（热能工程专业论文）带热压缩的低温多效蒸发海水淡化系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 带热压缩的低温多效蒸发海水淡化系统由于可以利用低品位的电厂抽汽热量，可以 较大的提高了造水比，有效降低了制水成本。本文对带热压缩的低温多效蒸发海水淡化 系统进行了研究。 针对海水淡化系统横管降膜蒸发器，分别总结了管内冷凝侧与管外蒸发侧的换热系 数关联式，比较了管内径、入口蒸汽流速、蒸汽冷凝温度、出口蒸汽干度对管内蒸汽冷 凝侧换热系数的影响；研究了传热温差以及喷淋密度对管外蒸发侧换热系数的影响。结 合不同的污垢系数，进行了总传热系数的影响因素分析。同时对横管降膜蒸发器冷凝侧 管内流动阻力计算进行了总结与分析。 针对6 种不同流程，在质量守恒和热量守恒方程的基础上，建立了包括蒸发器，冷 凝器预热器、闪蒸罐和喷射器在内的带热压缩的低温多效蒸发海水淡化系统的数学模 型。采用基于高斯一约旦消元法的等面积迭代方法对带热压缩的低温多效蒸发海水淡化 系统的数学模型进行了求解；利用v i s u a lb a s i c 语言编制了带热压缩的低温多效蒸发 海水淡化系统的计算求解程序，该程序针对6 种不同的流程既可以进行设计计算也可以 进行校核计算，具有良好的通用性和可再植入性且界面友好。 利用求解结果，针对进口海水温度、第一效加热蒸汽温度、系统浓缩比、电厂抽汽 参数、外界热源预热量以及预热位置、热压缩布置形式等参数对系统性能的影响进行了 分析与比较，同时分别针对串联和并联流程、有热压缩和无热压缩的低温多效海水淡化 系统方案进行分析。比较了带热压缩的6 种低温多效海水淡化的流程，综合考虑，并联 4 + 2 流程的综合性能较好，其结果可以指导工程设计与实际运行。 关键词：低温多效蒸发；热压缩；横管降膜；海水淡化 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 s t u d y o nl o w t e m p e r a t u r em u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o n w i t ht h e r m a lv a p o r c o m p r e s s i o n a b s t r a c t a sm e d - t v c o o w - t e m p e r a t u r cm u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o nw i t ht h e r m a lv a p o re o m p r e s s i o n ) h e s 嗣加m t e c i m i e a la d v a n m g t h r o u g ht h ep o e s 曲i l i t yo fu t i l i z i n gl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a ts o u r c e s , i n c r e a s i n g g a i n c d0 u t d u tr a t i oa n dr e d u c i n gw a t e rc o s t , i tw a ss t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si n s i d ea n do u t s i d et h eh o r i z o n t a lt l l b ew e r es u m m a r i z e d n o to n l yt h e e f f e c t s 耐t u b ed i a m e t e r , i n l e tv a p o rv e l o c i t y s t e a mc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ea n do u t l e tv a p o rq u a l i t y0 1 1t h e 妇s i d eh e a tt r a u s f e rc o e f f i c i e n t , b u ta l s ot h ee f f e c to fo v e r a 1h e a tt r a n s f e rm m p e r a 如r ed i f f e r e n c ea n df l o w d e n s i t yo i lt h eo u t s i d eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e 化s t u d i e da n dc o m p a r e d o nt h e s eb a s i s it h eo v e r a l lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e di nt e r m so fd i f f e r e n tf o u l i n gr e s i s t a n c e b a s e d t h em a s sa n de n e r g ye x