دانلود مقاله تبخیر کننده ها

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.

• انواع تبخیرکننده ها 1-تبخیرکننده های عمودی با لوله دراز • جریان صعودی:Climbing film)) • جریان نزولی:(Falling film) • چرخش وادار شده:(Forced circulation) 2-تبخیرکننده های مغشوش(Agitated-film) • تبخیرکننده های یک بار گذر و تبخیرکننده های چرخشی در تبخیرکننده های یک بار گذر، مایع تغذیه فقط یک بار از میان لوله ها عبور می کند، بخارهایش را آزاد می کند و به صورت مایع غلیظ از واحد بیرون می رود.

همه تبخیر در یک بار گذر از لوله ها، انجام می شود.

نسبت تبخیر به تغذیه (خوراک ورودی) در واحد یک بار گذر محدود است.

بنابراین، این تبخیرکننده ها خیلی خوب با عملیات چند مرحله ای سازگار هستند، طوری که کل مقدار غلظت، می تواند روی چند مرحله پخش شود.

تبخیر کننده های مغشوش همیشه به صورت یک بار گذری کار می کنند، تبخیرکننده های صعودی و نزولی نیز می توانند به این روش به کار گرفته شوند.تبخیرکننده های یک بار گذر، مخصوصا برای مواد حساس به حرارت مفید هستند.در خلأ خیلی بالا، دمای مایع می تواند پایین نگه داشته شود.

با یک بار عبور سریع از میان لوله ها، مایع غلیظ در زمانی کوتاه در دمای تبخیر است و به محض این که تبخیر کننده را ترک کرد می تواند سریعا سرد شود.

در تبخیر کننده های چرخشی یک حوض مایع درون تجهیزات است.

خوراک ورودی با مایع درون حوض مخلوط می شود و هر دو از لوله ها عبور می کنند.

مایع تبخیر نشده از لوله ها تخلیه می شود و به حوض برمی گردد.

به طوری که فقط بخشی از کل تبخیر در یک گذر رخ می دهد.

همه تبخیرکننده های چرخشی وادار شده، از این نوع هستند.

تبخیرکننده های جریان بالا نیز معمولا از این نوع هستند.

مایع غلیظ شده، از حوض بیرون کشیده می شود، در غیر این صورت به علت بالابودن غلظت، چگالی، لزجی و نقطه ی جوش، ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد.

این نوع تبخیرکننده ها، برای غلیظ کردن مایعات حساس به دما، مناسب نیستند.

اگر چه با بالا بردن خلاء، دمای کل مایع پایین می آید و در ظاهر این دما برای این نوع مواد غیرمخرب است، اما به دلیل تماس مکرر مایع با لوله های داغ، مقداری از مایع به دمای خیلی بالایی می رسد که مطلوب نیست.

اگر چه زمان متوسط ماندگاری مایع در ناحیه حرارتی ممکن است کوتاه باشد، ولی بخشی از مایع برای زمان قابل ملاحظه ای در تبخیر کننده باقی می ماند که همین زمان حتی برای مقدار کمی از مواد حساس به حرارت، مثل غذاها، باعث فساد کل محصول می شود.

اما تبخیرکننده های چرخشی می توانند در دامنه وسیعی از غلظت، بین خوراک ورودی و مایع غلیظ، در یک واحد یک مرحله ای عمل کنند و خیلی خوب با تبخیر یک مرحله ای سازگار می شوند.

آنها می توانند یا با چرخش طبیعی که جریان درون لوله ها به وسیله اختلاف چگالی تأمین می شود، کار کنند یا می توانند با چرخش وادار شده که جریان درون لوله به وسیله پمپ تأمین می شود، کار کنند.

• تبخیرکننده های لوله بلند با جریان صعودی قطعات اصلی این نوع تبخیرکننده شامل: 1 - مبدل حرارتی لوله ای که بخار در پوسته و مایع غلیظ شونده در لوله است 2 - یک جداکننده برای گرفتن مایعات همراه بخار آب 3- در صورت چرخشی بودن واحد، یک لوله، برای برگشت مایع جدا شده از بخار به انتهای مبدل حرارتی که این لوله بین جدا کننده و مبدل حرارتی وصل می باشد.

