با توجه به آمار های بدست آمده بیشتر از ۹۵ درصد از آب سطح کره زمین شور می باشد. فرآیند آب شیرین کن که هدف آن کاهش استاندارد مقدار نمک و املاح معدنی موجود در آب است، به طوری که برای آب شیرین کن کشاورزی و آشامیدنی مناسب باشد. برای شیرین سازی و تصفیه آب های شور ، شیوه های مختلفی توسعه و پدید آمده اند. عملکرد و کارایی هر کدام از این شیوه ها به غلظت املاح و نمکی که در آب در مرحله اول و همچنین ارزش آب تولیدی بستگی دارد. همه مراحل شیرین کردن آب به انرژی نیازمند هستند که قادر است در حالت گرمایی، مکانیکی یا الکتریکی تامین شود. در این مقاله به تحلیل و بررسی انواع آب شیرین کن های حرارتی می پردازیم.
شیرین کردن آب به شیوه حرارتی
از رایج ترین روش های شیرین کردن آب، تقطیر آب شور با بهره گیری از انرژی گرمایی است. تقطیر آب شور یکی از موثر ترین شیوه های شیرین سازی آب می باشد. عملکرد این دستگاه به این صورت است که اول آب با استفاده از حرارت بالا به جوش می آید و بعد تبخیر می شود. در دومین مرحله با خنک سازی و چگالش آب می توانیم به آب خالص دست یابیم. در این روش، مراحل تبخیر آب می تواند به دو شکل صورت گیرد. در حالت اول با گرم کردن آب شور تا نقطه جوش و در حالت دوم با کاهش فشار بخار آب شور. در اکثر موارد بهره گیری از این شیوه در مقایسه با دیگر فرآیندهای غشایی بازدهی بیشتری دارد و همچنین کیفیت آبی که تولید می شود نسبت به دیگر روش های شیرین سازی آب بسیار بالاتر خواهد بود.
از مهم ترین دغدغه هایی که در روش شیرین سازی حرارتی آب با آن روبرو می شویم، مقدار انرژی حرارتی است که مصرف می شود. زیرا عامل اصلی در این روش انرژی حرارتی می باشد و وقتی بهره گیری از این شیوه به صرفه خواهد بود که دسترسی به این منبع انرژی حرارتی ممکن باشد. این دغدغه سبب شده، این فناوری در کشور هایی که امکان ساخت این آب شیرین کن های حرارتی را در جوار نیروگاه های حرارتی تولید برق دارند مورد توجه قرار بگیرد.
انواع آب شیرین کن حرارتی
روش های حرارتی مختلفی وجود دارند که با نام آب شیرین کن تقطیری شناخته می شوند. روش تقطیر به شکل های متفاوتی اجرا می شوند. انواع روش های تقطیری شیرین سازی آب به موارد زیر تقسیم می شوند.
· تقطیر ناگهانی چند مرحله ای یا MSF
· تقطیر چند مرحله ای یا MED
· تقطیر تراکمی بخار یا VCD
در ادامه مقاله به بررسی انواع روش‌های شیرین سازی آب می‌پردازیم با ما همراه باشید
تقطیر ناگهانی چند مرحله ای یا MSF
در آب شیرین کن MSF، برای خارج کردن نمک آب دریا از چند مرحله تقطیر ناگهانی استفاده می شود و دلیل این کار تبادل گرمایی متقابل است. آمار نشان می دهد ۶۰% از دستگاه های نمک زدا آب دریا به این شکل طراحی و ساخته می شوند. در عملیات تقطیر MSF، آب شور در مخزنی به نام گرمکن، گرم می شود و این فرآیند توسط تبادل حرارتی بین بخار بوجود آمده در مرحله چگالش رخ می دهد. زمانی که آب گرم شد به سرعت به یک محفظه جدید وارد می شود و این ورود ناگهانی آب گرم به داخل این مخزن سبب به جوش آمدن سریع آب می شود. بطور معمول یک آب شیرین کن MSF قادر است از ۴ تا ۴۰ مرحله داشته باشد.
زیاد شدن مراحل در شیوه MSF سبب افزایش بازده حرارتی می شود که این عامل نیز باعث بیشتر شدن میزان سرمایه گذاری اولیه می شود. مشکل و دغدغه‌ای که در سیستم های MSF بسیار مهم است و باید مورد توجه قرار گیرد و کنترل شود، احتمال ایجاد رسوب و خوردگی است که عامل آن ترکیب آب شور باقی مانده در مرحله آخر است.
تقطیر چند مرحله ای یا MED
مشکل ایجاد رسوب در روش آب شیرین کن MED سبب شده است تا متخصصان شیوه های جدیدی را برای حل این مشکل پیدا کنند. روش MED یکی از آن روش هایی است که در مشکل ایجاد رسوب در فرآیند MSF طراحی و توسعه پیدا کرده است. MED به معنای تقطیر چند مرحله ای می باشد و اساس کار آب شیرین کن MED بر پایه نمک زدایی تقطیری در چند مرحله و به همراه چرخش بخار می باشد. این را هم بگوییم که ۵ درصد ظرفیت تولید آب شیرین در دنیا به این شیوه تولید می شود.
