รูปที่ 1 แสดง Multiple-effect evaporation plants
Source : gea.com (2015, September 24)
ในอุตสาหกรรมเคมี มักจะมีการให้ความร้อนหรือลดความดันสารละลายที่ได้จากการทำปฏิกิริยาหรือจากการกลั่น เพื่อแยกสารที่ระเหยยากซึ่งละลายอยู่ออกจากตัวทำละลาย เครื่องระเหยมีหน้าที่นำตัวทำละลายกลับมาใช้ หรือเพื่อให้ได้ตัวถูกละลายในลักษณะของแข็งหรือของเหลวเข้มข้น เครื่องนี้ทำงานโดยการระเหยตัวทำละลายออกไป การระเหยตัวทำละลายเท่ากับเป็นการเพิ่มความเข้มข้นให้กับตัวถูกละลายในตัวทำละลาย ดังนั้น การระเหยจึงมีการทำงานเหมือนกับการเคี่ยว
การระเหย (Evaporation System) ที่สำคัญในอุตสาหกรรม ได้แก่ การระเหยน้ำที่เป็นตัวทำละลาย เพื่อทำสารละลายเจือจางของเกลือแกง ซูโครส น้ำผลไม้ กรดกำมะถัน ฯลฯ ในน้ำให้เข้มข้นขึ้น บางครั้งยังทำให้เข้มข้นจนตัวถูกละลายตกผลึกอีกด้วย
การระเหยแบ่งเป็นการระเหยที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดและการระเหยที่จุดเดือด ซึ่งจะเลือกใช้ให้เหมาะกับเงื่อนไข เช่น เงื่อนไขข้อจำกัดของสารละลาย ประสิทธิภาพในการเดินเครื่อง เป็นต้น วิธีการให้ความร้อนส่วนใหญ่จะใช้วิธีให้ความร้อนทางอ้อมผ่านผนังถ่ายเทความร้อนเป็นหลัก แต่บางครั้งก็ใช้วิธีนำแหล่งความร้อนใส่ไปในสารละลายโดยตรง
แหล่งให้ความร้อนจะใช้ไอน้ำกันมาก เนื่องจากมีข้อดีหลายประการคือ ไม่เพียงแต่จะจัดหาได้ง่ายเท่านั้น แต่ความร้อนแฝงของการควบแน่นยังมีค่าสูง สามารถควบคุมอุณหภูมิได้สะดวกด้วยการควบคุมความดัน มีอุณหภูมิคงที่ และสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเมื่อควบแน่นยังมีค่าสูงอีกด้วย
1. การถ่ายเทความร้อนในการระเหย
ความสามารถในการระเหยของเครื่องระเหย จะขึ้นอยู่กับปริมาณความร้อนที่ให้เข้าไปในสารละลายผ่านพื้นผิวให้ความร้อน ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทในเครื่องระเหย q [W] สามารถแสดงได้ด้วยสมการข้างล่าง
ในที่นี้ U เป็นสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม [W/(m2·K)], A เป็นพื้นที่ถ่ายเทความร้อน [m2], ΔT เป็นผลต่างอุณหภูมิระหว่างสารละลายกับตัวกลางความร้อน
วิธีให้ความร้อนในการระเหย เกือบทุกกรณีจะใช้วิธีให้ความร้อนด้วยไอน้ำที่ไหลอยู่ในท่อซึ่งจมอยู่ในของเหลว อุณหภูมิของไอน้ำสำหรับให้ความร้อนสามารถประมาณค่าได้ว่ามีค่าเท่ากับอุณหภูมิอิ่มตัว ส่วนอุณหภูมิของของเหลวที่ต้องการทำให้เข้มข้นถ้าของเหลวนั้นไม่เข้มข้นมาก จะประมาณให้อุณหภูมิเดือดเท่ากับอุณหภูมิควบแน่นของไอระเหยที่ความดันเดินเครื่องภายในหม้อระเหย แต่ในทางปฏิบัติ เมื่อของเหลวเข้มข้นขึ้น อุณหภูมิจุดเดือดจะสูงขึ้นกว่าเดิม จึงต้องชดเชยผลกระทบของจุดเดือดที่สูงขึ้นเนื่องจากการมีตัวถูกละลายละลายอยู่ และสภาพการผสมของสารละลาย ฯลฯ ด้วยข้อมูลที่หาได้จากการทดลองของคนอื่น ๆ
