صنعت صنعت و تکنولوژی

روش های مختلف نمک زدایی آب دریا (قسمت اول)

روش های مختلف نمک زدایی آب دریا (قسمت اول)

محدودیت آب های قابل شرب و یا آب های شیرین و بدون نمک و سختی در دنیا موجب آن شده است تا کشورهایی که عمدتا کویری و در اقلیم خشک قرار دارند، به فرآیند نمک زدایی آب دریا بپردازند. در سالیان اخیر کشورهای نفت خیز و عمدتا با اقلیم خشک منطقه خاورمیانه نیز به اهمیت روش های نمک زدایی پی برده اند. حتی شرکت های جدیدی با درآمد بالا در این حوزه تاسیس شده و یا رشد فراوانی داشته اند.

در این میان روش های مختلفی برای نمک زدایی آب شور موجود است. در ادامه این فرآیندها به صورت مختصر بیان خواهند شد.

انواع ساختارهای نمک‌زدایی به تفکیک

  • ساختار حرارتی
  • ساختار فیزیکی
  • ساختار شیمیایی
  • ساختار بیولوژیکی
  • ساختار حرارتی: در این روش آب از فاز مایع به فاز گاز رفته و سپس به فاز مایع بر می‌گردد. با این تفاوت که املاح و مواد بیولوژیکی موجود در آن در مرحله قبل به‌جای مانده و یا از بین می‌روند.
  • ساختار فیزیکی: در این روش با ایجاد ساختارهایی پالایه گونه و حفرات ریز با ابعاد بسیار کوچک این املاح بسته به نوع، شکل و اندازه و همچنین اندازه حفرات سد ایجاد شده، پالایش می‌شوند.
  • ساختار شیمیایی: در این روش املاح نامطلوب با نوع مطلوب جایگزین شده و عملاً میزان سختی کل تغییری نمی‌کند.
  • ساختار بیولوژیکی: در این مورد آلودگی عالی و غیر عالی برحسب نوع به‌ وسیله باکتری، تک‌سلولی‌ها و یا جلبک‌هایی از آن جدا می‌شوند. (در حد نمونه تجاری موجود نیست)

امروزه با توجه به ساختارهای بیان‌ شده روش‌های تجاری اجرا شده است که در ادامه آن‌ها را معرفی نموده و مزایا و معایب هر طرح بیان خواهد شد.

ساختارهای حرارتی

در این فرآیند نمک زدایی با استفاده از انرژی حرارتی آب‌ شور تبخیر و سپس بخار تولید شده، تقطیر و به آب تقریباً خالص تبدیل می‌شود.

با توجه به اینکه در این روش آب مقطر تولید می‌شود و در صورت نیاز طی فرآیند تصفیه­ تکمیلی، به این آب املاحی اضافه می‌شود تا به آب قابل شرب یا آب قابل‌ مصرف در موارد دیگر تبدیل شود. فرآیندهای حرارتی نسبت به فرآیندهای غشایی انرژی حرارتی بیشتری نیاز دارند، اما انرژی الکتریکی کمتری مصرف می‌کنند.

منبع این حرارت بخار آبی است که می­ تواند مستقیماً و یا به‌ وسیله سوزاندن سوخت یا با استفاده از حرارت مازاد نیروگاه‌های برق تولید شود.

یکی از مزایای آب‌ شیرین‌کن‌های حرارتی این است که می‌توان با تأسیس این واحدها در کنار نیروگاه­ های برق، از حرارت تلف‌ شده در نیروگاه­ ها برای تبخیر آب استفاده کرد که به آن واحد تولید هم‌زمان برق و آب گفته می‌شود. در این صورت با توجه به عدم نیاز به انرژی حرارتی جدید، بازده حرارتی افزایش و هزینه­ های نمک­ زدایی بسیار کاهش می­ یابد.

 

فرآیند تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF)

در این فرآیند نمک زدایی، تولید بخار از طریق جوشاندن آب‌شور در درجه حرارت فوق گرم و در شرایط فشار پایین انجام می­ پذیرد. کاهش فشار باعث کاهش دمای جوشش آب‌ شده، اما انرژی‌ نهان تبدیل فاز افزایش پیدا می‌کند.

