مبخر ذو دوران قسري ثلاثي التأثير

المفاهيم الأساسية ومبادئ العمل

١. التبخير متعدد التأثيرات: يعتمد هذا التبخير على الاستخدام المتسلسل للطاقة. يدخل البخار الحي (الطاقة الأولية) أولاً إلى حجرة التسخين في التأثير الأول، ويُسخّن المادة، ثم يتكثف إلى ماء. ثم يُدخل البخار الثانوي الناتج عن التأثير الأول إلى حجرة التسخين في التأثير الثاني كمصدر للحرارة، وهكذا. بهذه الطريقة، يُمكن لطن واحد من البخار الحي أن يُبخّر ما يقارب ٣ أطنان من الماء، مما يُحسّن بشكل كبير من استخدام الطاقة الحرارية.

٢. الدورة القسرية: بخلاف الدورة الطبيعية، تستخدم هذه الدورة مضخة دوران عالية التدفق بين حجرة التبخير وحجرة التسخين لكل تأثير. تُجبر هذه المضخة المادة على التدفق عبر أنابيب التسخين بسرعة عالية (عادةً ١.٥ إلى ٣.٥ متر/ثانية)، مما يؤدي إلى تأثيرين رئيسيين:

تثبيط التكلس والتبلور: يتدفق تدفق المواد عالي السرعة عبر جدران الأنبوب، مما يقلل بشكل كبير من ترسب المواد المذابة والتكلس على سطح التسخين.

تحسين نقل الحرارة: تعمل سرعة التدفق العالية على تعطيل الطبقة الحدودية الصفائحية لجدران الأنبوب، مما يعزز الاضطرابات ويحسن معامل نقل الحرارة.

المكونات الرئيسية للنظام

• يشتمل نظام التبخير النموذجي للدورة القسرية ثلاثية التأثير على ما يلي:

• غرفة التسخين: مبادل حراري على شكل صدفة وأنبوب، وهو المكون الأساسي لتبادل الحرارة بين البخار والمادة.

• غرفة فصل التبخر: تومض المادة هنا، مما يؤدي إلى فصل البخار الثانوي عن التركيز.

• مضخة الدوران القسري: "قلب" النظام، تعمل على توفير الطاقة اللازمة لتداول المواد؛ وهي قطعة أساسية من المعدات.

• المسخن المسبق: يستخدم الحرارة المهدرة من المكثف أو البخار الثانوي لتسخين التغذية مسبقًا.

• نظام التفريغ: يقع عادةً في التأثير الأخير. يُخفّض درجة غليان التأثير الأخير، مما يزيد من فرق درجة الحرارة الإجمالي المُحفّز للنظام، ويُقلّل استهلاك البخار بشكل أكبر.

• المكثف: يقوم بتكثيف وتفريغ البخار الثانوي الناتج في التأثير الأخير.

• نظام التحكم: يقوم بأتمتة التحكم في معدل تدفق المواد، والتركيز، ومستوى السائل، ودرجة الحرارة، والضغط عند كل تأثير.

المزايا الرئيسية والسيناريوهات القابلة للتطبيق

المزايا:

١. كفاءة حرارية عالية جدًا: هذه هي أهم مزاياها. استهلاك البخار أقل بكثير من التبخير أحادي التأثير، مما يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة وانخفاض تكاليف التشغيل.

٢. قدرة معالجة عالية وتطبيق واسع: مناسب بشكل خاص لمعالجة المواد عالية اللزوجة، سهلة التكلس، والمتبلورة. ومن الأمثلة على ذلك: الأملاح في الصناعات الكيميائية (مثل كلوريد الصوديوم وكبريتات الصوديوم)، وشراب الفركتوز في الصناعات الغذائية، والمستخلصات في الصناعات الدوائية، ومياه الصرف الصناعي (التي تحتوي على مياه صرف مالحة) في قطاع حماية البيئة.

3. مضاد للتكلس ودورة تشغيل طويلة: تعمل عملية التنظيف عالية السرعة للدورة القسرية على جعل المعدات أقل عرضة للتكلس، مما يضمن كفاءة نقل الحرارة المستقرة على المدى الطويل وإطالة دورة التنظيف.

4. مرونة تشغيلية عالية: من خلال ضبط معدل تدفق المضخة الدائرية والضغط المتداخل، يمكنها التكيف مع ظروف التغذية المختلفة ومتطلبات التركيز.

العيوب:

1. تكلفة الاستثمار العالية: نظرًا للعدد الكبير من التأثيرات والحاجة إلى مضخات دائرية عالية الطاقة، فإن تكاليف الاستثمار الأولي في المعدات وتكاليف التثبيت مرتفعة.

2. استهلاك الطاقة العالي: تعد مضخات الدورة القسرية من المعدات عالية الطاقة، ويشكل استهلاكها للطاقة أحد تكاليف التشغيل الرئيسية للنظام، مما يعوض فوائد توفير البخار إلى حد ما.

3. تأثير القص المحتمل على المواد: بالنسبة لبعض المواد الحساسة لقوى القص (مثل بعض البوليمرات أو المنتجات البيولوجية)، قد تتسبب مضخات الدورة عالية السرعة في تدهور المنتج أو حدوث تغييرات في خصائصه.

تدفق العملية (مثال متزامن)

خذ على سبيل المثال عملية متزامنة حيث يتدفق المادة والبخار في نفس الاتجاه مع بعضهما البعض:

1. يدخل السائل الخام، بعد التسخين المسبق، في التأثير الأول.

2. يقوم البخار الحي بتسخين المادة في التأثير الأول، ويدخل البخار الثانوي الناتج إلى حجرة التسخين في التأثير الثاني.

3. يدخل السائل المركز من التأثير الأول، والذي يتم تشغيله بواسطة مضخة دائرية، جزئيًا إلى التأثير الثاني.

4. يدخل البخار الثانوي الناتج عن التأثير الثاني إلى التأثير الثالث، ويدخل السائل المركز منه أيضًا إلى التأثير الثالث.

٥. يعمل التأثير الثالث في الفراغ، محققًا أدنى درجة غليان. يُفرَّغ السائل المُركَّز النهائي، المُستوفي للمتطلبات، من أسفل التأثير الثالث.

6. يدخل البخار الثانوي الناتج عن التأثير الثالث إلى المكثف ويتكثف بشكل كامل.

ملخص: 

يُوازن مُبخِّر الدوران القسري ثلاثي التأثير بكفاءة الطاقة، والاستقرار، والقدرة على التكيف، من خلال تقنيات "استخدام الطاقة المتدرج" و"الدوران القسري" المبتكرة. ورغم ارتفاع استثماره الأولي واستهلاكه للطاقة نسبيًا، إلا أن أدائه المتميز في التعامل مع المواد الصعبة، واستهلاكه المنخفض للغاية للبخار، يجعله لا غنى عنه في الإنتاج الصناعي واسع النطاق، وإحدى العمليات المُفضّلة للتبخير السريع والموفر للطاقة في العديد من الصناعات.