اهمیت تبخیرکننده ها در صنایع گوناگون برای کسانی که با آنها سروکار دارند پوشیده نیست، مخصوصا در پالایشگاه های نفت و گاز برای استفاده از آب های نامرغوب و جلوگیری از ورود آنها به محیط زیست، آنها را بازیافت می کنند و به صورت آب مقطر یا آب های سرویس در می آورند که آب های سرویس برای شستشو استفاده می شود، اما آب مقطر می تواند استفاده های گوناگون داشته باشد که از جمله می تواند در دیگ های بخار برای تهیه بخار استفاده شود، لذا برای تهیه آب مقطر روش های گوناگونی وجود دارد که یکی از آنها روش تبخیر است که در تبخیرکننده های چند مرحله ای صورت می گیرد. در این جا خواص مایع تبخیر شونده و انواع تبخیرکننده ها و مشکلات حاکم بر آنها شرح داده می شود.
• تبخیر
تبخیر یا غلیظ کردن یک محلول، شامل یک ماده حل شونده غیرفرار و یک حلال فرار است. در اکثریت تبخیرها، حلال ما، آب است. در تبخیر، بخشی از حلال، بخار می شود و یک محلول غلیظ تولید می شود. تبخیر کردن با خشک کردن فرق می کند، زیرا در تبخیر کردن، آن چه باقی می ماند مایع است (بعضی اوقات مایعی با لزجی سطح بالا) نه یک جامد. همین طور تبخیر با تقطیر نیز فرق دارد، زیرا در تبخیر معمولا بخار آب، خالص است و حتی هنگامی که بخار آب مخلوط است، هیچ کوششی در مرحله تبخیر برای جداسازی بخار آب در قسمت های مختلف صورت نمی گیرد. تبخیر با بلورسازی نیز تفاوت دارد، زیرا در تبخیر تأکید برغلیظ کردن محلول است نه برشکل دادن و ساختن بلورها در وضعیت معین، مثلا در تبخیر آب نمک برای تولید نمک معمولی، خط بین تبخیر و بلورسازی خیلی دور از نوک تیز بودن است.معمولا، در تبخیر، مایع غلیظ، محصول با ارزشی است و بخار آب بعد از چگال شدن دور ریخته می شود، اما در یک وضعیت ویژه، عکس این مطلب صادق است.
آب حاوی مواد معدنی اغلب برای مصرف در بویلرها، فرایندهای ویژه و مصرف انسان، تبخیر می شود و محصول عاری از مواد جامد است. این روش اغلب، تقطیر آب نامیده می شود، اما از دید فنی، تبخیر می باشد. فرآیندهای تبخیر در مقیاس بزرگ توسعه یافته است و برای تهیه آب شیرین از آب دریا به کار می رود. فقط مقدار کمی از کل آب تغذیه بازیافت و شیرین می شود و باقی مانده به دریا برمی گردد.
• خواص ویژه ی مایع
مشکل اساسی تبخیر، کاملا به وسیله خاصیت مایعی که باید غلیظ شود، تحت تأثیر قرار می گیرد. تغییرات وسیعی در خواص مایع وجود دارد (که تشخیص و تجربه را در طراحی و عملیاتی کردن تبخیرکننده ها طلب می کند) که این عملیات را از انتقال حرارت ساده به یک هنر مجزا مبدل می کند. بعضی از مهمترین خواص مایع در حال تبخیر به شرح زیر است:
1- غلظت: مایع رقیق ورودی به تبخیرکننده، ممکن است به اندازه کافی رقیق باشد، اما هم چنان که غلظت افزایش می یابد، محلول بیشتر و بیشتر حالت خاص به خود می گیرد. چگالی و لزجی با حجم مواد جامد افزایش می یابد تا این که محلول اشباع شود یا این که به خاطر خود مایع، انتقال حرارتی صورت نگیرد. با جوش دادن بیشتر مایع اشباع شده، کریستال تشکیل می شود که باعث انسداد لوله ها می شود.
2-کف کردن: بعضی مواد مخصوصا مواد آلی، در مدت تبخیر، کف تشکیل می دهند. کف پایدار، با بخار آب خروجی بیرون می رود و باعث کاهش بخار خروجی می شود. در بسیاری از حالت کل مایع، ممکن است در جوش زیاد به همراه بخار آب خارج شود.
3- حساسیت دما: بعضی از مواد شیمیایی ظریف، محصولات دارویی و غذاها، در حین حرارت دیدن متوسط در زمان نسبتا کوتاه، صدمه می بینند. در تغلیظ چنین موادی، تکنیک های ویژه ای هم برای کاهش دمای مایع و هم برای مدت حرارت دادن، لازم است.
4- جرم: بعضی محلول ها روی سطح حرارتی، جرم تشکیل می دهند که باعث کاهش شدید ضریب انتقال حرارت می شود. در چنین حالتی باید تبخیر کننده را از کار انداخت و جرم ها را از بین برد.
5- مواد ساختمانی تبخیرکننده: معمولا از بعضی انواع فولاد ساخته می شوند، اما بعضی از محلول ها، فلزات آهنی را مورد حمله قرار می دهند یا آنها را آلوده می کنند. بعضی مواد گران قیمت ممکن است در ساختمان تبخیر کننده برای جلوگیری از خوردگی به کار رود که باید نرخ انتقال حرارت بالایی داشته باشند تا گرانی را توجیه کند. بعضی خواص مایع هم باید توسط طراح درنظر گرفته شود، مثل: حرارت ویژه، حرارت غلظت، نقطه انجماد، سمی بودن، خطرات انفجار، رادیو اکتیویته و عملیات استریل.
• عملیات یک مرحله ای و چند مرحله ای
بیشتر تبخیرکننده ها به وسیله بخار چگال شونده برروی لوله های فلزی، حرارت داده می شوند. تقریبا همیشه موادی که تبخیر می شوند، درون لوله ها جریان دارند. معمولا بخار، در فشار پایین یعنی زیر atm 3می باشد. مایع جوشنده نیز در خلأیی زیر خلأ متوسط، تا حدود Kpa 5می باشد. کاهش دمای جوش مایع، اختلاف دما بین بخار و مایع جوشنده را افزایش می دهد که موجب افزایش نرخ انتقال حرارت در تبخیر کننده می شود. در تبخیر کننده های یک مرحله ای، بخار به صورت غیر مؤثر استفاده می شود (کارایی پایین). در تبخیر کننده یک مرحله ای برای تبخیر یک پوند آب حدود یک تا یک و سه دهم پوند ( lb1.3 - 1) بخار مصرف می شود.در تبخیر کننده دو مرحله ای، بخار آب تولید شده با بخار ورودی به سیستم، ترکیب می شود و در مرحله دوم مورد استفاده قرار می گیرد. در این مرحله بخار آب تولید شده به وسیله واحد جرم بخار ورودی به سیستم تقریبا دوبرابر است. به طورکلی، روش عمومی افزایش تبخیر در واحد جرم بخار ورودی به سیستم، با استفاده از سری های تبخیرکننده ها، بین منبع بخار و چگالنده، تبخیر چند مرحله ای نامیده می شود.