ورودی های آن بخار و مایع خروجی های آن، بخار آب، مایع غلیظ، بخارچگال شده و گازهای غیرقابل چگال از بخار، لوله ها به قطر2 و1اینچ و طول 32-12فوت هستند.

در اثر جوشیدن، بخار آب و مایع به طرف بالا حرکت می کنند و مایع جدا شده در اثر نیروی ثقل به انتهای لوله ها باز می گردد.

خوراک ورودی رقیق و مایعات گرفته شده در جدا کننده، وارد سیستم می شود.

در فاصله کوتاهی از زمان، خوراک ورودی، از لوله بالا می روند و از بخار که در بیرون لوله ها است حرارت دریافت می دارد.

هم چنان که مایع می جوشد، حباب هایی درون آن شکل می گیرد که باعث افزایش سرعت خطی و نرخ انتقال حرارت می شوند.

نزدیک بالای لوله ها، حباب ها با سرعت رشد می کنند.

در این ناحیه، حباب های بخار آب به همراه تفاله های مایع، خیلی سریع درون لوله ها بالا می روند و با سرعت زیاد از بالا خارج می شوند.

از لوله ها مخلوط مایع و بخار آب، وارد جدا کننده می شوند.

قطر جدا کننده از مبدل حرارتی بیشتر است و همین باعث افت شدید سرعت خطی می شود.

به عنوان کمک بیشتر در حذف قطرات مایع، بخار آب به مانع برخورد می کند و پیش از ترک جدا کننده، از اطراف مجموعه ای از تیغه ها عبور می کند.

این نوع تبخیر کننده ها، مخصوصا برای غلیظ کردن مایعاتی که تمایل به کف کردن دارند مؤثر است.

هنگامی که مخلوط مایع و بخار آب با سرعت خیلی بالا، به تیغه ها برخورد می کنند، کف ها شکسته می شوند.

• تبخیرکننده های نزولی غلیظ کردن مواد خیلی حساس به حرارت مانند آب پرتقال کمترین زمان حرارت دهی را لازم دارد.این کار می تواند در تبخیرکننده های یک بار گذر، جریان نزولی انجام شود که در آن مایع از بالا وارد می شود، در درون لوله های داغ به عنوان یک ورقه نازک(Film) جریان می یابد و از انتها بیرون می رود.

لوله ها حدود10-2اینچ قطر دارند.

بخار آب تولید شده از مایع، معمولا همراه مایع به سمت پایین هدایت می شود و از ته واحد، بیرون می رود.

ظاهر این تبخیرکننده ها مشابه مبدل حرارتی دراز، عمودی و لوله ای می باشد که دارای جدا کننده ی بخار آب و مایع در پایین و توزیع کننده مایع در بالا می باشد.

مسأله مهم در این نوع تبخیرکننده ها، توزیع یکنواخت مایع، درون لوله ها به صورت ورقه نازک یکنواخت است.

این کار به وسیله مجموعه ای از صفحات فلزی سوراخ دار که به طور یکنواخت در هر لوله جریان دارد یا به وسیله توزیع کننده ی پروانه ای دارای بازوهای شعاعی که به وسیله آن خوراک ورودی با نرخ یکنواخت روی سطح داخلی هر لوله پاشیده می شود.

یک روش دیگر، استفاده از یک نازل افشانه ای مخصوص در داخل هر لوله است.

چنانچه گردش مجدد مجاز باشد و به مایع خسارتی وارد نیاورد، می توان مایع را با ملایمت به بالای لوله ها هدایت کرد.

این عمل باعث می شود تا حجم بیشتری از جریان نسبت به حالت یک بار گذر، درون لوله ها جریان یابد.

