تبخیر کننده فیلمی

نام انگلیسی: Film Evaporator

تبخیر کننده فیلمی وسیله ای صنعتی است که بوسیله آن محلول ها غیظ می شوند. مخصوصاً برای ترکیباتی که نسبت به حرارت حساس هستند از نوع فیلم پایین رونده استفاده می شود. تبخیر کننده ها نوع خاصی از مبدل های حرارتی هستند . در حالت کلی تبخیر درون لوله ها انجام می گیرد. اما انواعی از تبخیر کننده ها نیز هستند که فرآیند اعمال شده بر سیال، در خارج لوله انجام می گیرد. فرآیندی که در آن به منظور تبخیر سیال فیلم بصورت پیوسته پایین می آید، بوسیله جاذبه زمین کنترل می شود.
هدف از تبخیر بالا بردن غلظت یک محلول دارای یک حلال فرار و یک حل شونده غیر فرار است . در تبخیر، بخشی از حلال به بخار تبدیل می شود تا محلول غلیظی حاصل شود. تبخیر با خشک کردن متفاوت است چون در تبخیر ماده باقی مانده مایع است که اغلب گرانروی بالایی دارد نه جامد. تبخیر با تقطیر نیز متفاوت است، چون در تبخیر سیستم ها اغلب یک جزئی هستند و اگر بخار تشکیل شده شامل دو جزء باشد، امکان جداسازی از راه تبخیر وجود ندارد. تبخیر با تبلور نیز متفاوت است چون درتبخیر غلظت محلول افزایش می یابد و تشکیل ساختمان کریستالی چندان اهمیتی دارد . در حالتی خاص مثل تشکیل نمک محلول از آب، مرز بین تبلور و تبخیر چندان مشخص نیست. به طور کلی در تبخیر یکی از دو جزء بخار یا محلول غلیظ تبخیر شده اهمیت زیادی دارند و طراحی براساس گرفتن این جزء صورت می گیرد. معمولاً محلول غلیظ با ارزش می باشد و بخار بعد از مایع شدن دور ریخته می شود. البته در مواردی مثل بازیابی حلال از پلیمرهای نامرغوب عکس این مطلب صادق است.

خصوصیات مایع (Liquid Specification): بیشتر مسائل عملی تبخیر به خصوصیات محلول غلیظ بر می گردد. خواص محلول بسیار متنوع است و نیاز به تجربه کافی در طراحی تبخیر کننده دارد به طوری که از انتقال گرمای ساده به یک تکنیک تبدیل شده است . بعضی از مهمترین خواص مایعات در حال تبخیر عبارتند از:
۱- غلظت: در خلال فرایند تبخیر،غلظت محلول موجود در تبخیرکننده افزایش می یابد . این افزایش غلظت می تواند تا اشباع شدن محلول و نیز ایجاد بلور ادامه یابد. با افزایش غلظت محلول، ویسکوزیته و دانسیته به مقدار زیادی تغییر می کند. همچنین با افزایش مقدار جامد در محلول، نقطه جوش محلول به طور قابل توجهی افزایش می یابد، در نتیجه دمای جوش یک محلول غلیظ بسیار بیشتر از محلول خالص در همان فشار است.
۲- کف کردن: بعضی از مواد به هنگام تبخیر کف می کنند. کف باعث ایجاد ماندگی در گاز می شود ( پدیده entrainment) در حالات بسیار شدید حتی ممکن است تمامی مایع بجوشد و به صورت تلفات خارج شود.
۳-حساسیت دمایی: بسیاری از مواد شیمیایی حساس، محصولات دارویی و غذایی، وقتی در زمانی نسبتاً کوتاه تا درجه حرارت متوسطی گرم شوند، ضایع می شوند. در غلیظ کردن این مواد تکنیک های خاصی نیاز است تا هم دمای مایع و هم زمان گرم کردن را کاهش دهد.
۴-جرم گرفتگی: بعضی از محلول ها در عملیات تبخیر در دستگاه ایجاد جرم گرفتگی می کنند . این موضوع باعث کاهش میزان انتقال حرارت می شود که پدیده نامطلوبی است و در نتیجه باید طراحی طوری انجام گیرد که جرم گرفتگی حداقل باشد زیرا تمیز کردن مشکل و پرهزینه است.
۵-مصالح ساخت: بیشتر از جنس فولاد استفاده می شود . اما اگر محلول در فولاد ایجاد خوردگی کند باید از آلیاژهای گران قیمت تر استفاده کرد. فولاد ضد زنگ معمولاً اولین انتخاب است.

