（工程热物理专业论文）机械压汽蒸馏技术的实验应用与仿真研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e g r e e f i i i i f ii if ii l l l i i 1lri i 1 lli l i i i i y 2 2 5 4 7 0 7 t h ee x p e r i m e n t a la n d s imula t i v er e se ar cho ft he m e c h a ni c a lv a p o r co m p r e s s io nd is t illa t ion a u t h o r sn a m e ： 一一一 s p e c i a l i t y ： s u p e r v i s o r ： fi n i s h e d time：lnlslledt l d o n g s h e n g j i a o e n z thermophysicsengineering 1n e r m o p n y s l c s p r o f x i a o f a n gc h e n g o c t 4 m ，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：j 主、垒笠 签字日期：地! 兰：! 么：z 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者躲焦丕! 签字日期：2 , 0 _ ? 二l l0 翩签名：跫竖 签字日期：垫堡：! ! ：兰 摘要 摘要 机械压汽蒸馏海水淡化技术，利用压缩机压缩低温饱和蒸汽，使其变成高 温过热蒸汽，过热蒸汽冷凝生成淡水，释放潜热加热饱和盐水，盐水部分蒸发 生成饱和蒸汽。这种工艺，不仅能有效缓解盐水结垢和腐蚀问题，而且能充分 回收冷凝潜热，因而具有比较高的热效率。 本文设计建立的机械压汽蒸馏海水淡化实验系统，采用了离心压缩机，其 构造生产能力为2 m 3 d 。实验研究了压缩比、蒸发温度和盐水浓度等主要参数 对淡水产量和能耗的影响。蒸发温度介于8 9 1 9 7 6 c 之间，离心压缩机的压 缩比处在1 1 一l 。2 5 之间。当盐水浓度质量比为2 o 到4 o 时，实验系统运行良 好。实验结果表明，这个实验系统生产淡水的单位能耗，为5 9 4 8 6 4 k j k g 。 用热力学第二定律，分析了机械压汽蒸馏海水淡化实验系统的熘激率。把 海水的初始状态作为参考状态，建立了数学模型，用来分析了压缩比、蒸发温 度和盐水浓度等对实验系统炯效率的影响。实验研究了系统构件在生产淡水过 程中的媚损。分析结果表明，实验系统的好激率为1 0 7 ( 如果考虑排泄损失 则为3 3 ) ；其中蒸发冷凝器、离心压缩机和预热器( 含水泵) 的媚损，分别 占2 3 2 ，3 7 5 和2 8 6 。 研究了利用机械压汽蒸馏技术，浓缩工业废液安赛蜜稀溶液，回收工业原 料的可行性和经济性。实验采用循环蒸馏浓缩工艺，将溶液逐渐浓缩到设计的 浓度。对水蒸汽的压缩过程进行了热力学分析，给出了压缩机合理的压缩参数。 给出了蒸发冷凝器的详细设计方程，设计建造了循环蒸馏浓缩实验系统。实验 测试了蒸发温度在7 3 到1 0 0 之间，实验系统从溶液中蒸发掉水分的能力。 浓缩过程以蒸发水分计算，则利用该工艺，从溶液中蒸发出1 吨水的成本大约 为2 8 元吨；而传统工艺利用热力蒸汽蒸馏，成本大约为l 】0 元吨。 以t r n s y s 为平台，依照实验系统参数，建立生产能力为2 m 3 d 。的机械压 汽蒸馏实验系统的仿真模型。对比研究了在实验条件下，仿真系统和实验系统 淡水生产能耗。模拟数据表明仿真系统的结果与实验结果近似。 为了进一步研究，机械压汽蒸馏系统中辅助热能的能耗。在t r n s y s 系统 内，机械压汽蒸馏仿真系统内的加热系统由电加热系统和太阳能加热系统构成， 优先使用太阳能加热。太阳能集热器能力不足时，以电加热器补充。以合肥地 区的气象参数为基础，模拟研究了辅助热源太阳能，在机械压汽蒸馏系统中发 挥的作用。详细分析了真空管太阳能集热器的模拟原理，建立了集热面积为4 n l z 的真空管集热系统作为辅助加热系统。集热器的出口温度控制为7 5 。通过水 摘要 泵流速的调节，控制真空管集热器的出口水温，用水箱来减缓太阳辐射变化， 对蒸馏系统压缩机的性能的影响。在太阳辐射强度为6 0 0 w m z 以上，蒸发温度 为7 0 时，太阳能作为辅助热源，可节约的能耗大约为2 5 。 关键词：海水淡化机械压缩蒸汽炯溶液浓缩系统仿真t r n s y s i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nas y s t e mo fm e c h a n i c a lv a p o r c o m p r e s s i o nd e s a l i n a t i o n ( m v c d ) ，t h e l o w - t e m p e r a t u r es a t u r a t e ds t e a mi sc o m p r e s s e di n t oah i g h t e m p e r a t u r es u p e r h e a t e d s t a _ t eb yac o m p r e s s o r , t h eh i g h - t e m p e r a t u r es u p e r h e a t e ds t e a mi st h e nc o n d e n s e di n ac o n & ：n s e r w h i l et h es a t u r a t e ds a l tw a t e ri sh e a t e db yt h el a t e n tr e l e a s es ot h a tt h e s a l tw a t e rc a l lb ep a r t i a l l ye v a p o r a t e dt os a t u r a t e ds t e a mi na l le v a p o r a t o r t h i s t h e r m o p h y s i c a lp r o c e s s c a ne f f e c t i v e l ya l l e v i a t eb r i n ef o u l i n ga n dc o r r o s i o