مبخر فيلمي ساقط أنبوبي ثلاثي التأثير

مبدأ العمل

1. عملية سلسلة التأثيرات الثلاثة:

• التأثير الأول: يدخل سائل التغذية، المُسخّن مسبقًا بواسطة المُسخّن المسبق، إلى الجزء العلوي من مُبخّر التأثير الأول، ويُوزّع بالتساوي على الجدار الداخلي لأنابيب التسخين بواسطة موزع السائل، مُشكّلًا غشاءً سائلًا. يتكثّف بخار التسخين (عادةً ما يكون بخارًا طازجًا) ويُطلق حرارةً خارج الأنابيب، مُسبّبًا تبخّر الغشاء السائل وتوليد بخار ثانوي. يدخل السائل المُركّز والبخار الثانوي إلى فاصل الغاز-السائل. يدخل السائل المُركّز المنفصل إلى التأثير الثاني، حيث يعمل البخار الثانوي كمصدر للحرارة.

• التأثير الثاني: يدخل السائل المُركّز الناتج عن التأثير الأول إلى مُبخّر التأثير الثاني، مُستخدمًا البخار الثانوي المُتولّد في التأثير الأول كوسط تسخين. وبالمثل، يتبخر الغشاء السائل، مُولّدًا بخارًا ثانويًا جديدًا. يدخل السائل المُركّز إلى التأثير الثالث، حيث يعمل البخار الثانوي كمصدر للحرارة.

• التأثير الثالث: يُركّز السائل المُركّز الناتج عن التأثير الثاني في التأثير الثالث. يأتي بخار التسخين المُستخدم في التأثير الثالث من البخار الثانوي الناتج عنه. وأخيرًا، يُفرّغ السائل المُركّز من التأثير الثالث، ويدخل البخار الثانوي الناتج عنه إلى المُكثّف للتكثيف. تُفرّغ الغازات غير القابلة للتكثيف عبر نظام التفريغ.

2. استغلال الطاقة المتتالية: 

تنخفض درجة حرارة التبخر والضغط تدريجيًا في كل تأثير (مصمم عادةً للتشغيل بالفراغ)، مما يضمن تدفق البخار بشكل طبيعي إلى التأثير التالي كمصدر للحرارة، مما يشكل "تدرجًا في درجة الحرارة والضغط".

يؤدي الفرق في درجات الحرارة بين التأثيرات إلى نقل الحرارة، ويزداد تركيز المادة تدريجيًا أثناء عملية التركيز التدريجي، حتى يتم تحقيق نسبة التركيز المطلوبة في النهاية.

3. اتجاه تدفق المواد والبخار:

اتجاه تدفق المواد: عادة ما يكون متزامنا (في نفس اتجاه البخار)، أي يتدفق بشكل متسلسل من التأثير الأول إلى التأثير الثالث، مع زيادة التركيز تدريجيا.

اتجاه تدفق البخار: معاكس (في الاتجاه المعاكس للمادة)، أي يدخل البخار الطازج من التأثير الأول، ويتم استغلاله تدريجيا حتى التأثير الثالث، وأخيرا يتكثف.

الهيكل الأساسي والمكونات

1. وحدة التبخير ثلاثية التأثير:

يحتوي كل تأثير على مبخر فيلم ساقط أنبوبي مستقل (حزمة أنابيب التسخين، موزع السائل، فاصل الغاز والسائل).

2. المسخن المسبق: يستخدم المكثف أو البخار منخفض الحرارة من كل تأثير لتسخين سائل التغذية مسبقًا، مما يحسن الكفاءة الحرارية.

3. نظام الفراغ: يحافظ على بيئة الضغط المنخفض داخل كل تأثير مبخر، مما يخفض نقطة غليان المواد ويتكيف مع المواد الحساسة للحرارة.

4. نظام التحكم: يدمج أجهزة استشعار درجة الحرارة والضغط ومستوى السائل لضبط المعلمات مثل معدل تدفق التغذية وضغط البخار ومستوى الفراغ لكل تأثير تلقائيًا.

5. مضخة الدورة الدموية: تستخدم لنقل المواد بين التأثيرات، مما يضمن تدفقًا مستقرًا للمركز.

6. نظام التكثيف: يتم تكثيف البخار الناتج عن التأثير الأخير من خلال مكثف (مثل مكثف قشري وأنبوبي أو مكثف لوحي) لاستعادة المكثف أو المذيب.

مزايا هامة

١. توفير فائق للطاقة: بفضل تقنية التبخير ثلاثي التأثير، يُستخدَم البخار المُولَّد في كل تأثير في التأثير التالي، مما يُقلِّل استهلاك البخار الطازج بشكل كبير. وبالمقارنة مع مُبخِّرات التأثير الفردي، يُمكن أن يصل توفير الطاقة إلى أكثر من ٧٠٪.

2. نسبة التركيز العالية: يتيح التبخر متعدد المراحل تركيز المواد عالية التركيز، وهو مناسب للتطبيقات مثل استعادة الملح المتبلور ومعالجة مياه الصرف الصحي عالية الملح.