فرآیند در داخل محفظه­ ای به نام گرم‌کن انجام خواهد شد. به‌ نحوی‌ که محلول آب‌شور دریا گرم شده و این کار عمدتاً از طریق چگالیده شدن بخار روی تعدادی لوله موازی که در داخل محفظه عبور کرده و در عین‌ حال آب دریا را گرم می‌کنند، انجام می‌شود.

آب گرم شده دریا سپس به داخل محفظه دیگری که مرحله اواپراتور (تبخیرکننده) نامیده می‌شود، جریان یافته و در آنجا غشاء در حدی تنظیم می‌گردد که آب بلافاصله به جوش می‌آید، تغذیه ناگهانی آب گرم به داخل اتاقک باعث به جوش آمدن سریع آن می‌گردد. در واقع آب به‌ صورت انفجاری یا فلاشینگ به بخار تبدیل می‌شود. این تبدیل به فشار کنترل‌ شده در این مرحله بستگی دارد، زیرا فرآیند جوشش تا زمانی ادامه می­ یابد که آب سرد شود.

مفهوم تقطیر آب به کمک ظرفی که تحت‌ فشار کاهش داده‌ شده کار می‌کند یک ابداع جدید نیست، بلکه بیش از یک قرن است که کاربرد دارد.

سیکل نمک زدایی تقطیر ناگهانی (MSF)
سیکل نمک زدایی تقطیر ناگهانی (MSF)

مزایا: رنج حرارتی پایین، قابلیت استخراج املاح دریا، بی‌نیاز از گندزدایی، قابلیت کارکرد با بازیاب‌های حرارتی

معایب: بازده پایین (افزایش مقدار انرژی نهان تبخیر و چگالش)، تقریباً گران

 

فرآیند تقطیر چندمرحله‌ای (MED)

فرآیند نمک زدایی MED مدت زیادی است که در تقطیر صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. فرآیند تقطیر چند مرحله‌ای اولین فرآیندی است که برای تولید مقادیر قابل‌ توجهی آب شیرین از آب دریا و در مقیاس تجاری به کار گرفته‌ شده است. فرآیند از لحاظ فنی پیشرفت‌های قابل‌ توجهی داشته است. در حال حاضر ۵% ظرفیت تولید آب شیرین در جهان به این روش اختصاص دارد. فرآیند این دستگاه­ های آب‌ شیرین‌کن بر پایه سیستم نمک‌ زدایی تقطیری به روش چند مرحله‌ای به همراه چرخش بخار است. هر واحد آب‌ شیرین‌کن از چندین افکت و یک کندانسور تشکیل‌ شده است. افکت‌ها مبدل‌های پوسته لوله­ ای با چیدمان افقی هستند.

 

سیکل نمک زدایی چندمرحله‌ای (MED)
سیکل نمک زدایی چندمرحله‌ای (MED)

اساس کار واحدهای MED بدین‌ صورت است که ابتدا بخار خروجی از نیروگاه­ های بخار و یا بخاری که به‌ واسطه سوزاندن زغال‌سنگ و یا سوخت­ های فسیلی دیگر حاصل‌ شده است، وارد اولین مرحله می‌شود. این بخار از دما و فشار پایینی برخوردار است و از آن به‌ عنوان بخار اولیه نام‌برده می‌شود.

هنگامی‌ که آب تغذیه به اولین مرحله وارد می‌شود، بر روی لوله‌های اواپراتور که در آن‌ها بخار اولیه جریان دارد، پاشیده شده و به‌ این‌ ترتیب بخشی از آب تغذیه تبخیر وارد مرحله دوم می‌گردد. از این بخار به‌ عنوان بخار ثانویه نام‌ برده می‌شود. بخار اولیه درون لوله‌های اواپراتور نیز بر اثر از دست دادن حرارت خود چگالش یافته و به درون بویلر برگشت داده می‌شود. همچنین آب‌ شور موجود در مرحله اول به‌ وسیله یک پمپ به مرحله دوم وارد شده و بخار ثانویه نیز که از تبخیر آب تغذیه حاصل‌ شده بود، در مرحله دوم با انتقال گرمای نهان خود به آب‌ شور چگالش یافته و بخشی از آب‌ شور را تبخیر می­ کند و تمام فرآیند فوق به تعداد مراحلی که وجود دارد، تکرار می‌شود و بدین ترتیب بخار چگالش یافته از مرحله دوم به بعد به‌ عنوان آب شیرین جمع‌آوری‌ شده و تصفیه نهایی (برای رساندن pH آب به سطح قابل‌ قبول) بر روی آن صورت می­ گیرد.

