Buharlaştırma (evaporation)

Buharlaştırmanın amacı, uçucu olmayan bir solut ve uçucu bir solvent içeren bir çözeltiyi konsantre hale getirmektir. Buharlaşmaların büyük çoğunluğunda çözücü sudur. Buharlaştırmada solventin bir kısmı uzaklaştırılarak kalın (yoğun) sıvının konsantre çözeltisinin elde edilmesi hedeflenir. Buharlaştırma kurutmadan farklı bir işlemdir; kurutmada, kalıntı bir çözelti değil, sıvıdır (bazen oldukça viskoz).

Sıvı Karakteristikleri: Bir buharlaştırma probleminin pratik çözümü, konsantre edilecek sıvının karakterine göre belirlenir. Buharlaştırılan sıvıların bazı önemli özellikleri aşağıda kısaca özetlenmiştir.

Konsantrasyon: İnce (yoğun olmayan) sıvı besleme, suyun pek çok fiziksel özelliklerini içerecek kadar seyreltik olmasına rağmen, konsantrasyonu arttıkça sudan farklılaşır, kendine özgü özellikleri kazanmaya başlar, yoğunluğu ve viskozitesi artar; bu durum, çözelti doygunluğa erişinceye veya sıvı ısı transferini sağlayabilecek viskoziteye gelinceye kadar devam eder. Doygun çözeltinin kaynatılmasına devam edildiğinde kristaller meydana gelir; bunlar uzaklaştırılmalıdır.

Köpürme: Bazı malzemeler, özellikle organik substanslar, buharlaştırma sırasında köpürür. Köpük kararlı haldeyse buharlaştırıcının buhar (vapor) çıkışından dışarı çıkar; özel durumlarda sıvının tamamı kaynayarak dışarı çıkar.

Sıcaklığa Duyarlılık: Kimyasal maddelerin çoğu, farmasetikler ve yiyecekler orta derecelerdeki sıcaklıklarda kısa süre tutulduklarında bile bozulurlar. Bu gibi maddeleri konsantre etmek için özel yöntemler uygulanması gerekir.

İz (kabuklanma): Bazı çözeltiler ısıtılan yüzeyde izler bırakır. Böyle durumlarda buharlaştırıcı kapatılıp, tüplerin temizlenmesine kadar sistemin tüm (bileşik) katsayısı sürekli olarak düşer.

Yapı Malzemeleri: Buharlaştırıcılar genellikle uygun çeliklerden yapılır. Yine de çözeltilerin çoğu demir malzemelere etki eder veya onlardan kirlenebilir. Bakır, nikel, paslanmaz çelik, aluminyum, özel grafit ve kurşun gibi malzemeler kullanılabilir.

Tek- ve Çok-Etkili Operasyon: Buharlaştırıcıların çoğu metal tüpler üzerinde steam (buhar) kondensasyonuyla ısıtılır. Steam genellikle düşük bir basınçta (<3 atm), kaynayan sıvı çoğu zaman orta derecede vakum (0.05 atm mutlak) altındadır. Sıvının kaynama sıcaklığının düşürülmesi, steam ve kaynayan sıvı arasındaki sıcaklık farkının yükselmesini ve buharlaştırıcıda ısı transfer hızının artmasını sağlar.

Tekli buharlaştırıcı kullanıldığında kaynayan sıvının buharı (vapor) yoğunlaşır ve atılır. Bu metoda ‘tek-etkili buharlaştırma’ denir. Bu metot basittir, ancak steam tüketimi yönünden bakıldığında, çözeltiden 1 kg su buharlaştırmak için 1-1.3 kg steam harcanır. Steam üretici cihaz ve kondenser arasında bir seri buharlaştırıcı kullanılarak, kilogram steam başına çözeltiden buharlaştırmanın artırıldığı genel metot ‘çok-etkili operasyon’ olarak tanımlanır.

1. BUHARLAŞTIRICI TİPLERİ

1. Uzun-tüp dikey buharlaştırıcılar

a. Yukarı akışlı (tırmanan ‘climbing’-film)

b. Aşağı akışlı (düşen ‘falling’-film)

c. Zorlamalı (forced) sirkülasyon

2. Çalkalamalı-film buharlaştırıcılar

Tek-Geçişli ve Sirkülasyonlu Buharlaştırıcılar: Buharlaştırıcılar ya tek-geçiş veya sirkülasyon üniteleri gibi çalıştırılabilir. Tek geçiş operasyonunda sıvı (besleme) tüplerden sadece bir kere geçer, buharını bırakır ve kalın sıvı olarak üniteyi terk eder. Buharlaşmanın beslemeye oranı sınırlıdır; bu nedenle bu tip buharlaştırıcılar çoklu-etki işlemlere adapte edilerek konsantrasyonun tümü birkaç etki üzerine yayılabilir. Çalkalamalı film buharlaştırıcılar daima tek-geçiş yöntemiyle çalıştırılır. Aşağı-akışlı ve yukarı-akışlı buharlaştırıcılar da tek-geçiş sistemiyle kullanılabilir.

Tek-geçiş buharlaştırıcılar özellikle ısıya karşı hassas malzemeler için yararlıdır. Yüksek vakum altında sıvının sıcaklığı düşük tutulabilir.

Sirkülasyon buharlaştırıcılarda cihaz içinde bir sıvı havuzu tutulur. Gelen besleme havuzdaki sıvı ile karışır ve karışım tüplerden geçer. Tüplerden boşaltılan buharlaşmamış sıvı havuza geri döner, böylece tek geçişte toplam buharlaşmanın sadece bir kısmı gerçekleşir. Tüm zorlamalı-sirkülasyonlu buharlaştırıcılar bu şekilde çalıştırılır; tırmanma-film buharlaştırıcılar genellikle sirkülasyon üniteleridir.

Bir sirkülasyon buharlaştırıcıdan gelen kalın sıvı havuzdan çekilir. Havuzdaki tüm sıvı bu nedenle maksimum konsantrasyonda olmalıdır. Tüplere giren sıvı, her besleme kısmı için bir miktar kalın sıvı içerebildiğinden, viskozitesi yüksektir ve ısı transfer katsayısı düşme eğilimindedir.