تبخیرکننده یک مرحله ای و چندمرحله ای
نام انگلیسی: One Stage and Multi Stage Evaporator

بسیاری از تبخیرکننده ها با حرارت ناشی از میعان بخار آب در لوله های فلزی، گرم می شوند. دراکثر مواقع ماده ای که گرم می شود در لوله قرار می گیرد. علت این موضوع سادگی شستشوی لوله ها می باشد زیرا مایع غلیظ رسوب بیشتری می دهد. فشار بخار آب اغلب پایین و زیر ۳ atm و مایع معمولاً در خلاً و در فشار ۰٫۰۵ atm می باشد.
وقتی از یک تبخیر کننده استفاده شود، بخار حاصل از مایع در حال جوش به مایع تبدیل می شود و دور ریخته می شود. به این روش، تبخیر یک مرحله ای گویند که روش ساده و با هزینه ساخت پایین می باشد. اگر بخار خروجی از یک تبخیر کننده وارد محفظه بخار تبخیرکننده دیگری شود و بخار حاصل از این تبخیرکننده وارد مبرد گردد، در این عمل از دو دستگاه تبخیرکننده استفاده کرده ایم، اما بخار حاصل از مرحله اول به جای دور ریخته شدن وارد یک تبخیرکننده دیگر می شود و در آنجا صرف تبخیر محلول می شود. در این حالت اقتصاد بخار را بهبود داده ایم. یعنی با همان میزان بخار ورودی از utility تقریباً دو برابر مرتبه تبخیر قبل انجام داده ایم. با این کار هزینه عملیاتی کاهش می یابد، یعنی انرژی کمتری نیاز است حال آنکه هزینه ساخت دستگاه افزایش یافته است. بخار حاصل از مایع تغلیظ شده به مرحله بعد می رود . در این صورت احتیاج به یک بهینه سازی می باشد بین هزینه عملیاتی و هزینه ساخت اولیه دستگاه . تعداد واحدهای بهینه توصیه شده برای عملیات تبخیر بین ۳ تا ۵ مرحله می باشد.

تبخیرکننده با یک مسیر عبوری و با مسیر گردشی
الگوی جریان در تبخیرکننده ها به دو صورت می باشد:
۱- تبخیرکننده با یک مسیر عبوری
۲- تبخیرکننده با مسیر گردشی
در نوع اول خوراک مایع فقط یک بار از داخل لوله عبور می کند و با آزاد کردن بخار به صورت محلول غلیظ از تبخیرکننده خارج می شود. کاربرد این نوع الگوی جریان برای مواد حساس به گرما می باشد. زیرا مواد تنها یکبار از لوله های تبخیرکننده عبور می کند. در تبخیرکننده های گردشی، حوضچه مایعی در دستگاه تعبیه شده است . خوراک ورودی با مایع داخل حوضچه مخلوط می شود و مخلوط حاصل از داخل لوله ها می گذرد. مایع تبخیر نشده از داخل لوله تخلیه شده، به حوضچه بر می گردد. پس فقط قسمتی از کل تبخیر در یک مسیر انجام می شود. همه تبخیرکننده های به روش گردش اجباری به این صورت کار می کنند. تبخیرکننده های با جریان رو به بالا نیز معمولاً از واحدهای گردشی تشکیل شده اند. تبخیرکننده های گردشی برای مایعات حساس به گرما مناسب نیستند. در به وجود آوردن گردش از پمپ یا اختلاف دانسیته استفاده می شود. در ساخت تبخیرکننده های چند مرحله ای معمولاً از الگوی جریان یک مسیر عبوری استفاده می شود. حال آنکه در ساخت تبخیرکننده های تک مرحله ای معمولاً از الگوی جریان مسیر گردشی استفاده می شود. به علت کاربرد گسترده تبخیرکننده ها در صنعت، امروزه طراحی های متنوعی از این دستگاه وجود دارد .

