بخشی از مقاله
بررسی آزمایشگاهی عملکرد یک کریستالیزور اجباری جهت یافتن پارامترهای عملیاتی بهینه
چکیده
این مقاله، عملکرد یک کریستالساز چرخشی اجباری را که با یک چگالنده به عنوان یک مرحله اصلی در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، مجهز است، ارائه میدهد. هدف این مقاله، جمعآوری آب تازه و همچنین مایعات از آب شور است. بنابراین قبل از اینکه کریستالساز، آب شور را حدود 30 درصد به عنوان یک خوراک مناسب برای یک کریستالساز چرخشی اجباری، تخلیه سازد یک مخلوطکن ساخته میشود. تاثیر سرعت جریان آب سرمایشی کریستالساز چرخشی اجباری روی کیفیت مایع سیال خروجی از آن در این مقاله، مطالعه شده است. سرعت تبخیر کریستالساز چرخشی اجباری حدود 0/085 کیلو گرم بر دقیقه و در دمای جوش 85/8 درجه سانتیگراد مایع، حاصل شد. در این دما، بالاترین مقدار بلور سفید تولید شد. حداقل مقدار مصرف انرژی توسط مبدل حرارتی 6/4 کیلو وات ساعت است که در 6/3 کیلو گرم محصول، حاصل میشود. همچنین نتایج تجربی نشان داده که رابطه بین سرعتهای جریان آب سرد، مقدار خوراک، سرعت تبخیر، آب مقطر و pH به صورت نمودارهایی قابل مشاهده است.
کلمات کلیدی: محلول آبی، کریستال ساز چرخش اجباری، بلور نمک، انرژی مصرف شده
-1 مقدمه
تبخیر یک فرآیندی است که برای تخلیه یک محلول از ماده حل شونده غیرفرار و یک حلال فرار، استفاده میکند. در اکثریت تبخیرها، حلال ما آب است. در تبخیر، بخشی از محلول جهت تولید یک محلول غلیظ، یک محلول دوغابی یا غلیظ و مایع ویسکوز، بخار میشود. تبخیرکنندهها برای جداسازی مواد براساس تفاوت در دمای جوش آنها، استفاده میشود. بخار و یا جریان غلیظ شده و یا هر دو میتوانند محصولات مطلوب باشند.
تبخیر یک فرآینـدی اسـت کـه بـرای تخلیـه یـک محلـول از مـاده حـل شـونده غیـرفـرار و یـک حلال فرار، استفاده مـیکنـد. در اکثریـت تبخیـرهـا، حـلال مـا آب اسـت.[1] در تبخیـر، بخشـی از محلول جهت تولید یک محلول غلـیظ، یـک محلـول دوغـابی یـا غلـیظ و مـایع ویسـکوز، بخـار مــیشــود.[2] تبخیــرکننــدههــا بــرای جداســازی مــواد براســاس تفــاوت در دمــای جــوش آنهــا، استفاده میشـود.[3] بخـار و یـا جریـان غلـیظ شـده و یـا هـر دو مـیتواننـد محصـولات مطلـوب باشند. هدف، غلـیظسـازی مـاده حـلشـونده غیـرفـرار مثـل ترکیبـات آلـی، نمـکهـای معـدنی، اسیدها یا بـازهاسـت. مـواد حـل شـده دوغـابی شـامل اسـید فسـفریک، کربنـات سـدیم ، سـدیم کلراید، سـدیم سـولفات، ژلاتـین، شـربت و اوره اسـت.[4] در تبخیـر، بخشـی از حـلال، بخـار مـی شود و یک محلول غلیظ تولیـد مـیشـود. تبخیـر بـا تقطیـر تفـاوت دارد. زیـرا در تبخیـر معمـولاً بخــار آب خــالص اســت، حتــی هنگــامی کــه بخــار آب مخلــوط اســت. هــیچ کوششــی در مرحلــه تبخیر بـرای جداسـازی بخـار آب در قسـمتهـای مختلـف صـورت نمـیگیـرد.[5] تبخیـر کـردن با خشک کردن نیز فرق میکنـد، زیـرا در تبخیـر کـردن آن چـه بـاقی مـیمانـد مـایع اسـت کـه گاهی اوقـات یـک مـایع بـا لزجـی سـطح بالاسـت و یـک جامـد نیسـت.[6] همچنـین تبخیـر بـا بلورسازی متفـاوت اسـت، چـون در تبخیـر تأکیـد بـر غلـیظ کـردن محلـول اسـت نـه بـر شـکل دادن و ساختن بلـورهـا در وضـعیت معـین.[7] تبخیـرکننـدههـا دارای چهـار نـوع هسـتند: الـف)
تبخیــرکننــدههــای عمــودی ب) تبخیــرکننــده جریــان صــعودی ج) تبخیــرکننــده جریــان نزولی د) تبخیرکننـده چرخشـی اجبـاری. در یـک تبخیـرکننـده چرخشـی اجبـاری وقتـی