l u a t i o m t h ep h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i cm o d e lo f6d i f f e r e n t k i n d so fm e d - w cw a se s t a b l i s h e d e q u a l - a r e ad e s i g nm e t h o dt h em a t h e m a t i cm o d e lw a ss o l v e dt h r o u 面 r m u a l - a r e ad e s i g nm e t h o dc o m b i n e dg a u s s - j o r d a ne l i m i n a t i o n b yu s i n gv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g e ，t h em e d - t v cc a l c u l a t i o ns o f t w a r ew a sw o r k e do u tw h i c hh a db e t l e rg e n e r l d i t y , f r i e n d l y i n t e r f a c ea n dr e - e m b e d d a b i l i t y b o t hd e s i g nc a l c u l a t i o na n dc h e c kc a l c u l a t i o nc b ed o n eb yt i ms o f t w a r e t h ee f f e c to ft h ef e e ds e a w a t e rt e m p e r a t u r e t h eh e a t i n gs t e a mt e m p e r a t u r eo fn o 1e v a p o r a t o r , t h e c o n c e n t r a t i o nr a t i o n , t h es t e a me x t r a c t i o n , t h eq u a n t i t ya n dl o c a t i o no fp r e h e a tf l o w t h ef o r mo fw c o i l p e r f o r m a n c eo fad i s t i l l e ri sd i s c u s s e d n o to n l ys e r i a lf l o wa n dp a r a l l e lf l o w 9b u ta l s o 的t s t e mw i t ha n d w i t h o u t i v ew a sc o m p a r e d s y n t h e t i c a l l y , 4 + 2p a r a l l e lf l o ws h o w e dt h eb e s tp e r f o r m a n c ea m o n gt h e6 f l o w s t h e c o n c l u s i o n s p r o v i d eas i g n i f i c a n t g u i d a n c e i n t h es p i 丘c e x t e n t o f e n g i m x r i n g k e yw o r d s ：l o wt e m p e r a t u r em u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o n ；t h e r m a lv a p o rc o m p r e s s i o n ： h o r i z o n t a lt u b ef a l l i n gf i l m ；d e s a l i n a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 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用过的材料。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：陛垦日期：! 三业 大连理工大学硕士研究生学位论文 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全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国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。本人授权大连理 工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 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名逝查堕 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1海水淡化的研究背景及课题意义 在社会经济高速发展的今天，淡水资源不仅仅是一个经济问题，而且还关系到人类 生存和发展的社会问题。