n p r o b l e m so f s a l tw a t e r , a n df u l l yr e c o v e rl a t e n th e a to fc o n d e n s a t i o n ，t h e r e f o r ei tc a l l r e s u l ti nah i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h ed e s i g n e da n de s t a b l i s h e d e x p e r i m e n t a ls y s t e m o fm e c h a n i c a l v a p o r c o m p r e s s i o nd e s a l i n a t i o n ( m v c d ) u s e sac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r i t sp r o d u c t i o n c a p a c i t yi s2 m 3 d ，t h ee f f e c t so ft h ep a r a m e t e r so fc o m p r e s s i o nr a t i o ，e v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r ea n ds a l tc o n c e n t r a t i o no nt h ep r o d u c t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o no f f r e s h w a t e rw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h em v c ds y s t e mc a no p e r a t ew e l l w h e nt h e e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ei s t h er a n g ef r o m8 9 1 t o9 7 6 ，t h e c o m p r e s s i o nr a t i oi nt h er a n g ef r o m1 1t o1 2 5 ，a n db r i n ec o n c e n t r a t i o ni nm a s sr a t i o v a r i e sf r o m2 ，0 t o4 。o t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ff r e s hw a t e ro ft h em v c d s y s t e mi s5 9 4 8 6 4 k j k g t h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c sw a su s e dt oa n a l y z et h ee x e r g ye f f i c i e n c yo f t h em v c ds y s t e m am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h ee f f e c t so f t h ec o m p r e s s i o nr a t i o ，e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds a l tc o n c e n t r a t i o no nt h ee x e r g y e f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，w h e nt h ei n i t i a ls t a t e o fs e a w a t e ri sa s s u m e dt ob et h e r e f e r e n c es t a t e t h er e s u l t so fa n a l y s i si n d i c a t et h a tt h ee x e r g ye f f i c i e n c yo ft h e s y s t e mi s10 7 ，a n dt h ee x e r g yl o s s e so f t h ee v a p o r a t o r - c o n d e n s e r , t h ec e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r , t h ew a t e rp u m pa n dt h ep r e h e a t e rr e s p e c t i v e l ya r er e s p e c t i v e l y2 3 2 ， 3 7 5 ，a n d2 8 6 t h ef e a s i b i l i t ya n de c o n o m yo ft h em v c ds y s t e mf o rd i s t i l l i n ga c e s u l f a m ed i l u t e s o l u t i o nt or e c o v e ri n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l sw a si n v e s t i g a t e d t h es o l u t i o nw a s g r a d u a l l yc o n c e n t r a t e dt ot h ec o n c e n t r a t i o no ft h ed e s i g nb yt h ec y c l ed i s t i l l a t i o n p r o c e s s t h et h e r m o d y n a m i cp r o c e s so f t h ec o m p r e s s i o no ft h ev a p o rw a sa n a l y s e d t h ep a r a m e t e r so ft h ec o m p r e s s o rw e r ed e s i g