Evaporators & Crystallizers
Heating options for thermal separation plants
Traditionally, an evaporator or crystallizer is heated by live steam, but waste heat (e.g. recompressed vapor, drier vapor, hot water or thermal oil) can be used as energy source as well, as long as the amount of energy required for the thermal separation process is given.
خيارات التسخين لمحطات الفصل الحراري
تقليديًا، يتم تسخين المبخر أو وحدات البلمرة بالبخار الحي، ولكن يمكن استخدام الحرارة المهدرة (مثل البخار المعاد ضغطه أو البخار المجفف أو الماء الساخن أو الزيت الحراري) كمصدر للطاقة أيضًا، طالما يتم توفير كمية الطاقة المطلوبة لعملية الفصل الحراري.
مسخن بالبخار (فردي/متعدد التأثير)
A منتج/B مركز/C مكثف/D نظام تسخين/E بخار
لتبخير الماء في مبخر ذي تأثير واحد، ينتج حوالي 1 طن/ساعة من البخار الحي حوالي 1 طن/ساعة من البخار نظرًا لأن قيم حرارة التبخر المحددة على جوانب التسخين والمنتج متماثلة تقريبًا.
إذا تم استخدام أبخرة المنتج الناتجة عن تأثير التبخر لتسخين تأثير تبخر آخر يعمل بضغط منخفض، فسيتم تقليل استهلاك البخار للنظام الكلي وفقًا لذلك.
إذا تم استخدام كمية البخار الناتجة عن الطاقة الأساسية كبخار تسخين في تأثير تبخر ثانٍ، فسيتم تقليل استهلاك الطاقة في النظام الكلي بحوالي 50٪. يمكن الاستمرار بتطبيق هذا المبدأ على مزيد من التأثيرات لتوفير المزيد من الطاقة.
| بخار حي [طن/ساعة] | بخار [طن/ساعة] | استهلاك البخار المحدد | |
| محطة أحادية التأثير | 1 | 1 | 100% |
| محطة ثنائية التأثير | 1 | 2 | 50% |
| محطة ثلاثية التأثير | 1 | 3 | 33% |
| محطة رباعية التأثير | 1 | 4 | 25% |
تحدد درجة حرارة التسخين القصوى للتأثير الأول، مع أدنى درجة حرارة غليان للتأثير النهائي، فرقًا إجماليًا في درجة الحرارة يمكن تقسيمه بين التأثيرات الفردية.
هذا يعني أنه في حالة زيادة عدد التأثيرات، ينخفض فرق درجة الحرارة لكل تأثير وفقًا لذلك.
لهذا السبب، يجب أن تكون أبعاد أسطح التسخين للتأثيرات الفردية أكبر وفقًا لذلك لتحقيق معدل التبخر المطلوب عند متوسط فرق درجة حرارة أقل (∆ Tm). ويُظهر تقدير أولي أن سطح التسخين الكلي لجميع التأثيرات يزيد بشكل متناسب مع عدد التأثيرات. وبالتالي، فإن تكاليف الاستثمار ترتفع بشكل كبير في حين أن كمية الطاقة الموفرة تصبح أقل بشكل متناسب.
جهاز إعادة ضغط البخار الحراري
A منتج/B مركز/C مكثف/D نظام تسخين/E بخار
أثناء إعادة ضغط البخار، يُعاد ضغط البخار من الفاصل إلى الضغط الأعلى الخاص بجانب التسخين لحزمة الأنبوب.
يمكن إعادة استخدام ما يقرب من نصف الأبخرة الناتجة عن عملية التبخر للتدفئة، بينما يتدفق النصف الآخر إلى التأثير التالي لدفع المعالجة هناك. وكمية بخار معينة أو ما يُسمى بدافع البخار، مطلوبة لتشغيل جهاز إعادة ضغط البخار الحرارية.
تُستخدم ضواغط البخار النفاثة لإعادة ضغط البخار الحراري (TVR). وهي تعمل وفقًا لمبدأ مضخة البخار النفاثة. لا تحتوي على أجزاء متحركة، وبالتالي لا توجد أجزاء قابلة للتآكل، وهذا يضمن أقصى قدر من الاعتمادية التشغيلية. تم تصميم أجهزة إعادة ضغط البخار الحراري داخل الشركة.
