريع بين البخار والسائل، مع وجود مزيل ضباب مدمج لالتقاط القطرات.

مجموعة التسخين المسبق: تستخدم الحرارة المهدرة من المكثفات والبخار الثانوي لتسخين التغذية على مراحل، مما يحسن الكفاءة الحرارية.

نظام الفراغ عالي الأداء: ضروري للحفاظ على بيئة درجة الحرارة المنخفضة لمرحلة التأثير النهائية، وعادةً ما يستخدم مزيجًا من "الساق الجوية + مكثف الخلط + مضخة فراغ الحلقة السائلة".

نظام التنظيف CIP عبر الإنترنت: يقوم بإجراء التنظيف الحمضي والقلوي بانتظام لإزالة كميات ضئيلة من الترسبات والحفاظ على كفاءة عالية في نقل الحرارة.

نظام التحكم DCS/PLC: يوفر تحكمًا دقيقًا ومنسقًا لدرجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق ومستوى السائل والكثافة، مما يحقق التشغيل الآلي.

4. مجالات التطبيق 

تم تصميم هذه المعدات خصيصًا للمواد الحساسة للحرارة النظيفة أو قليلة التقشر وسيناريوهات التبخر واسعة النطاق، وتُستخدم على نطاق واسع في:

صناعة الأغذية: تركيز الحليب، تركيز عصير الفاكهة (عصير البرتقال، عصير التفاح، عصير الطماطم)، تركيز محلول السكر، تركيز مصل اللبن.

الصيدلة والهندسة الحيوية: تركيز منخفض الحرارة من المضادات الحيوية والفيتامينات والجلوكوز والأحماض الأمينية ومستخلصات النباتات ومرق التخمير.

الصناعة الكيميائية: تركيز بعض الأحماض العضوية ومحاليل الأملاح غير العضوية النظيفة.

صناعة حماية البيئة: معالجة تقليل حجم التركيز من أنظمة التناضح العكسي (RO) واسعة النطاق.

تحلية مياه البحر: كوحدة تركيز مسبق.

5. القيود واعتبارات الاختيار

قيود المواد المطبقة: غير مناسب إطلاقًا للمواد المعرضة للتكلّس أو التبلور أو التي تحتوي على كميات كبيرة من المواد الصلبة العالقة. تراكم الترسبات على جدران الأنابيب سيُعطّل توزيع الغشاء السائل بسرعة، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في كفاءة نقل الحرارة، بل وحتى الانسداد.

تكاليف الاستثمار الأعلى: يؤدي المبخر رباعي التأثير، ونظام توزيع الفيلم المعقد، ونظام التحكم إلى استثمار أولي أعلى من المبخرات ذات الكفاءة المنخفضة.

تعقيد التحكم العالي: يتم ربط التأثيرات الأربعة على التوالي، مع ظروف تشغيل مترابطة، مما يتطلب استقرارًا ودقة عالية للغاية من نظام التحكم التلقائي.

متطلبات صارمة لنظام توزيع المواد: يمكن أن يؤدي التوزيع غير المتساوي للفيلم إلى ظهور ترسبات على الجدران الجافة لبعض الأنابيب والفيضانات في أنابيب أخرى، مما يؤثر بشدة على التشغيل.

يُعدّ مُبخّر الفيلم المتساقط رباعي التأثير أحد الحلول المُثلى لتوفير الطاقة لمعالجة المواد شديدة الحساسية للحرارة ذات أحجام التبخير الكبيرة. تُؤدي كفاءته العالية في استخدام الطاقة وظروف التبخير المعتدلة إلى انخفاض تكاليف التشغيل بشكل كبير وجودة المنتج العالية، إلا أن الاستثمار المرتفع والمتطلبات الصارمة للمواد تعني أن تطبيقه الناجح لا يمكن أن يتم إلا بناءً على تحليل واضح لخصائص المواد وتصميم دقيق للعملية.