Sirkülasyon buharlaştırıcılar, ısıya-duyarlı sıvıları yoğunlaştırmada uygun değildir. Uygun bir vakumla sıvı kütlesinin sıcaklığı düşük seviyelerde tutulabilir; ancak, sıvı tekrar tekrar sıcak tüplerle temas ettiğinden, bir kısmı aşırı yüksek bir sıcaklığa çıkabilir. Sıvının ısıtma bölgesinde ortalama kalma süresi kısa olsa da, bir kısmı buharlaştırıcıda önemli bir süre tutulur; ısıya-duyarlı malzemenin küçük bir parçasının bile (bir gıda gibi) uzun süreli ısınması, tüm ürünü bozabilir.

Bununla birlikte sirkülasyon buharlaştırıcılar, tek bir ünite ile besleme ve kalın sıvı arasında geniş bir aralıkta kullanılabilir, tek-etkili buharlaşmaya adapte edilebilir. Bunlar, ya yoğunluk farklarıyla indüklenen tüplerden akışla doğal dolaşımla, veya bir pompa tarafından sağlanan akışla zorlanmalı-sirkülasyonla çalışabilirler. 

Yukarı Akışlı (Tırmanan ‘Climbing’-Film) Uzun-Tüp Buharlaştırıcılar: Şekil-1'de sıvının yukarı doğru aktığı tipik bir uzun-tüp dikey buharlaştırıcı görülmektedir. Başlıca parçaları: (1) tüplü bir eşanjör (kovan kısmında steam, tüplerde konsantre edilecek sıvı bulunur), (2) buhardan tutulan sıvının uzaklaştırılması için bir separatör veya buhar alanı, (3) bir sirkülasyon ünitesi gibi çalıştırıldığında, separatörden eşanjörün tabanına bir geri dönüş bacağı (sıvı için).

Besleme sıvısı ve steam için girişler, buhar, kalın sıvı, steam kondensat ve yoğunlaşamayan gazlar için çıkışlar bulunur.

Boru şekilli ısıtıcıda tüpler tipik olarak 25 ila 50 mm (1 ila 2 inç) çapında ve 3 ila 0 m (10 ila 32 ft) uzunluğundadır. Seyreltik besleme, sisteme girer ve separatörden gelen sıvı ile karışır. Konsantre sıvı ısıtıcının tabanından çekilir; Kalan sıvı, tüplerde yükseldikçe kısmen buharlaşır. Tüplerin üst kısmındaki sıvı ve buhar karışımı, separatöre akar (hızı büyük ölçüde azalır). Şekil-1'de gösterilen buharlaştırıcı sadece sirkülasyon ünitesi olarak çalıştırılabilir.

Şekil-1: Tırmanan (climbing)-film, uzun-tüp

 dikey buharlaştırıcı

Uzun-tüp dikey buharlaştırıcılar özellikle köpürmeye eğilimli sıvıların konsantre edilmesinde etkili bir yöntemdir. Yüksek-hızdaki sıvı ve buhar karışımı, buhar-kafası bafıla (buhar-yüksekliği bölmesi) çarptığında köpük kırılır ve söner. 

Aşağı Akışlı (Düşen ‘Fallıng-Film) Buharlaştırıcılar: Isıya karşı çok duyarlı malzemeler (portakal suyu gibi) konsantre edilirken ısıtılmış bir yüzeye maruz kalma süresinin çok kısa olması gerekir. Bu, sıvının tepeye girdiği, bir film olarak ısıtılmış tüplerin içinde aşağı yönde aktığı ve tabandan ayrıldığı aşağı-akışlı buharlaştırıcılar içinde gerçekleştirilebilir. Tüpler geniştir; 50-250 mm (2-10 inç) çapındadır. Sıvıdan gelen buhar genellikle sıvı ile aşağı doğru taşınır ve ünitenin altından ayrılır. Görünüşte bu buharlaştırıcılar, uzun, dikey, boru şeklindeki eşanjörlere benzer; alt kısımda bir sıvı-buhar ayırıcı ve üstte bir sıvı dağıtıcı bulunur.

Bir falling-film buharlaştırıcıdaki temel problem, sıvıyı tüpler içinde düzenli bir film gibi dağıtabilmektir. Bu, seviyesi ayarlanmış bir tüp tabakasının üstündeki delikli bir metal plaka seti ile, veya radyal kollu "örümcek" dağıtıcılarla yapılır:

Yeniden sirkülasyon (resirkülasyon) yapılabildiği durumlarda, sıvıların tüplere dağıtılması, sıvının tüp tepelerine kadar ılımlı bir şekilde geri dönüşümü ile kolaylaştırılır. Böyle bir işlemle, bir-geçişli operasyona kıyasla, borulardan daha büyük hacimde akış sağlanabilir.

İyi bir ısı transferi için falling filmin Reynolds sayısı, tüpteki tüm noktalarda 2000'den büyük olmalıdır. Buharlaşma sırasında sıvının miktarı, aşağı doğru akarken sürekli olarak azalır ve azalma çok büyük olduğunda tüpün dibine yakın kısımlarda kuru noktalar oluşabilir; dolayısıyla, tek-geçişte yapılabilecek olan yoğunlaştırma ancak sınırlı olabilir.

Falling-flm buharlaştırıcılar, resirkülasyon yoksa ve alıkonma süreleri kısa olduğunda, başka hiçbir şekilde yoğunlaşamayan hassas ürünlere uygulanır. Bunlar viskoz sıvıları yoğunlaştırmak için de uyarlanmıştır. 

Zorlamalı-Sirkülasyonlu Buharlaştırıcılar: Doğal-sirkülasyonlu bir buharlaştırıcıda sıvı tüplere 0.3-1.2 m/s (1-4ft/s) hızlarda girer. Lineer hız, tüplerde buhar oluşmasıyla büyük ölçüde artar ve ısı transfer hızları yeterli seviyelere ulaşır; ancak, viskoz sıvılarla çalışıldığında yöntem ekonomik değildir. Zorlamalı-sirkülasyonlu buharlaştırıcılarda daha yüksek katsayılar elde edilir (tipik bir örnek Şekil-2'de gösterilmiştir). Sıvının giriş hızı, santrifüj pompayla, tüpler boyunca 2-5.5 m/s (6-18 ft/s) aralığında kuvvetlendirilir. Yeterli statik yükseklik (basınç) altıdaki tüplerde kaynama yoktur; sıvı ısıtıcıdan buhar boşluğuna akarken statik yükseklik düşer ve sıvı aşırı ışınmış hale gelir, ve buharlaştıncının gövdesine girmeden hemen önce, eşanjörden çıkış hattında bir buhar ve sprey karışımına akar. Sıvı ve buhar karışımı, buhar alanındaki bir deflektör plakasına çarpar. Sıvı, gelen besleme ile buluştuğu pompa girişine geri döner; buhar, bir kondensere geçerek buharlaştırıcıyı terk eder. Ayrılan sıvı kondensat olarak çekilir.