تتمتع GEA بخبرة تزيد عن مائة عام في توريد المضخات والضواغط البخارية النفاثة.
إعادة ضغط البخار الميكانيكي (MVR)
A منتج/B مركز/C مكثف/D نظام تسخين/E بخار/El طاقة كهربائية
في حين أن ضواغط البخار النفاثة تضغط فقط جزءًا من البخار الذي يغادر المبخر، فإن أجهزة إعادة ضغط البخار الميكانيكية (MVR) قادرة على إعادة تدوير كل البخار.
تتم إعادة ضغط البخار إلى ضغط درجة حرارة بخار التسخين المقابلة للمبخر، وذلك باستخدام جزء صغير من الطاقة الكهربائية مقارنةً بالمحتوى الحراري المُستعاد في البخار. وكثيرًا ما تُستخدم طاقة مكثف البخار للتسخين المسبق لتغذية المنتج.
وقد تكون كمية صغيرة من البخار الإضافي أو تكثيف كمية صغيرة من البخار الزائد مطلوبةً للحفاظ على التوازن الحراري الكلي للمبخر ولضمان شروط تشغيل مستقرة وذلك اعتمادًا على ظروف تشغيل المصنع، خاصة أثناء بدء التشغيل.
تُستخدم مراوح الطرد المركزي وحيدة الطور في محطات التبخير نظرًا لبساطتها وتصميمها الذي يساعد على الصيانة (يتم توفيرها كمراوح ضغط عالٍ). وهي تعمل بسرعات تدفق عالية، ومن ثم فهي مناسبة لمعدلات التدفق عند نسب ضغط البخار من 1:1.2 إلى 1:2. وعادةً ما تتراوح سرعات الدوران من 3,000 إلى 12,000 دورة في الدقيقة. ويمكن استخدام المراوح المتعددة لزيادات الضغط العالي.
البخار مقابل الكهرباء
اعتمادًا على الظروف المحلية وتكاليف المرافق الخاصة بالمشروع، يمكن تقييم خيار التدفئة الأكثر ملاءمة للبيئة والأكثر فعالية من حيث التكلفة بناءً على أرقام الاستهلاك النموذجية.
تعد إمكانية استخدام الكهرباء من مصادر متجددة بدلًا من البخار من الوقود الأحفوري من أكبر المزايا التي توفرها التدفئة الكهربائية.
استهلاك المرافق المحددة لكل طن من التبخر
| البخار [طن] | الكهرباء [كيلوواط ساعة] | مياه التبريد [m³ (∆T = 10K)] | |
| البخار الحي | 1 | ثانوي | 60 |
| ثنائي التأثير | 0.5 | ثانوي | 30 |
| ثلاثي التأثير | 0.33 | ثانوي | 20 |
| رباعي التأثير | 0.25 | ثانوي | 15 |
| TVR | ~0.5 | ثانوي | 30 |
| جهاز إعادة ضغط البخار الميكانيكي | ثانوي | ~30-50 | ثانوي |
الأمر الذي ليس أقل أهمية وذو أهمية خاصة للمناطق القاحلة، فإن استخدام التدفئة الكهربائية يقلل بشكل كبير من الحاجة إلى مياه التبريد. وعمومًا، ومع الاقتصاد الدائري والميول الجديدة لتقليل استهلاك الطاقة التي تأخذ دورًا أكثر ترجيحًا، تزداد إعادة ضغط البخار الميكانيكي MVR كخيار مناسب.
يتم تنفيذ العديد من عمليات التبلور في درجات حرارة منخفضة بسبب قيود نظام الطور أو المنتجات الحساسة لدرجة الحرارة. لذلك، فإن التبريد الفعال مطلوب والذي يمكن أن يحدث إما عن طريق التبريد الفراغي أو عن طريق تبريد السطح.