تبخیرکننده با فیلم نازک
نام انگلیسی: Thin Film

یک تبخیرکننده با فیلم نازک از بخش های اصلی زیر تشکیل شده است:
۱-یک بخش استوانه ای شکل ژاکت دار
۲-یک بخش جداکننده بخار با صفحات ساکن در بالای ظرف استوانه ای
۳-یک روتور چرخنده که در انتهای آن یکسری تیغه (blade) و یا جاروکننده (wipe) نصب می باشد که وظیفه تشکیل فیلم مایع غلیظ و انتقال سریع محصول فیلمی بر روی سطح داغ را بر عهده دارند.
مزیت اصلی تبخیرکننده Thin Film در انتقال حرارت سریع به مایعات با ویسکوزیته بالا می باشد . در دمای تبخیر محصول ممکن است ویسکوزیته بالای P1000 داشته باشد . در تبخیرکننده های دیگر با افزایش ویسکوزیته ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد، اما در این تبخیرکننده کاهش ضریب کمتر است. از اینرو برای موادی با ویسکوزیته بالا و حساس به درجه حرارت مثل ژلاتین، مواد خام پلیمری، آنتی بیوتیک ها و آب میوه ها بسیار کاربرد دارد. در این تبخیرکننده معمولاً فشار بسیار پایین می باشد و می توان تا فشار ۱ mmHg خلا ایجاد کرد. حتی برخی از انواع جدید وجود دارند که در فشارهای پایین تر نیز کار می کنند.
سه روش جهت ایجاد فیلم نازک در این تبخیر کننده ها وجود دارد:
۱- روتور با تیغه ثابت (Rigid Blade Rotor): در این روش بین تیغه و سطح انتقال حرارت یک فاصله ثابت وجود دارد.
۲- روتور جارویی با حرکت شعاعی (Rotor with Radial Moving wiper): در این روش روی روتور جاروهایی نصب می شود که وظیفه توزیع مایع را بر عهده دارند. جنس این جاروها معمولاً گرافیت می باشد.
۳- روتور با تیغه جارویی لغزنده (Rotor with Hinged Free-Swinging wiper Blade): در این روش روی روتور مثل قبل جاروهایی وصل می شوند که روی روتور لولا شده اند وانعطاف پذیرتر از حالت قبل می باشد.
محدودیت های تبخیرکننده با فیلم نازک عبارتند از:
۱-هزینه ساخت بالا.
۲-قسمت های متحرک میانی که باید نگهداری و تعمیر شوند و نیز هزینه عملیاتی بیشتری لازم دارند.
۳-ظرفیت پایین این تبخیرکننده در مقایسه با تبخیرکننده های لوله ای.

تبخیرکننده با فیلم پایین رونده
نام انگلیسی: Falling Film

قسمت های اصلی این دستگاه عبارتند از:
۱-مبدلی لوله ای که بخار در داخل پوسته و ماده ای که غلیظ می شود در لوله ها قرار می گیرد.
۲-جداکننده مایع از بخار (Separator)
۳- توزیع کننده مایع

در مقایسه با دو نوع تبخیرکننده دیگر این تبخیرکننده ها برای مایعاتی با خواص جرم گرفتگی و رسوب کم و ویسکوزیته پایین تر و نیز مایعات به نسبت رقیق مناسب می باشد. این تبخیر کننده ها به میزان وسیعی در صنایع شیمیایی، غذایی و صنایع مشابه کاربرد دارند. در حالت تک مسیره، مایع از قسمت فوقانی وارد می شود و در داخل لوله های داغ جریان می یابد (به صورت فیلم) و از انتهای ستون خارج می شود. لوله ها بزرگ هستند و قطر آنها ۵۰ تا ۲۵۰ میلی متر ( ۲ تا ۱۰ اینچ ) می باشد. بخار حاصل از مایع همراه مایع به طرف پایین لوله ها حرکت کرده، از قسمت انتهایی دستگاه خارج می شود. مشکل اساسی این تبخیرکننده ها نحوه توزیع مایع به طور یکنواخت و به صورت فیلم در داخل لوله ها است. این کار با قرار دادن صفحه فلزی سوراخ دار (مشبک) در بالای صفحه لوله انجام می شود که باعث جریان مایع به طور یکنواخت در لوله می شود. روش دیگر استفاده از توزیع کننده های عنکبوتی با بازوهای شعاعی می باشد که خوراک تحت حالت پایا به داخل لوله ها پاشیده می شود. روش دیگر استفاده از یک پاشنده در داخل هر لوله است. اگر امکان گردش مجدد مایع بدون اینکه ضایع شود وجود داشته باشد، توزیع ماده در لوله با برگرداندن مایع به قسمت فوقانی لوله آسان می شود . حجم جریان مایع در لوله ها در این حالت بسیار بیشتر از حالت تک مسیره است.