Şekil-2’de tipik bir iki-geçişli yatay ısıtıcılı zorlamalı-sirkülasyon buharlaştırıcının şeması verilmiştir.

Şekil-2: İki-geçişli yatay ısıtıcılı zorlamalı-sirkülasyon

 buharlaştırıcı

Çalkalamalı-Film Buharlaştırıcı: Bir buharlaştırıcıda ısı transferine karşı direnç, sıvının bulunduğu taraftadır. Bu direnci azaltmanın bir yolu, özellikle viskoz sıvılarla çalışıldığında, sıvı filmin Şekil-3'te gösterilen evaporatörde olduğu gibi, mekanik olarak çalkalanmasıdır. Cihaz modifiye bir aşağı akışlı (düşen ‘falling’-film) buharlaştırıcıdır; dahili bir karıştırıcısı vardır. Besleme ceketli kısmın üstünden girer, çalkalayıcının dikey bıçakları tarafından ince, türbülanslı film halinde yayılır; konsentrat dipten çıkar. Buhar, buharlaştırma bölgesinden yükselerek bir separatöre (ceketsiz) girer. Separatörde (ayırıcı) karıştırıcı bıçaklar, sürüklenmiş sıvıyı hareketsiz dikey plakalara karşı fırlatır. Damlacıklar bu plakalar üzerinde birleşir ve buharlaştırma bölümüne geri döner. Sıvı içermeyen buhar, ünitenin en üstünden dışarı çıkar.

Çalkalamalı-film buharlaştırıcının en önemli avantajı, viskoz sıvılarla yüksek ısı transfer hızları verme özelliğidir. Ürün, buharlaşma sıcaklığında 1000 P kadar yüksek bir viskoziteye sahip olabilir. Dezavantajları yüksek maliyetlidir.

Şekil-3: Çalkalamalı-film buharlaştırıcı

2. BORULU BUHARLAŞTIRICILARIN PERFORMANSI

Steam ile ısıtılan borulu evaporatörün performansının başlıca ölçütleri kapasite ve ekonomidir. ‘Kapasite’, saatte buharlaştırılan kg su sayısı, ‘ekonomi’ üniteye beslenen kilogram steam başına kilogram buharlaşan sayısı olarak tanımlanır. Tek-etkili bir buharlaştırıcıda, ekonomi hemen hemen her zaman 1'den azdır, fakat çok etkili ekipmanlarda önemli derecede daha büyük olabilir. Saatte kilogram başına steam tüketimi de önemlidir; bu değer ‘kapasite/ekonomi’ye eşittir.

3. BUHARLAŞTIRICI KAPASİTESİ

Bir buharlaştırıcının ısıtıcı yüzeydeki ısı transfer hızı q, üç faktöre dayanır:

q = U A DT                   (1)

A: ısı transfer alanının yüzeyi, U: bileşik ısı transfer katsayısı, DT: sıcaklık düşmesidir.

Buharlaştırıcıya beslenen çözelti (besleme), buhar alanındaki mutlak basınca uygun kaynama sıcaklığında ise, ısıtma yüzeyleri boyunca transfer edilen ısının tümü buharlaşma için harcanır ve kapasite q ile orantılıdır. Besleme soğuk ise, kaynama noktasına kadar ısıya ihtiyaç olacağından kapasite değeri q düşer. Beslemenin kaynama noktasından daha yüksek sıcaklıkta olması halinde ise, beslemenin bir kısmı kendiliğinden buharlaşır (adyabatik dengeyle) ve kapasite q yükselir. Bu prosese ‘flash buharlaşma’ denir. 

Kaynama-Noktası Yükselmesi ve Dührings Kuralı: Sulu çözeltilerin buhar basıncı, aynı sıcaklıktaki sudan daha azdır; dolayısıyla belirli bir basınç için çözeltilerin kaynama noktası saf sudan daha yüksektir; kaynama noktasındaki artış, çözeltinin kaynama noktası yükselmesi (BPE) olarak bilinir. BPE, seyreltik çözeltiler ve organik kolloid çözeltiler için küçüktür, fakat inorganik tuzların konsantre çözeltileri için 80 ° C (144 ° F) kadar büyük olabilir.

Kuvvetli çözeltiler için BPE en iyi Dühring'in kuralı olarak bilinen ampirik bir kuraldan bulunur. Bu, belirli bir çözeltinin kaynama noktasının, aynı basınçtaki saf suyun kaynama noktasının doğrusal bir fonksiyonu olduğunu belirtir; buna göre, çözeltinin kaynama sıcaklığının, aynı basınçtaki suyun kaynama sıcaklığına göre çizilen grafik düz bir doğru şeklindedir. Farklı konsantrasyonlar için farklı doğrular elde edilir.

Şekil-4: Dühring hatları; sodyum hidroksit-su sistemi

Geniş basınç aralıkları üzerinde, kural tam olarak değil, fakat orta bir aralıkta, hatlar paralel olmasına rağmen, neredeyse düzdür. Şekil-4, suda sodyum hidroksit çözeltileri için bir dizi Dühring dizisini gösterir. Bu şeklin kullanımı bir örnekle açıklanabilir: Yüzde 25'lik bir sodyum hidroksit çözeltisi üzerindeki basınç, suyun kaynadığı 180 ⁰F (82.2 ⁰C) için olan basınca eşitse, x ekseninde 180 ⁰F’ın karşılığı olan yüzde 25'lik çözelti için y ekseninde çözeltinin kaynama noktası okunur; 200 ⁰F (93.3 ⁰C). Bu çözelti için bu basınçtaki BPE 20 ⁰F'dir (11.1 ⁰C).