برای انتقال حرارت خوب، عدد رینولدز، مربوط به ورقه نازک آبشاری باید در سراسر لوله بزرگتر از عدد 2000 باشد.

همانطور که مایع از بالای لوله به سمت پایین آن جریان می یابد، مقدار آن به طور پیوسته کاهش می یابد به طوری که مقدار غلظتی که می تواند در یک گذر (Single pass) انجام شود، محدود است.

تبخیرکننده های جریان نزولی، بدون گردش مجدد و زمان ماندگاری خیلی کم در لوله، محصولات حساسی را حمل می کنند که به هیچ روش دیگری نمی توانند تغلیظ شوند.

هم چنین آنها برای تغلیظ مایعات لزج خیلی خوب سازگار هستند.

• تبخیرکننده های با گردش وادار شده (Forced circulation evaporators) در تبخیرکننده های با گردش طبیعی، مایع با سرعت ft/s 4-1 وارد لوله ها می شود.

هم چنان که بخار آب در لوله ها شکل می گیرد سرعت خطی تا اندازه ای افزایش می یابد به طوری که نرخ انتقال حرارت در حد کلی رضایت بخش است.اما وقتی مایعات لزج در واحد گردش طبیعی در جریان باشد، ضریب کلی به طور غیراقتصادی پایین است.

ضرایب بالاتر در تبخیرکننده های گردش وادار شده، به دست می آید.در اینجا پمپ گریز از مرکز، مایع را با سرعت ورودیft/s 18-6 به لوله ها پمپ می کند.

لوله ها تحت ارتفاع استاتیکی کافی برای جلوگیری از جوشیدن مایع در لوله ها هستند.

هم چنان که ارتفاع استاتیکی در حین جریان مایع از گرم کننده تا فضای بخار آب کاهش می یابد، مایع، حرارت فوق العاده زیادی می بیند، (superheat) و به یک مخلوط بخار آب ارسال می شود و درست قبل از ورود به بدنه تبخیرکننده، به خط خروجی مبدل حرارتی، افشانده می شود.

مخلوط بخار آب و مایع به یک صفحه منعکس کننده در فضای بخار آب، برخورد می کند.

مایع به ورودی پمپ برمی گردد و با خوراک ورودی مخلوط می شود، و بخار آب هم بالای بدنه تبخیر کننده را به سمت چگالنده یا مرحله بعدی، ترک می کند.

بخشی از مایع هم که جداکننده را ترک می کند به طور دائم بیرون کشیده می شود.در موارد دیگر از مبدل های عمودی یک بارگذر استفاده می شود.

در هر دو نوع، انتقال حرارت مخصوصا هنگامی که دارای مایعات رقیق باشند، بالا است، اما، بزرگترین بهبود در تبخیر گردش طبیعی زمانی است که دارای مایع لزج باشند.

برای مایعات رقیق، بهبود به وسیله گردش وادار شده، هزینه های افزوده شده پمپاژ را نسبت به گردش طبیعی توجیه نمی کند، اما برای مواد چسبنده، مخصوصا زمانی که فلزات گران قیمت باید استفاده شوند، هزینه های افزون توجیه پذیرند.

مثال این کار غلظت سود سوزآور است که در تجهیزات نیکلی انجام می شود.

در تبخیرکننده های چند مرحله ای که مایع غلیظ لزج تولید می کنند، ممکن است مراحل اولیه از نوع گردش طبیعی باشند و بقیه که دارای مایع لزج تر هستند از نوع گردش وادار شده باشند.

به علت سرعت بالا در تبخیر کننده های با گردش وادار شده، زمان قرارگیری مایعات درون لوله در برابر حرارت پایین است، (sec 3-1)، به طوری که مایعات حساس به حرارت به خوبی در آنها تغلیظ می شوند.

هم چنین در تبخیر مایعات نمکی یا آنهایی که تمایل به ایجاد کف دارند، مؤثر است.