随着全球人口的急剧增加和工业化及城市化的迅速发展，人类 对全球淡水资源的需求不断增长，同时由于水资源的污染和用水的浪费，使得淡水资源 短缺的问题变得更加严重，已经成为当今世界许多国家社会经济发展的制约因素。因此 国际上有“1 9 世纪争煤，2 0 世纪争石油。2 1 世纪争水”和“目前地区性的水危机可能 预示着全球性水危机的到来”的说法【l 】。 中国水资源总量在2 7 5 0 0 至2 8 0 0 0 亿立方米之间，占世界总水资源量的6 ，居全球 第六位：但若按平均水资源人均拥有量只有2 2 5 1 立方米，仅为世界入均年拥有量的i 4 ， 居世界1 4 9 个国家的第1 1 0 位，联合国已把中国列为1 3 个最缺水国家之一。全国每年 缺水量达4 0 0 亿立方米，目前，缺水造成的经济损失超过了2 0 0 0 亿元。据有关专家估 计，到2 0 3 0 年。中国的缺水量将达到6 0 0 亿立方米 在全国6 0 0 多个建制市中有近4 0 0 个城市缺水，其中缺水严重的城市达1 3 0 多个， 尤其是沿海经济发达地区缺水形势更为严峻。沿海地区是我国人口最集中、经济最发达 的地区，其陆地面积只占陆地国土总面积的1 5 ，人口数量超过全国的4 0 ，社会总产 值占6 0 左右，而该地区的可持续发展也面临着水资源日趋紧缺的严峻形势，大多数沿 海工业城市人均淡水资源量低于5 0 0 立方米，低于国际上通行的人均1 0 0 0 立方米的生 存底线，而大连、天津、青岛、连云港等城市的人均淡水资源量甚至低于2 0 0 立方米， 处于严重缺水状况1 2 j 。沿海城市承受着淡水匮乏和环境污染的双重压力，这严重制约了 该地区经济和社会的发展。 面对日益严重的水资源短缺，国家和地方政府十分重视，提倡和推动污水回用和水 的再利用。推广和应用节水技术等，在一定程度上缓解了供水不足的矛盾；产业结构调 整也使得工业用水增长减缓。同时国家兴建了一批大型跨流域调水工程和蓄水工程，但 是调水和蓄水等措施，只能实现水资源的时空位移，解决部分地区缺水问题，而不能增 加淡水资源的总量，难以全面解决缺水的根本问题，同时这些传统措施越来越多的对被 引水地区的环境和生态造成破坏。因此有必要寻找新的有效的途径解决淡水资源短缺的 问题。 在2 0 0 4 年海水淡化与利用技术国际研讨会上，国际脱盐协会技术委员会主席阿维 尔布奇提出：淡化海水是从淡水危机和水污染困境下实现新水源生产的唯一希望。我国 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 是海洋大国，海岸线的总长为3 2 6 4 7 公里，海水资源丰富。同时经过几十年的研究，今 天无论工经济还是技术来说，大规模地把海水变为淡水已经变成了可能。国家和社会对 海水淡化这种可以增加淡水资源总量的开源性措也施给与了越来越多的关注。开发海水 淡化技术、发展海水淡化产业必将成为解决我国淡水紧缺的一条有效的战略途径。 1 2 海水淡化的发展概况 从上世纪五十年代开始，海水淡化技术迅速的发展起来，中间经历了发现阶段、开 发阶段和商业化阶段。根据国际脱盐协会( i d a - - i n t e r n a t i o n a ld e s a l i n a t i o n a s s o c i a t i o n ) 的最新统计报告【3 l ，2 0 0 4 年，单机容量在1 0 0m 3 d 以上的海水淡化总装机 容量为3 7 5 1 m 3 d ，与1 9 6 0 年总装机容量5 8 x1 0 4 d d 相比，增长6 4 6 倍，年增长率为 1 7 。从图中了解到，反渗透法的淡水产量最大，达到1 8 l 旷m 3 d ，约占总装机容量的 4 7 ，其它依次为多级闪蒸占3 5 ，压汽蒸馏占5 ，多效蒸发占3 。 ， i1 m l 一 _一 图1 1 陆地上海水淡化装置的总装机容量 f i g 1 1c a p a c i t yo fa l ll a n db m w ld e s a l i n a t i o nu n i t sb yt e c h n o l o g y 据统计，海水淡化技术已在全球1 2 0 个国家得到应用。一半以上的海水淡化装置 分布在中东地区。其中沙特阿拉伯拥有的海水淡化装置造水规模居世界第一位，约占 2 7 。其它主要建在美国、日本、德国和其他沿海国家。1 9 6 0 年在阿联酋建成的第一座 海水淡化厂，其产量仅为5 0 m 3 d 4 1 ，现在其规模已达2x1 0 6 3 d 。从上世纪七十年代至今， 大部分沿海国家都开始着手研究海水淡化技术。当今各种海水淡化方法都向大型化发 展，世界上最大的多级闪蒸海水淡化装置在阿联酋，共有六台装置组成，每台的造水容 量达到5 4 6 1 0 4 m 3 d ，整个海水淡化厂日产淡水3 2 7 6 1 0 w 最大的低温多效淡化装 置位于以色列的a s h d o d 电厂，日产淡水1 9 x 1 0 留。最大的海水反渗透淡化装置位于沙 大连理工大学硕士学位论文 特阿拉伯j e d d a h ，日产淡水1 1 4 x 1 0 4 m 3 i 习美国的y u m a 淡化厂建成于1 9 8 9 年，日产 淡水2 7 3 x1 0 留，是世界上最大的苦咸水反渗透淡化厂。 