دستگاه بازیابی انرژی ERD

دستگاه بازیابی انرژی (Energy Recovery Device - ERD) چیست؟

در فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO) برای شیرین‌سازی آب دریا، مصرف انرژی یکی از عوامل کلیدی است. از زمان اختراع دستگاه بازیابی انرژی (Energy Recovery Device - ERD)، مصرف انرژی در این فرآیند به طور قابل توجهی کاهش یافته است. بدون استفاده از ERD، انرژی مورد نیاز برای شیرین‌سازی آب دریا با شوری استاندارد ۳۵ گرم بر لیتر، حدود ۴ کیلووات‌ساعت بر مترمکعب است. اما با به‌کارگیری ERD، این مقدار به حدود ۲ کیلووات‌ساعت بر مترمکعب می‌رسد که نشان‌دهنده صرفه‌جویی چشمگیر در انرژی است.

فشار هیدرولیکی ورودی (Hydraulic Feed Pressure) اصلی‌ترین نیروی محرکه برای تولید آب شیرین از آب دریا در فرآیند RO به شمار می‌رود و بخش عمده مصرف انرژی را به خود اختصاص می‌دهد. علاوه بر این، مصرف انرژی جزئی ناشی از پیش‌تصفیه (Pretreatment) آب دریا نیز باید به کل مصرف انرژی فرآیند شیرین‌سازی اضافه شود. دستگاه بازیابی انرژی (ERD) با بازیابی انرژی از جریان غلیظ شده (Concentrate) یا برین (Brine)، به کاهش این هزینه‌ها کمک می‌کند و کارایی کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

انواع دستگاه بازیابی انرژی (ERD) در اسمز معکوس آب دریا

دستگاه‌های بازیابی انرژی (ERD) به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: دینامیک (Dynamic - نوع چرخشی یا Rotary Type) و ایزوباریک (Isobaric - نوع مبدل فشار یا Pressure Exchanger Type). این دستگاه‌ها با بازیابی انرژی از جریان پرفشار براین، فشار ورودی را افزایش می‌دهند و مصرف برق را کاهش می‌دهند. در ادامه، به بررسی هر دسته می‌پردازیم تا درک بهتری از عملکرد آن‌ها در سیستم‌های RO به دست آورید.

۱. نوع دینامیک (چرخشی)

در این دسته، دستگاه‌هایی مانند توربوشارژر هیدرولیکی (Hydraulic Turbocharger) و چرخ پلتون (Pelton Wheel) مورد استفاده قرار می‌گیرند که با تبدیل انرژی جنبشی به انرژی مکانیکی، کارایی فرآیند را بهبود می‌بخشند.

چرخ پلتون (Pelton Wheel)

چرخ پلتون یکی از دستگاه‌های ساده و آسان برای عملیات در کارخانه‌های اسمز معکوس آب دریا (Seawater Reverse Osmosis - SWRO) است. کارایی چرخ پلتون حتی با تغییرات در فشار و جریان ورودی، به طور مداوم بالا باقی می‌ماند. با این حال، یکی از چالش‌های اصلی، طراحی و نگهداری قطعات فلزی است که در معرض خوردگی توسط آب دریا قرار دارند. پیشرفت‌های دو دهه اخیر، کارایی دستگاه‌های معمولی را به محدوده ۸۴ تا ۹۰ درصد رسانده است. ویژگی چرخ پلتون این است که انرژی بازیابی‌شده از جریان غلیظ شده (Concentrate) را از طریق شفت به پمپ فشار بالا (High Pressure Pump - HPP) منتقل می‌کند. شواهد نشان می‌دهد که کارایی واحد شیرین‌سازی آب با استفاده از پمپ سانتریفیوژ فشار بالا همراه با چرخ پلتون، با افزایش درصد بازیابی افزایش می‌یابد. بنابراین، بیشتر واحدهای SWRO برای کار در درصد بازیابی بالاتر (۴۵ درصد) طراحی می‌شوند.

توربوشارژر هیدرولیکی (Hydraulic Turbocharger)

توربوشارژر هیدرولیکی از نوع سانتریفیوژ است و از دهه ۱۹۹۰ میلادی در سیستم‌های RO کاربرد دارد. این دستگاه فشار ورودی که توسط پمپ فشار بالا (HPP) ایجاد شده را افزایش می‌دهد تا به سطح مورد نیاز برسد. واحد توربوشارژر شامل یک توربین هیدرولیکی و یک پمپ فشار بالا است، جایی که توربین شبیه به یک پمپ معکوس عمل می‌کند. برخلاف برخی دستگاه‌های قدیمی، توربوشارژر و پمپ فشار بالا مستقیماً به هم متصل نیستند تا انعطاف‌پذیری عملیاتی بیشتری فراهم شود و معایب دستگاه‌های دیگر مانند چرخ‌های پلتون برطرف گردد. نصب توربوشارژرها آسان است و از نظر انرژی بسیار کارآمد هستند، که این ویژگی‌ها آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کارخانه‌های شیرین‌سازی آب دریا تبدیل کرده است.

۲. نوع ایزوباریک (مبدل فشار)

این دسته از دستگاه‌های بازیابی انرژی (ERD) با انتقال مستقیم فشار از جریان تغلیظ شده به آب ورودی، کارایی بالاتری ارائه می‌دهند و برای سیستم‌های بزرگ مناسب هستند.

مبدل فشار (Pressure Exchanger - PX)

مبدل فشار (PX) یک پمپ سرامیکی است که انرژی را از جریان غلیظ شده پرفشار گرفته و با کارایی بیش از ۹۵ درصد به آب دریا ورودی منتقل می‌کند. این فرآیند، مصرف انرژی را به کمتر از ۵۰ درصد مقدار چند سال پیش کاهش می‌دهد. مبدل فشار معمولاً امکان بازیابی و استفاده مجدد بیش از ۳۰ درصد از انرژی اولیه اعمال‌شده برای جداسازی نمک را فراهم می‌کند. این ویژگی، PX را به یکی از پیشرفته‌ترین دستگاه‌های بازیابی انرژی (ERD) در صنعت شیرین‌سازی تبدیل کرده است.

مبدل کار دوگانه انرژی (Dual Work Exchanger Energy Recovery - DWEER)

مبدل کار دوگانه انرژی (DWEER) شامل سه زیرمجموعه اصلی است: شیر LinX (LinX Valve)، مخزن فشار (Pressure Vessel) و مجموعه شیر چک (Check Valve Nest). همچنین، یک پمپ تقویت‌کننده (Booster Pump) برای برابر کردن فشار ورودی با فشار پمپ اصلی مورد نیاز است. برای جلوگیری از مخلوط شدن، DWEER از یک پیستون استفاده می‌کند که مانع اختلاط آب ورودی و براین می‌شود و شوری را کنترل می‌کند. از آنجایی که مبدل کار انرژی را مستقیماً از جریان تغلیظ شده به آب ورودی منتقل می‌کند، کارایی بالاتری نسبت به چرخ پلتون و توربوشارژر دارد. با این حال، ظرفیت مبدل محدود است و اگرچه می‌توان با افزودن واحدهای موازی ظرفیت را افزایش داد، هزینه سرمایه‌ای برای سیستم‌های بزرگ بالا است. همچنین، تعداد قطعات متحرک زیاد آن می‌تواند منجر به سایش شود.