المبخر

تستخدم بعض مكيفات الهواء والثلاجات سوائل مضغوطة ذات نقطة غليان منخفضة تتبخر داخل النظام لتبريده، بينما تُطلق الطاقة الحرارية إلى محيطه. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُستخدم المبخرات غالبًا لتركيز المحلول. ومن الأمثلة على ذلك مبخر الصفائح الغشائية الصاعدة/الهابطة ، والذي يُستخدم لصنع الحليب المكثف .

وبالمثل، فإن عملية الاختزال (الطهي) هي عملية تبخير السوائل من محلول لإنتاج منتج غذائي "مختزل"، مثل اختزال النبيذ.

يُعدّ التبخير العملية الأساسية وراء التقطير ، الذي يُستخدم لتركيز الكحول ، وعزل المنتجات الكيميائية السائلة ، أو استعادة المذيبات في التفاعلات الكيميائية. كما تستخدم صناعة العطور والزيوت العطرية التقطير لتنقية المركبات. ولكل تطبيق من هذه التطبيقات أجهزة متخصصة.

في حالة تحلية مياه البحر أو في محطات الصرف الصفري للسوائل ، ينطبق الغرض المعاكس؛ حيث يزيل التبخير مياه الشرب المرغوبة من المذاب/المنتج غير المرغوب فيه، وهو الملح. ^{[ 3 ]}

تستخدم الهندسة الكيميائية التبخير في العديد من العمليات. على سبيل المثال، يُستخدم المبخر متعدد التأثير في عملية لب الخشب كرافت، ^{[ 4 ]} وهي عملية إنتاج لب الخشب من الخشب.

تحمل السفن الكبيرة عادةً محطات تبخير لإنتاج المياه العذبة، مما يقلل اعتمادها على الإمدادات البرية. يجب على السفن البخارية إنتاج مياه مقطرة عالية الجودة للحفاظ على مستويات مياه الغلايات . غالبًا ما تستخدم السفن التي تعمل بمحركات الديزل الحرارة المهدرة كمصدر للطاقة لإنتاج المياه العذبة. في هذا النظام، تمر مياه تبريد المحرك عبر مبادل حراري، حيث يتم تبريدها بواسطة مياه البحر المركزة. ولأن مياه التبريد، وهي مياه عذبة معالجة كيميائيًا، تكون عند درجة حرارة 70-80 درجة مئوية (158-176 درجة فهرنهايت) ، فلن يكون من الممكن تبخير أي بخار ماء إلا إذا انخفض الضغط في وعاء المبادل الحراري .  

تُستخدم مضخة فنتوري طاردة للهواء والمحلول الملحي لخلق فراغ داخل الوعاء، مما يُحقق تبخرًا جزئيًا. ثم يمر البخار عبر مزيل الرذاذ قبل وصوله إلى قسم المكثف . يُضخ ماء البحر عبر قسم المكثف لتبريد البخار بدرجة كافية للتكثيف. يتجمع المُقطر في صينية، ومنها يُضخ إلى خزانات التخزين. يراقب مقياس الملوحة نسبة الملح، ويُحوّل تدفق المُقطر من خزانات التخزين إذا تجاوزت نسبة الملح الحد المسموح به. تُجرى عملية التعقيم بعد المُبخر.

عادةً ما تكون المبخرات من النوع الأنبوبي (المعروف باسم محطة أطلس) أو من النوع اللوحي (مثل النوع الذي صممته شركة ألفا لافال ). ويتم التحكم في درجة الحرارة والإنتاج والفراغ عن طريق تنظيم صمامات النظام. قد تؤثر درجة حرارة مياه البحر على الإنتاج، وكذلك تقلبات حمل المحرك. لهذا السبب، يتم ضبط المبخر مع تغير درجة حرارة مياه البحر، ويتوقف تمامًا عند مناورة السفينة. ويُعدّ استخدام مبدأ التناضح العكسي لإنتاج المياه العذبة بديلاً عن استخدام المبخرات في بعض السفن، مثل السفن الحربية وسفن الركاب.