• تبخیرکننده های مغشوش Agitated-film) evaporators) مقاومت اصلی در برابر انتقال حرارت کلی از بخار به مایع در حال جوش در یک تبخیرکننده، ناشی از جدار مایع است.

برداشتن این مقاومت به هر طریق ممکن، باعث بهبودی قابل ملاحظه ای در ضریب انتقال حرارت می شود.

در تبخیرکننده های لوله ای دراز مخصوصا دارای گردش وادار شده، سرعت مایع بالاست.

مایع تا حد زیادی مغشوش و نرخ انتقال حرارت بزرگ است.

یکی از راه ها، استفاده از هم زن مکانیکی است.

این، نوعی تبخیرکننده ی جریان پایین اصلاحی است که دارای لوله پوشش دار و حاوی هم زن داخلی است.

خوراک ورودی از بالای بخش پوشش دار وارد می شود و به وسیله تیغه های عمودی یک هم زن، درون یک ورقه نازک بسیار مغشوش، پخش می شود.

مایع غلیظ از انتهای بخش پوشش دار بیرون می رود و بخار آب تولیدی از ناحیه در حال تبخیر بالا می رود و درون جدا کننده ی بدون پوشش می ریزد که از لوله های تبخیرکننده گشادتر است.

در جدا کننده، تیغه های هم زن، مایع ورودی همراه بخار آب را به سمت صفحات عمودی ساکن پرتاب می کند.

قطرات، روی این صفحات به هم می پیوندند و به تبخیر کننده برمی گردند.

بخار آب بدون مایع از بالای واحد و از میان خروجی ها بیرون می رود.

مزیت عمده یک تبخیر کننده مغشوش، دادن نرخ بالای انتقال حرارت به مایعات لزج است.

محصول ممکن است مایع لزجی به بزرگی p1000 در دمای تبخیر، داشته باشد.

هم چنان که ضریب کلی انتقال حرارت با افزایش لزج بودن در دیگر تبخیر کننده ها افت می کند، اما در این نوع، افت، کم است.

برای مواد بسیار لزج، ضریب انتقال حرارت تا حد قابل ملاحظه ای در تبخیرکننده های گردش وادار شده، بزرگتر است و در واحدهای گردش طبیعی، خیلی بزرگتر.

تبخیرکننده های نوع مغشوش، مخصوصا برای محصولات لزج حساس به حرارت نظیر ژلاتین، لاستیک، آنتی بیوتیک و آب میوه ها مؤثر است.

از عیب هایش، قیمت (هزینه) بالا، قطعات متحرک داخلی، که به نگه داری قابل توجهی نیاز دارند، و ظرفیت کم واحدهای انفرادی است که خیلی زیر ظرفیت تبخیرکننده های چند لوله ای است.

• کارایی تبخیرکننده های لوله ای مقیاس اصلی کارایی تبخیرکننده های لوله ای گرم شونده به وسیله بخار، ظرفیت و مزیت اقتصادی است.

ظرفیت به عنوان مقدار آب بخار شده برحسب پوند، در ساعت است.

مزیت اقتصادی، مقدار بخار آب ایجاد شده برحسب پوند به یک پوند بخار تزریق شده به واحد است.

در تبخیرکننده های یک مرحله ای، عدد مزیت اقتصادی، تقریبا همیشه زیر یک است.

اما در تجهیزات چند مرحله ای تا حدقابل ملاحظه ای بالا است.

مقدار مصرف بخار برحسب پوند در ساعت نیز مهم است و مساوی است با ظرفیت تقسیم بر مزیت اقتصادی.

• ظرفیت تبخیرکننده نرخ انتقال حرارت در سطوح حرارت دهنده ی تبخیرکننده چنین است: U: ضریب انتقال حرارت A: مساحت سطح انتقال حرارت ΔT: افت دمای کلی است.

Q=UA ΔT اگر دمای خوراک ورودی به تبخیرکننده در دمای جوش باشد، متناسب با فشار مطلق آن در فضای بخار آب، همه حرارت های منتقل شده از طریق سطح حرارت دهنده، برای تبخیر به کار می رود و ظرفیت متناسب با Qاست.