Sıcaklık Düşmesinde Sıvı Kafası (Yüksekliği) Ve Sürtünmenin Etkisi: Bir buharlaştırıcıdaki sıvını derinliği fark edilebilir seviyede olduğunda, kaynama noktası (buhar boşluğundaki basınçta), sadece sıvı yüzey tabakasının kaynama noktasına eşittir. Yüzeyden Z metre aşağıdaki bir sıvı kütlesi ise, ‘buhar boşluğu basıncı + Z metre head (yükseklik)’ kadar bir basınç altındadır; dolayısıyla kaynama noktası daha yüksektir. Buna ilaveten sıvını hızı büyük olduğunda, tüplerdeki sürtünme kaybı sıvının ortalama basıncında ilave bir artışa neden olur. Bir buharlaştırıcıda, bu nedenle, tüplerdeki sıvının ortalama kaynama noktası, buhar boşluğundaki basıncın karşılığı olan değerden daha büyüktür. Kaynama noktasındaki bu artış, steam ve sıvı arasındaki ortalama sıcaklık düşmesini azaltır ve kapasiteyi düşürür.

Bir buharlaştırıcıdaki sıcaklıkların tabandan-tüp boyunca olan mesafeyle ilişkisi Şekil-5’te gösterilmiştir. Diyagram, sıvının yukarı doğru aktığı uzun-tüp dikey bir buharlaştırıcı için hazırlanmıştır. Steam buharlaştırıcıya, tüpleri saran buhar ceketinin tepesinden girer ve aşağı doğru akar. Giren buhar biraz aşırı ısıtılmış olabilir; T_h. Aşırı ısı hemen bırakılır ve steam doygunluk sıcaklığına düşer; T_s. Isıtma yüzeyinin büyük kısmı üzerinde bu sıcaklık değişmez. Kondensat, steam boşluğundan ayrılmadan önce, hafifçe, T_c sıcaklınağa kadar soğutulabilir.

Tüplerdeki sıvının sıcaklık durumu, Şekil-5’te abc ve ab'c çizgileri ile gösterilmektedir. Birincisi düşük hızlarda, yaklaşık 1 m/s ve ikincisi 3 m/s'nin üzerindeki yüksek hızlarda geçerlidir; her iki hız da tüpün tabanından giren akışa dayanır.

Buharlaştırıcıya giren beslemenin, buhar-boşluğu basıncında, sıvının kaynama sıcaklığı dolayında olduğu varsayılıyor ve T ile gösteriliyor. Sonra, T sıcaklığında tüpe giren sıvıya bir kez akış veya sirkülasyon uygulanabilir. Yüksek hızlarda tüpteki akışkan tüpün sonuna kadar sıvı olarak kalır, son birkaç inçlik konumda bir sıvı-buhar karışımına dönüşür (flash); maksimum sıvı sıcaklığı b’ noktasında, tüpten hemen çıkışta geçekleşir.

Daha düşük hızlarda sıvının sıvı-buhar oluşumu, tüpün merkezine yakın bir yerde olur; sıcaklık maksimuma çıkar (b noktası). b noktası tüpü ikiye böler, kaynamanın olmadığı alttaki bölüm ve kaynayan üstteki bölüm.

Hem yüksek ve hem de düşük hızlarda buhar ve konsantre sıvı dengededir (buhar alanındaki basınçta).

Şekil-5: Uzun-tüp dikey buharlaştırıcının tüplerinde sıvının 

sıcaklığı ve sıcaklık düşmeleri

Sıvının kaynama noktası yükselmesi (BPE) yeterli olduğunda, sıcaklığı T, saf suyun aynı basınçtaki kaynama noktası T’ den daha büyüktür. T ve T’ arasındaki fark BPE’dir.

BPE için düzeltilmiş sıcaklık düşüşü, T_s-T dir. Hem kaynama noktası yükselmesi hem de statik kafa (yükseklik) için düzeltmiş doğru sıcaklık düşüşü, T_s ve değişken sıvı sıcaklığı arasındaki ortalama mesafe ile tanımlanır.

Tüp içindeki akışkanın basınç geçmişi, Şekil-6'da gösterilmiştir. Şekil 16.6'daki eğrilerle gösterildiği gibi basınç değişimi, tüplerin alt yarısında yavaştır, burada sıvı kaynamaz ve hız düşüktür; hızın yüksek olduğu kaynama bölgesinde değişim daha hızlıdır.

Şekil-6: Uzun-tüp dikey buharlaştırıcının 

tüplerinde sıvının basınç durumu

Isı Transfer Katsayıları: Denklem (1) ile gösterildiği gibi, ısı akısı ve buharlaştırıcı kapasitesi, hem sıcaklık düşmesinden hem de genel ısı transfer katsayısındaki değişikliklerden etkilenir. Sıcaklık düşüşü, steam ve kaynayan sıvının özellikleriyle sabitlenir; hidrostatik kafanın etkisi hariç, buharlaştırıcının konstrüksiyonundan etkilenmez. Oysa genel (bileşik) katsayı buharlaştırıcının dizaynı ve çalışma metodundan etkilenir.

Steam ve kaynayan sıvı arasındaki ısı transferine bileşik direnç, beş bireysel direncin toplamıdır: steam-film direnci, tüplerin içinde ve dışındaki birikinti direnci, tüp-duvar direnci ve kaynayan sıvıdan gelen direnç. Bileşik katsayı, bileşik direncin tersidir. Buharlaştırıcıların çoğunda yoğunlaşan buharın kirletme faktörü ve tüp duvarı direnci çok düşüktür; genellikle hesaplamalarda ihmal edilir. Çalkalamalı-film buharlaştırıcıda tüp duvarı oldukça kalındır, dolayısıyla toplam dirençteki payı fazladır.

Steam-Film Katsayıları: Steamr-film katsayısı karakteristik olarak yüksektir; hatta kondensasyon filmsi olduğunda bile. Kondensasyonun damla damla olması için bazen promoterler (düzenleyici) ilave edilse bile katsayı hala yüksek olur. Yoğunlaşamayan gaz bulunması steam-film katsayısını önemli derecede azalttır.

Sıvı-Tarafı Katsayıları: Sıvı tarafı katsayısı, ısıtılmış yüzey üzerindeki sıvı hızına bağlıdır. Buharlaştırıcıların çoğunda ve özellikle viskoz malzemelerle çalışanlarda, sıvı tarafın direnci, kaynayan sıvısıya ısı transfer hızını (bileşik) kontrol eder. Doğal-sirkülasyonlu buharlaştırıcılarda seyreltik sıvı çözeltiler için sıvı-tarafı katsayısı 1500-3000 W/m².⁰C (300-600 Btu/ft².sa.⁰F)’dır. Zorlamalı-sirkülasyon yüksek sıvı-tarafı katsayıları verir.

