نمکزدایی فرآیندی است که مقداری از نمک و سایر مواد معدنی آب شور را از آن جدا میکنند. روشهای گوناگونی برای نمکزدایی وجود دارد، تقطیر که مبحث روبروی ماست، شامل سه روش تقطیر ناگهانی چند مرحلهای (MSF)، تقطیر چند اثره یا چند مرحلهای (MED) و تقطیر تراکمی بخار (VCD) است. شیرینسازی آب فرایندی است که در نتیجه آن، مقدار نمک و املاح معدنی موجود در آب تا حد استاندارد کاهش مییابد، به طوری که برای مصارف آشامیدنی یا کشاورزی مناسب باشد. برای شیرین کردن آبهای شور و جداسازی نمک از آن روشهای مختلفی توسعه پیدا کرده است. روشهای دیگری به جز تقطیر برای شیرینکردن آبشور به ویژه آب دریا وجود دارد: روش تبادیل یون، فرآیندهای ممبرانی نمکزدایی سرد، نمکزدایی زمینگرمایی، نمکزدایی خورشیدی، کریستالیزاسیون هیدرات متان، بازیافت درجه بالای آب و سایر روشها…
کارایی ﻫﺮﮐﺪام از اﯾﻦ فرایندﻫﺎ وابسته ﺑﻪ غلظت نمک یا املاح موجود در آب اولیه و ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ارزش آب تولیدی است. تمامی فرایندهای شیرین سازی آب، نیاز به انرژی دارند که این انرژی میتواند به صورت گرمایی، مکانیکی یا الکتریکی تامین شود. روشهای حرارتی یا گرمایی زمانی بهترین گزینهی ما خواهند بود که انرژی ارزان و قابل دسترس داشته باشیم. معروفترین آنها اسمز معکوس است. فرایندهای غشایی با استفاده از غشاء نیمه تراوا و فشار، نمک را از آب جدا میکنند. سیستم واحدهای اسمز معکوس بهطور معمول با انرژی کمتر نسبت به روش تقطیر حرارتی کار میکنند، که منجر به کاهش کلی هزینه آب شیرین کنها در طول دهه گذشته شدهاست.
انواع فناوریهای حرارتی در شیرین سازی آب
روشهای حرارتی که با نام تقطیر نیز شناخته میشوند، به صورتهای مختلفی طراحی و اجرا میشوند. در تقطیر ناگهانی چند مرحلهای (MED) ابتدا آب گرمشده، سپس به صورت ناگهانی وارد محفطه بعدی میشود و در آنجا تبخیر میشود. در مرحله بعد بخار آب به سرعت میعان (تبدیل گاز به مایع) میشود. اصلیترین عیب این شیوه رسوب گذاری و خوردگی است. در تقطیر چند مرحله ای (MSF) بخار آب مازاد نیروگاهها و صنایع با آب شور وارد یک محفظه میشوند. بخار آب از سرمای آب شور مایع میشود و آب شور از گرمای بخار آب تبخیر میشود. کارکردن در دمای پایین از مزایای این شیوه است. در تقطیر تراکمی بخار (VCD) از متراکم کردن بخار آب برای تولید گرما و حرارت استفاد میشود. بخار متراکم و آب شور ترکیب میشوند و فرآیند شیرینسازی شروع میشود. از این شیوه برای تامین آب محیطهای کوچک مثل هتل ها، مجتمع ها، اقامتگاه ها و … استفاده میشود.
در ادامه این سه روش بصورت مفصلتر توضیح داده خواهد شد:
تقطیر ناگهانی چند مرحلهای (MSF)
این فرایند از تقطیر در چندین محفظه استفاده میکند. در یک فرایند تقطیر ناگهانی (MSF)، محفظههای نیروگاه به تدریج در فشارهای پایینتری فعالیت میکنند. در واقع، ابتدا آب دریا، با استفاده از لولههایی وارد محفظههای خلا با فشارهای پایین میشود. در این قسمت یک مبدل حرارتی حضور دارد که دمای آب دریا را افزایش میدهد و بخاری (این بخار بعد از مرحله «فلشینگ» (Flashing) در محفظه خلا تشکیل شده است. مرحله فلشینگ در ادامه توضیح داده میشود) که اطراف آن است را به مایع تبدیل میکند.