n e d b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c e q u a t i o no ft h ee v a p o r a t o r - c o n d e n s e r , t h ed i s t i l l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a s s e tu p t h ea b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a st e s t e dw h e nt h ee v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r e i i i a b s t r a c t w a st h er a n g ef r o m7 3 ( 2t o10 0 ( 2 t h e ：e c o n o m i cc o s to ft h em v c dt e c h n o l o g yi s a b o u t2 8 r m b d ，w h i l et h et r a d i t i o n a l p r o c e s s c o s ta b o u tl l0 r m b d ，h e r e r m b = y u a n ，d = 10 0 0 k g t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r e p l a t f o r m t r n sy sw a su s e dt oe s t a b l i s ha t h e r m o d y n a m i c a lm o d e lt od e s c r i b et h eo p e r a t i o no ft e s tm v c ds y s t e mw i t ht h e p r o d u c t i o nc a p a c i t y2 m 3 d 一t h ef r e s hw a t e rp r o d u c t i o n a n dt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n sa tv a r i o u sl o c a t i o np o i n t sw e r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ff r e s hw a t e rp r o d u c t i o nw a sa l s op r e d i c t e d i t w a sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o nm o d e lc a nd e s c r i b et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo f e x p e r i m e n t a lm v c ds y s t e ma p p r o x i m a t e l y t h ee f f e c ts o l a re n e r g ya sa na u x i l i a r yh e a ts o u r c eo nt h em v c ds y s t e mw a s s t u d i e dw i t hr e s p e c tt ot h em e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r si nh e f e ii nt h es o r w a r e t r n s y s t h eh e a t i n gs y s t e mc o n s i s t so fae l e c t r i ch e a t i n ga n das o l a rh e a t i n g s y s t e m t h es o l a rh e a t i n gs y s t e mw a sa4 m 2v a c u u mt u b es o l a rc o l l e c t o r , a n dt h e o u t l e tt e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e dt o7 5 。c t h r o u g ha d j u s t i n gt h ef l o ws p e e di nw a t e r p u m p ，t h et e m p e r a t u r eo ft h eo u t l e tw a t e ro fv a c u u mt u b es o l a rc o l l e c t o rc a nb e p r o p e r l yc o n t r o l l e d ，a n dt h ew a t e rt a n kc a nb u f f e rt h ei m p a c to f s o l a rr a d i a t i o no nt h e p e r f o r m a n c eo f t h ec o m p r e s s o ro ft h em v c ds y s t e m w h e ns o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t y i so v e r6 0 0 w m - 2 ，t h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei sa b o u t7 0 。c ，u s i n gt h ea u x i l i a r y s o l a re n e r g y ，t h es y s t e mc a ns a v ea b o u t2 5 o ft h ea u x i l i a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：d e s a l i n a t i o n ，m e c h a n i c a lv a p o rc o m p r e s s i o n ，e x e r g y , s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ，s i m u l a t i o n ，t r n s y s w 目录 目录 第一章绪论1 l 。