تبخیر یکی از مهمترین عملیاتهای حرارتی در صنایع فرآیندی است و زمانی استفاده میشود که لازم باشد آب یا حلال فرار از یک محلول جدا شود و غلظت محصول افزایش یابد. چالش اصلی تبخیر، مصرف بالای انرژی است، زیرا بخاردهی مداوم هزینه عملیاتی زیادی ایجاد میکند. برای حل این مشکل، تکنولوژی Multi-Effect Evaporator (MEE) توسعه یافته است. در این سیستم، بخار تولیدشده در یک مرحله، به جای تخلیه شدن، بهعنوان منبع حرارتی مرحله بعدی استفاده میشود. بدین ترتیب مصرف بخار تا چند برابر کاهش مییابد و فرآیند بسیار اقتصادیتر میشود.
ساختار و اصول عملکرد چند اثر اواپراتور
مکانیسم عملکرد اواپراتور
یک MEE معمولاً از چندین افکت (Effect) یا مرحله تشکیل میشود. در افکت اول، بخار زنده (Live Steam) وارد مبدل حرارتی میشود و خوراک را گرم میکند. بخار حاصل از تبخیر، به جای رها شدن، وارد افکت دوم میشود و نقش منبع گرما را بازی میکند.
در هر افکت، فشار و دما کاهش مییابد. این کاهش باعث میشود که بخار افکت قبلی حتی با دمای کمتر همچنان قادر به جوشاندن محلول در افکت بعدی باشد.
موازنه جرم و انرژی
در یک MEE، بخار مصرفی به صورت تقریبی طبق نسبت زیر کاهش مییابد:
هرچه تعداد افکتها بیشتر باشد، Steam Economy بالاتر و مصرف انرژی کمتر میشود. در یک سیستم 4 افکت، معمولاً economy حدود 3 تا 4 متداول است.
انواع چند اثر اواپراتور
Forward Feed
خوراک از افکت اول وارد شده و به ترتیب به سمت افکتهای بعدی حرکت میکند. مزیت: عدم نیاز به پمپ در همه مراحل. مناسب خوراکهای دمای بالا.
Backward Feed
خوراک از افکت آخر وارد شده و به عقب حرکت میکند. مزیت: هر افکت باعث افزایش دما در افکت قبلی میشود و در نتیجه انتقال حرارت برای محلولهای غلیظ بهتر انجام میشود.
Mixed Feed
ترکیبی از مسیرهای بالا، برای بهینهسازی انرژی و کیفیت محصول.
Parallel Feed
خوراک به صورت همزمان وارد همه افکتها میشود. مناسب برای خوراکهایی با یکنواختی زیاد.
Falling Film
مایع در قالب یک فیلم نازک در طول لولهها حرکت میکند. انتقال حرارت بالا و زمان اقامت کم؛ مناسب مواد حساس به حرارت.
Rising Film
حرکت صعودی فیلم در لولهها با نیروی گاز تولیدشده. نسبت به Falling Film قدیمیتر ولی همچنان کاربردی.
Agitated Thin Film (ATFE)
برای سیالات بسیار ویسکوز یا حساس به حرارت. از روتور چرخان جهت جلوگیری از تشکیل رسوب استفاده میکند.
اجزای اصلی چند اثر اواپراتور
مبدل حرارتی (Heat Exchanger)
قلب سیستم است و انتقال حرارت را بین بخار و محلول انجام میدهد.
Separator
بخار و مایع را از هم جدا میکند. کیفیت جداسازی تأثیر مستقیم بر عملکرد دارد.
Condenser
برای میعان بخار خروجی آخرین افکت استفاده میشود.
سیستم کنترل Steam Economy
با اندازهگیری فشار، دما و دبی، عملکرد سیستم را بهینه میکند.
پمپها و خطوط لوله
برای جابهجایی خوراک، محصول و کندانس.
طراحی و معیارهای انتخاب MEE
تعداد افکتها
هرچه تعداد افکتها بیشتر باشد مصرف بخار کمتر، اما هزینه سرمایهگذاری بیشتر میشود. معمولاً 3 تا 7 افکت طراحی میشود.