Tablo: Buharlaştırıcılarda Tipik Bileşik (Overall)
Katsayılar

	Bileşik (tüm) katsayı, U
Tip	W/m2.0C	Btu/ft2.sa.0F
Uzun-tüp dikey buharlaştırıcılar
Doğal sirkülasyon	1000-2500	200-500
Zorlamalı (forced) sirkülasyon	2000-5000	400-1000
Çalkalamalı-film buharlaştırıcı, Newtonian sıvı,                                               viskozite:   1 cP                                               viskozite:   1 P                                               viskozite:   100 P	2000 1500 600	400 300 120

 

Bileşik Veya Genel (Overall) Katsayılar: Bir buharlaştırıcıda yüksek bireysel katsayıların ölçülmesi zor olduğundan deneysel sonuçlar genellikle ‘overall katsayılar’ ifadesiyle verilir. bunlar, kaynama-noktası yükselmesi için düzeltilmiş net sıcaklık düşüşüne dayanır. Bileşik katsayı, elbette, bireysel katsayıları etkileyen aynı faktörlerden etkilenir; fakat bir direnç (örneğin, sıvı filmi) kontrol ediyorsa, diğer dirençlerdeki büyük değişikliklerin genel katsayı üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur. Çeşitli tiplerde buharlaştırıcılar için tipik bileşik dirençler yukarıdaki tabloda toplanmıştır. 

Tek Etkili Buharlaştırıcı İçin Enthalpy Dengeleri: Tek etkili bir buharlaştırıcıda, steam yoğunlaşmasının gizli ısısı, kaynayan bir çözeltiden suyu buharlaştırmak için bir ısıtma yüzeyine transfer edilir. İki entalpi dengesi gereklidir, biri steam için, diğeri ise buhar veya sıvı tarafı içindir.

Şekil-7’de şematik olarak dikey-tüplü, tek-etkili bir buharlaştırıcı görülmektedir. Steam akışının ve yoğunlaştıncının hızı m^._s, ince sıvı veya beslemenin m^._f ve kalın sıvının m^. dir. Kondensere buhar akış hızı, sıvıdan katı çökeltisi olmadığı varsayılarak, m^._f – m olur. T_s, steam yoğunlaşma sıcaklığı, T buharlaştırıcının içindeki sıvının kaynama sıcaklığı ve T_f, beslemenin sıcaklığı olsun.

Şekil-7: Buharlaştırıcıda madde ve entalpi dengeleri

Sızıntı olmadığı, kondens olmayanlar ve buharlaştırıcıdan ısı kayıplarının ihmal edilebilir olduğu kabul ediliyor. Steam kasasına giren steam aşırı ısınmış olabilir ve kasayı terk eden kondensat genellikle kaynama noktasının altındadır (soğuk). Hem aşırı ısınma (steam) ve hem de kondensatın soğukluğu oldukça düşüktür ve entalpi dengesi hesaplamalarında dikkate alınmayabilir.

Bu kabuller altında steam ve kondensatın entalpileri arasındaki fark, steam kondensasyon gizli ısısıdır, l_s.

Steam tarafı için entalpi dengesi,

q_s = m^•_s (H_s – H_c) = m^•_s l_s                      (2)

q_s = steamden ısıtılan yüzeye ısı transfer hızı, H_s = steam spesifik entalpisi, H_c = kondensatın spesifik entalpisi, q  = steam akış hızı, l_s = steam kondensasyon gizli ısısı

Sıvı tarafı için entalpi dengesi,

q = (m^•_f – m^•) H_v – m^•_f H_f + m^• H             (3)

q = ısıtılan yüzeyden sıvıya ısı transfer hızı, H_v = buharın spesifik entalpisi, H_f = ince sıvının spesifik entalpisi, H = kalın sıvının spesifik entalpisi

Isı kayıpları olmadığında, steamden tüplere ısı transferi tüplerden sıvıya ısı transferine eşittir, q_s =q. Bu durumda,

q = m^•_s l_s = (m^•_f - m^•) H_v - m^•_f H_f + m^• H              (4)

Sıvı tarafı entalpileri H_v, H_f ve H, konsantre edilen çözeltinin özelliklerine bağlıdır.

 

Seyrelme Isısı İhmal Edilebilir Olduğunda Entalpi Dengesi: Seyrelme ısısının ihmal edilebildiği çözeltilerde tek-etkili bir buharlaştırıcıda entalpi dengeleri, çözeltinin spesifik ısısı ve sıcaklığından hesaplanabilir. Sıvı taraftaki ısı transfer hızı q, q_f yi de kapsar. İnce sıvıya transfer edilen ısı sıcaklığını T_f  den kaynama sıcaklığı T değerine değiştirir, ve buharlaşma ısısı q_v dir.

q = q_f + q_v                                (5)

İnce sıvının spesifik ısısının T_f - T aralığında sabit olduğu kabul edilirse,

q_f = m^•_f c_pf (T – T_f)                    (6)

q_v = (m^•_f – m^•) l_v                      (7)

c_pf = ince sıvını spesifik ısısı, l_v = kalın sıvıdan buharlaşma gizli ısısı

Kalın sıvının kaynama noktası yükselmesi ihmal edilebilirse (önemsizse), suyun buharlaşma gizli ısısı (buhar boşluğu basıncında) l_v = l . Kaynama noktası yükselmesi hissedilebilir seviyede olduğunda, çözeltiyi terk eden buhar, kaynama noktası yükselmesine eşit derecede aşırı ısınmıştır ve l_v , l dan biraz farklı olur.

Tek-etkili bir buharlaştırıcıda seyrelme ısısı önemsiz olduğunda entalpi dengesi (Denklem -6, 7, 5 kullanılarak):

q = m^•_f c_pf (T – T_f) + (m^•_f – m^•) l_v             (8)

Seyrelme Isısıyla Entalpi Dengesi; Enthalpi-Konsantrasyon Diyagramı: Sıvının seyrelme ısısı ihmal edilmek için çok büyükse, Denklem-4 teki H_f ve H için değerleri için bir entalpi konsantrasyon diyagramı kullanılır. Entalpi-konsantrasyon diyagramında entalpini (Btu/lb çözelti veya joule/g çözelti), konsantrasyona (solutun ağırlık % si veya kütle fraksiyonu) karşı grafiği çizilir. diyagramdaki izotermeler entalpiyi, sabit sıcaklıkta konsantrasyonun fonksiyonu olarak gösterir. Şekil-8, sodyum hidroksitin sulu çözeltileri için hazırlanmış bir entalpi konsantrasyon diyagramıdır. Konsantrasyonlar sodyum hidroksitin kütle fraksiyonu, sıcakl^ık ⁰F ve entalpiler Btu/lb (çözelti) olarak alınmıştır.