随着海水淡化技术的突破，利用热电联产海水淡化技术，使得提高电厂效率的同 时，迸行海水淡化这一目的得以实现。鲡海湾地区的y a n b u - m e d i a n 期工程采用的就是 热电联产、r o 与m s f 海水淡化的联合方案，其中，发电1 5 0 m w , r o 与m s f 装置容量各 1 2 0 0 0 0 1 m 3 d 。在2 0 世纪最后几年，阿联酋迪拜的j e b e la l l 电站( g 座) 发电4 5 0 姗， m s f 与r o 联合系统造水2 8 8 0 0 0 x 1 0 4 1 3 d ，阿布扎比( a b u d h a b i ) 的水电部门建设装机容 量7 3 2 m w 的发电机组、6 x 5 8 0 0 0 m 3 d 多级闪蒸海水淡化厂。 由于采用各种新的工艺和多种新技术的出现，也使得海水淡化的成本大大降低。最 有代表性的例子是赛浦路斯进行的国际招标中，淡化水的最低报价从1 9 9 5 年的1 2 2 美元 吨下降至1 j 1 9 9 8 年的0 7 8 2 美元吨【6 】。根据目前各种海水淡化装置的报价，不同方法，不 同工艺的海水淡化装置通常的综合成本可达到5 - 8 元m 3 淡水，接近甚至低于部分地区的 自来水价格，从而使海水淡化技术大规模应用的前途越发光明。 1 ，3 主要海水淡化技术 寥毒眭闻蘸m s fir 1 砖耀 三f r 删m s 零蚀麓馏t y p e dj - 1 衣台物法h d r “棚 图1 2 海水淡化主要方法示意图 f i g 1 2m e t h o d so fd e s a l i a a t i o a 海水淡化就是将海水中的盐分和水分分离的技术和过程，最终得到淡水和浓缩盐 水。根据盐水分离方法分类，从盐水中取出淡水的方法主要有蒸发( 蒸馏) 、反渗透、纳 滤等：从盐水中取出盐的方法主要有电渗析、离子交换、填充床电渗析等。按脱盐过程 分类，海水淡化方法主要有热分离法，膜法和化学方法三大类其中，热法海水淡化技 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 术主要有蒸馏法和结晶法之分，前者主要包括多级闪蒸，多效蒸发和压汽蒸馏等方法， 后者则由冷冻法和水合物法构成。膜法海水淡化技术包含了反渗透法和电渗析法。化学 方法海水淡化技术主要有离子交换法。在这些海水淡化方法中，冷冻法海水淡化由于冰 晶的洗涤和分离较困难，造成装置复杂，运行可靠性不高川；水合物法所产淡水水质较 差；离子交换法制水成本较高，因而一直难以被大规模应用。目前投入商业运行的海水 淡化方法主要有多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发( m e d ) 、压汽蒸馏( v c ) 、反渗透( r o ) 和电渗折 法( e d ) ，而适用于大型的海水淡化方法只有m s f 、m e d 和r o 7 ) 。表1 1 归纳了几种海水淡 化方法的特性。 表1 1 大型海水淡化技术的比较 m s fm e dr o 预处理要求低低非常高 化学品消耗高低低 产生污泥量无无少量 污垢低低高 操作性简单简单复杂 投资最高高较低 耗电量3 5k v | 1 r l m 3 1 2k 1 i m 4k w h m 3 蒸汽耗量 1 0 ：1g o r( 7 1 0 ) ：1 g o r无 浓缩系数 1 51 51 5 海水顶温1 1 0 6 5 常温 进水压力 o 2 8m p a0 2 8m p a 6 9m p a 水质 5p p mbp p m2 0 0 - 5 0 0p p m 单装置容量超大型大中型中小型 可靠性很高高依赖预处理 1 3 1 多级闪燕( u s f ) 多级闪蒸是五十年代末发展起来迄今应用最广、规模最大、成熟程度最高的海水淡 化技术。1 9 5 7 年英国学者r s s i l v e r 发明了多级闪蒸海水淡化方法，当时它在降低能 耗和防垢问题方面有独到的优越性，因而自其诞生之日起，发展非常迅猛，一跃成为脱 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 盐技术的主力，其装置建设规模和淡水产量至今仍居主要地位。1 9 9 0 年国际原子能委员 会认定多级闪蒸技术是技术最成熟，应用最广泛的海水淡化技术嘲。 图1 3 多级闪蒸海水淡化装置流程图 瞰1 , 3 h o wc h a r to f m s f 海水由加热器加热到一定温度后进入闪蒸室，室内压力受控制低于热海水温度所对 应的饱和蒸汽压，从而使海水迅速蒸发形成蒸汽，盐水自身的温度降低，蒸汽冷凝后 即为淡水。熟海水流过若干个压力逐级降低的闳蒸室，逐级蒸发降温，得以淡化，同时 盐水也逐级浓缩，直到温度接近天然海水温度 现代m s f 已实现大型化，多采用“双目的”运行方式，即发电厂与海水淡化厂合建， 充分利用汽轮机低压蒸汽作为淡化热源，体现了显著的经济效益。例如，阿联酋的阿布 扎比a ij u b a i l 水电联合厂多级闪蒸单机容量高达4 5 4 0 0 - 5 7 7 0 0 m 3 d 1 9 。 1 3 2 多效蒸发( m e d ) 多效蒸发法历史最为悠久，蒸馏过程的技术种类最多，变化也最为剧烈，经历了由 浸没管蒸发、竖管降膜蒸发，到横管降膜蒸发的发展过程。