تکنولوژی قند | جلسه بیست و هفتم: اواپراتور در کارخانه قند چیست؟ ساختمان، نحوه عملکرد و سیستم اواپراتورهای چندبدنه
مقدمه
پس از آنکه شربت خام در مراحل استخراج و تصفیه، بخش عمده ناخالصیهای خود را از دست داد، هنوز غلظت آن برای تشکیل کریستالهای شکر کافی نیست. شربت تصفیهشده معمولاً تنها حدود ۱۲ تا ۱۶ درصد ماده خشک دارد و برای ورود به مرحله کریستالیزاسیون باید به حدود ۶۵ تا ۷۰ درصد ماده خشک برسد. این افزایش غلظت در واحد اواپراسیون (Evaporation) انجام میشود.
قلب این فرآیند، اواپراتور (Evaporator) است؛ تجهیزی که با استفاده از بخار، آب موجود در شربت را تبخیر میکند. طراحی صحیح اواپراتور، نحوه انتقال حرارت، عملکرد سیستم چندبدنه و کنترل جریان بخار، تأثیر مستقیمی بر مصرف انرژی، کیفیت شربت غلیظ و راندمان نهایی کارخانه دارند.
در این مقاله، ساختمان اواپراتور، نحوه عملکرد آن، اجزای اصلی، سیستم چندبدنه و اصول طراحی این تجهیزات را بررسی میکنیم.
اواپراسیون در کارخانه قند چیست؟
اواپراسیون به فرآیندی گفته میشود که در آن، بخش زیادی از آب موجود در شربت تصفیهشده از طریق تبخیر خارج میشود تا غلظت ساکارز افزایش یابد.
هدف این مرحله تنها حذف آب نیست؛ بلکه باید این کار با کمترین مصرف انرژی و بدون ایجاد تغییرات نامطلوب در کیفیت شربت انجام شود. به همین دلیل از سیستمهای چندبدنه و بازیافت انرژی استفاده میشود.
هدف از تغلیظ شربت
شربت خروجی از واحد تصفیه برای ورود به آپارات پخت مناسب نیست.
بنابراین در واحد اواپراسیون باید:
- مقدار آب کاهش یابد.
- غلظت ساکارز افزایش پیدا کند.
- حجم شربت کمتر شود.
- شرایط مناسب برای کریستالیزاسیون فراهم گردد.
در پایان این مرحله، شربت غلیظ به واحد پخت منتقل میشود.
چرا از اواپراتور استفاده میشود؟
اگر قرار باشد آب شربت تنها با حرارت مستقیم تبخیر شود:
- مصرف بخار بسیار زیاد خواهد بود.
- هزینه تولید افزایش مییابد.
- احتمال تجزیه ساکارز بیشتر میشود.
- رنگ شربت تیرهتر خواهد شد.
به همین دلیل کارخانههای قند از اواپراتورهای چندبدنه استفاده میکنند که امکان استفاده مجدد از انرژی بخار را فراهم میسازند.
ساختمان اواپراتور
اگرچه انواع مختلفی از اواپراتورها وجود دارد، اما در صنعت قند معمولاً از اواپراتورهای لولهای عمودی استفاده میشود.
اجزای اصلی این دستگاه عبارتاند از:
- محفظه بخار
- صفحات نگهدارنده لوله
- لولههای انتقال حرارت
- منهل مرکزی
- قندگیر
- شیشه نظاره
- مسیر ورود شربت
- مسیر خروج شربت
- مسیر ورود بخار
- خروج گازهای غیرقابل کندانس
تمام این اجزا بهگونهای طراحی شدهاند که انتقال حرارت با بیشترین راندمان انجام شود.
محفظه بخار
قسمت اصلی اواپراتور، محفظه بخار است.
این محفظه بین دو صفحه قرار گرفته و بخار در فضای اطراف لولهها جریان پیدا میکند.