เมื่อ ΔT มีค่าเพิ่มขึ้น ไม่จำเป็นว่าปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทจะเพิ่มขึ้นเสมอไป ขณะที่สารละลายมีอุณหภูมิไม่เกินจุดเดือด จะเกิดการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากการพาความร้อนตามธรรมชาติ เมื่อสารละลายมีอุณหภูมิตั้งแต่จุดเดือดขึ้นไป ฟองก๊าซที่ลอยขึ้นมาจะไปกวนผิวหน้าถ่ายเทความร้อนให้ปั่นป่วน สัมประสิทธิ์การพาความร้อนจึงสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว หาก ΔT มีค่าเพิ่มขึ้นไปอีก ฟองก๊าซจะรวมตัวกันทำให้มีไอระเหยคลุมอยู่ที่พื้นผิวถ่ายเทความร้อน สัมประสิทธิ์การพาความร้อนจึงมีค่าต่ำลงอย่างรวดเร็ว เมื่อพ้นปรากฏการณ์เปลี่ยนผ่านนี้ไปแล้ว สุดท้ายแล้วจะกลายเป็น film boiling ซึ่งจะมีชั้นของไอระเหยคลุมอยู่บนพื้นผิวถ่ายเทความร้อน สัมประสิทธิ์การพาความร้อนจะมีค่าต่ำมาก การเปลี่ยนแปลงนี้แสดงไว้ในรูปที่ 2
รูปที่ 2 เส้นกราฟการเดือด (เส้นทึบ : เส้นแรงกระแสความร้อน q, เส้นประ : สัมประสิทธิ์การนำความร้อน h)
2. อุณหภูมิของจุดเดือดสูงขึ้นเมื่อสารละลายเข้มข้นขึ้น
การที่จุดเดือดมีอุณหภูมิสูงขึ้น (boiling point raise) เกิดขึ้นจากในสารละลายมีตัวถูกละลายละลายอยู่หรือเกิดจากความดันสถิตย์ของสารละลาย
2.1 จุดเดือดมีอุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากมีตัวถูกละลายละลายอยู่
สารละลายที่ประกอบด้วยตัวทำละลายและตัวถูกละลาย จะมีความดันไอต่ำกว่าตัวทำละลายบริสุทธิ์ สารละลายจึงเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่าตัวทำละลายบริสุทธิ์ ผลต่างระหว่างอุณหภูมิของสารละลายกับอุณหภูมิของตัวทำละลายบริสุทธิ์ที่มีความดันเท่ากัน ก็คือ การที่จุดเดือดมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั่นเอง
(1) กฎของ Raoult
ในที่นี้ p เป็นความดันไอของสารละลาย Po เป็นความดันไอของตัวทำละลายบริสุทธิ์ α เป็นสัมประสิทธิ์ไม่มีหน่วย โดยทั่วไปจะหาได้จากการทดลอง
(2) Dürhring chart
Dürhring chart เป็นกราฟที่สร้างขึ้นซึ่งจะให้ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของของสารละลายใดๆ (หรือตัวทำละลายบริสุทธิ์) กับสารละลายมาตรฐานที่มีความดันไอเท่ากัน ซึ่งจะได้กลุ่มของเส้นตรงที่เกือบขนานกัน ทำให้สะดวกในการวาดและในการหาจุดเดือด สารละลายมาตรฐานควรเลือกใช้สารละลายที่มีขั้ว สำหรับสารละลายในน้ำโดยทั่วไปจะเลือกใช้น้ำ รูปที่ 3 เป็น Dürhring chart ของโซเดียมไฮดรอกไซด์
รูปที่ 3 Dürhring chart ของโซเดียมไฮดรอกไซด์