3. قابلية التطبيق القوية للمواد الحساسة للحرارة: يمنع وقت الإقامة القصير لتبخر الفيلم الساقط (بالثواني) والتشغيل في درجات حرارة منخفضة (نقطة الغليان منخفضة تحت الفراغ) تحلل المواد أو تدهورها. 

4. التشغيل المستقر والأتمتة: يتيح نظام PLC ضبط المعلمات تلقائيًا، مثل التحكم في درجة الحرارة ومستوى السائل والضغط لكل تأثير، مما يقلل من التدخل اليدوي.

5. الفوائد البيئية: يقلل من استهلاك البخار ومياه التبريد، ويقلل من انبعاثات الكربون، ويلبي متطلبات الإنتاج الأخضر.

مجالات التطبيق

1. الصناعة الكيميائية: تركيز مياه الصرف الصحي عالي الملوحة وعدم وجود تصريف؛ استعادة المذيبات العضوية (مثل الكحولات والأحماض).

2. الأغذية والمشروبات: تركيزات عالية من عصائر الفاكهة ومنتجات الألبان والشراب، للحفاظ على النكهة والتغذية.

3. الصناعات الدوائية والهندسة الحيوية: تركيز المواد الوسيطة الحساسة للحرارة؛ فصل مستخلصات المضادات الحيوية.

4. تحلية مياه البحر واستعادة الموارد: تركيز مياه البحر لإنتاج الملح، أو استعادة الأملاح القيمة من مياه الصرف الصحي.

5. مواد الطاقة الجديدة: تركيز إلكتروليتات بطاريات الليثيوم، وفصل العناصر الأرضية النادرة، وما إلى ذلك.

الاعتبارات الرئيسية للتصميم والتشغيل

1. مطابقة درجة الحرارة والضغط بين التأثيرات: مطلوب حساب دقيق لدرجة حرارة التبخر وفرق الضغط بين كل تأثير لضمان تدفق البخار الطبيعي وتجنب "التبخر حتى الجفاف" أو نقل الحرارة غير الكافي. 

2. منع التكلس والتنظيف: بالنسبة للمواد المعرضة للتكلس، قم بتصميم حزم أنابيب ذات قنوات واسعة أو أنظمة تنظيف عبر الإنترنت للتنظيف الكيميائي أو الميكانيكي المنتظم.

3. التحكم في سيولة المواد: الحفاظ على سماكة ثابتة للفيلم السائل داخل كل تأثير باستخدام المضخات الدائرية أو التحكم في مستوى السائل لمنع الجدران الجافة أو تمزق الفيلم السائل.

4. صيانة نظام التفريغ: تأكد من التشغيل المستقر لمضخة التفريغ لمنع تسرب الهواء الذي قد يقلل من كفاءة التبخر.

مقارنة مع مبخرات MVR

1. مصدر الطاقة: تعتمد المبخرات ذات التأثير الثلاثي على البخار الطازج لبدء التشغيل وتستهلك كمية صغيرة فقط من البخار أثناء التشغيل على المدى الطويل؛ تعتمد مبخرات MVR بالكامل على الكهرباء لتشغيل الضاغط ولا تتطلب أي بخار خارجي.

2. السيناريوهات القابلة للتطبيق: تكون أجهزة التبخير ذات التأثير الثلاثي مناسبة للسيناريوهات التي تكون فيها أسعار البخار منخفضة والإمدادات وفيرة؛ وتكون أجهزة التبخير ذات التأثير المتوسط مناسبة للمواقف التي تكون فيها تكاليف البخار عالية أو توفر البخار محدود.

3. الاستثمار الأولي واستهلاك الطاقة: الاستثمار الأولي للمبخرات ذات التأثير الثلاثي أقل من الاستثمار في المبخرات ذات التأثير المتوسط، ولكن استهلاكها للطاقة على المدى الطويل أعلى قليلاً.

اتجاهات التنمية

1. الترقية الذكية: دمج خوارزميات الذكاء الاصطناعي لتحسين التحكم في المعلمات، وتحقيق التعديل الديناميكي والتحذير من الأخطاء.

2. ابتكار المواد: استخدام السبائك المقاومة للتآكل أو الطلاءات الخزفية للتعامل مع المواد شديدة التآكل.

3. تقنية الاقتران متعدد التأثيرات: يتم دمجها مع المضخات الحرارية وفصل الأغشية وغيرها من التقنيات لتحسين استخدام الطاقة بشكل أكبر.

ملخص: 

مُبخِّر الغشاء المتساقط الأنبوبي ثلاثي التأثير، بفضل التوصيل التسلسلي متعدد التأثيرات وتقنية تبخير الغشاء المتساقط، يُحقق توفيرًا سريعًا للطاقة، ونسبة تركيز عالية، وتشغيلًا مستقرًا. يُعدّ هذا المُبخِّر قطعةً أساسيةً في معالجة المواد المعقدة واسعة النطاق من خلال التبخير والتركيز. توازنه بين توفير الطاقة والاقتصاد يجعله لا غنى عنه في العديد من المجالات الصناعية.