（安全技术及工程专业论文）反渗透海水淡化系统外驱型旋转式压力交换器试验研究.pdf

大连理i ：人学硕七学位论文 as t u d yo np l u s d r i v e dr o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e rf o rs e a w a t e r r e v e r s e0 s m o s i sp r o c e s s a b s t r a c t w i t l lt h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yp r o b l e m ， e n e r g y c o n s e r v m i o nb e c o m e s am o r ea t t e n t i o n - g e e i n gf o c u s c u r r e n t l y ，t h es t a t e o f - a r t t e c h n o l o g yo fe n e r g yr e c o v e r yh a sb e e na p p l i e di n t op r o c e s si n d u s t r yi no r d e rt og e tt h e h i 曲e s te f f i c i e n c ya l lo v e rt h ew o r l d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo ff l u i de n e r g y r e c o v e r ya n dr e l a t i v ee q u i p m e n th a sb e c o m eh o to n ed u r i n gr e c e n ty e a r s t h er o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e rb a s e do nt h ep o s i t i v ed i s p l a c e m e n tp r i n c i p l ew a ss t u d i e d a f t e rt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fv a r i o u st e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t si nt h ep a p e r t h e r e s e a r c hw o r kw i t hs w r oa si t sa p p l i e db a c k g r o u n dw a sc a r r i e dt h r o u g he x p e r i m e n t sa n d t h e o r e t i c a l l yc o m p u t e r i z e da n dr e s u l t sc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) a ne x p e r i m e n tm o d e lo f e n e r g yr e c o v e r ye q u i p m e n to f p l u s d r i v e dr o t a r yp r e s s u r e e x c h a n g e r ( p d - r p e ) w a sd e s i g n e da n ds e tu pw h i c hw a sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to f f l u i d d r i v e de q u i p m e n t ( 2 ) t h ep d r p ee n e r g yr e c o v e r ys y s t e mw i t hs w r oa se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n dw a s d e s i g n e da n ds e tu p f h ep r e s s u r ea n df l u xs i g n a lc o u l db ep u ti n t oc o m p u t e ra n dr e c o r d e d a u t o m a t i c a l l y ( 3 ) t h ee n df a c es e a la n dl e a k a g ew e r es t u d i e du n d e rt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n so f p r e s s u r e ，f l u xa n dr o t o rs p e e d ( 4 ) t h ef l u i dp r e s s u r e e n e r g yr e c o v e r ye x p e r i m e n t