الطاقة المتجددة: طرق تقطير الماء

يقصد بتقطير الماء ... تحويل الماء الى بخار ثم تكثيفة ... ليتحول الى ماء خالي من اي شوائب او املاح .

قبل الخوض في التفاصيل ... نوجز ما يلي

لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة يلزم كيلوكالوري واحد من الطاقة الحرارية ( وهذا ما نسمية الحرارة النوعية للماء )
لتحويل كيلوجرام من الماء ( عند درجة الغليان 100مئوية وضغط جوي=1) الى بخار عند نفس الدرجة يلزم 540 كيلوكالوري ( وهذا ما يسمى الحرارة الكامنة )
لتحويل لتر واحد ( كيلوجرام ) من الماء في جو الحجرة ( درجة حرارة 20 مئوية وضغط جوي= 1 جوي ) الى بخار تمر العملية بمرحلتين ... اولا رفع درجة حرارة الماء الى 100 درجة وهذة المرحلة يلزمها 80 كيلوكالوري من الطاقة الحرارية ... وثانيا تحويل الماء الي بخار وهذة المرحلة يلزمها 540 كيلوكالوري من الطاقة الحرارية ...اذن مجموع ما يلزم = 80+540= 620 كيلو كالوري .
لاحظ ان كل كمية الطاقة تلك تتبدد في الهواء عند عملية التكثيف .
كيلوجرام واحد من المحروقات ( خشب جاف,فحم ,كيروسين . ...) يعطيك تقريبا 10000 كيلوكالوري من الطاقة الحرارية .
اذن كيلوجرام من المحروقات يكفي لانتاج 16 لتر من الماء المقطر فقط... وهذة كمية غير اقتصادية

كل طرق التقطير الاتي شرحها تهدف الى تقليل كمية الطاقة اللازمة لانتاج لتر الماء المقطر الى اقل ما يمكن ... والوسيلة الى ذلك بأسترجاع الجزء الاكبر من الطاقة المبددة في عملية تكثيف البخار ... واستخدامها ثانية في عملية التبخير ... طرق ذكية ومطبقة في كل محطات التحلية التجارية في كل العالم ... التحدي ان تجعل قارئي المحترم من هذه التطبيقات ما يمكن عملة على مستوى الاسرة المتلهفة لكوب ماء نظيف , ومستوى القرى المنسية من حكوماتها , المهندس الطموح ونجار القرية وحدادها يمكنهم المساهمة في تحقيق مثل تلك الاحلام ..... اة احلام !!!

تعريفات فيزيائية تساعد في فهم عمليات تقطير المياة .

درجة حرارة الغليان ( Boiling Temperature ) هي درجة الحرارة التي يتحول السائل عندها من الحالة السائلة الى الحالة الغازية وتعتمد درجة الغليان على قيمة الضغط المعرض لة سطح السائل . فدرجة غليان الماء تحت ظرف الضغط الجوي هي 100 درجة مئوية , بينما ترتفع الى 120 درجة مئوية اذا ارتفع الضغط على سطح السائل الى 2 جوي , والى 133 مئوية عند ضغط 3 جوي ... من الناحية الاخرى اذا انخفض الضغط على سطح الماء الى نصف جوي فسوف يغلي الماء عند درجة 81 مئوية , وعند ربع جوي يغلي الماء عند 65 مئوية
الضغط الجوي ( Atmospheric Pressure )كل الاجسام على سطح الارض تستقر في قاع بحر من الهواء , بحر الهواء هذا لة كتلة , الاجسام على سطح الارض تقع تحت تأثير هذه الكتلة كل حسب مساحة سطحة , كل سنتيمتر مربع من سطح الارض يحمل عمود الهواء اعلاة , وزن عمود الهواء هذا= 1 كيلوجرام , لذا نقول ان الضغط الجوي= 1كيلوجرام/سنتيمتر المربع كلما ارتفعنا الى اعلى يقل وزن عمود الهواء اى يقل ضغط الهواء , الاجسام في قاع البحر تتعرض لوزن الماء اعلاها اذن فهي تتعرض لضغط اكبر من الضغط الجوي , كل 10 امتار من وزن الماء فوق مساحة سنتيمتر واجد تزن 1 كيلوجرام , اذن الاجسام في قاع البحر على عمق = 10 متر تتعرض لضغط = 2 جوي = 2 كيلوجرام لكل سنتيمتر مربع ( 1جوي من ضغط الماء + 1 جوي من ضغط الهواء اعلى الماء )
الحرارة النوعية ( Specific Heat ) وهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة ... الحرارة النوعية للماء = 1 بمعنى انة يلزم كيلوكالوري لرفع درجة حرارة كيلوجرام من الماء درجة مئوية واحدة ... الحرارة النوعية للماء هي اكبر قيمة ... كل المواد الاخري بحرارة نوعية اقل من 1 صحيح .
الحرارة الكامنة ( Latent Heat ) هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل كيلوجرام واحد من السائل الى بخار عند الضغط جوي =1 وهي للماء= 540 ... بمعنى انة يلزم 540 كيلوكالوري لتحويل كيلوجرام (لتر) من الماء عند درجة حرارة= 100 مئوية الى بخار عند نفس الدرجة .
ربما لاحظت ان الحرارة الكامنة للماء كبيرة جدا ... بمعنى ان الكمية الاكبر من الطاقة تتجة لتحويل الماء من الحالة السائلة الى الحالة البخارية ... وتنتقل كل تلك الكمية لسائل التبريد في عملية تكثيف بخار الماء .
عمليات التحسين في اداء المقطرات تتركز في اعادة استخدام الطاقة الحرارية الخارجة من عملية التكثيف في عملية التبخير .