2.2 จุดเดือดของของเหลวเพิ่มขึ้นเนื่องจากเฮดสถิตของของเหลว
ความดัน P ที่กระทำต่อของเหลวที่อยู่ที่ความลึก H จากผิวหน้าของเหลว จะเพิ่มขึ้นเฉพาะความดันสถิตเท่านั้น จึงเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่าผิวหน้าของเหลว
ในที่นี้ ให้ความลึกจากผิวหน้าของเหลวถึงผิวหน้าที่กลายเป็นไอเท่ากับ H ให้ความหนาแน่นเฉลี่ยของของเหลวตั้งแต่ผิวหน้าของเหลวถึงผิวหน้าที่กลายเป็นไอเท่ากับ ρ ให้ความดัน operating pressure ที่กระทำต่อผิวหน้าของเหลวเท่ากับ Po และให้ g เป็นความเร่งแรงโน้มถ่วง
ในทางปฏิบัติความดันนี้จะต้องบวกด้วยความดันสูญเสียระหว่างก๊าซกับของเหลวจากผิวหน้าที่กลายเป็นไอถึงผิวหน้าของเหลวด้วย ค่า P จึงมีค่าสูงขึ้นไปอีก ทำให้จุดเดือดยิ่งมีค่าสูงขึ้น
ในทางปฏิบัติ ความลึกจากพื้นผิวถ่ายเทความร้อนในเครื่องระเหยจะไม่คงที่ จึงใช้ความลึกเฉลี่ย H ในการคำนวณ ในการระเหยภายใต้ความดันบรรยากาศ การสูงขึ้นของจุดเดือดเนื่องจากความลึกจะมีน้อยมากจนสามารถตัดทิ้งได้ แต่ยิ่งเข้าใกล้สุญญากาศมากเท่าใด อิทธิผลของจุดเดือดที่สูงขึ้นเนื่องจากความลึกจะยิ่งมีผลมากขึ้นเท่านั้น ทำให้ผลต่างอุณหภูมิระหว่างการถ่ายเทความร้อนมีผลต่อการระเหยลดลง ในการเคี่ยวของเหลวที่ไวต่อความร้อน เช่น ผลิตภัณฑ์นม น้ำผลไม้ ฯลฯ ในสุญญากาศ จึงต้องใช้หม้อระเหยก้นตื้น
2.3 สมดุลมวลและสมดุลความร้อนในหม้อระเหย
ปริมาณน้ำที่ระเหยออกไปและปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทมาให้ตัวทำละลายในหม้อระเหย สามารถหาได้จากความสัมพันธ์ระหว่างสมดุลมวลกับสมดุลความร้อน ตัวอย่างหม้อระเหยแบบหม้อเดี่ยวจะแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 สมดุลมวลของหม้อระเหย
ให้ปริมาณวัตถุดิบที่ป้อนให้ต่อวินาที ปริมาณตัวทำละลายที่ระเหยไปต่อวินาที และปริมาณของเหลวเข้มข้นที่ได้ออกมาต่อวินาทีเท่ากับ F, D และ W [kg/s] ตามลำดับ ถ้าให้สัดส่วนโดยมวลของตัวถูกละลายในวัตถุดิบและในของเหลวเข้มข้นเท่ากับ CF และ CW ตามลำดับแล้ว สมดุลมวลทั้งหมดในหม้อระเหยและสมดุลมวลของตัวถูกละลายจะแสดงได้ดังนี้
เมื่อแทนค่า W จากสมการ (4) ลงในสมการ (5) แล้ว จะได้สมการแสดงปริมาณตัวทำละลายที่ระเหยออกมา
ถ้าให้อุณหภูมิของวัตถุดิบเท่ากับ TF [K] ให้ความร้อนจำเพาะเท่ากับ cF [kJ/(kg·K)] ให้จุดเดือดของของเหลวเข้มข้นในหม้อเท่ากับ TW [K] ให้ความร้อนแฝงของการระเหยของตัวทำละลายที่อุณหภูมิ TW เท่ากับ lW [kJ/kg] ให้ปริมาณไอน้ำที่ป้อนให้เท่ากับ S [kg/s] ให้อุณหภูมิอิ่มตัวของไอน้ำอิ่มตัวเท่ากับ TS [K] ให้ความร้อนแฝงของการระเหยของน้ำที่อุณหภูมิ TS เท่ากับlS [kJ/kg] ให้อุณหภูมิของไอน้ำที่ระบายออกจากเครื่องให้ความร้อนเท่ากับ TC [K] และให้ความร้อนจำเพาะของน้ำเท่ากับ cW [kJ/(kg·K)] แล้ว จากสมดุลความร้อนของหม้อระเหยทั้งใบ จะคำนวณปริมาณการถ่ายเทความร้อน q หนึ่งหน่วยเวลาได้ดังต่อไปนี้
