التقطير بدرجة حرارة منخفضة

تُعدّ تقنية التقطير بدرجة حرارة منخفضة ( LTD ) أول تطبيق لعملية التقطير بالرش المباشر (DSD). وقد بدأت أولى الوحدات واسعة النطاق بالعمل في مجال تحلية المياه. طُوّرت هذه العملية لأول مرة على يد علماء في جامعة العلوم التطبيقية في سويسرا، حيث ركّزوا على التقطير بدرجة حرارة منخفضة في ظروف فراغية، وذلك خلال الفترة من عام 2000 إلى عام 2005. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

التقطير بالرش المباشر هو عملية لمعالجة المياه تُستخدم في تحلية مياه البحر ، ومعالجة مياه الصرف الصناعي ، ومعالجة المحاليل الملحية والمُركّزة، بالإضافة إلى أنظمة الصرف الصفري . وهي عملية فصل فيزيائية للمياه تعتمد على الطاقة الحرارية . يتضمن التقطير بالرش المباشر تبخير وتكثيف قطرات الماء التي تُرش في حجرة مُفرغة من الغازات الدائمة غير القابلة للتكثيف، مثل الهواء وثاني أكسيد الكربون . وبالمقارنة مع أنظمة التبخير الأخرى، لا يحدث أي تغيير في الحالة على الأسطح الصلبة، مثل المبادلات الحرارية الأنبوبية .

حالياً، يُعدّ التقطير منخفض الحرارة (LTD) التطبيق الوحيد لتقنية التقطير المباشر للماء. تتم عملية التقطير منخفض الحرارة تحت ضغط جزئي في حجرتي التبخير والتكثيف، وبدرجات حرارة تشغيلية تقل عن 100  درجة مئوية. وقد بدأت بالفعل أولى أنظمة التقطير منخفض الحرارة واسعة النطاق لمعالجة المياه الصناعية بالعمل.

ابتكر مارك ليمان عملية DSD في أواخر التسعينيات، حيث تم عرضها بنجاح لأول مرة في قاعة مصنع شركة Obrecht AG في دوتينجن، سويسرا. وقد قام البروفيسور الدكتور كورت هاينيجر (جامعة العلوم التطبيقية والفنون، شمال غرب سويسرا) ^{[ 3 ] [ 4 ]} والدكتور فرانكو بلانجيتي ( شركة ألستوم ، المؤلف المشارك في أطلس VDI Wärmeatlas) ^{[ 5 ]} بتقييم نتائج التجارب والتحقق منها. وخلال السنوات اللاحقة، خضعت العملية لمزيد من البحث في إطار العديد من الأطروحات ^{[ 1 ]} التي أشرف عليها هاينيجر وليمان ^{[ 2 ]} . وكان الهدف من هذه الأبحاث دراسة تأثير الغازات غير القابلة للتكثيف في بيئات الضغط المنخفض على انتقال الحرارة أثناء عملية التكثيف على القطرات المبردة. وقد تبين أن حجم القطرات وتوزيعها، بالإضافة إلى هندسة مفاعل التكثيف، هي العوامل الأكثر تأثيرًا على انتقال الحرارة. بسبب عدم وجود مبادلات حرارية شائعة من نوع حزمة الأنابيب ، فإن مكاسب الكفاءة التي يمكن تحقيقها تنتج عن تقليل مقاومة الحرارة أثناء عملية التكثيف.