تستخدم المبخرات الدوارة مضخة تفريغ لتوليد ضغط منخفض فوق المذيب، مع تدوير قارورة السائل في الوقت نفسه لزيادة مساحة السطح وتقليل حجم الفقاعات. عادةً، يمر البخار فوق أنبوب تبريد أو ملف تبريد حتى لا تتسبب المادة المتبخرة في تلف المضخة. يُعد المبخر الدوار الأنسب لإزالة المذيب من المحاليل التي تحتوي على المنتج المطلوب، والتي لا تتبخر عند ضغط التشغيل، وذلك لفصل المكونات المتطايرة من الخليط عن المواد غير المتطايرة.

تعتمد المبخرات ذات الدوران الطبيعي على الدوران الطبيعي للمنتج الناتج عن اختلافات الكثافة الناجمة عن التسخين ( الحمل الحراري ). يتم تسخين حجرة تحتوي على محلول، ويتم جمع السائل المتبخر في قارورة استقبال.

يتكون هذا النوع من المبخرات عادةً من أنابيب يتراوح طولها بين 4 و8 أمتار (13-26 قدمًا ) محاطة بأغلفة بخارية. يُعد التوزيع المنتظم للمحلول أمرًا بالغ الأهمية عند استخدام هذا النوع من المبخرات. يدخل المحلول إلى المبخر ويكتسب سرعة أثناء تدفقه إلى الأسفل. تُعزى هذه الزيادة في السرعة إلى البخار المتصاعد مقابل وسط التسخين، الذي يتدفق هو الآخر إلى الأسفل. يُستخدم هذا المبخر عادةً مع المحاليل عالية اللزوجة ، لذا فهو شائع الاستخدام في الصناعات الكيميائية، وصناعة السكر، والأغذية، والتخمير.  

يُعدّ هذا النوع من المبخرات مفيدًا في تركيز المحاليل. ^{[ 5 ]} تشبه آلية عمله آلية الكالاندريا ، حيث يُغلى السائل داخل أنابيب رأسية بتسخين جدرانها الخارجية. يضغط بخار المذيب الناتج السائل على جدران الأنابيب، مُشكّلًا طبقة رقيقة ترتفع مع البخار. يمكن إطلاق البخار من النظام، بينما يُعاد تدوير السائل عبر المبخر لزيادة تركيز المذاب . في كثير من الحالات، يتراوح ارتفاع أنابيب مبخر الطبقة الصاعدة عادةً بين 3 و10 أمتار (9.8-32.8 قدمًا) ، وقطرها بين 25 و50 مليمترًا (0.98-1.97 بوصة) . يتطلب تحديد حجم هذا النوع من المبخرات تقييمًا دقيقًا لمستوى السائل داخل الأنابيب ومعدلات تدفق البخار والطبقة.  

تتميز مبخرات الألواح ذات الأغشية الصاعدة والهابطة بمساحة سطح كبيرة نسبيًا. عادةً ما تكون الألواح مموجة ومثبتة على إطار. أثناء عملية التبخير، يتدفق البخار عبر القنوات المتكونة من الفراغات بين الألواح، حيث يصعد البخار ويهبط بالتناوب موازيًا للسائل المركز. يسلك البخار مسارًا متزامنًا أو معاكسًا لمسار السائل. يُغذى المركز والبخار إلى مرحلة الفصل، حيث يُرسل البخار إلى مكثف. يُستخدم هذا النوع من مبخرات الألواح بكثرة في صناعات الألبان والتخمير نظرًا لمرونته المكانية. من عيوب هذا النوع من المبخرات محدودية قدرته على معالجة المنتجات اللزجة أو التي تحتوي على مواد صلبة. توجد أنواع أخرى من مبخرات الألواح تعمل بتقنية الأغشية الصاعدة فقط.

على عكس المبخرات أحادية المرحلة، يمكن أن تتكون هذه المبخرات من سبع مراحل تبخير (تأثيرات). يستهلك نظام المبخرات أحادية التأثير طاقةً عاليةً جدًا، وتشكل معظم تكلفة نظام التبخير. يساهم تجميع المبخرات في توفير الحرارة، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة. فإضافة مبخر واحد إلى النظام الأصلي يقلل استهلاك الطاقة بنسبة 50%، وإضافة تأثير آخر يقلله بنسبة 33%، وهكذا. ويمكن استخدام معادلة لحساب نسبة توفير الحرارة لتقدير مقدار التوفير الناتج عن إضافة عدد معين من التأثيرات.

عادة ما يقتصر عدد التأثيرات في المبخر متعدد التأثيرات على سبعة لأنه بعد ذلك، تقترب تكلفة المعدات من وفورات التكلفة الناتجة عن انخفاض متطلبات الطاقة.