منحنى الضغط درجة الحرارة لحالات الماء الثلاث

المنطقة الزرقاء .... الحالة الصلبة ( الثلج)

المنطقة الخضراء....الحالة السائلة (الماء)

المنطقة البرتقالية.... الحالة الغازية (البخار)

لاحظ التالي

ان مسطرة قياس الضغط (العمودية) لوغارتمية , بمعنى ان 5 لا تقع في منتصف المسافة بين 1 و 10 ... بينما مسطرة قياس درجة الحرارة (الافقية) قياسية .

الخطوط السوداء الفاصلة بين اوجه الماء الثلاثة هي خطوط التحول من حالة الى اخرى... مثلا

النقطة 100درجة مئوية , 1 جوي هي نقطة تحول الماء الى بخار و نقطة تكثف البخار الى ماء .
النقطة 0 درجة مئوية ,ومن 1 جوي الى 50 جوي تقريبا (الحط العمودي الفاصل بين المنطقة الزرقاء والمنطقة الخضراء) هي نقطة تحول الماء الى صلب وهي ايضا نقطة تحول الثلج الى ماء .
من المنحنى نستطيع قراءة ان بخار الماء يتكثف الى ماء عند النقطة 10 درجة مئوية وضغط= 01. جوي ( 10 مليبار)
من الرسم ... عند درجة حرارة 50 درجة مئوية ما هو الضغط اللازم لتبخير الماء او تكثيف البخار ؟

طرق تقطير الماء (Distillation methods)

طريقة التقطير متعدد المراحل	طريقة التقطير متعدد التأثير	طريقة التقطير بالضغط
Multiple stage flash distillation	Multiple effect distillation	Vapor compression distillation
الرسم يبين مبخر يتكون من 5 مرحلة , بمتابعة الرسم لاحظ التالي يدخل ماء البحرB الى المرحلة الاولى ( اليسار) بدرجة حرارة 20 مئوية ويتكثف بخار الماء على سطح المبدل F عند هذه الدرجة . وهي كذلك درجة غليان ماء البحر في هذه المرحلة , اذن يجب ان يكون الضغط في هذة المرحلة منخفض جدا = 025. جوي( من جداول بخار الماء) . نحصل على الضغط المنخفض هذا بعملية تفريغ بواسطة شفاطات نفاثة ( ejector) في المرحلة الثانية تزداد درجة حرارة ماء البحر وهي درجة حرارة تكثيف بخار الماء وبالتالي يزداد الضغط قليلا , وهكذا تزداد درجة الخرارة من مرحلة الى اخرى كلما اتجهنا ناحية اليمين , اذن فاكبر درجة حرارة هي في المرحلة الخامسة ( اقصى اليمين) واليها يدخل ماء البحر المسخن في المبدل H . من الواضح ان تعدد المراحل للاستفادة القصوى من الطاقة الحرارية للبخار , وهذا يتضح من خروج ماء البحر العادم D من الناحية الابرد ( بأقل قدر من الحرارة الى البحر) مصدر الطاقة في عملية التحلية هو حرارة بخار الماء والتي دفعنا فاتورتها مقدما , مصدر الطاقة هذا يمكن ان يكون الطاقة الشمسية .	الرسم يبين مقطر يتكون من 3 مرحلة بمتابعة الرسم لاحظ التالي يدخل ماء البحر الى انابيب مبدل مبدل حراري ( اقصى اليمين ) يكتسب بعض الحرارة ويكثف بخار الماء القادم من الخلية الثالثة . يرذذ ماء البحر اعلى الخلايا ويكون بخار ( تحت تأثير الضغط المنخفض والحرارة في مواسير الماء المكثف) يدخل بخار الماء ( القادم من غلايات ) الى الخلية الاولى ( الاعلى درجة حرارة وضغط) حيث يتكثف في الانابيب الافقية معطيا ماء البحر حرارتة ليتبخر البخار المتكون في كل مرحلة يمر في انابيب المرجلة التالية ليتكثف معطيا حرارتة لماء البحر المرذذ ليتبخر يتجمع الماء المكثف في انابيب الخلايا كمنتج ماء يسر تمتاز هذه الطريقة بتوفير معقول للطاقة مشروع تحلية مياة بحر في الجزائر... يعمل بهذا النظام 3 وحدات كل منها ينتج 3600 مترمكعب يوميا	يسخن الماء المالح مبدئيا في مبدل حراري خارج وحدة التقطير يمر الماء الى داخل مواسير المبخر ويتحول الى بخار يسحب البخار بضاغط بخار مروحي ليزداد ضغطة قليلا وبالتالي ترتفع درجة حرارتة قليلا ( اضافة طاقة ميكانيكية ... لتتحول الى طاقة حرارية ) يندفع البخار الى المبخر ( خارج المواسير) ويتكثف الى ماء عذب معطيا حرارتة (عبر جدران المواسير) الى البخار في مرحلة قبل الضغط تستخدم الحرارة المتبقية في الماء المكثف في عملية التسخين الاولية لماء البحر في المبدل الحراري وحدة صغيرة لتقطبر الماء بطريقة التقطير بالضغط . تحول هذه الوحدة اي نوع من المياة لمياة نقية تماما وبطاقة 800 لتر يوميا وبأستهلاك طاقة يوازي استهلاك مجفف الشعر .