رســوبات در حــین عمــل تبخیــر تشــکیل مــیشــوند، مــایع توســط یــک موتــور از طریــق لولــههــا برای حداقلسازی سنجش لوله و یـا نمـکزنـی، پمـپ مـیشـود.[8] تبخیـرکننـدههـای چـرخش اجبــاری در صــنایع معــدنکــاری و بــرای تبخیــر محلــولهــای خورنــده و یــا محلــولهــایی بــا ویســکوزیته بــالا، اســتفاده مــیشــوند. تبخیــرکننــدههــای چــرخش احبــاری در انتقــال حــرارت از بخار به مایع و حفظ جریـان مـایع پیوسـته، مقـدار پـایین نمـکزنـی و رسـوب و مقیـاسگـذاری، مؤثر هستند.[9] این نوع تبخیـرکننـدههـا بـرای جـدا سـازی سـدیمکلرایـد، سـدیمسـولفات، اوره، ســولفات آمونیــوم، منیزیــوم کلرایــد، اســید ســیتریک اســتفاده مـیشــوند. مقــالات چــاپ شــده از سال 1986 تا 1995 میلادی روی سـهولت فنـی بلـورسـازهـای اجبـاری، تمرکـز کـرده انـد.[10] از سال 1995 تا 2000 مـیلادی، محققـین روی توسـعه بلـورسـازیهـای اجبـاری تمرکـز نمـوده انـد. از سـال 2000 مـیلادی، مقـالات چـاپ شـده، شـرایط عملیـاتی را کـه بـازده ترمودینـامیکی و اقتصــاد را در جهــت مــؤثر بــودن آن از لحــاظ هزینــه و یــا رقــابتی بــودن بــا دیگــر روشهــای تغلیظسازی مثل مخازن نمکزدایـی حرارتـی، کانـالهـای غلـیظسـازی، ایجـاد مـیکنـد، بررسـی نمودهاند.[10] به صورت کلی، بلورسـازی وقتـی رخ مـیدهـد کـه محلـول اشـباع شـده بـه حالـت فوق اشباعتغییر کنـد و ایـن فرآینـد مـیتوانـد توسـط تبخیـرسـازی محلـول، حاصـل شـود. ایـن روش، یک فرآیند کـمهزینـه و سـازگار بـا محـیط زیسـت اسـت کـه قابـل رقابـت بـا دیگـر روش های تغلیظسازی اسـت.[10] بنـابراین اکثـر بلـورسـازهـای صـنعتی از نـوع تبخیـری بـوده و ایـن روش بـرای بـیش از 50 درصـد از تولیـد بلـورهـای سـدیم کلرایـد در جهـان، اسـتفاده مـیشــوند همچنین رایج تـرین نـوع تبخیـرکننـده، مـدل چرخشـی وادار شـده اسـت، در نتیجـه بـرای ایـن مطالعه انتخاب شـده اسـت. مطالعـات علمـی امـروزه عـلاوه بـر عملکـرد کریسـتالسـاز چرخشـی اجباری برای ارزیابی پارامترهای عملیاتی آن نیز ضروری هستند.
این تئوری، عملکرد یک کریستالساز چرخشـی اجبـاری را کـه بـا یـک چگالنـده بـه عنـوان یـک مرحله اصلی در بسیاری از فرآیندهـای صـنعتی، مجهـز اسـت، ارائـه مـیدهـد. هـدف ایـن مقالـه، جمــعآوری آب تــازه و همچنــین مایعــات از آب شــور اســت. بنــابراین قبــل از اینکــه کریســتال ســاز، آب شــور را حــدود 30 درصــد بــه عنــوان یــک خــوراک مناســب بــرای یــک کریســتالســاز چرخشــی اجبــاری، تخلیــه ســازد یــک مخلــوطکــن ســاخته مــیشــود. تــاثیر ســرعت جریــان آب سرمایشــی کریســتالســاز چرخشــی اجبــاری روی کیفیــت مــایع ســیال خروجــی از آن در ایــن مقاله، مطالعه شده است.
-2 مواد و روشها
زمانیکه درصد شوری شور آب در تبخیـرکـن بـه 20 درصـد مـیرسـد، آب شـور تخلیـه مـیشـود و تبخیـرکــن بـا نمــک و آب، مجــدداً پـر مــیشــود. مـایع ســیال ورودی از تبخیــرکـن بــه عنــوان خوراک بلورساز بـه مبـدل حرارتـی و بلـورسـاز، مجـدد پمـپ مـیشـود. چـرخش مـایع از پـایین بلورساز از طریق لولههای مبـدل حرارتـی عمـودی انجـام مـیشـود و سـپس حـرارت مـیبیننـد و به داخل بلورساز جـایی کـه تبخیـر رخ مـیدهـد، بـرمـیگـردد. وقتـی رسـوبات در حـین تبخیـر تشکیل میشوند، محلول دوغابی از طریق لولـههـایی بـرای کـاهش مقیـاس لولـه و یـا نمـکزنـی در یک بلورسـاز چرخشـی اجبـاری، پمـپ مـیشـود. اساسـاً فرآینـد بلـورسـازی بـرای جداسـازی مواد معـدنی از محلـول آبـی آنهـا، اسـتفاده مـیشـود تـا محلـول بـه حالـت اشـباع برسـد. بلـور سازی یکی از فرآیندهای واحد اولیه است.