اگر خوراک ورودی سرد باشد، گرمای زیادی باید انتقال یابد تا به دمای جوش برسد و متناسب با آن ظرفیت برای مقدار داده شده Q،کاهش می یابد، زیرا گرمای استفاده شده برای گرم کردن خوراک ورودی برای تبخیر به کار نمی رود.

برعکس اگر دما بالای نقطه ی جوش در فضای بخار آب باشد، بخشی از خوراک ورودی به صورت تعادل آدیابانیک سریع در فشار فضای بخار آب تبخیر می شود و ظرفیت بزرگتر از ظرفیت مترادف با Q است.

این فرآیند تبخیر آنی نامیده می شود.

افت واقعی دما در سراسر سطح حرارت دهنده، به محلول در حال تبخیر، اختلاف فشار بین سینه بخار و فضای تبخیر در بالای مایع در حال جوش و عمق مایع برروی سطح حرارت دهنده، بستگی دارد.

در بعضی تبخیرکننده ها سرعت مایع درون لوله ها نیز اختلاف دما را تحت تأثیر قرار می دهد، زیرا افت اصطکاک در لوله ها، فشار مؤثر مایع را افزایش می دهد.

اما در تبخیرکننده های واقعی نقطه جوش یک محلول به وسیله دو عامل افزایش نقطه جوش و ارتفاع مایع، تحت تأثیر قرار می گیرد.

• افزایش نقطه ی جوش و قانون DUhring فشار بخار آب اکثر محلول های آبی از فشار بخار آب در همان دما پایین تر است.

بنابراین در یک فشار معین، نقطه ی جوش محلول ها از نقطه ی جوش آب خالص بالاتر است.

افزایش در نقطه ی جوش آب، به عنوان ترفیع نقطه ی جوش محلول شناخته می شود.

این افزایش برای محلول های رقیق و محلول های کلوئیدی آلی، کوچک و برای محلول های غلیظ نمک های غیرآلی به بزرگی F150 می رسد.

برای محلول های قوی، ترفیع نقطه جوش به روش خوبی به صورت تجربی که معروف به قانون DUhring است پیدا می شود.

این قانون بیان می دارد که نقطه جوش یک محلول داده شده، تابعی خطی از نقطه جوش آب خالص در همان فشار است.

بنابراین اگر نقطه جوش محلول در مقابل نقطه جوش آب در همان فشار رسم شود، یک خط مستقیم به دست می آید.

خطوط مختلفی برای غلظت های مختلف به دست می آید.

در تغییرات زیاد فشار، این قانون دقیق نیست، اما در یک تغییر متوسط و ملایم، خط ها تقریبا مستقیم هستند، اما لزوما مساوی نیستند،خطوط قانون DUhring را برای آب و محلول هیدورکسید سدیم در آب نشان می دهد.به عنوان مثال: اگر فشار روی محلول با غلظت 25 درصد طوری باشد که آب در دمای 180 درجه فارنهایت به جوش بیاید، با پیدا کردن عدد180 درجه فارنهایت برروی محور X و ایجاد یک عمود از این نقطه به خطی مربوط به محلول 25 درصد و سپس رسم خطی از روی همین نمودار موازی محور X تا محل برخوردش با محورyها در می یابیم که محلول در 200 درجه فارنهایت به جوش می آید.ترفیع نقطه ی جوش برای این محلول در این فشار 20 درجه فارنهایت است.

• اثر ارتفاع مایع و اصطکاک برروی افت دما اگر عمق مایع در یک تبخیرکننده قابل ملاحظه باشد، نقطه جوش مربوط به فشار موجود فضای بخار آب، فقط نقطه جوش لایه های سطحی است.فشار در زیر لایه های سطحی و در عمق Z، مسلما به اندازه فشار درون ظرف تبخیر و ارتفاع Z مربوط به مایع است که این لایه در این عمق به علت داشتن فشار بالاتر دارای نقطه ی جوش بالاتری است.

