بهبود در مبدل‌های حرارتی و فناوری‌های تخلیه بدون مایع
پیشرفت‌ها در مبدل‌های حرارتی، تبخیر و فناوری‌های تخلیه بدون مایع همگی سبب تقویت راندمان بازیابی گرما در حوزه مدیریت پسماند شده‌اند.
مزایای راندمانی بهره‌گیری از گرما از یک بخش از یک فرایند صنعتی در بخش دیگر به خوبی روشن است. استفاده مجدد از گرما – که گاهی اوقات با نام بازتولید شناخته می‌شود – در طیف گسترده‌ای از فرایندها از قبیل پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون، تبخیر، خشک کردن، تقطیر، تحت فشار قرار دادن، پخت، گرمایش محل و محیط و گرمایش راکتورها کاربرد دارد. اما در واقع فهرست کاربردهای این کار به اندازه خود صنایع متنوع و گسترده است.
همزمان، اثرات زیست محیطی همه مشاغل – به‌ویژه فراوری‌های صنعتی – طی بیست سال گذشته توجه عمومی و مسئولان سیاسی را بیش از پیش به خود جلب کرده است. این امر منجر به یک روند کلی در جهت فرایندهای پاک‌تر با میزان انتشارات کمتر، الزامات انرژی پایین‌تر و تولید زباله کمتر همراه شده است.
راندمان مبدل حرارتی بهبود می‌یابد
بیشتر بخوانید
مبدل‌های حرارتی کارامد به چند طریق نقش مهمی در این توسعه دارند. مبدل‌های حرارتی بازتولیدی اولین بار توسط روبرت استرلینگ در سال ۱۸۱۶ ابداع شدند. او از این مبدل‌ها به عنوان یک بخش مکمل طراحی موتور استرلینگ خود استفاده کرد. این روش بازگیری انرژی به شیوه‌ای مشابه خیلی زود در کوره‌های انفجاری مورد استفاده قرار گرفت که یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های آن توسط کوپر استوو از ۱۸۵۷ ثبت شد. از آن به بعد، کاربردهای بیشتری برای گرمای بازتولیدی کشف و روش‌های کارامدتر اجرای این تکنیک ابداع شده است.
بازیابی کارامد گرما، نیاز به انرژی اضافی برای فرایندهای گرمایشی را کاهش می‌دهد. ویژگی‌های خاص طراحی لوله‌های چین‌دار و راه‌راه و سطوح خراش‌دار همراه با جریان‌های موثر تولید و سرویس‌کاری و کنترل مداوم فرایندها، کار را بهبود بخشیده است.
فیزیک ترمودینامیک اساس این فرایندهاست
از آنجایی که هر اواپراتور لزوماً نوعی مبدل حرارتی است، استفاده از مبدل‌های حرارتی برای تامین گرما برای تبخیر گسترده شده است. غیر از آن، اضافه کردن چندین اواپراتور مزایای انرژی بیشتری فراهم می‌کند. (نخستین اواپراتور مصرف انرژی را تا ۵۰% و دومی تا ۳۳% کاهش می‌دهد). این مساله منجر به پذیرش اواپراتورهای چنداثره در برخی صنایع شده است.
تاثیر این واحدها در تصفیه آب و فراوری‌های شیمیایی هم به مصرف‌کنندگان نهایی و هم به سازندگان اجازه گسترش استفاده از فناوری تبخیر برای بازیابی محصول و به حداقل رساندن بخار تلف شده را می‌دهد. یک نمونه رایج اجرای تخیله بدون مایع (ZLD) است.
مفاهیم تخلیه بدون مایع
تخلیه بدون مایع می‌خواهد هیچ مایعی به محیط زیست ریخته نشود. در عوض، هدف فرایند بازیابی بیشترین تعداد محصول ممکن از بخار تلف شده است و به جای گذاشتن تنها کمی آب که می‌تواند دوباره استفاده شود است. بسته به ماهیت بخار تلف شده اولیه، تاثیر سیستم‌های تبخیر و فرایندهای پس از تبخیر، آب می‌تواند برای اهداف مختلف از جمله شستشو، به عنوان مایع خنک‌کننده یا گرم‌کننده یا حتی استفاده در محصولات دیگر به کار گرفته شود.
توانایی تئوریک تخلیه بدون مایع به مواد ناخواسته مجزا از آب – بی خطر، خطرناک یا سمی – به این معناست که مواد جامد باقیمانده حاصل اغلب پایدار است. یک سیستم تخلیه بدون مایع صفر با طراحی خوب باید جریانات بخار مایع را به حداقل برساند یا حتی حذف کند. درعوض، آب تمیز برای استفاده مجدد تولید می‌کند یا یک باقمیانده مناسب برای فرآوری بیشتر (اغلب برای بازیابی اجزای ارزشمند برای استفاده در جایی دیگر) یا برای دفع ایمن ایجاد می‌کند.