التقطير بدرجة حرارة منخفضة (LTD) هو عملية تقطير حراري متعددة المراحل، تعتمد على فروق درجات الحرارة بين مصادر الحرارة والتبريد، والتي لا تقل عن 5 كلفن لكل مرحلة. يتم رش تيارين حجميين منفصلين، تيار المبخر الساخن وتيار المكثف البارد، بدرجات حرارة وضغوط بخار مختلفة، في حجرة ضغط مشتركة، حيث تُزال الغازات غير القابلة للتكثيف باستمرار. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ومع وصول البخار إلى حالة توازن الضغط الجزئي ، يتبخر جزء من الماء من التيار الساخن. ^{[ 5 ]} تسمح عدة حجرات مرتبة على التوالي في اتجاه معاكس لتيار المبخر الساخن وتيار المكثف البارد باستعادة عالية للحرارة الداخلية من خلال تطبيق مراحل متعددة. تتميز هذه العملية بمعدل تحويل حراري نوعي عالٍ ناتج عن تقليل فقدان انتقال الحرارة ، مما يؤدي إلى كفاءة حرارية عالية ومقاومة منخفضة لانتقال الحرارة. كما أن عملية التقطير بدرجة حرارة منخفضة تتحمل الملوحة العالية والشوائب الأخرى وتقلبات جودة مياه التغذية. يهدف ترسيب المواد الصلبة تقنياً إلى تحقيق تشغيل خالٍ تماماً من تصريف السوائل (ZLD). ومن الممكن دمج عملية التقطير منخفضة الحرارة مع تقنيات تحلية المياه الحالية كعملية لاحقة لزيادة إنتاج المياه وتقليل كمية المحلول الملحي المتولد.

توضح الأشكال التالية المبدأ الديناميكي الحراري الذي تقوم عليه تقنية LTD. بالنظر إلى الشكل 1، نجد أسطوانتين مفتوحتين مملوءتين بالماء في حوضين بدرجتي حرارة مختلفتين (بافتراض: ساخن عند 50 درجة مئوية وبارد عند 20 درجة مئوية). يبلغ ضغط بخار الماء 123 ملي بار عند 50 درجة مئوية و23 ملي بار عند 20 درجة مئوية. يُفترض أن طول الأسطوانتين 10 أمتار، ويمكن سحبهما لمسافة متساوية.

تُظهر الأسطوانات المسحوبة في الشكل 2 وضعًا مختلفًا فيما يتعلق بمستوى عمود الماء. نظرًا لارتفاع ضغط البخار عند 50 درجة مئوية، فإن الضغط الجوي في عمود الماء الساخن قادر على رفعه إلى حوالي 877 سم. في المساحة المتبقية، يبدأ الماء بالتبخر عند ضغط 123 ملي بار. أما عمود الماء البارد عند 20 درجة مئوية، فيبلغ ارتفاعه 977 سم عند الضغط الجوي (1000 ملي بار)، وهو في حالة توازن مع ضغط البخار المقابل البالغ 23 ملي بار. في حال عدم حدوث تبادل حراري، يبقى هذا الوضع دون تغيير، وهو في حالة توازن ديناميكي حراري .

الآن، يتصل الجزء العلوي من كلا العمودين بقناة بخارية كما هو موضح في الشكل 3. عند اتصالهما، يتساوى ضغط حجرتي البخار (123 ملي بار و23 ملي بار) تلقائيًا ليصبح ضغطًا متوسطًا. ونتيجة لذلك، يميل مستوى الماء في العمودين إلى أن يكون متساويًا على كلا الجانبين. مع ذلك، يتسبب هذا الاتصال في اختلال توازن الطاقة في الظروف الفيزيائية لسطح الماء أعلى العمودين. ففي العمود الساخن (50 درجة مئوية)، يكون ضغط بخار الوسط أعلى من الضغط المتوسط. أما في العمود البارد (20 درجة مئوية)، فيكون الضغط المتوسط ​​أعلى من ضغط بخار الماء. يؤدي هذا الوضع إلى غليان تلقائي على الجانب الساخن وتكثف البخار على الجانب البارد على سطح الماء. تستمر هذه العملية حتى تتوازن درجة الحرارة على كلا الجانبين في كلا العمودين. بعد تكيف درجة الحرارة، يتساوى الضغط والمستوى في الحجرتين.