يمكن استخدام نوعين من التغذية عند التعامل مع المبخرات متعددة التأثير:

• التغذية الأمامية: تحدث هذه العملية عندما يدخل المنتج إلى النظام عبر المرحلة الأولى عند أعلى درجة حرارة. ثم يُركّز المنتج جزئيًا بتحول جزء من الماء إلى بخار ونقله بعيدًا. بعد ذلك، يُغذّى المنتج إلى المرحلة الثانية، التي تكون درجة حرارتها أقل قليلًا. تستخدم المرحلة الثانية البخار الساخن المتولد في المرحلة الأولى كمصدر للحرارة (مما يوفر في استهلاك الطاقة). يوفر الجمع بين درجات الحرارة المنخفضة واللزوجة العالية في المراحل اللاحقة ظروفًا مثالية لمعالجة المنتجات الحساسة للحرارة، مثل الإنزيمات والبروتينات. يتطلب هذا النظام زيادة مساحة سطح التسخين في المراحل اللاحقة.
• التغذية العكسية: في هذه العملية، تُغذّى المنتجات المخففة إلى المرحلة الأخيرة ذات أدنى درجة حرارة، ثم تُنقل من مرحلة إلى أخرى مع ارتفاع درجة الحرارة. يُجمع المركز النهائي في المرحلة الأكثر سخونة، مما يوفر ميزة تتمثل في أن المنتج يكون شديد اللزوجة في المراحل الأخيرة، وبالتالي يكون انتقال الحرارة أفضل.

في السنوات الأخيرة، شاع استخدام أنظمة التبخير الفراغي متعددة التأثيرات (مع مضخة حرارية ). ومن المعروف أنها أكثر فعالية من الناحية الطاقية والتقنية مقارنةً بأنظمة إعادة ضغط البخار الميكانيكية . وبفضل انخفاض درجة غليانها، يمكنها التعامل مع السوائل شديدة التآكل أو السوائل المعرضة لتكوين الترسبات. ^{[ 6 ]}

لقد حقق التبخير بالأغشية الرقيقة مع التحريك نجاحًا كبيرًا مع المنتجات التي يصعب التعامل معها. ببساطة، تفصل هذه الطريقة بسرعة المكونات المتطايرة عن المكونات الأقل تطايرًا باستخدام نقل الحرارة غير المباشر والتحريك الميكانيكي لغشاء المنتج المتدفق في ظل ظروف مضبوطة. عادةً ما يتم الفصل في ظروف فراغية لزيادة فرق درجة الحرارة (∆T) إلى أقصى حد مع الحفاظ على درجة حرارة المنتج المثلى، بحيث لا يتعرض المنتج إلا لظروف التوازن داخل المبخر، مما يُحسّن من استخلاص المواد المتطايرة واستعادتها. ^{[ 7 ]}

قد تنشأ مشاكل تقنية أثناء عملية التبخير، خاصةً عند استخدامها في صناعة الأغذية. بعض المبخرات حساسة لاختلافات لزوجة وقوام المحلول المخفف، ما قد يؤدي إلى انخفاض كفاءة عملها نتيجةً لفقدان الدوران. وقد يلزم استبدال مضخة المبخر إذا لزم استخدامه لتركيز محلول عالي اللزوجة.

يحدث التلوث أيضًا عندما تتشكل رواسب صلبة على أسطح وسائط التسخين في المبخرات. في الأطعمة، يمكن للبروتينات والسكريات المتعددة أن تُكوّن هذه الرواسب التي تُقلل من كفاءة نقل الحرارة. كما يُمكن أن تُسبب الرغوة مشكلة، إذ أن التعامل مع الرغوة الزائدة قد يكون مكلفًا من حيث الوقت والجهد. تُستخدم عوامل مضادة للرغوة ، ولكن لا يُمكن استخدام سوى عدد قليل منها أثناء معالجة الأغذية.

قد يحدث التآكل أيضًا عند تركيز المحاليل الحمضية ، مثل عصائر الحمضيات . ويمكن أن يؤدي التلف السطحي الناتج إلى تقصير عمر المبخرات. كما قد تتأثر جودة الطعام ونكهته أثناء عملية التبخير. لذا، عند اختيار المبخر، يجب مراعاة خصائص محلول المنتج بعناية.