آب دریا بعد از خروج از لولههای محفظه خلا، به گرمکن وارد میشود. عبور آب دریا از درون لولههای محفظه خلا، دو فایده اصلی دارد. فایده اول این است که قبل از ورود آب دریا به گرمکن، پیش گرمایش در آن صورت میگیرد و فایده دوم این است که بخار آب بعد از مرحله فلشینگ به مایع تبدیل میشود و در نهایت این مایع به عنوان آب شیرین مورد استفاده قرار میگیرد.
همانطور که توضیح داده شد، آب دریا بعد از خروج از لولههای محفظه خلا، وارد گرمکن میشود. آب دریا در گرمکن و در فشار بالا حرارت دریافت میکند. توجه شود که دمای آب در این مرحله در حدود 90 تا 110 درجه سانتیگراد خواهد بود. سپس آب از گرمکن خارج و از پایین محفظه خلا به آن وارد میشود. این مورد در شکل زیر به صورت دقیق بررسی شده است.
بعد از وارد شدن آب گرم شده به محفظه خلا، فشار به یکباره کاهش مییابد و آب به سرعت شروع به جوشیدن میکند و به صورت ناگهانی تبخیر صورت میگیرد. این تبخیر ناگهانی را «فلشینگ» (Flashing) نیز مینامند.
به تدریج در محفظههای بعدی، فشار کاهش بیشتری مییابد و این تبخیر ناگهانی و فلشینگ در مراحل بعدی نیز تکرار میشود. در واقع فشار هر مرحله محفظه خلا، کمتر از مرحله قبل تنظیم شده است.
در ادامه، بخار ایجاد شده توسط فرایند فلشینگ به بالای محفظه خلا میرود و در یک مبدل حرارتی که در هر مرحله قرار داده شده، گرمای خود را از دست میدهد و در نهایت فشرده و به آب تازه تبدیل میشود. این مبدل حراتی همان مبدلی است که آب دریا در آن پیشگرم شده بود.
نیروگاههای تقطیر ناگهانی چند مرحلهای در اواخر دهه 1950 میلادی شروع به ساخته شدن و فعالیت کردند. برخی از این نیروگاهها شامل 15 تا 25 مرحله هستند ولی به صورت معمول ظرفیت تولید بیشتر از 15 میلیون گالون در روز (mgd) را ندارند. 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.
2. تقطیر چند اثره (MED)
معضل تشکیل رسوب در فرایند MSF موجب شده مهندسان روشهای جدیدی را برای حل این معضل اختراع کنند. تکنولوژی تقطیر چند اثره در اواخر دهه 1950 و اوایل 1960 مورد استفاده قرار گرفت. تقطیر چند مرحله در چند لوله و مجرا انجام میشود که این مجراها به «اثر» (effect) معروف هستند و از اصول تبخیر و تقطیر در فشارهای پایین برای فعالیت خود استفاده میکنند. در این تکنولوژی، تعدادی از مجراهای تولید کننده بخار به صورت افقی یا عمودی حضور دارند که فشار آنها به تدریج کاهش مییابد.
این فرایند از این نکته استفاده میکند که آب در فشارهای پایین در دماهای پایینتری نیز به جوش میآید. بنابراین بخار آب در مجرای اول گرمای لازم برای مجرای دوم را تامین میکند و این روند تا آخرین مجرا ادامه دارد. همانطور که مشاهده میشود، ابتدا بخار آب به لوله اثر (مجرا) اول وارد میشود. آب دریا روی این مجراها پاشیده میشود و بخشی از آب دریا تبخیر میشود و به مرحله دوم راه مییابد و بخشی نیز از محفظه خارج میشود. این آب بخار شده گرمای خود را از بخار ورودی به مجرا میگیرند و در نتیجه این بخار به مایع تبدیل میشود. این مایع به عنوان آب شیرین شده از مجموعه خارج میشود. این مراحل همانطور که در شکل زیر نشان داده شده در چند مرحله و مجرای دیگر نیز تکرار میشود.