ونتيجةً لذلك، يُمكن افتراض أنه طالما تم الحفاظ على فرق في درجة الحرارة بين العمودين، يحدث تبخر وتكثيف تلقائيان لمياه السطح لتحقيق توازن في درجة الحرارة والضغط. ولجعل ذلك ممكنًا من الناحية التقنية، يُمكن لدوران خارجي إضافي كما هو موضح في الشكل 4 أن يُوفر الحرارة.${\displaystyle \textstyle E_{in}}$على جانب التبخير واستخراج الحرارة${\displaystyle \textstyle E_{out}}$على جانب المكثف. ولأن سرعة التفاعل تعتمد بشكل كبير على مساحة سطح الماء المتاحة، فإن نظام رش مصمم خصيصًا يُنتج ملايين القطرات الصغيرة. وتؤدي مساحة سطح الماء الداخلية الهائلة هذه إلى معدلات نقل حرارة داخلية عالية جدًا بين المبخر والمكثف.

ينطبق هذا المبدأ أيضًا في حال إزالة الجزء السفلي غير المستخدم من عمود الماء المفتوح واستبداله بغطاء كما هو موضح في الشكل 5. وقد أظهرت التجارب التي أُجريت على المحطة التجريبية أن فرق ضغط لا يتجاوز بضعة مليبار (حيث يعادل المليبار الواحد سنتيمترًا واحدًا من عمود الماء) يكفي لتشغيل عملية التقطير هذه. ويتوافق ذلك مع فروق طفيفة جدًا في درجات الحرارة لا تتجاوز بضعة كلفن.

إذا كان فرق درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والمكثف كبيرًا بما يكفي، يمكن للمكثف أن يعمل كمسخن للمرحلة التالية. وتتمثل ميزة ذلك في إعادة استخدام حرارة التكثيف عدة مرات عند درجات حرارة وضغوط مختلفة، مما يزيد من كفاءة الطاقة مع كل مرحلة إضافية. وبحسب فرق درجة الحرارة المتاح، يمكن مضاعفة هذه الحرارة عدة مرات، مما يؤدي إلى زيادة سعة التقطير بنفس كمية الحرارة المتاحة. والنتيجة هي إنشاء نظام التقطير بالرش المباشر متعدد المراحل، كما هو موضح في الشكل 6.

تتطلب عملية التقطير عند درجات الحرارة المنخفضة مفاعلات للتبخير والتكثيف مزودة بنظام رش لتوليد القطرات، وثلاثة مبادلات حرارية لوحية قياسية (للتسخين والتبريد واستعادة الحرارة). يُضخ ماء التغذية والمقطر في تيارين دورانيين كبيرين عبر المفاعلات. تتم استعادة الحرارة في مبادل حراري يقوم بتسخين ماء التغذية مسبقًا بواسطة المقطر بعد التكثيف. يُزال المحلول الملحي المشبع والمقطر من العملية بواسطة صمامات مانعة للتسرب. يوضح الشكل 7 مخططًا عامًا للعملية، موضحًا فيه تدفقات العملية والوسائط. ^{[ 6 ]}

تُزوَّد الطاقة الحرارية (1) في المبادل الحراري الرئيسي (HEX 1) بأي وسيط متاح لتسخين مياه السحب حتى 95 درجة مئوية. في دورة المبخر (باللون الأخضر)، يُرش الماء الساخن ويتبخر في حجرات ذات ضغط منخفض (2)، ثم يتدفق بفعل الجاذبية إلى الحجرات اللاحقة ذات درجة الحرارة والضغط المنخفضين. يتدفق البخار المتولد (3) من المبخر إلى المكثف في كل مرحلة، حيث يتكثف على قطرات المقطر المرشوش المبردة. ^{[ 6 ]}