sw e r ed o n ea n dt h er e c o v e r y e f f i c i e n c yw a se v a l u a t e d a tt h es a m et i m et h ep o s s i b l ep a r a m e t e r sw h i c hc o u l de f f e c t r e c o v e r ye f f i c i e n c yw e r ee x p e r i m e n t a la n a l y z e d ( 5 ) t h em i x i n gp r o c e s sb e t w e e nh i g hp r e s s u r ea n dl o wp r e s s u r ef l u i dw a se x p e r i m e n t a l s t u d i e d t h em i x t u r er a t i ow a sc o m p u t e r i z e do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n df a c eb e t w e e nr o t o ra n de n d - c o v e ri st h em o s t k e yp a r a m e t e rw h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h er e c o v e r ye f f i c i e n c y t h el a r g e s te n d f a c el e a k a g e w a s1 1 8 ，a n dt h eh i g h e s to u t l e tp r e s s u r ew a s1 3 5 m p aw i t hm i x t u r er a t i ow a s12 a n d r e c o v e r ye f f i c i e n c yw a sc o n s t a n ta b o v e6 0 u n d e rt h ec o n d i t i o no fe q u a li n l e tf l u xt h e e f f i c i e n c yw a s 5 3 5 反渗透海水淡化系统外驱型旋转式压力交换器试验研究 t h ep d - r p ee n e n g yr e c o v e r ym o d e lw h i c hf i r s td e s i g n e da n db u i l ti nt h i sp a p e ri ss t i l l d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a t i v ep e r i o d t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rw a si n i t i a ls t u d ya th o m e w h i c hc o u l dp r o v i d ev a l u a b l ed a t aa n de x p e r i e n c e sf o rf u r t h e rw o r ki nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p o s i t i v ed b p l a c e m e n t ；e n e r g yr e c o v e r y ：r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r ： s e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ： e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕上学位论文是我个人在导师指导卜| 进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使州过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：社日期：绰 人连理i ：人学硕十学似论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完令了解“人连理工大学硕上、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向困家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权_ 人连理_ t 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也叮采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：二超 导师签名：固盘 塑壶耻月巫n l 人连理i - k 学硕，f ：学位论文 1 绪论 1 1 海水淡化与反渗透技术 海水淡化技术的研究起始_ 丁2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 2 年，为解决“水的危机”，美国 专设盐水局( 1 9 7 4 年后转为资源技术局) ，用于研究苦成水和海水资源的脱盐技术，并 不断推进水资源和脱盐技术的进步；1 9 7 3 年，n 本通产省下设造水促进中心，专门研究 节能的脱盐技术；欧洲则在尤罩卡等计划下推动海水淡化的发展。