目前，具有商业价值的脱盐 技术有竖管蒸发( v t 吡dt u b em u l t i p l ee f f e c td i s t i l l a t i o n ) 和水平管蒸发( h t - m e d t u b em u i t i p l ee f f e c td i s t i l l a t i o n ) ，其它方法由于结垢严重而被淘汰。 多效蒸发法原理是加热后的海水经多个蒸发器串联运行，用一定量的蒸汽输入反复 冷凝、蒸发，前一效蒸发的二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽，从而得到多倍于蒸汽量淡 水的过程。多效蒸发技术也主要与电厂联合运行，这又包括两种类型，一类是各效分列 一5 一 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 式，2 0 世纪7 0 、8 0 年代较盛行，称为竖管蒸发( v t e ) ，操作温度一般较高，顶温1 0 0 1 2 0 ，欧洲和亚洲一些火电厂都有使用；另一类是低温多效蒸馏( l t - m e d ) ，顶温6 5 7 0 c 。后者较前者更具竞争力，其传热效率更高，结垢腐蚀倾向更小【1 0 1 。 图1 4 低温多效蒸发海水淡化装置流程图 f i g 1 4 f l o wc h a no fi j m 曰d 1 3 3 反渗透( r 0 ) 1 9 5 9 年，s s o u r i r a j a n 和s i d n e yl o e b 发现膜的不对称性，进而确定了著名的凝 胶一相转化制备不对称膜的工艺f 1 1 1 ，并于1 9 6 0 年成功研制出第一张高盐截留率、高水通 量的不对称二醋酸纤维素海水反渗透膜【切，使反渗透法逐渐达到实用化的水平。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。这时，淡水 通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止。 这个过程即为渗透。与此同时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧 施加一个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。这也就是反渗 透海水淡化过程的原理。反渗透技术的主要部件是反渗透膜，反渗透膜技术经过几十年 的发展，己趋成熟，性能也有了很大提高，目前反渗透膜的脱盐率已达到9 9 6 【廿l 。 与多效闪蒸相比，反渗透法的最大优点是节能，反渗透法只耗费电能，不需要蒸 汽，电耗率已降低到3 9 k w h t 【廿1 ，水平单杌容量已达到9 5 0 0 m 3 d 【1 4 】，能耗仅为电渗析 法的1 2 ，蒸馏法的1 4 0 。此外，还有设备系统模组化，安装容易；淡化厂的兴建周期 较短，厂房占地面积小等优点然而该方法中，膜的更换费用高，海水的预处理要求严 格以及操作要求高等是急需解决的问题，并且反渗透法的设计操作温度为2 5 c ，宜在热 带和亚热带地区推广使用【搏坷 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 压汽燕馏( v e ) 压汽蒸馏技术虽发明较早，但在上世纪7 0 年代以前的3 0 年中发展缓慢，随着压汽、 密封、传热技术的提高，7 0 年代初开始迅速发展起来。这种技术的原理是，经预热的海 水到蒸发器中受热汽化，蒸发出的二次蒸汽通过压缩机的绝热压缩，提高其压力、温度 及热焓后作为加热蒸汽用，使二次蒸汽在蒸发器内连续循环而重复利用。压汽蒸馏分为 机械压缩( m e c h a n i c a lv a p o rc o m p r e s s i o n - m v c ) 和热压缩( t h e r m a lv a p o r c o m p r e s s i o n t v c ) 。 机械压缩使用机械压缩机提高二次蒸汽的压力、温度，使二次蒸汽的潜热在蒸发器 内连续循环并发生热交换。其只消耗电能，不需要蒸汽热源及冷却水，同时随着离心式 蒸汽压缩机的运用与技术水平的提高，使得m v c 技术得到了较快的发展。机械压缩由于 使用压缩机，装置规模受压缩机容量的限制，一般以日产几千吨淡水以下的规模较适宜。 热压缩采用高压蒸汽在喷射器中吸引二次蒸汽，实现低压蒸汽反复利用的目的。其结构 简单，操作方便，因而发展迅速。1 9 9 3 年a d i l 提出了将多效蒸馏与热力压缩相结合， 研究表明，一个典型的7 效或者8 效的水平管降膜蒸发器的造水比低于8 ，而加上热力 压缩单元之后，造水比可以达到1 1 ，一个带压缩的5 效蒸馏器与一个不带压缩的9 效蒸 馏器的性能相近i 切法国s i d e m 公司和日本s a s a k u r a 公司分别开发了两套容量1 5 0 0 i n 3 d 的t v c 系统，研究显示在相同的造水比和能耗下，t v c 系统所需要的传热面积比多级闪 蒸和多效蒸发都要低，此外投资也明显低于多级闪蒸系统【堋。 1 3 4 电渗析( e d ) 电渗析技术起源五十年代初的美国，当时用于苦咸水淡化，之后日本于1 9 7 4 年开 创了电渗析海水淡化的先例。