برای رسیدن به این نتیجه، مهم است که راه حل تخلیه بدون مایع صحیح برای هر کاربرد انتخاب شود. حتی جایی که جریان فاضلاب اولیه نسبتاً رقیق است، پیش فراوری ممکن است قبل از فاز تبخیر لازم باشد. در این موارد، تکنیک‌های رایج تصفیه آب مانند اسمز معکوس معمولاً به کار گرفته می‌شود.
حتی جایی که فرایندهای اصلی یکسان اعمال می‌شود، ترکیب جریان‌های فاضلابی بسیار متنوع است. منابع خاص، نمک‌هایی به جا می‌گذارند که ممکن است در آب خطرناک یا ارزشمند باشد. جریان‌های پسماند همچنین حاوی کلسیم بسیار محلول و نمک‌های آلومینیوم و نیز فلزات سنگینی است که به سادگی با تبخیر کریستاله نمی‌شوند. در این مورد، جریان پسماند نیاز به پیش تصفیه قابل توجهی دارد که اغلب از آهک یا خاکستر سودا استفاده می‌کند تا یون‌های سدیم طوری وارد شود که یک ماده جامد کریستالی بتواند در مرحله تبخیر تولید شود.
بنابراین طراحی موثر هر سیستم تخلیه بدون مایعی به تحلیل درست از جریان آب و فاضلاب بستگی دارد. داشتن تحلیل درست از ترکیب، دبی‌ها، شیمی و … ضروری است. بدون این، هر راه حل طراحی شده در رسیدن به نتایج لازم محکوم به شکست است.
تخلیه بدون مایع عملی با استفاده از تبخیر
یک سیستم تبخیر تراکم بخار چنداثره برای تخلیه بدون مایع براساس یک سری مبدل‌های حرارتی سطح تراش ایجاد شده است. تبخیر تراکمی می‌تواند تا ۹۵% فاضلاب را به صورت عصاره (distillate) بازیابی کند. بعد از آن می‌توان هر کنسانتره باقیمانده‌ای را به صورت فیزیکی یا شیمیایی تصفیه کرد تا مواد باقیمانده جامد (مانند کریستال‌ها) و آب تولید شود.
کار اواپراتورها در فشارهای کمتر به این معناست که نقطه جوش مایعی که تصفیه می‌شود کم می‌شود. یعنی تبخیر چنداثره می‌تواند امکان‌پذیر شود؛ یعنی بخار یک مرحله قبلی تبخیر به عنوان انرژی حرارتی در مرحله بعد استفاده می‌شود که در نقطه جوش کمتر کار می‌کند. در این روش چندین مرحله تبخیر ترکیب می‌شود و صرفه‌جویی‌های قابل توجهی در انرژی به همراه دارد. برای بسیاری از اجزا، ته‌نشینی کریستال در دماهای کمتر بهتر است چون کاهش دماهای تبخیر به افزایش بازدهی مواد جامد کمک می‌کند.
مبدل‌های حرارتی سطح تراش از یک تراشنده رفت و برگشتی برای کاهش ایجاد ورقه و لایه روی سطوح استفاده می‌کنند که منجر به انتقال حرارت موثر و کریستالیزاسیون کارامد می‌شود. استفاده از این مبدل حرارتی در کاربردهای تخلیه بدون مایع به این معناست که گرمای حاصل از آب فرایند و سایر منابع موجود می‌تواند برای فرایند تبخیر استفاده شود و در عین حال بازیابی و استفاده مجدد از گرمای به جا ماده در انتهای فرایند را به همراه داشته باشد. یک فرایند معمول شامل سه مرحله است:
-
تبخیر/ تغلیظ ( استفاده از یک یا چند اواپراتور بسته به مواد موجود و مقدار تغلیظ لازم) تا مقادیر بالاتر از نقطه اشباع در دمای بالا.
-
خنک کردن محصول برای تشکیل کریستال‌های نمک
-
کریستالیزاسیون بیشتر در مخازن طراحی شده مخصوص و جداسازی کریستال‌هایی که برای فراوری جهت استفاده باشد تشکیل می‌شود. در این مرحله سوم، یک لایه شناور محلول تغلیظ شده بعد از جداسازی کریستال‌ها باقی می‌ماند. این محلول برای تغلیظ مجدد دوباره تا بالاتر از نقطه اشباع آن به اواپراتور دوم برگشت داده می‌شود.