到现在，海水淡化已 发展成为一种可靠的工业技术。1 9 6 0 年，全球海水淡化的总装机容量为0 0 5 8 x1 0 6 m 3 d ；1 9 7 0 年，伞球海水淡化的总装机容量达到1 ，1 5 1 0 6m 3 d ；2 0 0 2 年，全世界 单机几产量在1 0 0 t 以卜的淡化装置其总的生产能力已经超过了3 0 x1 0 7 m3 d 。发展海 水淡化产_ k 是世界各国的共同趋势，也是各国竟相开发的朝阳产业【i 乙3 1 。 按分离过程分类，海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子 交换法等。其中蒸馏法又可以分为多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发( m e d ) 和压汽蒸馏( v c ) ： 膜法海水淡化技术则包含了反渗透法( r 0 ) 和电渗析法( e d ) ：结晶法则由冷冻法和水合物 法构成【2 ，。据2 0 0 4 年海水淡化及利h j 技术围际研讨会( 中困天津) 介绍，目前，全世 界已有1 2 5 个国家采用淡水装置，已安装或已签订合同| 勺淡化水装置总量为1 5 2 3 3 台， 其总生产量为3 2 4 x1 0 7 m 3 d ，大都是采用多级闪蒸法、多效蒸馏法、膜法、反渗透法等。 虽然海水淡化的方法有许多种，但多年的实践表明真正实用的海水淡化方法只有m s f 、 m e d 和r o 等几种方法i “。 反渗透海水淡化( s e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ，s w r o ) 亦称海水超过滤法，是1 9 5 3 年 才丌始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透 膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使 海水侧的液面逐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高 出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中 的纯水将反渗透到淡水中【4 】。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1 2 ， 蒸馏法的1 4 0 1 6 j 。因此，从1 9 7 4 年起，美同等发达国家先后把发展重转向反渗透法。 经过近5 0 多年的不懈努力，反渗透技术已经取得了令人瞩目的进展。目前反渗透 膜与组件的生产已经相当成熟，膜的脱盐率高于9 9 3 【i i ，透水通量大大增加，抗污染 和抗氧化能力小断提高，销售价格稳中有降；反渗透的给水预处理工艺经过多年的摸索 基本可保证膜组件的安全运行；高压泵和能量回收装置的效率也在1 i 断提高；计算机控 制技术使得系统运行更加安全和稳定i l ，3 l 。以上措旌使得反渗透淡化的投资费用不断降 反渗透海水淡化系统外驱日4 旋转式压力交换器试验研究 低，淡化水的成本明显下降，使得s w r o 逐渐成为海水淡化的主要技术和方法。有关 资料表明，在1 9 9 5 年伞世界淡化市场( 含苦成水淡化) 巾，反渗透法就占了巾场份额 的8 8 1 ”。 1 2 反渗透海水淡化余压能量回收技术的研究与发展 1 2 1 反渗透海水淡化余压能量回收问题的提出 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ) 技术属于压力驱动的膜分离技术，其过程操作中采用的半 渗透膜有机地将盐水和淡水隔离丌。在膜的两侧因浓度差别存在有渗透压( 对于标准海 水而言，其渗透压约为2 5 m p a ) ，只有进料海水的操作压力大于海水的渗透压时才能 使海水中的淡水通过半透膜而被分离。操作的压力越大则分离的效率越高。通常反渗透 海水淡化过程的操作压力介于5 8 8 0 m p a 之间，而从膜组件中排放出来的盐水的压力也 高达5 0 6 5 m p a 8 , 9 1 。如果带有大量压力能的高压盐水通过减压阀而直接被排放，按照 4 0 的系统回收率计算，将有大约6 0 余压能被白n 浪费掉，阕此高效利用盐水的余压 能对降低反渗透海水淡化系统能耗，进而降低产品水成本至关重要捧j 。 1 2 2 主要余压回收技术及装置的研究与发展 。 按照工作原理，眶力能回收技术主要分为流体非直接接触式和流体直接接触式两大 类。非直接接触式流体压力能利用装备主要有逆转泵( r e v e r s er u n n i n gp u m p ) 、佩尔顿 叶轮( p e l t o nw h e e l ) 和新型水力透平( t u r b oc h a r g e r ) 。