电渗析法是利用具有选择透过性的离子交换膜在外加直流 电场的作用下，使水中的离子定向迁移，并有选择地通过带有不同电荷的离子交换膜， 从而达到溶质和溶剂分离的过程。电透析法所耗用的电能与电解质浓度成正比，电解质 浓度越高，电流密度就越大，淡化一吨水的成本也就越高，因此电渗析法适用于含盐量 不高的海水淡化，一般要求海水的含盐量小于5 0 0 0 x1 旷在常规条件下电渗析海水淡 化技术直接电耗达到1 6 2 0k w h m 3 淡水，相比于同期出现的其他海水淡化方法而言，其 能量消耗偏高，因此电渗析技术在海水淡化方面的应用受到一定限制【”。 1 4 海水淡化发展趋势 上述的几种海水淡化方法，各有其技术特点和合适的应用领域，但依据德国学者 r a u t e n b a c h 对过去4 0 年的研究发展得出的结论：多级闪蒸、低温多效蒸发和反渗透技 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 术必将决定海水淡化技术的未来走向。其中低温多效蒸发海水淡化技术已成为未来第 二代水电联产海水淡化厂的主流技术【2 ”，其优势如下： ( 1 ) 蒸发器能够在较低的盐水顶值温度( 大约7 0 ) 下工作，可以降低和减缓结垢 与腐蚀现象的发生； ( 2 ) 对于水电联产的海水淡化装置，系统具有更高的效能和相对低的能量消耗，可 以利用火力发电厂或者低温核反应堆提供的低位热源，将海水多次蒸发和冷凝达到较高 的造水比； ( 3 ) 横管降膜蒸发传热管内蒸汽冷凝，传热管外海水蒸发，传热管内外都有相变， 因而其传热系数较高； ( 4 ) 对海水的预处理要求低，海水进入装置前只需经过筛网过滤和加入适量的阻垢 剂即可； ( 5 ) 系统运行安全可靠。在系统中，发生的是管内蒸汽冷凝，管外液膜蒸发，即使 传热管发生了腐蚀穿孔而泄漏，由于汽侧压力大于液侧压力，浓盐水绝对不会流到产品 水中； ( 6 ) 产品水水质高。低温多效蒸发的水质可以达至u 5 p p m ，无需再处理就可以直接作 为锅炉水的补水； ( 7 ) 可使用较廉价的材料，如铝合金传热管等，以降低成本。 1 5 国内海水淡化技术的发展 我国蒸馏法海水淡化技术的研究及应用已有半个世纪的历史，早在5 0 年代就在兰 州西固热电厂建立了处理锅炉供水的蒸发除盐装置i 捌，6 0 年代就有了船用多级闪蒸海 水淡化设备，6 0 年代末曾在邯郸码头铝厂建立了用于河水处理的5 m 3 h 的1 2 级闪蒸设 备【2 冽。1 9 7 4 年，在天津市科委的组织下，天津大学、轻工业部制盐研究所、天津海水 淡化综合利用研究所共同研制和试验完成日产百吨级多级闪蒸海水淡化原型试验装置， 实际生产能力达到日产淡水7 2 m 3 瞄】；1 9 7 7 年大连工学院、大连石油七厂研制成功我国 第一套竖管多效蒸发海水淡化试验装置，产水能力l o 一1 2 一d i 硐。该两台试验装置的研 制成功，为发展大中型多级海水淡化技术、工业水脱盐和余热造水技术打下了基础。我 国大型多级闪蒸装置是1 9 8 7 年大港电厂从美国引进的二套3 0 0 0d d 的多级闪蒸海水淡 化装置嘲1 9 9 7 年华北电力大学研究生院与天津大港电厂在仿制的基础上完成1 2 0 0 m d 多级闪蒸海水淡化装置的研制2 8 l 。国内低温多效蒸发海水淡化技术也正逐步进入实 践应用阶段天津海水淡化与综合利用研究所在山东青岛黄岛电厂建成了3 0 0 0m 3 d 的 大连理工大学硕士学位论文 低温多效海水淡化示范工程，吨水能耗1 6 5 k w h ，水质达到4 2 唱1 【2 9 】；河北国华沧东 发电有限责任公司与s i d e m 公司合作，建成了2 x1 0 1 m 3 d 的低温多效海水淡化工程，制 成淡水的含盐量小于5 4 2 m g 1 1 2 9 。天津海水淡化所经过多年科技攻关，解决了压缩机 的设计和制造技术，解决了蒸发装置从单效变成多效的接口问题1 2 9 删，于2 0 0 3 年5 月 在山东青岛黄岛电厂建成了6 0 d d 压汽蒸馏海水淡化示范工程 我国反渗透海水淡化技术是从1 9 6 5 年开始的。但是直到1 9 9 7 年才在浙江省嵊泗县 嵊山镇由国家海洋局杭州水处理开发中心建成了日产淡水5 0 0 m 3 的反渗透海水淡化厂 【3 1 1 。1 9 9 8 年上海宝钢集团在嵊泗县马迹山岛引进2 4 0 m 3 d 反渗透海水淡化装置。同年在 大连市长海县大长山岛建成1 0 0 0 m 3 d 的反渗透海水淡化厂。2 0 0 0 年河北沧州化学工业 股份有限公司在其新厂区建设的1 8 0 0 0 m 3 d 的高浓度苦成水淡化厂开始运行，该工程作 为国内最大的反渗透苦咸水淡化厂，对国内的反渗透淡化事业的发展起到了巨大的推动 作用。2 0 0 1 年，在山东长岛建成的5 0 0 m 3 反渗透海水淡化示范工程，已将能耗降低到 4 k w h m 左右，成本降至5 元吨淡水左右，达到国际水平至此反渗透海水淡化已在中 国开始大规模应用。 我国在5 0 年代末期就开始电渗析的研究。6 0 年代末研制成功了电渗析一次脱盐工 艺和定时倒极电渗析技术，解决了电渗析装置的极化，消除了沉淀，提高了运行稳定性。 7 0 年代以来，相继进行了多种均相离子交换膜的研制和中试放大，电极动力学研究和新 型钛涂钌电极的制备，e d 水力学参数研究，大型e d 膜堆的设计。1 9 7 0 - 1 9 7 2 年之间日 产7 m 3 和1 4 m 两种电渗析海水淡化装置用于岛屿饮用水制取。