ในที่นี้ถ้าให้ TS = TC แล้ว
2.4 เครื่องระเหย
การระเหยมีหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับวิธีการให้ความร้อน โครงสร้างของพื้นผิวให้หรือถ่ายเทความร้อน และวิธีไหลของของเหลว วิธีให้ความร้อนแบ่งเป็นวิธีให้ความร้อนภาชนะที่ใส่สารละลายโดยตรงด้วยเปลวไฟหรือก๊าซอุณหภูมิสูง วิธีให้ความร้อนในของเหลว (รูปที่ 5) โดยการส่งก๊าซร้อนเข้าไปในของเหลวหรือติดตั้ง burner ไว้ในของเหลวเพื่อให้ความร้อน และวิธีใช้ท่อให้ความร้อนโดยติดตั้งให้ความร้อนผ่านท่อที่มีตัวกลางให้ความร้อนไหลผ่านซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ไอน้ำ
รูปที่ 5 วิธีให้ความร้อนในของเหลว
รูปแบบของเครื่องระเหยที่ใช้กันมากที่สุดในอุตสาหกรรม ได้แก่ การใช้ท่อให้ความร้อนซึ่งมีไอน้ำเป็นตัวกลางให้ความร้อน เหตุผลที่ใช้ไอน้ำกันมากมีดังต่อไปนี้
(1) ของเหลวจะได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอ ไม่ต้องกังวลว่าจะร้อนมากเกินไป
(2) สามารถควบคุมอุณหภูมิได้สะดวกด้วยการควบคุมความดัน
(3) สัมประสิทธิ์การพาความร้อนเมื่อมีการควบแน่นของไอน้ำมีค่าสูงมาก
ส่วนข้อเสียมีดังต่อไปนี้
(1) โดยทั่วไปจะจำเป็นต้องมีหม้อไอน้ำสำหรับกำเนิดไอน้ำ ความดันของหม้อไอน้ำมักจะไม่สามารถกำเนิดไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงมากได้ นอกจากนั้น การใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูงยังมีต้นทุนสูงอีกด้วย
(2) ในไอน้ำให้ความร้อนหากมีก๊าซที่ไม่ควบแน่น เช่น อากาศ เข้าไปปนอยู่ด้วย จะทำให้สัมประสิทธิ์การพาความร้อนมีค่าต่ำลงมาก
หม้อไอน้ำที่ใช้กันมีหลายชนิด แต่ถ้าแบ่งตามลักษณะการไหลภายในหม้อแล้ว จะแบ่งได้เป็น 3 แบบ ได้แก่ แบบ natural circulation แบบ forced circulation และแบบ liquid film นอกจากนี้ ลักษณะของท่อให้ความร้อน หากไม่นับท่อลักษณะพิเศษ เช่น แบบคอยล์หรือแบบท่อเฉียง ฯลฯ แล้ว โดยพื้นฐานจะแบ่งได้เป็นแบบนอนกับแบบตั้ง
2.4.1 หม้อระเหยแบบมาตรฐาน
รูปที่ 6 แสดงหม้อระเหยแบบ Natural circulation ที่มีท่อให้ความร้อนแบบตั้ง ซึ่งเป็นรูปแบบที่ใช้กันเป็นมาตรฐานที่สุด ที่ด้านล่างของหม้อระเหยจะติดตั้งท่อให้ความร้อนที่ค่อนข้างสั้นไว้ในแนวตั้ง แล้วให้ไอน้ำไหลผ่านในท่อนั้นเพื่อเคี่ยวสารละลายให้เข้มข้นขึ้น แต่ที่กลางกลุ่มท่อจะติดตั้ง downtake ซึ่งทำให้สารละลายสามารถหมุนเวียนได้ตามธรรมชาติ หม้อระเหยแบบนี้จะทำความสะอาดได้ไม่สะดวก จึงใช้กับสารละลายที่ไม่ทำให้เกิดตะกรันและไม่กัดกร่อนพื้นผิวถ่ายเทความร้อน