Şekil-8: Sodyum hidroksit-su sistemi entalpi-konsantrasyon diyagramı (noktalı çizgiler ekstrapole verileri gösterir)

 

ÖRNEK-1: Tek-etkili bir buharlaştırıcıyla, %20’lik sulu sodyum hidroksit çözeltisi 20 000lb/sa (9070 kg/sa) buharlaştırılarak %50’lik çözelti elde edilmektedir. Steam gösterge basıncı 20 lb_f/in² (1.7 atm), buhar boşluğundaki mutlak basınç 100 mmHg (1.93 lb_f/in²). Bileşik katsayı 250 Btu/ft².sa.⁰F olarak kabul ediliyor. Harcanan steam miktarı? ekonomi? gerekli ısıtma yüzeyi? ne olmalıdır?

Çözüm: buharlaşan su miktarı madde dengesinden bulunur. Beslemede her lb katı için 80/20 = 4 lb su vardır. Kalın sıvı her lb katı için 50/50 = 1 lb su içerir. Buharlaşan miktar her lb katı için 4 – 1 = 3 lb su veya, 3 x 20 000 = 12 000 lb/sa

Kalın sıvının akış hızı m^•: 20 000 – 12 000 = 8000 lb/sa (3630 kg/sa)

Harcanan steam: Sodyum hidroksitin kuvvetli çözeltisinin seyrelme ısısı ihmal edilemeyeceğinden ısı transfer hızı Denklem (4) ten ve Şekil-8’den bulunur. %50’lik çözeltinin 100 mm Hg basıncındaki buharlaşma sıcaklığı aşağıdaki gibi bulunur.

Suyun 100 mm basınçtaki kaynama noktası = 124 ⁰F (tablolardan)

Çözeltinin kaynama noktası = 197 ⁰F (Şekil-4)

Kaynama noktası yükselmesi = 197 – 124 = 73 ⁰F

Besleme ve kalın sıvının entalpileri Şekil-8’den bulunur.

Besleme, %20 katı içerir, 100 ⁰F:           H_f = 55 Btu/lb

Kalın sıvı, %50 katı içerir, 197 ⁰F:           H = 221 Btu/lb

Buharlaştırıcıyı terk eden buharın entalpisi buhar tablolarından bulunur. Aşırı ısınmış suyun 197 ⁰F’daki entalpisi 1.93 lb_f/in², 1149 Btu/lb; Denklem (4)teki H_v dir.

Steam buharlaşma ısısı l_s , 20 lb_f/in² gösterge basıncında, 7939 Btu/lb (tablolardan)

Isı transfer hızı ve steam tüketimi Denklem (4) ten bulunabilir:

q = (20 000 – 8000) (1149) + 8000 x 221 – 20 000 x 55 = 14 456 000 Btu/sa

m^•_s = 14 456 000 / 939 = 15 400 lb/sa (6990 kg/sa)

Ekonomi:  Ekonomi = 12 000 / 15 400 = 0.78

Isıtma yüzeyi: Steam kondensasyon sıcaklığı 259 ⁰F dır; gerekli ısıtma alanı,

         14 456 000

A = ¾¾¾¾¾¾¾  = 930 ft² (86.4 m²)

      250 (259 – 197)

Buharın entalpisi H_v, buhar boşluğundaki basınçta aşırı ısınmış buhara değil de, doygun buhara dayansaydı ısı transfer hızı 14 036 000 Btu/sa (4115.7kW), ısıtma alanı 906 ft² (84.2 m²) olacaktı. Yaklaşımla yapılan hata sadece %3 kadardır.

 

Çok Etkili Buharlaştırıcılar: Şekil-9’da üç uzun-tüp doğal sirkülasyonlu buharlaştırıcı, bir üç-etkili sitem oluşturacak şekilde birbirine bağlanmıştır. Bağlantılar, bir etkiden çıkan buharın bir sonraki için ısıtma ortamı olacak şekilde yapılmıştır. Serinin üçüncü etkisinde bir kondenser ve hava ejektörüyle vakum bağlantısı bulunur ve sistemden yoğunlaşamayanlar çekilir.

Birinci-etki ünitesinde ham steam beslenir; buhar boşluğundaki basınç en yüksektir. Üçüncü (son)-etkide buhar boşluğundaki basınç minimumdur. Böylelikle steam ve kondenser arasındaki basınç farkı çoklu (multiple)-sistemde iki veya daha fazla etkiye yayılır. Her bir etkideki basınç, bir öncekinden daha düşük ve bir sonrakinde daha yüksektir.

Her etki kendi içinde ‘tek-etkili buharlaştırıcı’ gibi davranır. Çok-etkili bir sistemde her etki için, tek-etkili buharlaştırıcı için yapılan yorumlar geçerlidir. Şekil-9'da görüldüğü gibi seyreltik besleme öncelikle ilk-etkiyi girer, kısmen konsantre olur ve daha fazla konsatre olmak için ikinci-etkiye geçer. Son konsantrasyon değerini kazanması, bu sistemde üçüncü-etkide gerçekleşir.

Şekil-9: Üç-etkili buharlaştırıcı; I, II, III, birinci, ikinci ve üçüncü etkiler; F₁, F₂, F₃ besleme veya sıvı kontrol valfleri;  S₁ steam valfi; p_s, p₁, p₂, p₃ basınçlar: T_s, T₁, T₂, T₃ sıcaklıklar

Birinci-etkide ısıtıcı yüzeyin saatte ilettiği ısı miktarı,

q₁ = A₁ U₁ DT₁                           (9)

İkinci-etkide ısıtıcı yüzeyin saatte ilettiği ısı miktarı,

q₂ = A₂ U₂ DT₂                           (10)

q₁ ve q₂ hemen hemen eşit olduğundan,

A₁ U₁ DT₁ = A₂ U₂ DT₂                             (11)

Ve aynı nedenle,

A₁ U₁ DT₁ = A₂ U₂ DT₂ = A₃ U₃ DT₃           (12)

Pratikte çok etkili bir buharlaştırıcının tüm etkilerinde ısıtma alanları eşittir. Bu nedenle q₁ = q₂ = q₃ olduğundan, Denklem (12) den,

U₁ DT₁ = U₂ DT₂ = U₃ DT₃ = q/A               (13)

Bu ifadeye göre, çok-etkili bir buharlaştırıcıda sıcaklık düşmeleri ısı transfer katsayılarıyla ters orantılıdır.