1 9 8 1 年6 月在西沙建成 2 0 0 m 3 d 的电渗析海水淡化站，满足了当时的军用和民用的需求，1 9 9 1 年我国援助马尔 代夫的2 h 海水淡化电渗析装置进入运行 3 2 - 3 3 1 。 与此同时，我们也看到我国在海水淡化方面的研究、生产都远远落后于世界先进水 平，目前国内应用的较大型海水淡化装置的关键技术都依赖于进口，没有形成我国自有 的技术与生产体系。随着我国对海水淡化需求的增加，开发具有独立知识产权的海水淡 化技术是我国海水淡化事业发展的最好出路。 1 6 本文的研究内容 本文以热法海水淡化技术为背景，重点研究了带t v c 的低温多效蒸发海水淡化系统， 主要工作内容如下： 1 ) 针对海水淡化系统横管降膜蒸发器，分别总结了管内冷凝侧与管外蒸发侧的换 热系数关联式，并对不同参数对换热系数的影响进行了分析和比较，并结合不同的污垢 一9 一 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 系数，对总传热系数进行了分析；同时对横管降膜蒸发器冷凝侧管内流动阻力计算进行 了总结与分析。 2 ) 建立了带t v c 的串联和并联流程下的低温多效蒸发海水淡化系统的物理模型和 数学模型。 3 ) 采用基于高斯一约旦消元的等面积迭代法，利用v i s u a lb a s i c 语言编制了界面 友好、通用性较高的计算求解程序，对带t v c 的串联和并联流程下的低温多效蒸发海水 淡化系统数学模型进行了求解。 4 ) 利用求解结果，针对进口海水温度、第一效加热蒸汽温度、系统浓缩比、电厂 抽汽参数、外界热源预热量以及预热位置、t v c 布置形式等参数对系统性能的影响进行 了分析与比较，同时分别针对串联和并联流程、有t v c 和无t v c 的低温多效海水淡化系 统方案进行比较与分析，其结果可以指导工程设计与实际运行。 大连理工大学硕士学位论文 2 横管降膜蒸发器传热系数和管内冷凝流动阻力的研究 2 1横管降膜蒸发原理 横管降膜蒸发是一个海水中的水分由液相向汽相转移的传热传质过程，其热传递主 要依赖导热和对流换热，质传递主要依赖分子扩散和对流扩散。海水通过布液器均匀地 喷淋在蒸发部分横管的外壁面，形成液膜沿圆周做降膜流动。管内用蒸汽进行加热，通 过管壁与液膜进行热交换，使液膜升温。随着液膜温度的升高，水蒸汽分子首先进入紧 贴液膜表面的空气边界层，即与液膜表面温度相同的饱和空气层。当该饱和空气层的水 汽层的分压力大于周围空气的水汽分压力时，饱和空气层的水蒸汽分子就要向周围空间 扩散，而液膜中的水分子也不断地脱离液膜表面进入饱和空气层。随着与液膜接触的壁 面温度的持续升高，传递给液膜的热流密度不断增加，膜层的水分子不断脱离液膜表面 变成水蒸汽分子，蒸发过程便不断进行，随着传质的进行，蒸发空间的水蒸汽含量和压 力会逐渐升高，这就需要不断地抽取蒸发空间的水蒸汽，以维持传质过程的持续进行。 【】 ) 1 、r r1 、，r1 r 、r1 、厂1 、厂 v 1 i r 、r1 、r1 、r 、厂、f ， ： ) ) 图2 1 横管降膜蒸发示意图 f i g 2 1 p i c t u r eo f h o r i z o n t a lt u b ee v a p o r a t i o n 横管降膜蒸发是让液体以膜状形式由一个水平管向下滴落到与其并连的另一个水 平管，并依靠管内介质的加热而不断蒸发的过程基于该技术的横管降膜蒸发器由多排 横管组成，在上一层管外壁上蒸发的余液落至下一层管上继续蒸发，随着蒸发的持续进 行，液膜厚度不断减小。液膜厚度越小，其传热系数就越高，横管降膜蒸发相比其它形 式的蒸发可以很大程度上提高传热系数和传热性能，对于光滑管而言，横管降膜的传热 系数二倍于竖管降膜蒸发，三倍于闪蒸。同时，由于可以实现在较小温差下进行传热， 表面过热度下降，管表面的结垢情况也得以改善因此研究横管降膜蒸发法的换热系数、 小温差传热、水平管的表面设计等等对于多效蒸发海水淡化方法的发展具有重要的意 义。 带稳压缩的低温多效海水淡化系统的研究 2 2 横管降膜蒸发器传热系数 工程中通常以圆管外表面积为基准，计算传热系数，表达式为： j 言( 鲁) + 一( 鲁) + 老( 老) + ，+ ：1 ： c z ， 其中，6 。为管壁厚度，扎为管材的导热系数，d 。为管予外径，d ，为管子内径，d 。 为管子的平均直径。 在传热的四个阻力中，管壁的热阻是容易计算的，但往往占全部热阻的很小一 部分，关系不大。管内热阻_ 和管外热阻都可以查手册或根据生产积累的数据来选 定，污垢热阻的大小对传热系数往往有较大影响。所以现在的关键问题是在于管外蒸发 传热系数c r 0 及管内冷凝传热系数a ；的确定。 对于横管降膜蒸发的传热系数，还缺乏准确通用的理论关系式，目前采用的计算方 法主要基于实验总结出来的计算关系式。由于实验条件、实验对象、测试仪器，归纳方 法等方面的差异，已有的关系式的计算结果差异很大。针对大型海水淡化横管降膜蒸发 装置的传热过程的研究很少见。经过大量文献检索，本文总结了以下与海水淡化系统中 横管降膜蒸发器传热计算相关的经验关系式，并进行了计算与分析。 