直接接触式流体压力能回收综合利 用装备主要有活塞式功交换器( w o r ke x c h a n g e r ) 和旋转式压力交换器( p r e s s u r e e x c h a n g e r ) 。 ( 一) 流体非直接接触的机械能中介式回收技术( 水力透平原理) 在非直接接触式流体能量回收装置中，高低压流体需要借助叶轮和轴来传递能量。即 以机械能作为流体压力能传递的中间环节。能量的转换过程为压力能一机械能( 轴功) 一压力能。典型的装置有弗朗西斯逆转泵( f r a n c i sr e v e r s er u n n i n gp u m p ) 、佩尔顿 ( p e l t o nw h e e l ) h i + 轮和水力透平( t u r b oc h a r g e r ) 。这种技术的节能机理是在回收高压流体 中的压力能的同时通过减少高压泵的输出压力来降低系统的能耗【8 l 。 ( 1 ) 逆转泵( r e v e r s er u n n i n gp u m p ) 年1 佩尔顿叶轮( p e l t o nw h e e l ) 逆转泵和佩尔顿叶轮装置的原理类似，属于外力驱动泵式装置，即其加压泵山外电 机驱动，通过轴传递的能量为辅助形式。工作原理如图1 1 所示f 1 0 1 ： 人连理i ：人学硕+ 学位论文 尚三 工作机 l 。一一 。! j i 蔷座豪 f 一一一一一一一一j 涔高 细 娃、 低压新鲜流体低压废流体 - 图j 1 逆转泵和佩尔顿叶轮的j ：作原理图 f i g u r e l 1p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo f r e v e r s er u n n i n gp u m pa n dp e l t o nw h e e l 高压废流体驱动透平中的叶轮，通过传动轴与泵连接，为新鲜低压流体加压，做功后 的高压废液流体丧失能量后排出。这类能量回收技术的优点是装置结构简单，便于操作 和维护，设计方法成熟，设备造价一般也不足很高。但由于流体的压力能是先转化为机 械能后再转化为流体压力能，中问存在机械能传递，使得能量损耗大，因此这类装冠的能 量回收效率都不是很高。 法兰西斯泉( f r a n c i sp u m p ) 是一种典型的逆转泵装置，也是最早的能量回收装置。 逆转泵通常采用叶片式离心泵反转运行，其结构简单、成本低廉，但由于水力流动性能 不佳，因此能量f 呵收效率较低，通常约为3 0 ，且受到高压流体流量的限制，在流量 高于最佳工况1 0 时，回收效率下降5 0 ；在流量低于最佳工况4 0 时，则无回收能量 的功能，能量州收装置反为耗能装置 。因此，其工作性能对工况的要求是严格和苛刻 的。目前这种能最回收装置在反渗透淡化厂较少被采用。但由于逆转泵设计成熟，成本 低，因此在其它1 业领域还有一定范围的应用。由美国太平洋泵业公司开发的径向叶片 涡轮液力透平比逆转泵要有较好的晌效率，在石油化丁行、1 k 有也一定的应用前景l 。图 1 2 为逆转泵叶片模型图。 佩尔顿趔透平将带有高的压力能的浓盐水通过一到两个l 】丁调节的喷嘴使其直接流 向透平水轮，并带动其旋转。旋转的水轮带动电机驱动高压泵工作，泄压后的盐水以空 压被排放。叶轮是唯的旋转部件，工作安全可靠，而且这种叶轮形式具有良好的流体 力学性能，整机效率较高，最高可达9 0 以上。但叶轮形式十分复杂，机械加工难度较 大。佩尔顿型透平的工作效率随压力和流量变化波动不大，但受高压供液泵形式的影响 显著，相同处理量和压力时高压l 卜位移泵或高压离心泵向其供液，能量回收率不同。透 箩 反渗透海水淡化系统外驱巫! 旋转式压力交换器试验研究 平进【 处的喷嘴相当于盐水的控制阀，同时对于反渗透系统也无须其它的压力摔制部 件，当盐水压力达到最佳1 ：况压力的4 0 时才有能量回收效果t 1 3j 。 佩尔顿叶轮机虽然工作效率受高压废流体的压力和流量的影响较小，旋转部件少，工 作也更加安全叮靠，效率也相对高一些，但其叶轮设计复杂，机械加工难度比较大。其工 作特性和叶轮形式之| 、日j 的关系还有待迸步研究，但近年来迅速发展的计算几何、c c d 三维紧密测绘技术以及许多商业流体力学模拟软件的问世极大的推动了人们对佩尔顿 叶轮研究的深入i 。图1 3 为佩尔顿叶轮模型i h i 。 图1 2 逆转泵叶片示意图 f i g u r e1 2p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo f w h e e lo f r e v e r s er u n n i n gp u m p 图1 3 佩尔顿叶轮模型 f i g u r e1 3a l le x a m p l eo fp e l t o nw h e e ( 2 ) 新型水力透平h t c & h p b 水力透平( h y d r a u l i ct u r b o ) 的广泛应用是在上世纪8 0 年代后期，这类装置可以称为 第二类流体非直接接触式装置。图1 4 为该类装置的能量传递示意图l 1 。 