[q: ısı transfer hızı (W veya Btu/sa), A: ısı transfer yüzey alanı (m² veya ft²), U: overall ısı transfer katsayısı (W/m².⁰C veya Btu/ft².sa.⁰F), DT = sıcaklık düşmesi (⁰C veya ⁰F).]

 

ÖRNEK-2: Bir üç-etkili buharlaştırıcıda bir sıvı kondens ediliyor (yoğunlaştırılıyor); kaynama noktasında hissedilebilir bir yükselme gözlenmiyor. Birinci etkideki steam sıcaklığı 108 ⁰C, son etkideki çözeltinin kaynama noktası 52 ⁰C’dir. Overall ısı transfer katsayıları (W/m².⁰C) birinci etkide 2500, ikinci etkide 2000 ve üçüncü etkide 1000 dir. Birinci ve ikinci etkilerde sıvı kaç derecede kaynar?

Çözüm: Toplam sıcaklık düşmesi 108 – 52 = 56 ⁰C’dir. Denklem (13) te görüldüğü gibi, etkilerdeki sıcaklık düşmeleri yaklaşık olarak, ısı transfer katsayılarıyla ters orantılıdır. Buna göre DT₁,

                       1/2500

DT₁ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾  56 = 11.8 ⁰C

          1/2500 + 1/2000 + 1/1000

Aynı şekilde DT₂ = 14.7 ⁰C ve DT₃ = 29.5 ⁰C bulunur. Buna göre,

Birinci etkide kaynama noktası: 108 – 11.8 = 96.2 ⁰C

İkinci etkide kaynama noktası: 96.2 – 14.7 = 81.5 ⁰C

 

Besleme Metotları: Çok-etkili bir buharlaştırıcıya klasik besleme metodu, Şekil-10a’da görüldüğü gibi, ince sıvıyı birinci etki içine pompalamak ve sırayla diğer etkilere göndermektir; buna ‘ileri (forward) besleme’ denir. Sıvının konsantrasyonu birinci etkiden sonuncuya kadar artar. Diğer genel bir metot ‘geri (backward) besleme’dir; bu metotta belemeye son etkiden başlanır; peşpeşe diğer etkilere pompalanarak birinci etkiye gönderilir (Şekil-10b).

Bazan başka besleme şekilleri de kullanılır. ‘Karışık besleme’de seyreltik sıvı bir ara-etkiden verilir, serinin sonuna ileri-beslemeyle akar ve son konsantrasyona ulaşması için geri pompalanarak ilk-etkiye gönderilir; Şekil-10c. Kristalizasyon buharlaştırıcılarda (bunlarda kristal bulamaç ve ana sıvı elde edilir), ‘paralel besleme’ denilen yöntem uygulanır; besleme her etkiye doğrudan verilir, bir etkiden diğerine geçişler yoktur (Şekil-10d).

Şekil-10: Çok-etkili buharlaştırıcılarda sıvı akış modelleri; (a) ileri besleme, (b) geri besleme, (c) karışık besleme, (d) paralel besleme, (▬▬) sıvı akışları, (¾¾) steam ve buhar kondensat akışları

Çok-Etkili Buharlaştırıcılarda Kapaste: Çok-etkili bir buharlaştırıcının toplam kapasitesi, tek-etkili bir buharlaştırıcıdan genellikle daha büyük değildir.

Isıtma yükü ve seyrelme ısısı ihmal edilirse bir buharlaştırıcının kapasitesi, ısı transfer hızıyla doğru orantılıdır. Şekil-9’da görülen üç etkide transfer edilen ısılar,

q₁ = U₁ A₁ DT₁      q₂ = U₂ A₂ DT₂      q₃ = U₃ A₃ DT₃          (14)

Toplam kapasite, toplam ısı transfer hızı q_T ile orantılıdır.

q_T = q₁ + q₂ + q₃ = U₁ A₁ DT₁ + U₂ A₂ DT₂ + U₃ A₃ DT₃      (15)

Her etkide yüzey alanının A m² olduğu kabul edildiğinde ve bileşik katsayı U da her etkide aynı olduğunda, Denklem (15) aşağıdaki gibi yazılabilir.

q_T = U A (DT₁ + DT₂ + DT₃ = U A DT                               (16)

DT, ilk-etkideki steam ve son etkideki buhar arasındaki toplam sıcaklık düşmesidir.

Yüzey alanı A olan tek etkili bir buharlaştırıcının aynı toplam sıcaklık düşüşüyle çalıştığı varsayılsın. Eğer bileşik katsayı, üç etkili buharlaştırıcının her etkisindekiyle aynı ise, tek etkideki ısı transfer hızı,

q_T = U A DT

eşitliğiyle verilebilir; bu, çok etkili buharlaştırıcı için olan eşitlikle aynıdır.

 

Sıvı Yüksekliği (head) ve Kaynama-Noktası Yükselmesi: Sıvı head ve kaynama noktası yükselmesi, çok-etkili bir buharlaştırıcının kapasitesini, tek-etkiliden bile fazla etkiler. Sıvı yüksekliğinin neden olduğu kapasitedeki düşüşü kantitatif olarak bulunamaz; çok-ekili bir buharlaştırıcının her etkisinde sıcaklık düşmesini azaltır. Kaynama noktası yükselmesinde de benzeri bir durum gözlenir.

Çok etkili buharlaştırıcı kapasitesine sıcaklı düşmesinin etkisi Şekil-11’de görülmektedir. Şekildeki üç diyagram tek-etkili, çift-etkili ve üç-etkili bir buharlaştırıcıdaki sıcaklık düşüşlerini tanımlar. her üçündeki terminal koşullar aynıdır; birinci etkideki steam basıncı ve son etkiden çıkan buharın doygunluk sıcaklığı, üç buharlaştırıcıda da aynıdır.