รูปที่ 6 หม้อระเหยแบบมาตรฐาน
2.4.2 หม้อระเหยแบบ basket
หม้อระเหยแบบ basket มีลักษณะคล้ายกับหม้อระเหยแบบมาตรฐาน แต่มีโครงสร้างที่สามารถถอดท่อให้ความร้อน (basket) ออกมาเพื่อสับเปลี่ยนกับท่อสำรองได้ จึงสะดวกในการซ่อมบำรุง เช่น ทำความสะอาด เป็นต้น และยังลดระยะเวลาที่ต้องหยุดเครื่องเพื่อทำความสะอาดอีกด้วย ในหม้อระเหยแบบนี้ ของเหลวจะไหลลงด้านล่างทางช่องว่างระหว่างกลุ่มท่อให้ความร้อนกับผนังหม้อ โดยโครงสร้างแล้วจะสามารถใช้กับหม้อระเหยขนาดเล็กที่มีพื้นที่ถ่ายเทความร้อนไม่เกิน 100 ตารางเมตร เท่านั้น
รูปที่ 7 หม้อระเหยแบบ basket
2.4.3 หม้อระเหยแบบท่อยาวตั้งแบบ forced circulation
หม้อระเหยแบบนี้แสดงไว้ในรูปที่ 8 โดยจะใช้ปั๊มในการบังคับของเหลวให้เกิดการหมุนเวียน เพิ่มความเร็วกระแสของของเหลวที่ไหลผ่านในท่อให้ความร้อน เพื่อให้มีสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงขึ้น เครื่องให้ความร้อนจะติดตั้งไว้ที่ตำแหน่งต่ำกว่าผิวหน้าของเหลวภายในหม้อระเหย ดังนั้น ของเหลวจึงแทบไม่เดือดในท่อให้ความร้อนเลยเนื่องจากความดันของของเหลว แต่เมื่อถูกส่งเข้าไปในห้องระเหยแล้วจะระเหยอย่างรวดเร็ว วิธีทำให้ระเหยเช่นนี้ เรียกว่า flash evaporation หม้อระเหยที่ใช้วิธีนี้จะหมุนเวียนของเหลวด้วยความเร็วสูง จึงไม่ค่อยมีตะกรัน ไปเกาะที่หม้อให้ความร้อน เหมาะจะใช้กับการเคี่ยวสารละลายที่เกิดตะกรัน หรือตกผลึกได้ง่าย
รูปที่ 8 หม้อระเหยแบบท่อยาวตั้งแบบ forced circulation
2.4.4 หม้อระเหยแบบแผ่นฟิล์มแบบท่อตั้ง
เป็นหม้อระเหยแบบที่ทำงานด้วยการทำให้ของเหลวมีลักษณะเป็นแผ่นฟิล์มบางแล้วให้สัมผัสกับพื้นผิวให้ความร้อน มีทั้งแบบ Raising film และ falling film
รูปที่ 9 (a) แสดงหม้อระเหยแบบ raising film ของเหลวที่ป้อนเข้ามาอย่างต่อเนื่องจากปลายล่างสุดของบริเวณให้ความร้อน จะเกิดการเดือดภายในท่อให้ความร้อน เข้าไปผสมกับไอระเหยที่เกิดขึ้น ลอยขึ้นตามท่อให้ความร้อนเข้าไปในห้องระเหย แล้วถูกแยกออกจากไอระเหย กลายเป็นของเหลวเข้มข้นไหลออกมานอกท่อ เมื่อมีของเหลวไหลในท่อให้ความร้อน ปริมาณไอระเหยที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้น กลายเป็นกระแสผสมระหว่างก๊าซและของเหลว มีความเร็วกระแสมากขึ้น ที่ส่วนบนของหม้อของเหลวจะกลายเป็นแผ่นฟิล์มบางไต่ขึ้นไปตามผนังหม้อ ส่วนไอระเหยจะไหลผ่านกลางหม้อด้วยความเร็วสูง ดังนั้น สัมประสิทธิ์การพาความร้อนจึงมีค่าสูง รวมทั้งของเหลวจะสัมผัสกับพื้นผิวให้ความร้อนเป็นระยะเวลาสั้นๆ เท่านั้น จึงเหมาะที่จะใช้กับการเคี่ยวน้ำผลไม้ นม และสารละลายที่มีสารที่สลายตัวจากความร้อนได้ง่าย เช่น วิตามิน เป็นต้น