泵单元 自自量回收单元 毪髻薨芍焉水 旋黎铲 悒压錾酽水 坻黾臀柬 图1 4 新型水利透平装置原理幽 f i g u r e l 4p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo f h y d r a u l i ct u r b o 蚓1 5 新删水力透平结构图 f i g u r e i 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r u c t u r eo f t u r b oc h a r g e r 大连理r 大学硕。l 学何论文 新型水力透平( h y d r a u l i ct u r b o ) 以p u m pe n g i n e e r i n g 公司生产的h y d r a u l i ct u r b o c h a r g e r ( h t c ) 系列和f e d c o 公司的h y d r a u l i c p r e s s u r e b o o s t e r ( h p b ) 为代表。它与 逆转泵及佩尔顿叶轮机等第一类流体非南接接触式装置的最大区别在于其透平叶轮和 泵体叶轮安装在同一壳体中，并尽可能减少中间传动轴的机械能损失。其结构示意图见 图1 5 。 h t c 能量回收装置主要包括泵和透乎两部分，这两部分在一个壳体中以轴相连同步 工作。泵部分是。个单级离心泵，带有| - 片，该叶片网定在透平轴上。整个旋转部分是 一个动平衡r 尊元。在装置上有一个旁路用来调节和控制盐水的流量和压力。从膜器中排 放出的高压盐水进入能量回收器的透平部分，透平的旋转带动同轴的泵运转，从而将通 过泵的低压海水增压。赫水和海水的压力和流量可以升i 同，该装置全部由盐水来驱动， 无须外加能量。图1 6 为h t c 裂能量必收透平装置图1 1 3 j 。 h p b 新型透乎具有与h t c 桐似的结构和使用方法，两者在调节盐水压力和流量的 功能上是完个相同的。h p b 与h t c 主要区别在y - h p b 将盐水控制阀与能量凹收器做 成一个整体，而h t c 则将盐水控制阀作为能量回收器的附属设备，同时h p b 主要用 于反渗透海水淡化系统。它结合了h t c 的结构简单，容易安装等特性，在效率和抗腐 蚀以及可靠性方而有了明娃的改进。图1 7 为h p b 型能量回收透平装置图。 新型水力透平这种装置的 丁二集成了泵叶轮和透平，因而可以完全独立的工作，脱离 了要与高压泵或电机轴十h 连的束缚，使得裟胃设计紧凑，拆装容易，检修方便。研究表 明，这种装置对流体压力、流量的波动适应性较好，在较宽的范罔内能量网收效率能维 持在6 0 左右，但是在进料水处理量低于1 0 m 3 h 的小流量下时工作效率骤降为3 0 左 右”1 ，冈而非常适合存大流量下工作，规模效率明显，小型化困难，而且价格也较昂 舞【l i l 。 图1 ，6h t c 型能蟹同收透平 f i g u r ei 6h t ce n e r g yr e c o v e r yt u r b o 图1 7h p b 型能量m 收透平 f i g u r e1 7h p be n e r g yr e c o v e r yt u r b o 反渗透海水淡化系统外驱刑旋转武j f i 力交换器试验研究 另外，近年来困际市场卜出现了- - 9 十与h t c 和h t b 相似的能量叫收透平，英文名 称为p u m p - t u r b i n e ，其结构也主要包括泵和透平两个部分，目前其在反渗透淡化厂还没 有得到广泛的应用例。 上述几种流体非直接接触式流体压力能回收技术已j 衄用于多种工业领域中，在一些 石油化r 行业，特别是大刑反渗透海水淡化企业中，都有很广泛的应用，如两班牙的 b a h i ad ep a l m a 海水淡化厂，通过使用水力透平，整套海水淡化系统的能耗成本下降了 4 0 1 t 5 】。虽然流体非直接接触式能量回收装置技术比较成熟，1 日由于原理上的不足，即 必须先将压力能转化为机械能后再转化为压力能，在转化过程中不町避免地存在能量损 失，因此在现有基础上进一步提高效率的宅问已经非常有限。 ( 二) 流体直接接触的j 下位移技术 由于机械能中介式的压力能回收技术受到能量多次转换的影响，回收效率的提高受 到限制，人们开始研制更高效率的回收装置。近年来，一种新的压力能回收技术直 接接触正位移技术得到了非常迅速的发展，在众多相关工业领域得到了较为广泛的应 用。 酋 r _ “一_ r 一一” 卜王一l 作：- = 枧l 流体 低压新鲜流体 图1 8 流体直接接触式能量同收装置节能原理示意图 f i g u r e1 8p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo f e n e r g yr e c o v e r yd e v i c eo f p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t 这种技术的节能机理主要是在相同系统产量的情况下通过减少高压泵流量的方式 来降低系统能耗。如图1 8 所示。它利用高压流体的压力能直接加压低压流体，即通常 意义e 的功交换器。主要原理足高低压介质在数个通道通过直接接触传递能量，每个通 道内有可蛆自由移动活塞或同定的混流区域分隔高低压介质。按照通道的运动型式，可 分为固定式和旋转式两种，即活塞式功交换器( w e ) 和旋转式i 力爻换器( p e ) 两种。 