مزایای تبخیرکننده های با فیلم پایین رونده عبارتند از:
۱- ساخت ساده
۲- عملیات تمیز کردن راحت
۳- ضرایب انتقال حرارت بالا
۴- امکان عملیات در اختلاف دمای پایین (در واحدهایی که از نظر مکانیکی و حرارتی محدودیت دارند)
۵- زمان اقامت کوتاه (برای محصولات با حساسیت دمایی)
۶- انعطاف پذیری عملیاتی خوب

تبخیرکننده با فیلم بالارونده
نام انگلیسی: Rising Film
شکل کلی این دستگاه مثل دستگاه تبخیرکننده با فیلم پایین رونده می باشد با این تفاوت که مایع از پایین وارد می شود. قسمت های اصلی دستگاه عبارتند از:
۱-مبدلی لوله ای که بخار در داخل پوسته و مایعی که غلیظ می شود در لوله ها قرار می گیرد.
۲-جداکننده مایع از بخار (Separator)
۳- شاخه ای که مایع را از جداکننده به انتهای مبدل برمی گرداند (وقتی سیستم به صورت برگشتی کار کند).

در این تبخیرکننده قطر لوله ها از تبخیرکننده های با فیلم پایین رونده کمتر می باشد و حدود ۲۵ تا ۵۰ میلیمتر (۱ تا ۲ اینچ) می باشد و طول آنها ۳ تا ۱۰ متر است.
خوراک رقیق به همراه مایعی که از جداکننده بر می گردد مخلوط شده سپس وارد دستگاه می شود . محلول غلیظ شده از انتهای گرم کن خارج می شود. مایع غلیظ باقی مانده وقتی از داخل لوله عبور می کند به طور جزئی تبخیر می شود. مخلوط مایع و بخار از قسمت فوقانی لوله ها وارد جداکننده می شود. در این تبخیرکننده نیازی به پخش مایع روی دیواره های لوله نیست. هنگامی که تبخیر شروع می شود، بخار تولید شده در لوله ها، مایع غلیظ شده را به سمت بالا می برد. به علت رژیم جریان آشفته ضریب انتقال حرارت بهبود می یابد. در بالای تبخیرکننده برای حذف قطرات موجود در بخار، قبل از ورود به جداکننده (Separator) از یک دسته صفحات پره دار و یا mesh استفاده می شود. تبخیرکننده های با فیلم بالارونده برای مایعاتی که ایجاد کف می کنند بسیار موثر هستند. وقتی مخلوط مایع و بخار با سرعت بالا از میان صفحات پره دار عبور می کند، کف از بین می رود.
مزایای این تبخیرکننده ها عبارتند از:
۱-هیچ وسیله ای برای پخش مایع جهت ساخت فیلم لازم نیست.
۲- پمپ های Circulating حذف شده اند و نیازی به آنها نیست.
۳- ابزار دقیق کمتری مورد نیاز است.
۴- ساختار ساده ای دارد.
۵- برای مایعات با ویسکوزیته بالا و تمایل جرم گرفتگی مناسب می باشد.
محدودیت های این تبخیرکننده ها عبارتند از:
۱-شرایط عملیاتی، انعطاف پذیری دارد.
۲-ضریب انتقال حرارت پایین تر می باشد، زیرا بخار تولید شده نیز به همراه مایع در مجاورت انتقال حرارت قرار می گیرد.