در این قسمت:
- بخار وارد میشود.
- حرارت خود را به لولهها منتقل میکند.
- پس از انتقال حرارت به آب کندانس تبدیل میشود.
وجود بخار در پشت لولهها باعث گرم شدن غیرمستقیم شربت داخل لوله خواهد شد.
صفحات نگهدارنده لولهها
لولههای انتقال حرارت توسط دو صفحه ضخیم در محل خود ثابت میشوند.
این صفحات:
- استحکام مکانیکی ایجاد میکنند.
- مانع نشت بخار میشوند.
- فاصله مناسب لولهها را حفظ میکنند.
در بسیاری از کارخانهها طول این لولهها حدود ۶ متر است که تعادل مناسبی میان انتقال حرارت و افت فشار ایجاد میکند.
لولههای انتقال حرارت
مهمترین بخش انتقال حرارت، لولههای اواپراتور هستند.
شربت در داخل این لولهها حرکت میکند و بخار در اطراف آنها جریان دارد.
بهطور معمول:
- قطر خارجی لوله حدود ۳۳ میلیمتر است.
- قطر داخلی حدود ۳۱ میلیمتر است.
- ضخامت دیواره نزدیک به ۱ میلیمتر است.
این ابعاد به گونهای انتخاب میشوند که انتقال حرارت سریع و یکنواخت انجام شود.
مسیر حرکت شربت
شربت رقیق از قسمت پایین وارد لولهها میشود.
در اثر تماس غیرمستقیم با بخار:
- دمای شربت افزایش مییابد.
- آب شروع به تبخیر میکند.
- مخلوطی از شربت و بخار در داخل لوله تشکیل میشود.
این مخلوط به سمت بالای لوله حرکت میکند.
پدیده قلیان
یکی از ویژگیهای مهم عملکرد اواپراتور، قلیان (Boiling) شربت در داخل لولهها است.
هرچه شربت به سمت بالای لوله حرکت میکند:
- مقدار بخار تولیدشده افزایش مییابد.
- چگالی مخلوط کاهش پیدا میکند.
- سرعت حرکت شربت بیشتر میشود.
این پدیده موجب افزایش راندمان انتقال حرارت خواهد شد.
منهل مرکزی
پس از خروج مخلوط از لولهها، شربت غلیظشده وارد منهل مرکزی میشود.
وظیفه این بخش:
- جمعآوری شربت تغلیظشده
- هدایت آن به خروجی
- جلوگیری از تجمع شربت داخل دستگاه
است.
قندگیر چیست؟
همراه بخار خروجی ممکن است قطرات بسیار ریز شربت نیز حرکت کنند.
برای جلوگیری از خروج این قطرات، از تجهیزی به نام قندگیر استفاده میشود.
قندگیر معمولاً از جنس سرامیک متخلخل ساخته میشود و با به دام انداختن قطرات شربت، مانع هدررفت ساکارز میشود.
گازهای غیرقابل کندانس
در فضای پشت لولهها ممکن است مقداری گاز غیرقابل کندانس تجمع پیدا کند.
اگر این گازها تخلیه نشوند:
- بخشی از فضای انتقال حرارت را اشغال میکنند.
- راندمان انتقال حرارت کاهش مییابد.
- مصرف بخار افزایش پیدا میکند.
به همین دلیل در طراحی اواپراتور، مسیر ویژهای برای خروج این گازها در نظر گرفته میشود.
شیشه نظاره
برای کنترل عملکرد دستگاه، از شیشه نظاره استفاده میشود.
اپراتور از طریق این شیشه میتواند:
- وضعیت قلیان شربت
- سطح تراز
- تشکیل کف
- حرکت شربت
را بررسی کند و در صورت نیاز تنظیمات لازم را انجام دهد.
اواپراتور چندبدنه چیست؟
اگر تنها یک اواپراتور وجود داشته باشد، بخار خروجی آن هدر میرود.