梦一引兽船8乎挚!=!。丽冒蹴 掣一 懿爷 z 驱 照 人连理一大学硕士学位论文 这类装备使高、低压流体直接交换压力能，而不需要机械辅助装置。如果忽略装备中的 摩擦和泄漏，这类装备的效率理论上可以达到1 0 0 ，实际效率办可达到8 0 - 9 0 l i 叫。 j 下是这种高回收效率，使其成为目前困内外许多研究学者研究、，r 发的热点。 ( 1 1 活塞式功交换器( w e ) 活塞式功交换器( w o r ke x c h a n g e 0 自身的结构非常简单，图1 9 为其结构原理图。高 压流体通过活塞的反复传递作用为低压流体加压，同时活塞还可有效防j ：高低压流体的 混流，日活塞本身的阻力很小，使通过其传递的压力能损失很小，传递效率接近1 0 0 1 1 7 1 o 在国外，已经有很多大型的海水淡化系统采用这种技术进j j 能量世i 收，其吨水电耗仅为 2 4 k w h m 3 i 圳，相对于围内现有的海水淡化系统5 6 k w h m 3 的电耗，其优势相当明显。 抚_ 盐害 lp )低洋寿东i j p 幽1 9 功交换器w e 的结构原理幽 f i g u r e1 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r u c t u r eo f w o r ke x c h a n g e r 以反渗透淡化系统中l0 0 0 m 3 d 的产量计算，分别在没有能量回收装_ 罱以及采用w e 和水力透平进行能量回收二种情况下的能耗对比如下表1 ，1 f 1 8 1 ； 表1 1 二种方式的能耗比较 t a b1 1p o w e rc o n s u m p t i o no f t h r e em e t h o d si ns w r o 反渗透海水淡化系统外驱开4 旋转式压力交换器试验研究 山表1 1 可见，在相同工况卜，采，l jw e 功交换器的反渗透海水淡化装置的能耗明 显低于采用水力透平的反渗透海水淡化装置，这说明前者的工作效率明显高于后者。 由于w e 功交换器必须有两个以上的功交换器单元配合使用才能保证过程的连续 性，因此功交换器都配合有比较复杂的液压控制和换向控制系统。新研发的l i n x 控制 阀代替了高压进口侧的控制阀原来的8 个控制阀，改善了可靠性，减少了维护需要程序 一1 。图1 1 0 为带有l i n x 阀的w e 在s w r o 系统中的示意图。 高 压 泵 幽1 1 0 采川l i n x 控制阀的功交换器 f i g u r e l 1 0w o r ke x c h a n g e rw i t hl i n xv a l v ei ns w r o 通过w e 增压后的海水还需要通过一个增压泵进一步增压以补充过程中的阻力损 失。通过增压泵增压后的海水与通过高压泵增压的海水汇合后共同作为膜器的进料。在 流量匹配方面，通过增压泵的流量等于从膜器中排放 h 的盐水流量减去少量的泄漏；通 过高压泵的流量与系统的渗透水流量相等。这种能量回收装置在保证相同产水量的前提 下通过减少高压泵增压海水的流量来降低过程的运行能耗。这种装置山于采用正位移原 理，能量回收效率较高( 在9 0 以上) ，在世界许多反渗透淡化工程中被采用。 目前w e 最大装置的负荷为2 5 0 m 3 h ( 盐水) ，对于更大规模的淡化系统阿占，则 可采用多套w e 装置并联操作来满足处理负荷要求。图1 1 1 为w e 存实际反渗透海水 淡化过程中的安装设备刚乃】。 人连理，：人学硕_ _ _ f = 学位论文 图1 i lw e 在反渗透海水淡化过程中的安装没各图 f i g u r e1 ，1 1w ei n s t a l l a t i o ni nas w r op r o c e s s ( 2 ) 压力交换器( p e ) 握力交换器( p r e s s u r ee x c h a n g e ) 与功交换器的能量回收原理一样，也是高低压介 质在数个通道通过直接接触传递能量，不过p e 每个通道内是由固定的混流区域作为液 柱活塞代替实体活塞来分隔高低压介质传递能量。这类装置现在主要以美国e r l ( e n e r g y r e c o v e r yi n c 1 公司生产的旋转式压力变换器p x 装置和德国西马格( s i e m a g ) 公司的p e s 装置为典吧代表。日前这类装置人多都用于反渗透海水淡化系统，回收效率一般可以达 到9 4 以上1 1 ”。 旋转式妪力交换器p x 主要部件是一个特制的转子，其上开有数个通道，高低压流 体在通道中交换能量，不需要专门的阀门控制。旋转式压力交换器按照转子的驱动方式 不同可分为自身驱动型( 自驱型) 旋转式压力交换器和外力驱动型( 外驱型) 旋转式压 力交换器。前者通过特殊的定子设计，使转予依靠连续的进流流体实现系统的连续运行， 该转子位于陶瓷轴瓦内，不需要常规制造中的密封和轴承，但是对定子的加t 工艺需要 很高的技术要求，制作成本比较高。后者转予是通过连接在转子卜的轴与外力连接形成 转子的驱动力，故对定子的要求比较简单，但是其转子与定子之间的间隙控制问题依然 与自驱型装置一样，一般也用到整体烧制技术。