نوع خوراک
ویسکوزیته، دمای ورودی، حساسیت حرارتی، پتانسیل رسوبگذاری و خورندگی، در انتخاب نوع MEE بسیار مهم است.
Steam Economy
معیار کلیدی در انتخاب سیستم. بهتر است سیستم با TVR یا MVR ترکیب شود تا مصرف انرژی کاهش یابد.
انتقال حرارت و طراحی هیدرولیکی
انتخاب جنس لوله، سرعت جریان، ضخامت رسوب و U-value همگی در طراحی اهمیت دارند.
طراحی و معیارهای انتخاب چند اثر اواپراتور
تعداد افکتها
هرچه تعداد افکتها بیشتر باشد مصرف بخار کمتر، اما هزینه سرمایهگذاری بیشتر میشود. معمولاً 3 تا 7 افکت طراحی میشود.
نوع خوراک
ویسکوزیته، دمای ورودی، حساسیت حرارتی، پتانسیل رسوبگذاری و خورندگی، در انتخاب نوع MEE بسیار مهم است.
Steam Economy
معیار کلیدی در انتخاب سیستم. بهتر است سیستم با TVR یا MVR ترکیب شود تا مصرف انرژی کاهش یابد.
انتقال حرارت و طراحی هیدرولیکی
انتخاب جنس لوله، سرعت جریان، ضخامت رسوب و U-value همگی در طراحی اهمیت دارند.
کاربردهای صنعتی چند اثر اواپراتور
صنایع غذایی
غلظت شربتها، آب میوه، عصاره گیاهی، نشاسته.
دارویی
تولید عصارهها و جداسازی حلالهای حساس.
لبنیات
تولید شیر تغلیظشده، وی پروتئین.
صنایع شیمیایی
تولید سود، اسیدها، نمکها و محلولهای صنعتی.
تصفیه پساب
کاهش TDS و COD، بازیابی آب و ارزشمند کردن پساب.
مزایا و محدودیتها تبخیرکننده چندمرحلهای (MEE)
مزایا
- کاهش مصرف انرژی 40 تا 70 درصد
- هزینه عملیاتی پایین
- مناسب برای حجمهای بالای تولید
- قابلیت استفاده برای محلولهای حساس به گرما (در مدل Falling Film)
محدودیتها
- نیاز به نگهداری بالا
- خطر تشکیل رسوب و گرفتگی لولهها
- هزینه اولیه زیاد
- حساسیت نسبت به تغییرات کیفیت خوراک
مقایسه چند اثر اواپراتور با تکنولوژیهای مشابه
MVR (Mechanical Vapor Recompression)
بخار خروجی فشرده شده و مجدد به عنوان بخار ورودی استفاده میشود.
مصرف برق بالا ولی مصرف بخار بسیار کم.
TVR (Thermal Vapor Recompression)
بخار خروجی با جت بخار ترکیب شده و دوباره استفاده میشود.
هزینه کمتر از MVR ولی بازده کمتر.
Single Effect Evaporator
مصرف انرژی بالا، فقط برای ظرفیت کم مناسب است.
استانداردها و نکات بهرهبرداری و نگهداری تبخیرکننده چندمرحلهای اواپراتور
- جلوگیری از Scaling با انتخاب مواد مناسب و تمیزکاری دورهای
- کنترل pH خوراک
- استفاده از CIP (Clean-in-Place)
- جلوگیری از شوک حرارتی
- تنظیم دقیق فشار برای جلوگیری از کاویتاسیون پمپها
جمعبندی
چند اثر اواپراتور یکی از کارآمدترین روشهای صنعتی برای تبخیر و غلیظسازی است که با استفاده از مراحل چندگانه، مصرف انرژی را به شدت کاهش میدهد. انتخاب تعداد افکتها، نوع مبدل و مسیر جریان، بستگی به نوع خوراک، ظرفیت و هدف فرآیند دارد.
به دلیل مزایای گسترده در صنایع غذایی، دارویی و تصفیه پساب، MEE همچنان یک تکنولوژی استراتژیک و اقتصادی محسوب میشود.