در سیستم چندبدنه (Multiple Effect Evaporator) بخار حاصل از بدنه اول بهعنوان منبع حرارت بدنه دوم استفاده میشود.
همین روند تا آخرین بدنه ادامه پیدا میکند و مصرف انرژی بهشدت کاهش مییابد.
نحوه عملکرد سیستم چندبدنه
در بدنه اول:
- بخار زنده وارد دستگاه میشود.
در بدنه دوم:
- بخار حاصل از تبخیر بدنه اول مصرف میشود.
در بدنه سوم:
- بخار تولیدشده در بدنه دوم مورد استفاده قرار میگیرد.
این بازیافت انرژی باعث افزایش راندمان حرارتی کارخانه میشود.
چرا از سیستم چنداثره استفاده میشود؟
مزایای این سیستم عبارتاند از:
- کاهش مصرف بخار
- کاهش هزینه انرژی
- افزایش راندمان حرارتی
- کاهش مصرف سوخت
- استفاده مجدد از بخار تولیدشده
- کاهش هزینه تولید شکر
به همین دلیل تقریباً تمام کارخانههای مدرن قند از این روش استفاده میکنند.
تعداد بدنههای اواپراتور
تعداد بدنهها به عوامل مختلفی بستگی دارد؛ از جمله:
- اختلاف دمای بخار
- فشار کاری
- ظرفیت کارخانه
- راندمان اقتصادی
در صنعت قند معمولاً استفاده از پنج بدنه بهعنوان حد اقتصادی پذیرفته میشود و افزایش تعداد بدنهها پس از این مقدار، صرفه اقتصادی چندانی ندارد.
اختلاف دما و انتقال حرارت
انتقال حرارت زمانی انجام میشود که بین بخار و شربت اختلاف دما وجود داشته باشد.
اگر اختلاف دما کاهش یابد:
- سرعت تبخیر کمتر میشود.
- زمان ماند شربت افزایش پیدا میکند.
- ظرفیت تولید کاهش مییابد.
به همین دلیل حفظ اختلاف دمای مناسب یکی از اصول طراحی اواپراتور است.
چرا دمای بخار را بیش از حد افزایش نمیدهند؟
اگرچه افزایش دمای بخار انتقال حرارت را بیشتر میکند، اما پیامدهای نامطلوبی نیز دارد، از جمله:
- تیره شدن رنگ شربت
- کاراملی شدن قندها
- افزایش احتمال سوختگی شربت
- افت کیفیت شکر سفید
بنابراین همواره باید میان سرعت تغلیظ و کیفیت محصول تعادل برقرار شود.
تغییر حجم شربت در بدنههای مختلف
هرچه شربت در بدنههای بعدی پیش میرود:
- آب بیشتری تبخیر میشود.
- حجم شربت کاهش پیدا میکند.
- غلظت افزایش مییابد.
به همین دلیل ظرفیت و ابعاد بدنههای مختلف میتواند با یکدیگر متفاوت باشد تا عملکرد سیستم بهینه باقی بماند.
جمعبندی
اواپراتور یکی از کلیدیترین تجهیزات کارخانه قند است که وظیفه تغلیظ شربت و آمادهسازی آن برای مرحله کریستالیزاسیون را بر عهده دارد. این دستگاه با انتقال غیرمستقیم حرارت از بخار به شربت، آب موجود در شربت را تبخیر کرده و غلظت ساکارز را افزایش میدهد. استفاده از اواپراتورهای چندبدنه، بازیافت بخار، کاهش مصرف انرژی و افزایش بهرهوری را امکانپذیر میکند. طراحی صحیح اجزایی مانند محفظه بخار، لولههای انتقال حرارت، قندگیر و سیستم خروج گازهای غیرقابل کندانس نیز نقش مهمی در کیفیت شربت غلیظ و راندمان نهایی کارخانه دارد.
بدون دیدگاه