Şekil-11: Buharlaştırıcı kapasitesine kaynama noktası 

yükselmesinin etkisi

ÖRNEK-3: Üç-etkili zorlamalı-sirkülasyonlu bir buharlaştırıcıya, 180 ⁰F’da (82.2 ⁰C) 60 000 lb/sa (27.215 kg/sa) hızla %10’luk kostik soda beslenmekledir. Konsantre edilmiş sıvı %50’lik NaOH’dir. Kullanılan doygun steam 50 lb_f/in² (3.43 atm), üçüncü etkiden yoğunlaşan buharın sıcaklığı 100 ⁰F’dır (37.8 ⁰C). Besleme sırası II, III, I olarak belirlenmiştir. Işıma (radyasyon) ve kondensatın aşırı soğuması ihmal ediliyor. Kaynama noktası yükselmesi için düzeltilmiş tahmini overall (bileşik) katsayılar aşağıda verilmiştir.

 

	Bileşik (tüm) katsayı
Etki	Btu/ft2.sa.0F	W/m2.0C
I	700	3970
II	1000	5680
III	800	4540

 

(a) Herbirinde gereki olan ısıtma yüzeyi (yüzeylerin eşit olduğu kabul ediliyor) ne olmalıdır? (b) Steam tüketimi ne kadardır? (c) Steam ekonomisi nedir?

Çözüm: Toplam buharlaşma hızı, katıların buharlaştırıcıya kayıp olmadan gittiği kabul edilerek, tüm madde dengesinden hesaplanır:

 

	Akış hızı, lb/sa
Malzeme	Toplam	Katı	Su
Besleme çözeltisi	60 000	6000	54 000
Kalın sıvı	12 000	6000	6000
Buharlaştırılan su	48 000		48 000

Herbir etkideki akışlar için sıcaklıklar, entalpiler 

ve akış hızları hesaplanır: 

Akış	Sıcaklık, 0F	*Doyg. sıcaklığı	**Konsant-rasyon	Entalpi, Btu/lb	Akma hızı, lb/sa
Steam	281	281		1174	19370
Besleme, I’e	113		0.228	68	26300
Buhar, I’den	245	170		1170	14300
Kondensat, I’den	281			249	19300
Kalın sıvı, I’den	246		0.50	249	12000
Ham besleme, II’ye	180		0.10	135	60000
Buhar, II’den	149	142		1126	16340
Sıvı, II’den	149		0.137	101	43660
Kondensat, II’den	170			138	14300
Buhar, III’den	114	100		1111	17360
Kondensat, III’den	142			110	15340

*Doygunluk sıcaklığı, ⁰F; **Konsantrasyon, ağırlık fraksiyonu

Bilinenler: I’e beslenen steam, I’den kondensat, I’den çıkan buhar II’den kondensat, II’den çıkan buhar III’den kondensat olur. Bu sonuçlardan problemin cevapları:

(a) Her etkideki alan: 719 ft² (66.8 m²)

(b) Steam tüketimi: 19730 lb/sa (8786 kg/sa)

(c) Ekonomi: 48000/19370 = 2.48

4. BUHAR REKOMPRESYON (YENİDEN-SIKIŞTIRMA)

Kaynayan bir çözeltiden çıkan buhardaki enerji, istenen yönde ısı transferi için bir sıcaklık düşüşü olması koşuluyla daha fazla suyu buharlaştırmak için kullanılabilir. Çok etkili bir buharlaştırıcıda, bu sıcaklık düşüşü, düşük mutlak basınçların kullanılması yoluyla bir dizi buharlaştırıcıda çözeltinin kaynama noktasını kademeli olarak düşürmek suretiyle oluşturulur. İstenilen itici güç, çıkan buharın basıncını (ve dolayısıyla, yoğunlaşma sıcaklığını) mekanik veya termal rekompresyonla arttırmak suretiyle de elde edilebilir. Sıkıştırılmış buhar daha sonra buharlaştırıcının steam kasasında yoğunlaştırılır. 

Mekanik Rekompresyon: Mekanik buhar rekompresyonun prensibi Şekil-12’de görülmektedir. Soğuk besleme, hemen hemen kaynama noktasına kadar ısıtılır ve bir ısıtıcıya pompalanır. Açığa çıkan buhar yoğunlaştırılmaz, biraz daha yüksek bir basınca sıkıştırılarak (kompresörle) ‘steam’ haline döner; bu, ısıtıcıya beslenir. Sıkıştırılan buharın doygunluk sıcaklığı, beslemenin kaynama noktasından daha yüksek olduğundan buhardan çözeltiye ısı akar, daha fazla buhar yaratılır. Az miktarda takviye buhara gerek olabilir. Tipik bir sistem için sıcaklık düşmesi 5 ⁰C kadardır. Böyle bir sistem için enerji kullanımı çok iyidir: enerji, kompresör için gerekli gücün eşdeğeri steame bağlıdır, ekonomi 10-15 etkili bir buharlaştırıcıya uyar. Mekanik rekompresyon buharlaştırmanın en önemli uygulamaları çok seyreltik radyoaktif çözeltilerin konsantre edilmesi ve distile su üretimidir.

Termal Rekompresyon: Bir termal rekompresyon sisteminde buhar, bir jet ejektöründe yüksek basınçlı steam ile sıkıştırılır. İşlem, çözeltinin kaynatılması için gerekli olandan daha fazla steam gerektirir: fazla steam havaya verilir (vent) veya yoğunlaştırılırr. Steamin çözeltiden buhara hareket oranı buharlaşma basıncına bağlıdır; birçok düşük-sıcaklık işlemi için, 8-10 atm basınçtaki steam için gerekli ‘steam/buharlaşan su kütlesi’ oranı yaklaşık 0,5 civarındadır.

Steam jetleri, büyük hacimlerde düşük-yoğunluklu buhar işleyebileceğinden, termal rekompresyon, vakum buharlaştırmaya mekanikten daha uygundur. Jetler, blower ve kompresörlere göre daha ucuz ve daha sağlamdır. Termal rekompresyonun başlıca dezavantajları, jetin düşük verimi ve sistemde değişen çalışma koşullarına yönelik esnekliğin olmamasıdır.

Şekil-12: Zorlamalı-sirkülasyon buharlaştırıcıya uygulanan 

mekanik rekompresyon

9 Şubat 2021

GERİ (proje çalışmaları)