هم چنین اگر سرعت مایع در لوله زیاد باشد افت ناشی از اصطکاک نیز این فشار را افزایش می دهد.

در تبخیرکننده های واقعی، نقطه ی جوش متوسط مایع در لوله ها (tubes)، از نقطه جوش در فشار درون ظرف بخار آب بیشتر است.

افزایش نقطه جوش، افت دمای متوسط بین بخار و مایع را پایین می آورد که این نیز باعث افت ظرفیت می شود.

مقدار کاهش، نمی تواند با دقت به طور کمی، برآورد شود، اما اثر کیفی ارتفاع مایع، مخصوصا هنگامی که سطح مایع و سرعت آن بالا است، نباید نادیده گرفته شود.

در تبخیرکننده عمودی لوله دراز و صعودی، در سرعت پایین (ft/s 3) در نقطه ای، در نزدیک مرکز لوله(tubes) مایع،تبخیر آنی می شود و به ماکزیمم دمای خود می رسد.

اما در همین تبخیرکننده، در سرعت حدود ft/s 10 این اتفاق حدودا" در انتهای لوله اتفاق می افتد.

• ضرایب انتقال حرارت جریان حرارت (heat flux) و ظرفیت تبخیرکننده، به وسیله تغییرات افت دما و ضریب کلی انتقال حرارت، تحت تأثیر قرار می گیرد.

افت دما به وسیله خواص بخار ومایع در حال جوش معین می شود و به غیر از ارتفاع هیدرواستاتیکی، تابعی از ساختمان تبخیرکننده نیست.

از طرف دیگر، ضریب کلی، قویا" به وسیله طراحی و روش بهره برداری از تبخیرکننده، تحت تأثیر قرار می گیرد.

مقاومت کلی در برابر انتقال حرارت بین بخار و مایع در حال جوش ناشی از پنج عامل زیر است: 1- مقاومت بخار- ورقه نازک film - 2 مقاومت جرمی (Scale) داخل لوله 3- مقاومت جرمی(Scale) خارج لوله 4- مقاومت دیواره لوله 5 - مقاومت مایع در حال جوش، ضریب کلی، عکس مقاومت کلی است.

در بیشتر تبخیرکننده ها، عامل انسداد بخار در حال چگال و مقاومت دیواره لوله خیلی کوچک است، به طوری که معمولا در محاسبات صرفنظر می شوند.

در تبخیرکننده های مغشوش، دیواره لوله خیلی ضخیم است، طوری که مقاومت آن قابل توجه است.

• ضرایب فیلم- بخار(Steam-film) این ضریب، حتی موقعی که چگالش، به صورت ورقه بسیار نازک است، نیز بالا است زیرا به طور ذاتی ضریب بالایی است.

گاهی، موادی به جریان بخار اضافه می کنند تا چگالش قطره ای ایجاد شود و ضریب آرامش بالاتری بدهد.

وجود گازهای غیرقابل چگالی، به طور جدی ضریب فیلم- بخار را کاهش می دهد، بنابراین باید از بخار بیرون کشیده شوند.

هم چنین هنگامی که فشار بخار زیر فشار اتمسفر است باید مواظب بود که هوا وارد مسیر نشود.

• ضرایب جدار مایع این ضریب تا حد زیادی به سرعت مایع روی سطح حرارت دهنده بستگی دارد.

در بیشتر تبخیرکننده ها، مخصوصا آنهایی که دارای مایعات لزج هستند، این ضریب، نرخ کلی انتقال حرارت به مایع در حال جوش را کنترل می کند.

در تبخیرکننده های گردش طبیعی، ضریب، برای محلول های آبکی رقیق بین h-F2BTU/ft 600 - 200 است.

جریان حرارت به طور محافظه کارانه، برای محلول های غیرانسدادی محاسبه می شود.