نمونهای از بلورساز چرخشی اجباری در شکل 1 نشان داده شده است.
-3 نتایج و بحث
بلور ساز چرخشـی اجبـاری یکـی از تجهیـزات مصـرفی انـرژی اسـت کـه در صـنایع بـه کـار مـی رود. مقدار و اندازه بلـورهـای تولیـد شـده، مقـدار انـرژی مـورد نیـاز و مقـدار آب سـرد و سـرعت جریان آب سرد در شناسـایی کیفیـت فرآینـد مهـم اسـت. مقـدار سـرعت جریـان خـوراک، فشـار عملیاتی، دمای عملیاتی و مقدار نقطـه جـوش درون بلـورسـاز بـه عنـوان پـارامترهـای مـؤثر روی کیفیت فرآیند در نظـر گرفتـه مـیشـوند. مطالعـه عملکـرد بلـورسـاز در یـافتن شـرایط عملیـاتی بهینــه و پیشــگویی رفتــار فرآینــدی، ســودمند اســت. در ایــن بخــش نتــایج تجربــی مطالعــه ارائــه شده است. غلظت اوله نمک در خوراک 0/3کیلوگرم بر کیلو گرم است.
-1-3 سرعت جریان آب سرد چگالنده
مقــدار ثابــت خــوراک، 50 کیلــو گــرم بــر ســاعت در 27/11 درجــه ســانتیگراد جهــت بررســی مقـدار آب سـرد بـرای چگالنـده، اسـتفاده مـیشـود. یـک چگالنـده متقـارن دو لولـهای گزینــهای جهت سـرد کـردن بخـار خروجـی از بـالای بلـورسـاز، تنظـیم شـده اسـت. جریانـات آب در لولـه خروجــی چگالنــده بــه عنــوان یــک ســیال سرمایشــی در 17درجــه ســانتیگراد، مــیباشــد. پدیــده
چگالش بخار، فشار درون بلـورسـاز و همچنـین نقطـه جـوش مـایع را کـاهش مـیدهـد. بنـابراین سرعت جریـان آب سـرد، مقـدار رشـد بلـور را تحـت تـاثیر قـرار مـیدهـد. شـکل 2، رابطـه بـین این دو پارامتر را نشان میدهـد. مقـدار سـرعت جریـان آب سـرد بـه میـزان جریـان حـاوی بلـور، تقریبــاً بــین 2/3 تــا 3/1 مــیباشــد. از ســوی دیگــر، محصــول میعــان مــیتوانــد بــه عنــوان آب مقطـر، در نظــر گرفتــه شــود. در شــکل 3، مقــادیر آب مقطــر تولیــدی در مقابــل ســرعت جریــان
آب سرد، نشان داده شـده اسـت. افـزایش در مقـدار آب سـرد در چگالنـده حـدود 13 کیلـو گـرم بر دقیقه باعث افزایش مقـدار محصـول میعـان از 15 کیلـو گـرم بـه 24/8 کیلـو گـرم مـیشـود و مقــادیر بــالاتری از آب مقطــر را تولیــد مــیکنــد. مقــدار مــورد نیــاز آب ســرد ناشــی از مقــدار خــوراک مــیتوانــد مطــابق بــا نتــایج تجربــی نشــان داده در شــکل 4، مشــخص شــود. ایــن در طراحی و ارزیابی عملکرد یک بلورساز عملی است.
2 – 3 دمای خوراک
مقدار انرژی مورد نیاز بـرای ایجـاد مـایع جهـت اشـباع، وابسـته بـه دمـای خـوراک اسـت. پـایین ترین میـزان مصـرف انـرژی در 26/7 درجـه سـانتیگراد مطـابق بـا آزمایشـات شـکل 5 بـه دسـت آمــده اســت. pH مــایع تولیــد شــده در مقایســه بــا pH مــایع خــوراک، تغییــر نمــیکنــد اگــرچــه تغییــر دمــا، pH را مطــابق بــا شــکل 6 تغییــر مــیدهــد. در دمــای خــوراک مناســب 26/7 درجــه سانتیگراد، مقدار pH حدود 11 -10/5 به ترتیب برای خوراک و مایع محصول است.