يُخفّض المُبادل الحراري للتبريد (HEX 3) درجة حرارة المُقطّر (4) قبل ضخه إلى دورة المُكثّف. في دورة المُكثّف (5)، يُضخ المُقطّر المُبرّد ويُرشّ في حجرات الضغط للسماح بتكثيف البخار من المُبخّرات على القطرات المُبرّدة. خلال هذه العملية، ترتفع درجة الحرارة والضغط تدريجيًا. بعد المُكثّف الأخير، تُستعاد الحرارة الزائدة للمُقطّر في المُبادل الحراري لاستعادة الحرارة (HEX 2) لتسخين دورة المُبخّر مُسبقًا. بعد التكثيف في المُفاعل الأول، يكون المُقطّر أكثر سخونة مُقارنةً بالمحلول الملحي للمُبخّر الأخير. تُستعاد حرارة التكثيف هذه في HEX 2 وتُستخدم لتسخين دورة المُبخّر (6). من المفيد لكفاءة الطاقة تصميم هذا المُبادل الحراري بأكبر حجم مُمكن. ^{[ 6 ]}

ولتشغيل هذه العملية، يقوم نظام تفريغ (7) باستخراج الغازات غير القابلة للتكثيف (مثل${\displaystyle \textstyle CO_{2},N_{2},O_{2}}$في الحجرات. في قناة التوصيل بمضخة التفريغ ، يقوم مبادل حراري اختياري (HEX 5) بتبريد البخار لتكثيف أكبر قدر ممكن من الماء (8). يُنقل المُقطَّر الناتج بعد استعادة الحرارة الاختيارية (9) خارج العملية. يمكن لنظام المعالجة اللاحقة معالجة المُقطَّر وفقًا للمتطلبات المطلوبة (إعادة التمعدن). يُستخلص المحلول الملحي في دورة المُبَخِّر بعد المرحلة الأخيرة من المُبَخِّر (10). يتطلب التشبع الزائد وترسيب الأملاح لتطبيق تصريف السوائل الصفري (ZLD) مُبَخِّرًا إضافيًا يعمل كمُبلور، وهو غير موضح في الشكل 7. ^{[ 6 ]}

تعمل عملية التقطير عند درجات حرارة منخفضة وضغوط منخفضة، على غرار التقطير متعدد التأثيرات (MED) والتقطير الومضي متعدد المراحل (MSF) . ^{[ 8 ]} في حين أن تدفق العملية مشابه لمحطة MSF، فإن ديناميكيات درجة الحرارة والضغط أقرب إلى نظام MED. ^{[ 7 ]} وهي مصممة لاستخدام الحرارة منخفضة الدرجة أو الحرارة المهدرة من عمليات صناعية أخرى أو مصادر متجددة، مثل المجمعات الحرارية الشمسية. ^{[ 9 ]} يتمثل الاختلاف الأهم مقارنةً بتقنيات MED وMSF في عدم وجود مبادلات حرارية من حزم الأنابيب داخل حجرات الضغط. وهذا يسمح بتحسينات ^{[ 6 ]} في عملية التقطير الحراري.

• معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة أو شديدة التلوث، حتى مع ترسيب المواد الصلبة
• تحسين نقل الحرارة والكفاءة الحرارية العالية الإجمالية للمحطة
• يُحظر حدوث أي تغييرات في الحالة على الأسطح الصلبة، كما يُحظر خطر التكلس أو التلوث أو الانسداد.
• تقليل التركيبات الداخلية (وخاصة في المبخر)، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك المواد
• يتحمل التشغيل بأحمال جزئية أو ظروف تشغيل متقلبة (إمكانية توفير الطاقة باستخدام الطاقة المتجددة)

نظراً لارتفاع استهلاك الطاقة في عمليات التقطير الحراري لمعالجة المياه، يُعدّ التقطير بدرجة حرارة منخفضة الخيار الأمثل اقتصادياً لمعالجة المياه المالحة. يوضح الشكل 8 مقارنة بين تكاليف الطاقة والمحطة مقارنةً بعمليات تحلية المياه القائمة على الأغشية، مثل التناضح العكسي ، من محطات تحلية مياه البحر. قد تحتوي المياه المُغذية على مجموعة واسعة من الشوائب، مثل المحاليل الملحية الناتجة عن محطات التحلية، والمياه الجوفية المشعة، والمياه المُنتجة من صناعة النفط، والمياه الملوثة بالهيدروكربونات، وملوحة عالية تصل إلى 33% من كلوريد الصوديوم. تعمل المحطة بكفاءة حتى في ظل تركيزات عالية تصل إلى حد ترسيب المركبات غير العضوية. كما يُمكن معالجة مياه الصرف من محطات تحلية مياه البحر القائمة بتقنية التقطير بدرجة حرارة منخفضة لزيادة قدرة نظام التحلية على إزالة المياه.