รูปที่ 9 (b) แสดงหม้อระเหยแบบ falling film วัตถุดิบจะป้อนเข้าไปจากด้านบนของบริเวณให้ความร้อนของท่อยาวตั้ง แล้วไหลลงมาเป็นรูปแผ่นฟิล์มบางตามผนังด้านของท่อให้ความร้อน และเกิดการระเหยทำให้เข้มข้นขึ้นระหว่างที่ไหลลงมาจนออกจากปลายท่อด้านล่าง ในห้องระเหยที่ด้านล่าง ของเหลวจะถูกแยกออกจากไอระเหยที่เกิดขึ้น ทำให้ได้ของเหลวเข้มข้นออกมา หม้อแบบนี้มีข้อดีคือ สามารถใช้กับของเหลวที่มีความหนืดสูงได้มากกว่าหม้อแบบ raising film และจะไม่มีตะกรัน หรือเกลือเกาะที่ผนังท่อเกิดขึ้น
รูปที่ 9 (a) หม้อระเหยแบบ raising film ท่อตั้ง
รูปที่ 9 (b) หม้อระเหยแบบ falling film ท่อตั้ง
2.4.5 หม้อระเหยแบบท่อนอน
หม้อระเหยแบบท่อนอนซึ่งมีโครงสร้างเกือบเหมือนกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบ่งเป็นแบบที่มีสารละลายไหลภายในท่อและแบบภายนอกท่อ รูปที่ 10 (a) แสดงแบบแรก ซึ่งสารละลายและไอระเหยที่เกิดขึ้นระหว่างที่ไหลผ่านภายในท่อจะกลายเป็นกระแสสถานะผสมระหว่างก๊าซและของเหลว ไหลผ่านภายในท่อด้วยความเร็วสูง แล้วไปกระทบ baffle plate ในห้องแยกก๊าซ-ของเหลวอย่างรุนแรงทำให้ก๊าซแยกตัวจากของเหลว
รูปที่ 10 (b) แสดงหม้อแบบที่ท่อให้ความร้อนแช่มิดอยู่ในสารละลาย ซึ่งของเหลวจะมีความลึกไม่มาก ทำให้มีจุดเดือดสูงขึ้นเนื่องจากความดันสถิตไม่มาก มีพื้นที่ถ่ายเทความร้อนมาก แต่เนื่องจากทำความสะอาดได้ยาก จึงเหมาะกับของเหลวที่ไม่ค่อยเกิดตะกรัน
รูปที่ 10 (a) หม้อระเหยแบบท่อนอน
รูปที่ 10 (b) หม้อระเหยแบบท่อสั้นนอน
2.4.6 หม้อระเหยแบบกวน
หม้อระเหยแบบกวนแสดงไว้ในรูปที่ 11 หม้อแบบนี้ทำงานโดยให้ของเหลวไหลลงไปเป็นแผ่นฟิล์มบางตามผนังด้านในท่อให้ความร้อนตั้ง ระหว่างนั้นก็ใช้ใบพัดหมุนกวนแผ่นฟิล์มของเหลวไปด้วย หม้อไอน้ำแบบนี้มีสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงมาก เหมาะกับการเคี่ยวสารละลายที่มีความหนืดสูงและไวต่อความร้อน
รูปที่ 11 หม้อระเหยแบบกวน
2.5 อุปกรณ์ประกอบของหอกลั่นและเครื่องระเหย
อุปกรณ์ประกอบของเครื่องระเหย ไดแก่ เครื่องระบายอากาศ-ลดความดัน เครื่องควบแน่น เครื่องดักฟองของเหลว (Entrainment) เป็นต้น
2.5.1 เครื่องระบายอากาศ-ลดความดัน
ในการระเหย หากในของเหลววัตถุดิบหรือในไอน้ำมีอากาศหรือก๊าซที่ไม่ควบแน่นรวมอยู่ จะทำให้สัมประสิทธิ์การพาความร้อนลดลงเมื่อเกิดการควบแน่น นอกจากนี้การควบคุมสภาวะของไอระเหย เช่น ความดัน ฯลฯ จะทำได้ไม่สะดวก ดังนั้น จึงต้องระบายอากาศออก นอกจากนี้ถ้าต้องการทำให้การระเหยมีประสิทธิภาพสูงที่สุดที่อุณหภูมิต่ำที่สุด จะต้องทำการลดความดันให้เหมาะสม เครื่องลดความดันโดยพื้นฐานแล้วแบ่งเป็น 2 แบบ ได้แก่ แบบปั๊มสุญญากาศเชิงกลและแบบพ่นน้ำเพื่อดึงอากาศออก (Ejector)