2 2 1管内冷凝侧换热系数 c h a t o 3 4 1 在努塞尔理论的基础上给出了适用子p r 王1 条件下水平管内凝结换热的 关系式： 0 p l ( p = - p o ) 占 r + 詈c 以一o ) 】! a ，- 0 5 5 爿瓦再亍叫4 _ 其中，九为冷凝液导热系数，p 。为冷凝液密度。几为蒸汽密度，窖为重力加速度， r 为蒸汽冷凝潜热，c 为冷凝液定压比热， 耽为冷凝液粘度，0 为饱和温度，0 为管 壁温度。 a k e r s 嘲引用一个管内当量质量流速e 来考虑蒸汽流和凝液对放热的影响，将管内 两相流动的问题当作单相流动处理，给出了如下关系式： 当警州一s x ，m 警- s 。，( 警) 3 乒 仇九吼， ( 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 当鲁- s x 如，。= 0 0 2 6 5 ( 警卜乒 汜t ， 吼吼， 其中，e 为管内流体的当量质量流率，q - g 工+ ( 老) 九， g 工为凝结液质量流 率，等于凝结液入口质量流率吼，和出口质量流率g 工：的平均值呸- 去( 吼，+ q ：) ，g g 为 蒸汽质量流率，等于蒸汽入口质量流率。和出i z i 质量流率岛：的平均值 g c - 寺i o o , + 吼：) ，仉为凝液动力粘度，甩为凝液的普朗特数。 s h a h 3 6 综合了若干研究者的4 7 4 个实验点之后，认为管内凝结时的两相流动放热系 数等于管内为单相流体流动时的放热系数乘以修正系数，而该系数与蒸汽的相对含量以 及蒸汽的对比压力有关，给出了适用于牛顿非金属流体的管内凝结换热关系式： ”小硝+ 型苦坐1 ( 2 5 ， 当r c i 2 2 0 0 时，a 0 0 2 3 r e p p 争 ( 2 6 ) r 2 2 0 0 时, 咿- “r 吲鲁悯“ 娩z ， 其中，r 为相对蒸汽压力，等于饱和蒸汽压力p 与临界压力只的比值r - 吾，r e 。为 全液相雷诺数，l 为管子长度，x 为管子进出口的平均干度，风为凝结液饱和状态动 力粘度，心为凝结液壁温下动力粘度。 上式实验范围为：r = 0 0 0 2 - - 0 4 4 ；饱和温度2 9 4 k - 5 8 3 k ：蒸汽流速3 3 0 0 m s ；管 径7 4 0 哪；蒸汽含量0 - 1 0 0 ；管内总质量流率3 9 0 0 0 - 7 5 8 0 0 0 堙( m 2 h ) ；热流率 1 5 8 1 8 9 0 0 0 0 w m2 ；r e l = 1 0 0 , - - 6 3 0 0 0 ；p 毛= 1 1 3 。 许莉i 卅在一个小型实验台上进行了横管管内凝结的实验研究，给出如下计算公式： ! 竺竺：! ! 兰：【二：i 三：竺：兰三】 弘l 。d l 。 一t j ( 2 8 ) 带热压缩的低温多效海水淡化系统的研究 黼+ - o ，s s z 滢几半厂涨撇黼拣 实验范围为：管径0 0 2 - 0 0 4 m ，出口蒸汽流速o 1 - 1 1 册s ；管长0 2 5 一i m 。 图2 2 管内换热系数随管内径的变化 f i g 2 2 e f f e c to f t u md i a m e t e r o ni n s i d ec o e f f i c i e n t s - 幡 “0 60 n lo ，1 20 t 4o i “20 2 2 “列 出口千度 图z 4 管内换热系数随出口蒸汽干度的变化 f i g 2 4e f f e a o f o u t l e t v a p o r q u a l i t y o i li n s i d ec o e f f i d e n t s 图2 3 管内换热系数随进口蒸汽速度的变化 f i g 2 3 e f f e c to f i n l e tv a p o rv e l o c i t y o ni n s i d et o e 伍d 朗t s l 1 4 0 0 0 _ 1 2 0 0 0 墨1 0 0 0 0 釜8 0 0 0 鬟e 4 0 0 0 2 0 0 0 o 五2h5 65 8 6 2 “竹髓7 0 温度 图2 5 管内换熟系数随蒸汽温度的变化 f i g 2 5e f f e c to f v a p o r t e m p e r a t u r e o ni n s i d ec o e f f i c i e n t s 根据低温多效蒸发海水淡化系统特点，本文选取如下计算参数，对以上适用于海水 淡化系统的水平管内冷凝侧换热系数进行了比较与分析：水平管长为9 m ，管子直径为 0 0 2 2 珊，管内进口蒸汽速度为3 2 5 m s ，管内蒸汽出口干度为0 1 5 ，凝结温度为6 0 。在以上基本参数中的一个参数变化。其它参数保持不变的情况下，分别应用c h a t o 、 s h a h 、a k e r s 公式进行了计算，并将三者的计算结果进行了比较，结果在图2 2 至图2 5 中示出。公式( 2 8 ) 实验范围与选取计算参数范围差别较大，未将其列入计算分析。 勰淼裟黧0 _，鬻jl瘴鼙 大连理工大学硕士学位论文 从图2 2 至图2 5 中可以看出i 在其它参数不变的情况下，管内凝结换热系数随管 内径的增大而减小：随蒸汽进口速度和出口蒸汽干度变化不明显；随蒸汽温度的升高而 增大。其中c h a t o 公式计算式得到的结果最大，a k e r s 公式和s h a h 公式的计算结果相 近，计算值较小。 上