گردش وادار شده ضرایب بالاتری می دهد حتی اگر جوشیدن درون لوله، به وسیله ارتفاع استاتیکی، متوقف شود.

تشکیل جرم روی لوله های یک تبخیرکننده، مقاومت حرارتی ای معادل عامل انسداد، به وجود می آورد.

• ضرایب کلی به علت مشکل بودن اندازه گیری ضرایب فیلمی به صورت تک تک در تبخیرکننده ها، معمولا یک ضریب کلی تجربی را بیان می کنند.

این ضرایب براساس افت دمای خالص تصحیح شده در اصطلاح ضرایب کلی است.

البته، ضریب کلی به وسیله همان عواملی که همه ضرایب را به طور انحصاری تحت تأثیر قرار می دهد، قرار می گیرد؛ اما اگر یک مقاومت (مثلا مقاومت ورقه نازک مایع)،در حال کنترل است(مقاومت اصلی است)، تغییرات عمده در دیگر مقاومت ها، تقریبا هیچ اثری روی مقاومت کلی ندارد.

ضرایب کلی در شرایطی به کار می روند که معمولا تحت آن شرایط تبخیرکننده ها، استفاده می شوند.

تجمع کلی جرم، ضریب را کاهش می دهد.

تبخیرکننده نوع مغشوش دارای مایعی به لزجی p،100 به نظر ضریب پایینی را نشان می دهد، اما، این ضریب نسبت به تمام دیگر انواع تبخیرکننده که دارای همین ماده با همین لزجی است، خیلی بزرگتر است.

در تبخیرکننده ی گردش طبیعی، ضریب کلی، به افت دما و دمای محلول در حال جوش، حساس است.

ضرایب انتقال حرارت برای مایعات با لزجی پایین، کاملا بالا است و برای آب بین 2BTU/h-ft2000-1000 می باشد دید کلی عملیات تبخیر ، زمانی استفاده می‌شود که محلول رقیقی باید به محلولی با غلظت بیشتر و مشخص تبدیل شود.

این عملیات ، عملیات واحد یا ''Unit Operations" نامیده می‌شوند .

تبخیر ، توسط دستگاههای تبخیر کننده (Evaporators) اجرا می شود.

کارخانه‌های تولید آبمیوه ، مثالی برای عملیات تبخیر است .

برای غلیظ کردن محصولات ، باید از تبخیر کننده‌ها استفاده کرد.

در این روش ، محصول را حرارت می‌دهیم، حلال اضافی تبخیر می‌شود و ، غلظت محصول خروجی افزایش می‌یابد.

اکنون می‌خواهیم ببینیم دستگاههای تبخیر چه ساختمانی دارند و چگونه عمل می‌کنند؟

ساده‌ترین نوع دستگاه تبخیر ساده‌ترین حالت برای تبخیر کننده ، این است که محصول را در قابلمه بگذاریم و تحت حرارت مستقیم قرار دهیم.

اگر کمی بخواهیم این دستگاه را پیشرفته‌تر کنیم، از ظروف دو جداره‌ استفاده می‌کنیم در این حالت عامل حرارت ، آتش نیست، بلکه سیالی است که مابین دو جداره ظرف در جریان است.

این سیال داغ ، می‌تواند آب ، روغن و غیره باشد که با گرم شدن ، گرما را از طیق جداره ظرف به محلول منتقل می‌کند.

اشکال تبخیر کننده‌های ساده اشکال دستگاههای تبخیر ساده این است که سطح انتقال حرارت کوچک است در این حالت نسبت سطح بر حجم کوچک است .

برای افزایش سطح انتقال حرارت ، کارهایی انجام شده است، در این روش از دستگاههایی استفاده می‌شود که دارای لوله‌های مبدل حرارتی است که حرارت ازطریق این لوله‌ها منتقل می‌شود.

این لوله‌ها به تعداد زیاد وجود دارند و اگر آُُُُنها را در سطح تبخیر کننده پخش کنیم، سطح مجموع افزایش می‌یابد.