تتيح عملية التقطير بدرجة حرارة منخفضة استيعاب التغيرات في حمل المصنع، حيث تعمل بكفاءة تتراوح بين 50% و100% من طاقتها التصميمية، وذلك تبعاً لمصدر الحرارة المتاح. وتتميز عملية الرش بضبطها الذاتي، وتتناسب كمية المياه المنتجة طردياً مع كمية الحرارة المُزوَّدة.

• معدل استهلاك الطاقة النوعي (الطاقة/م³ من الناتج)، الكهرباء: من 0.8 إلى 2.5${\displaystyle \textstyle kWh_{el}/m^{3}}$للضخ الداخلي وإزالة الغازات غير القابلة للتكثيف بشكل مستمر ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}
• معدل استهلاك الطاقة النوعي (الطاقة/م³ الناتج)، حراري: من 80 إلى 200${\displaystyle \textstyle kWh_{th}/m^{3}}$يعتمد ذلك على عدد المراحل ودرجة حرارة مصدر الحرارة. من الممكن استخدام حرارة منخفضة الدرجة تتراوح بين 45 و95 درجة مئوية. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}
• معدل الاسترداد، عامل التركيز: يُحوّل نظام LTD إلى راسب لتصريف المحلول الملحي السائل، أو إلى راسب لنظام ZLD (الرطب)، حيث يتم فصل الماء والمواد الصلبة تمامًا. بالنسبة لمياه البحر (ملوحة 4%)، ينتج عن ذلك استخلاص ماء من المادة المغذية (96% ماء و4% كلوريد الصوديوم) بنسبة 98.95% لنظام ZLD (الرطب)، واستخلاص ماء بنسبة 91.6% للتخلص من المحلول الملحي السائل.
• استهلاك المواد الكيميائية المضافة: لا توجد حاجة إلى مواد كيميائية مضافة لمياه البحر العادية، وكذلك المحلول الملحي الناتج عن عمليات تحلية المياه مثل RO/MSF/MED.
• كثافة الموظفين: نظام LTD مؤتمت. تتم عمليات الفحص والصيانة الدورية وفقًا للممارسات الصناعية.
• الاستبدال (مثل استبدال الأغشية): لا توجد أغشية أو مرشحات تحتاج إلى استبدال. يجب صيانة مضخات الضغط المنخفض والصمامات والحشيات وفقًا لممارسات الصناعة.

تتركز فرص التحسين بشكل أساسي على التكامل في بيئة تشغيل مناسبة مع إدارة الحرارة. ويبدو أن دمج محطات التحلية الحرارية مع محطات الطاقة الحرارية كمصادر للحرارة أمرٌ مفيد. كما أن دمجها مع عمليات تحلية أخرى، مثل الضغط الحراري أو الميكانيكي للبخار ، ممكنٌ أيضاً. وفي ظل ظروف تشغيل معينة، يمكن لهذه الأنظمة تعويض تقلبات إمدادات الحرارة عن طريق استبدال الطاقة الكهربائية في وحدة الضغط الحراري الميكانيكي للبخار المتكاملة.

يركز البحث الحالي على خفض استهلاك الحرارة والكهرباء للأنظمة المساعدة. كما يجري البحث في التبلور الانتقائي للمحلول الملحي واستخلاص الأملاح (بالتعاون مع جامعة برلين التقنية، ألمانيا). ويكمن مجال التطوير المستقبلي في دمج تقنيات الامتزاز والامتصاص لتحقيق التبريد المتكامل وتحلية المياه.