(محطات تبخير) مسخنة ببخار مجفف
المعايير الرئيسية لاستخدام بخار المجفف لتسخين محطات التبخير هي نقطة الندى لخليط بخار الماء والهواء الناتج عن وجود غازات خاملة و/أو هواء بداخل المحطات. كلما ارتفعت نقطة الندى، ارتفع محتوى بخار الماء وبالتالي محتوى الطاقة القابل للاستخدام.
إذا كانت أبخرة المجفف تحتوي على غبار وأبخرة شحوم فيمكن أن تترسب في المصقلة، وبالتالي تعيق وأيضًا تمنع انتقال الحرارة من التسخين إلى حجيرة الغليان. ويمكن تجنب ذلك عن طريق تنظيف بخار المجفف في جهاز تنقية بخار من GEA. عادةً ما يكون جهاز تنقية غاز نفاث، مروحة نفاثة سائلة ذاتية التحضير مناسبةً تمامًا لهذا التطبيق.
ويمكن تشغيل جهاز تنقية البخار بالبخار المتكثف من محطة التبخير. وبالتالي، ليست هناك حاجة إلى مياه معالجة إضافية - وبهذه الطريقة، يتم توفير الطاقة لتسخين المبخر وفي نفس الوقت يتم تنظيف عادم المجفف.
التبريد الفراغي (محطات التبلور)
يُعد التبريد الفراغي هو الطريقة المفضلة حيث يتم إنشاء التبريد فقط عن طريق التمدد الأديباتي للمذيب، ولا يلزم وجود سطح تبريد نشط. يجب أن يكون سطح التبريد النشط هذا كبيرًا نسبيًا نظرًا لمحدودية معاملات نقل الحرارة، ويشكل هذا خطر تكون الرواسب بسبب انخفاض قابلية الذوبان في درجات حرارة منخفضة.
المعلمة الرئيسية وكذلك الحد من التبريد الفراغي هو ضغط الأبخرة المتولدة أثناء المعالجة. اعتمادًا على الضغط المطلوب، يتم اختيار المزيج الأكثر فعالية من حيث التكلفة من بين الخيارات المتاحة التالية:
- تكاثف السطح أو التكثيف المباشر
- ماء التبريد أو الماء المبرد
- مع طارد البخار أو بدون طارد البخار
تبريد السطح (محطات التبلور)
يتم تطبيق تبريد السطح عندما لا يمكن الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة عن طريق التبريد الفراغي.
تستخدم هذه الطريقة سطح تبريد نشط (مبادلات حرارية لحزمة الأنبوب) يتم تبريده بواسطة أي وسائط تبريد متاحة مناسبة لدرجات حرارة العملية المطلوبة.
تشكل هذه الأنظمة خطر إظهار ميول الترسب في أنابيب المبادل الحراري بسبب التشبع الفائق الموضعي على الأسطح الباردة.
لتعظيم دورة تشغيل هذه الوحدات، يجب أن يكون تصميمها متطورًا للغاية فيما يتعلق بملف التبريد، وتصميم معاملات نقل الحرارة، والكثافات الصلبة وسرعات الأنبوب بالإضافة إلى جودة الأنابيب. علاوة على ذلك، تتوفر إجراءات التنظيف الفعالة لتقليل وقت التوقف عن العمل إلى مستوى مقبول.
طارد البخار مقابل المبرد (محطات التبلور)
يجب استخدام طارد بخار أو مبرد لأغراض التبريد.
بينما تقوم طوارد البخار بضغط الأبخرة إلى مستوى درجة الحرارة، مما يتيح التكثيف ضد مياه التبريد، تستخدم المبردات الطاقة الكهربائية لتوليد وسائط باردة تتيح تكثيف الأبخرة منخفضة الضغط.
اعتمادًا على ظروف الموقع المحلي بالإضافة إلى توافر المرافق وأسعارها، يتم اتخاذ القرار بشكل فردي لتقديم الحل الأكثر كفاءة من حيث التكلفة وتوفير الطاقة لكل عميل.
مع الاقتصاد الدائري والميول الجديدة لتقليل استهلاك الطاقة التي تأخذ دورًا أكثر ترجيحًا، يبرز المبرد كخيار مناسب. تم تجديد المحطات الموجودة بالفعل لتغيير طارد البخار إلى مبرد.