旋转式压力交换器由于转子的连续运行， 其流量比括塞式的功交换器大，同时，旋转式压力交换器由于消除了复杂的控制阀路以 及相关的同步机制，具有活塞式功交换器的优点，却没有它的缺点。另外，它对介质成 分的要求不高，如含固体颗粒的物料，因为杂质会损伤活寒内壁而不适用于功交换器中， 反渗透海水淡化系统外驱鼎旋转式压力交换器试验研究 但完全可以利用旋转，压力交换器来回收流体能量 1 9 - 2 2 。因此，旋转式压力交换器是目 前回收率最高、工况适应性最好的能量回收装置，t 也是日前研究、外发的热点【l 9 ，”j 。 p x 型能量回收装置存工作时，被增压海水的流量与排放盐水的流量基本相等。山 于海水通过膜组件和p x 装置及相关管路时存在压力损失，凶此通过p x 增压后的海 水也同样需要通过一个增压泵进一步增压刊能满足反渗透过程的操作压力要求。通过增 压泵增压的海水与通过高压泵增压的海水汇合一起作为反渗透系统的进料。山于通过 p x 增压的海水不需要再经过高压泵，因而通过高压泵增压的海水的流量只与渗透水的 流量帽匹配而非全部进料流量，这样不但减少了高压泵设备的投资，也节省了相当的电 能。由于转子在旋转过程中需要消耗少量的高压海水，因此通过高压泵增压的海水的流 量较系统的渗透水流量要多一些 l 。 p x 型能量回收装置在进行直接接触式能量刚收的过程中，盐水和海水是通过转子 通道中的液体混合段( 相当于液体活塞) 来进行隔离的，混合段占转子通道约5 0 的 容积，液体混合段是在转子转动的过程中通过保持适当的转子转速自动形成的。陶瓷转 了在正常运行过程中转速较高，约为1 5 0 0 转分。p x 通过卡箍( v i c t a u l i e ) 与外围管 路进行连接，这种连接方式拆装方便，密封性能也较好，在高压管路连接中被较多采用。 由于受转予的转速和转子通道的容积的限制，单台p x 的处理量较小，对于大的处理负 荷，可通过并联多个p x 单元来满足要求i l ”。 图1 1 2 给出了旋转式压力交换器的转子模形2 4 1 ，图1 1 3 为其压力交换原理图1 2 0 j 。 在反渗透海水淡化系统中，从膜具中出来的高压浓盐水与低压进料海水在转予的轴 向流道中直接接触传递能量，加匕转子的连续转动，从而实现连续利用高压浓盐水增压 进料海水以及利用进料海水排放泄压浓盐水的过程。转子的在转动过程中靠少量高压海 水在套简中形成的静压系统米润滑1 2 2 2 3 】。 图1 1 2p x 转r 模型 f i g u r e1 1 2r o t o ro f p x 幽1 1 3p x 压力交换器原理简幽 f i g u r e1 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r u c t u r eo f p x 大连理r 人学硕七学伉论文 使用旋转式压力交换器，高压泵所需加胍的水与反渗透产品的数量柏当，约为海水 的4 5 ，其余5 5 薛j 源水加压是通过在压力交换器中的直接压力交换获得2 5 1 ，降低了高 压泉负载，从而降低了反渗透海水淡化装置的能耗。 不同能最回收装置之间的能耗年结余相互比较见表1 ，2 1 2 5 i 。 表1 2 不同能最同收装置2 问的能耗年结余比较 t a b1 2a n n i v e r s a r ye n e r g ys u r p l u sc o m p a r i s o no f v a r i o u se n e r g yr e c o v e r yd e v i c e s 高压浓海水和源水的流量对压力交换器的效率影响很小，其效率在9 0 左右。压力 交换器装置可以适用于产量为2 0 0 0m 3 d 以上的大型设备。根据经济上的能量最优化， 这样的装置依靠能量回收叮以在2 , - - 4 年中收回成本。从已经使用的压力交换器运行结果 看，旋转式压力交换器实行全自动化2 4 小时连续运转基本没有问题，运转稳定可靠， 维护和检修方便。同前，国内的许多反渗透海水淡化工厂都采用了p x 能量回收装置， 系统运行稳定，能耗明显降低，如山东的青岛、长岛淡化j 的能耗低于2 2 k w h m 3 ，浙 江的嵊泗淡化j 的能耗也低于2 7 k w h m 3 ，取得了很好的经济效益【8 i 。对于产量规模大 的s w r o 系统，一般采用多台装置并联使用，如中国石油集团大连石化分公司的日产 5 0 0 0 吨的人型反渗透海水淡化1 二j ，第一级反渗透系统有3 组能量同收装置，每组由2 套p x 构成。图1 1 3 与1 1 4 分别为大连某石化公司的海水淡化工厂的反渗透膜车问和单 组能量回收p x 装置。 图l ，1 3 人连菜斫化公司的反渗透下间 f i g u r ei1 3s w r op l a n to f d a l i a np e t r o c h e m i c a lf i l i a l e 反渗透海水淡化系统外驱耍4 旋转式n 劝交换器试验纠f 究 蚓1 1 4 人连某i i 化公司单组p x 能量同收装置 f i g u r e1 1 4s i n g l eg r o u pp xo f s w r oo f d a l i a np e t r o c h e m i c a lf i l i a l e 另一种典型的压力交换器能量同收装置p e s 最初应用于采矿q t ，已有2 0 多年的 历史，流量超过4 0 0 m 3 h ，压力高达1 6 m p a 。