توجه کنید که هرچه تعداد مجراها در این فرایند بیشتر باشد، بازده نیروگاه شیرین سازی آب نیز افزایش مییابد. نکته مهم دیگر این است که نیروگاه تقطیر چند اثره (MED)، با توجه به شیوه قرارگیری لولههای مبدل حرارتی تقسیم بندیهای متفاوتی دارند. همانطور که اشاره شد این لولهها و مجراها میتوانند به صورت عمودی یا افقی قرار بگیرند.
- مزایای روش MED
– مصرف انرژی کمتر در مقایسه با روشهای دیگر حرارتی
– کار در دمای کمتر (کمتر از ۷۰ درجه سلسیوس) و غلظت کمتر (کمتر از ۵/۱) برای جلوگیری از خوردگی و رسوب
– بدون نیاز به عملیات پیش تصفیه آب دریا
– فرایند و کارکرد کاملا ساده
– هزینه نگهداری پایین
– قابلیت کار به صورت ۲۴ ساعته
– قابلیت انطباق با انواع منابع مختلف مثل آب داغ، سوخت فسیلی، فرایندهای تبخیر صنعتی و…
- معایب سیستم MED
– عدم تطابق با منابع با دمای بالاتر به دلیل مشکلات ناشی از رسوب گذاری در حین فرایند
– مشکل ساخت در مقیاس کوچک به دلیل پیچیدگی تجهیزات و زیاد بودن تعداد اجزا
تقطیر تراکمی بخار (VCD)
در روش تقطیر تراکمی بخار فرآیند تبخیر آب شور به وسیله تبادل گرمایی با یک بخار متراکم شده انجام میگیرد. 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.
یکی دیگر از انواع تکنولوژیهای حرارتی شیرین سازی آب که شامل تغییر فاز است، فرایند تقطیر تراکمی بخار (VCD) نامیده میشود. در بسیاری از نیروگاههای شیرینسازی آب، از ترکیب این فرآیند با فرآیندهای دیگر مانند تقطیر چند مرحلهای استفاده میشود. البته حالاتی نیز وجود دارد که نیروگاه، تنها از فرایند تقطیر تراکمی بخار برای شیرین سازی آب استفاده کند.
گرمای لازم برای بخار آب در این نیروگاه، حاصل انتقال مستقیم حرارت از بویلر نیست و تراکم بخار، این حرارت و گرما را تامین میکند. این فرایند یکی از فرایندهای پرکاربرد در نیروگاهها و صنایع مختلف است و معمولا از یک توربوماشین مانند کمپرسور برای تامین گرمای لازم برای بخار استفاده میشود. شکل زیر نمونهای از فرایند تقطیر تراکمی بخار برای شیرین سازی آب را به تصویر کشیده است. این فرایند یعنی تقطیر تراکمی بخار، ظرفیت کمی دارد و آب شیرین اندکی را تامین میکند و به صورت رایج در هتلها، استراحتگاهها و حتی کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
روش دیگری نیز موجود است که در آن روش تقطیر چند اثره ارتقا مییابد. در این روش که MED-TVC نام دارد، ترموکومپرسور را به روش تقطیر چند اثره اضافه میشود. هدف از افزودن ترموکومپرسور استفاده از فشار بخار موجود برای ارتقای عملکرد واحد بخار ورودی که بخار محرک خوانده میشود به داخل ترموکومپرسور وارد میشود و انبساط آن به بخار فشار پایین این اجازه را میدهد تا از سلولهای اپراتور خارج شود. هر دو بخار در ترموکمپروسور مخلوطشده بنابراین گرمای نهان بخار خارجشده در اپراتور بازیابی میشود.
فرایند اسمز معکوس (RO) به نسبت تکنولوژی حرارتی شیرین سازی آب، فرآیند جدیدتری محسوب میشود. این فرایند در دهه 1970 تجاری سازی شد و برای شیرین سازی آب شور مورد استفاده قرار گرفت. با نگاه به انواع کاربردی که شیرین سازی آب دارد، میتوان بیان کرد که فرایند اسمز معکوس روشی است که به صورت رایج در دنیا برای شیرین سازی آب مورد استفاده قرار میگیرد.