حداقل تعداد مراحل طراحی‌ شده برای انجام یک فرآیند MED به دمای آب تغذیه وابسته است. بدین ترتیب که هر چه دمای آب تغذیه بیشتر و اختلاف آن با دمای جوش آب کمتر باشد، تعداد مراحل انجام فرآیند هم می‌تواند کمتر شود. افزایش تعداد مراحل سبب می‌شود که نسبت آب شیرین تولیدی به بخار مصرفی آن و بازده حرارتی طرح نیز افزایش یابد. البته در صورت افزایش تعداد مراحل، هزینه­ های سرمایه‌گذاری اولیه نیز باید افزایش پیدا کند.

مزایا: بازده کمی بیشتر از MSF، قابلیت به دست آوردن املاح دریا، بی‌نیاز از گندزدایی، قابلیت کارکرد با بازیاب آب‌های حرارتی

معایب: هزینه اولیه تقریباً گران، مصرف انرژی بالا

 

تقطیر بخار متراکم (VCD)

دستگاه‌های نمک زدای  VCD  با متراکم کردن بخار بر روی یک سطح انتقال گرما (لوله) عمل می‌کنند که این سطح انتقال گرما طوری ساخته می‌شود که توانایی انتقال گرمای بخار به آب‌شور و طرف دیگر سطوح را داشته باشد تا منجر به ایجاد بخار شود.

متراکم کننده‌ها نیاز به انرژی‌ دارند. کمپرسورها باعث کاهش فشار بر روی آب‌شور تغذیه‌ کننده سیستم می‌شوند، در نتیجه دمای جوش پایین می‌آید تا انرژی مصرفی نیز کاهش یابد.

از محاسن این روش کیفیت بالای آب تولیدی، ساده و قابل‌ اطمینان بودن آن، هزینه سرمایه‌گذاری معقول و راحتی قابلیت نقل‌ و انتقال تجهیزات متعلق به این سیستم است.

از معایب این روش می‌توان به مشکل آماده‌سازی و راه‌اندازی این روش در ابتدای کار و مقرون‌ به‌ صرفه نبودن مقیاس‌های بزرگ آن از لحاظ اقتصادی با حداکثر بازیافت کمتر از ۵% انرژی گرمایی اشاره نمود.

مزایا: سادگی سیستم، قیمت تقریباً متوسط

معایب: راندمان پایین، رسوب‌ گذاری بالا

تقطیر و چگالش خورشیدی غیر متمرکز (SSD)

در این فرآیند نمک زدایی یک محله شبه گلخانه‌ای ایجاد شده و سپس مقدار مشخصی آب در این سیستم وارد می‌شود. با توجه به زاویه قرار گرفتن و مقادیر بازتابش مواد به‌ کار رفته شده، آب موجود در محفظه با سرعت خاصی تبخیر شده، چگالش می‌شود و به محفظه دیگر انتقال پیدا می‌کند.

سیکل تقطیر و چگال خورشیدی (SSD)
سیکل تقطیر و چگال خورشیدی (SSD)

 

در این سیستم به علت بهره‌گیری از انرژی خورشیدی، بهره‌وری ظاهری ۱۰۰ درصد است ولی نیازمند زیرساخت بسیار زیاد و سرعت خیلی کم است.

مزایا: قیمت اجرای پایین، قیمت بهره‌برداری پایین، قابلیت برداشت املاح

معایب: زمان‌بر بودن، نامناسب برای دبی‌های بالا

 

ادامه دارد…

 

مجله اینترنتی تحلیلک

نوشته های مرتبط

پرده آخر، صف‌ آرایی جدید خودروهای برقی

رسول لطفی

ساخت آلارم مونوکسید کربن به وسیله برد آردوینو

رسول لطفی

آموزش نرم افزار سالیدورکس (قسمت ششم) / دوران و تغییر مقیاس ترسیم

وحید مصطفوی