p e s 现在已开始应用于反渗透淡化系统余 压回收领域【引。p e s 也是一种基于正位移技术的压力交换器装置，它通过系列阀门控 制使高压浓盐水与低压海水在容器( c y l i n d e r ) 中进行直接接触式压力传递，效率能高 达9 8 1 1 3 】。与p x 一样，p e s 在容器中也不需要设置活塞，也是通过一定长度的液体混 合段来减少盐水和海水之间的混合，但p e s 减少了特殊的旋转部件，因此其容器的通道 长度比p x 的转予通道要长得多。p e s 通常采用三个水平放置的压力交换容器并联使用， 三个容器在工作时存在一定的相位差，这样可降低进入膜器中的海水和流出膜器的盐水 的流量和压力的波动。 p e s 用于反渗透海水淡化系统时，低压进料海水分为两部分：一部分( 其流量与产 品水的流量相等) 经过高压泵增压，另一部分( 其流量与浓盐水的排放流量相等) 则通 过p e s 和增压泵增压，之后两部分海水汇合一同作为系统膜器的进料。增压泵的设置 主要是用来补充海水在通过膜组件、p e s 及相关的管路时的流动阻力损失。增压泵常采 用多级离心泵，但要求其能够适应高压进料的要求。通常与增三泉配套的还有调频器， 通过调节增压泵的转速来改变增压海水的压力和流量以满足过程在小同工况下的要求。 p e s 适用于大产量的系统，如产品水流量大于2 0 0 0 m 3 d 的系统1 8 1 。 1 9 9 9 年在西班牙的c a n a r yi s l a n d s 上的i n a l s ai 安装p e s 作为示范工程，2 0 0 0 年 1 月系统投入运行。运行结果表明采用p e s 较常用的透平式余压收设备的比能耗( 牛 产每吨淡水所需消耗的电能，k w h m 3 ) 减少2 5 - 3 0 【2 “。p e s 系统近年来刚刚进入国际 市场，目前的工业应用较少。p e s 与p x 、w e 相同，都可以根据处理量的需要可采朋 多套装置并联使用。图1 1 5 为p e s 在i n a l s ai 上的反渗透海水淡化系统中的示范工程 装置。 人连理 人学硕士学位论文 幽1 1 5p e s 示范i 科袈置 f i g u r e l 1 5p e s i n t h ep i l o ts w r op l a n t ( 三) 其它证位移技术 采用j 下位移原理的流体压力能回收技术除了活塞式功交换器和旋转式压力交换器 外，还有v a r i r o , f 1 c l a r kp u m p 技术【刖，这两种技术也一般应用于反渗透海水淡化系统， 小过都还处于进一步试验和完善阶段，未见商业应用。 这两种技术采用液l i 式( 活塞式) 双作用余压能量回收设计，对于压力和流量均有 很好的适应性，但具有复杂的设计和繁多的运动部件。因其活塞往复速度的限制，处理 量较其它类型小。对_ j 二v a r i r o 而言，其在过程应用中相当于高压泵的作用，过程中的 液体流动压力损失通过辅助的压力缸来提供。对于c l a r kp u m p 而占，由于其特殊的设计， 经过其增压的海水压力能够满足反渗透系统的进料要求，可以直接与经过高压泵增压后 的海水汇合一同作为系统进料，而不需要再经过增压泵进。步增压。v a r i r o $ ! c l a r k p u m p 技本目前都还处于进一步的试验和完善阶段，距离商业化应用还有一段距离【1 3 l 。 12 3 各种余压回收装置比较 为适应节约能源的现代i 业要求以及反渗透海水淡化广泛应用，s w r o 系统中的流 体能量回收利用技术有着良好的前景。袁1 3 f 1 1 】和表1 4 【1 4 , 2 7 1 分别总结了各种流体能量回 收技术装置的性能和能耗情况，从中可以看出，采用正位移原理技术的装置效率大大的 高于机械能中介式的装置，且结构简单，操作方便，能在短期内收回投资，已经逐渐成 为海水淡化行业中新的工、l k 标准 2 3 1 。特别是旋转式压力交换器是e j 前效率最高、效果最 好的压力能回收装置。 反渗透海水淡化系统外驱型旋转式压力交换器试验研究 表1 3 备能量同收装置的性能比较 t a b1 3p e r f o r m a n c ec o m p a r e do f a l lk i n do f e n e r g yr e c o v e r yd e v i c e s 技术及装置 机械能中介式技术 ij ! 位移技术 比较项口 p e l i o n 叶轮逆转泵水力透平 w e 、p x 、p e s 能量同收效率约5 0 约3 0 4 5 5 5 8 5 - 9 8 整机机械效率 8 0 9 0 约7 0 6 7 - - 7 5 9 0 9 5 流最变化适应性好很差较好 好 结构复杂程度复杂简单较复杂较复杂 运行维护凼难度州难容易容易容易 装置成本较低低较高高 心用前景 较好茇中蚶 表1 4 反渗透海水淡化叶1 各种能量同收装置能耗的比较 t a b1 4t h ee f f i c i e n c yo f e n e r g yr e t r i e v i n gd e v i c e su n d e rd i f f e r e n t