دستگاه تبخیر با لوله‌های مبدل افقی در این دستگاهها ، از بخار داغ به عنوان منبع حرارتی استفاده می‌شود که همان Steam است، البته این جدا از بخاری است که محصول عمل است و Vapor نامیده می‌شود.

محلولی که می‌خواهیم غلیظ کنیم، تحت عنوان خوراک یا Feed در بیرون لوله‌ها می‌باشد.

لوله‌های مبدل ، به محفظه‌هایی وصل می‌باشند.

باید توجه داشت که خوراک یا Feed در خارج لوله‌ها در جریان هستند و بخار یا Steem در داخل لوله‌ها در جریان است.

در جدار لوله‌ها ، انتقال حرارت انجام می‌شود و به محلولی که در بین لوله‌هاست، برخورد می‌کند.

محلولی که غلیظ می‌شود، تحت عنوان Thick Liquid خارج می‌شود.

بخاراتی که محصول عمل هستند، یعنی Vapor ، به بالای تبخیر کننده می‌روند و از آن خارج می‌شوند.

اگر تبخیر کننده‌ها یک مرحله‌ای باشد، Vapor استفاده ‌ای نخواهد داشت، ولی اگر تبخیر کننده چند مرحله‌ای باشد، Vapor مرحله اول ، Steam مرحله بعد خواهد بود.

بخاری هم که سرد شده و محتویات گرمایی‌اش را از دست داده، تحت عنوان Vent خارج می‌گردد و قسمتی از بخارات که به مایع تبدیل شده، Drips نامیده می‌شود.

محلول داخل لوله‌ها باید حالت جوشیدن پیدا کند، برای اینکه باید شرایط دمایی و فشاری مناسب فراهم گردد.

نکته جالب دیگر این است که در لوله‌ها باید دریچه‌های آدم رو تعبیه گردد تا سرویس دستگاه امکان‌پذیر شود.

اشکال دستگاه یکی از مشکلاتی که در این دستگاهها ممکن است بوجود آید، وجود کف است.

کف یا Foam باعث ایجاد اختلال در سیستم می‌شود و ممکن است مانعی در مسیر حرکت بخار باشد.

پس باید تمهیداتی اندیشیده شود که وجود کف را به حداقل برساند.

دستگاه تبخیر با لوله‌های مبدل عمودی تفاوتی که بین این نوع دستگاهها و دستگاههای با لوله‌های افقی وجود دارد، در قسمت تعبیه لوله‌هااست.

در این دستگاهها ، لوله‌ها به صورت عمودی در روی دستگاه سوار شده‌اند.

تفاوت دیگری که وجود دارد برخلاف لوله‌های مبدل افقی ، Steam در خارج لوله‌ها در جریان است و Feed در داخل لوله‌هاست و مسیر حرکت آن روبه بالاست.

در حین حرکت Feed و Steam ، این دو با هم برخورد کرده و محلول باقیمانده (بعد از تبخیر) به قسمت Thick Liquor دستگاه می‌رود و از آنجا خارج می‌شود.

اشکال دستگاه در این نوع دستگاهها مشکلات اساسی وجود دارد: مشکل ویسکوزیته در اثر افزایش غلظت : با عمل تبخیر و افزایش غلظت محلول ، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد و جریان یافتن آن مشکلتر می‌شود و محلول ویسکوز شده ، انتقال حرارتش کمتر است.

در حالی که محلول با ویسکوزیته کم ، انتقال حرارت بالا دارد.

ایجاد حباب : ضمن حرکت محلول رو به بالا ، حباب ایجاد می‌شود و حباب ، ماهیت گازی دارد و گاز نسبت به مایع ، انتقال حرارت کمتری دارد.

راه حل این مشکل ، سرعت بیشتر محلول داخل لوله‌هاست که با پمپاژ مایع حل می‌شود.

(با این کار ویسکوزیته نیز کمتر می‌شود.)