2.5.2 เครื่องควบแน่น
เครื่องควบแน่นที่ใช้ในการระเหย แบ่งเป็นเครื่องควบแน่นพื้นผิว (Surface condenser) และเครื่องควบแน่นแบบสัมผัส (contact condenser)
เครื่องควบแน่นแบบพื้นผิวจะให้ความเย็นผ่านผนังกั้นเช่นเดียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไป โดยให้ไอระเหยและน้ำระบายความร้อนไม่สัมผัสกันโดยตรง แต่เนื่องจากตัวเครื่องมีราคาสูง จึงใช้ในกรณีที่ต้องเดินเครื่องภายใต้สุญญากาศ (ความดันต่ำมาก ๆ) หรือกรณีที่ต้องนำของเหลวควบแน่นกลับมาใช้ใหม่โดยไม่ให้น้ำเย็นเข้าไปปนกับของเหลวควบแน่น หรือต้องนำของเหลวควบแน่นออกไปแปรรูปต่อ
เครื่องควบแน่นแบบสัมผัสเป็นเครื่องควบแน่นที่จะให้ไอระเหยสัมผัสกับน้ำระบายความร้อนจำนวนมากโดยตรง มีโครงสร้างไม่ซับซ้อนและราคาถูก และยังมีประสิทธิภาพในการควบแน่นดีจึงเคยใช้กันมากที่สุดในการระเหย แต่ปัจจุบันเนื่องจากก่อปัญหาสิ่งแวดล้อม จึงไม่ใช้กันอีกแล้ว เครื่องควบแน่นแบบสัมผัสมีวิธีสัมผัสทั้งแบบไหลทางเดียวกันและไหลสวนกัน ตัวอย่างแสดงไว้ในรูปที่ 12
รูปที่ 12 เครื่องควบแน่นแบบสัมผัส
2.5.3 เครื่องดักฟองของเหลว (Entrainment)
ในไอระเหยที่เกิดจากการเดือดจะมีละอองของเหลวอยู่ด้วย ละอองนี้จะไหลออกมาพร้อมกับไอระเหยที่เกิดขึ้น เรียกว่า Entrainment ซึ่งเป็นทั้งความสูญเสียองค์ประกอบเข้มข้น และตัวทำละลายบางชนิดอาจะทำให้อุปกรณ์ประกอบอื่นๆ เกิดการผุกร่อนและเป็นคราบได้อีกด้วย จึงต้องพยายามป้องกันให้ดีที่สุดเท่าที่จะทำได้ ดังนั้น ที่ทางออกของหม้อระเหยจึงติดตั้งเครื่องดัก Entrainment ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 13
รูปที่ 13 เครื่องดัก Entrainment ชนิดต่างๆ
เครื่องดักของเหลวที่ติดมากับฟอง (entrainment) มีหลายชนิด ทำงานด้วยการให้ entrainment ที่ออกมากับไอระเหยชนกับ baffle plate โดยตรง หรือให้เลี้ยวเป็นมุมหักศอก หรือใช้ประโยชน์จากแรงเหวี่ยง หรือจับละอองของเหลวด้วย wire mesh screen เพื่อแยกไอระเหยออกจากหยดของเหลว อนึ่ง เครื่องดัก entrainment ต้องมีประสิทธิภาพในการดักสูงและต้องมีความดันสูญเสียน้อยอีกด้วย
BIBLIOGRAPHY
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 4 การอนุรักษ์พลังงานในระบบอื่นๆ. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 4-19 - 4-29).
gea.com (2015, September 24) : http://www.gea.com/global/en/products/multiple-effect-evaporation-plants.jsp