فرآیند MED به این شکل می باشد که اول بخاری که از نیروگاه های بخار یا توسط سوزانده شدن زغال سنگ یا سوخت های فسیلی ایجاد می شود به اولین مرحله فرآیند ورود می کنند. که به این بخاری که تولید می شود، بخار اولیه می گویند.
در ادامه فرآیند آب شیرین کن ، آب شور وارد مرحله اول می شود و بر لوله هایی که بخار دارند پاشش می یابند.
اثر تبادل گرمایی میان آب شور و بخار اولیه از سوی دیگر نیز بخار اولیه، گرمای خود را از دست می دهد و چگالش پیدا می کند و از طرفی آب شور تبخیر می شود و به مرحله بعد ارسال می شود. این روند می تواند تکرار شده و تا چند مرحله ادامه پیدا کند. به همین ترتیب بخار چگالش می یابد و از مرحله دوم به بعد به عنوان آب شیرین جمع آوری می شود و فرآیند نهایی تصفیه آب انجام می شود.
در روش شیرین کردن آب MED تعداد مرحله ها به دمای آب شور ورودی بستگی دارد. زمانی تعداد مراحل می تواند کمتر باشد که دمای آب شور بیشتر و به دمای جوش نزدیک باشد. در مقابل هر چقدر مراحل بیشتر باشد، نسبت آب شیرین تولید شده به بخار مصرفی، بازدهی حرارتی زیادتری خواهد داشت. این نکته را هم باید در نظر داشت که بالا رفتن تعداد مراحل سبب بیشتر شدن میزان سرمایه گذاری اولیه می شود.
مزیت های روش MED
- نسبت به دیگر روش های حرارتی مصرف انرژی کمتری دارد
- برای مقابله با ایجاد رسوب و خوردگی، کار در دمای کمتر از ۷۰ درجه سلسیوس و غلظت کمتر از ۱.۵ انجام می گیرد.
- به مرحله پیش تصفیه آب دریا نیاز ندارد
- عملکرد و فرآِند بسیار ساده است
- هزینه های نگهداری پایینی دارد
- قادر است ۲۴ ساعته کار کند
- با انواع منابع مختلف می تواند منطبق شود (آب داغ، سوخت فسیلی،…)
معایب سیستم MED
- عدم تطابق با منابع با دمای بیشتر به دلیل مشکلاتی ناشی از رسوب گذاری در هنگام فرآیند
- به دلیل پیچیده و زیاد بودن تجهیزات مشکل است در نمونه های کوچک ساخته شود.
تقطیر تراکمی بخار یا VCD
روش تقطیر تراکمی بخار به شیوه ای بیان می شود که در آن پروسه تبخیر آب شور به وسیله تبادل گرمایی با یک بخار متراکم شده انجام می گیرد.
با توجه به شرایط می توان از این پروسه در کنار پروسه های دیگر استفاده کرد و یا بصورت مستقل مورد استفاده قرار داد. با تراکم بخار، دما و فشار بیشتر می شود. از انرژی گرمایی جمع شده در بخار متراکم می توان برای تبخیر استفاده کرد.
متراکم سازی بخار می تواند توسط سیستم های مکانیکی یا الکتریکی انجام گیرد. بهره گیری از سیستم های مکانیکی سبب توسعه روش متراکم سازی مکانیکی یا به عبارتی MVC شده است. شیوه MVC دارای دو نوع متفاوت تراکم بخار(VC) و تراکم بخار خلا (VVC) می باشد. در نوع VC فرایند در فشار اتمسفری و در روش VVC تبخیر در فشار زیر اتمسفر انجام می گیرد.
پروسه تراکم در شیوه های مکانیکی توسط یک توربین یا کمپرسور انجام می گیرد.
این روند از پروسه های مهم و پر استفاده در نیروگاه ها و صنایع می باشد. تقطیر تراکمی بخار ظرفیت پایینی دارد و آب شیرین که تولید می کند کم می باشد و موارد مختلف مانند هتل ها استفاده می شود.
در روش های آب شیرین کن حرارتی چه مقدار انرژی مصرف می شود؟
از مهمترین عوامل در انتخاب انواع آب شیرین کن های حرارتی ، مقدار انرژی است که مصرف می شود. مقدار انرژی مصرفی در انواع روش های تقطیر را در جدول مشاهده می کنید.
| انرژی/روش تقطیر | MSF | MED | MVC |
| انرژی الکتریکی (kWh/m3) | ۴-۶ | ۱/۵-۲/۵ | ۷-۱۲ |
| انرژی حرارتی (kWh/m3) | ۵۰-۱۱۰ | ۶۰-۱۱۰ | – |
| انرژی الکتریکی معادل حرارتی (kWh/m3) | ۹/۵-۱۹/۵ | ۵-۸/۵ | – |
| کل انرژی الکتریکی معادل (kWh/m3) | ۱۳/۵-۲۵/۵ | ۶/۵-۱۱ | ۷-۱۲ |