l引言l 1 2海水淡化技术2 1 2 1 多级闪蒸法4 1 2 2 多效蒸馏法7 1 2 3 蒸汽压缩法8 1 2 4 反渗透膜法1 1 1 2 5 电渗析法l l 1 3经济分析1 2 1 4机械压汽蒸馏工艺 1 4 1 5机械压汽蒸馏应用1 8 1 6 太阳能辅助加热技术 2 5 l ，7 仿真设计2 7 1 8 本文工作 2 9 1 9 课题的创新性3 0 第二章机械压汽蒸馏海水淡化系统的性能分析3 1 2 1引言3 1 2 2 实验系统3 l 2 3 数学模型3 3 2 3 1 蒸发冷凝器3 3 2 3 2 压缩机3 5 2 t 3 3预热器3 6 2 4 结果与讨论3 7 2 4 1 蒸发温度对系统运行的影响3 7 2 4 2 盐水浓度对淡水产率的影响3 9 2 4 3 压缩机3 9 2 4 4 预热器的热效率及热损4 0 2 5 小结“4 1 第三章机械压汽蒸馏海水淡化系统的火用分析4 3 3 1 引言4 3 3 2 最低分离功4 4 3 3 姬| 分析4 7 3 。3 。1 好鄹基准环境参数4 7 3 3 2 蒸发冷凝器4 9 3 3 3 压缩机5 0 3 3 4 预热器5 l 目录 3 3 5 水泵5 l 3 4实验系统结构5 1 3 5 实验结果与讨论5 2 3 5 1压缩比5 6 3 5 2 蒸发温度5 6 3 5 3 盐水浓度5 7 3 5 4 不同材质的管束的影响5 8 3 6 ，j 、结5 8 第四章针对废液浓缩的机械压汽蒸馏工艺的实验研究5 9 4 1引言5 9 4 2 系统设计5 9 4 。2 1 蒸汽压缩过程5 9 4 2 2 压缩机选型6 1 4 2 3 蒸发冷凝器设计6 3 4 2 4 阻力估算6 4 4 3 实验系统6 6 4 4 实验结果与讨论6 7 4 5经济性分析7 0 4 6 j 、结7 1 第五章机械压汽蒸馏过程中辅助能源的应用一”7 3 5 1前言7 3 5 2 机械压汽蒸馏仿真系统7 3 5 2 1 仿真系统构造7 3 5 2 2 模拟结果与分析7 5 5 3 太阳能辅助加热机械压汽蒸馏系统7 6 5 3 1 模拟参数设置7 6 5 3 2 模拟系统结构8 2 5 3 3 结果与讨论8 3 5 4 j 、结一8 5 第六章结论8 7 参考文献8 9 附录：海水热物性参数9 7 致谢9 9 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果1 0 0 v 1 符号 符号 符号 参数( 单位)符号 参数( 单位) 彳 6 换热面积( m 2 ) 宽度( m ) 定压比热( j k g 一k 1 ) 比热( j k g 一k 。) ：腓员( j k g j ) 直径( m ) 炯( j k g 1 ) g i b b s 函数( j k g 以) 重力加速度( m s 之) g i b b s 函数( j k g 1 ) 对流换热系数( w m 。k 。) 单位质量流体的焓( j k g d ) 擗g n n ( m s _ 1 ) 导热系数( w m - i k 1 ) 管长( m ) n n n n ( k g 1 ) 摩尔数 努塞尔数 多方指数，摩尔比 压力( p a ) 普朗特数 热量( j ) 希腊文 五 口 p 万 潜热( j k g 。) 液体表面张力 ( n m 之) 截面含汽率 增加量 密度( k g m 3 ) 壁厚( m ) 液体黏度( p a s ) 化学势( j k g j ) 效室 初始，环境 环境 浓盐水 直射辐射 压缩机 冷流体 冷凝水 散射辐射 蒸发 进水，给水，反射 气体，地面 生成 热流体 输入，物种，节点 矽 体 。 口 6 c d p厂bo缈厅 ， c d d 及 g g g 厅 ， 七 上 历 盹聍p抑 q 符号 v l 矸 第l 章绪论 1 1引言 第一章绪论弟一卑殖比 淡水属于基础性自然资源和战略性经济资源，是生态环境的控制性因素和 国家综合国力的有机组成部分。地球上只有3 的水源是可以饮用的。全球约有 2 5 的人口得不到足够的淡水，超过8 0 的国家面临严重的水资源匮乏问题。 随着世界干旱和荒漠化的扩大，加剧了水资源问题的严重性。现在几乎所有的 国家都不得不采取措施面对将来淡水紧缺的问题。 我国淡水资源总量约为2 8 万亿i n 3 ，居世界第六位，人均占有量约为 2 2 0 0 m 3 ，大约只有世界平均水平的3 0 。随着我国人口的增加和经济的发展， 生活和工农业生产用水量剧增，以及大量排放的废渣和废水，造成地区性缺水 和水源污染问题日益严重。目前，正常年份全国每年缺水量近4 0 0 亿m 3 ，有4 0 0 余座城市供水不足，比较严重缺水的有1 1 0 座。预计2 0 3 0 年我国人口达到最高 峰1 6 亿的时候，人均水资源量将只有1 7 0 0 m 3 ，处于世界公认的贫水警戒线 1 8 0 0 m 3 以下。总之，我国水资源人均占有量低，时空分布不匀，使得我国成为 一个水旱灾害频发、水资源短缺、水污染严重和生态环境脆弱的国家【1 1 。 表1 1 全国近年废水及主要污染物排放量( 2 0 1 0 年中国环境状况公报) 工业化和城市化的发展己使全国七大江河流域的5 0 河段被污染。表1 1 列举了近十年我国污水及污染物的排放量。预计到2 0 3 0 年缺水达到4 0 0 5 0 0 亿 m 3 ，而全国城市每年污水排放量约为4 1 4 亿m 3 ，但城市污水处理率和二级处理 第1 章绪论 率分别仅为3 0 和1 5 t 2 1 。对污水的处理不仅能获得可再生的淡水资源，还可 获得污水中有用的成分，使其资源化。 沿海地区人1 2 1 密集，经济建设集中，日常生活和工农业生产对淡水的需求 量很大；多数岛屿和沿海盐碱地区淡水资源比较缺乏。沿海地区海水资源丰富， 工业技术发达，适合开发海水淡化技术。海水淡化既能改善沿海地区淡水资源 紧张问题，也能改善当地的水源污染问题。 海水( 盐水或污水) 淡化技术是缓解国家或地区水资源紧张的有效措施之 一，它不仅能将海水资源化，还能将污水资源化。污水或工业废液资源化具有 双重意义，第一获得可利用的淡水资源，减轻环境污染；第二回收废液中有用 的成分。经过6 0 多年的发展，海水淡化工业在许多方面都取得了较大的成就， 积累了丰富经验，显著降低了造水成本，使淡化水的供应量不断增大。在国外， 海水淡化工业发展较快，技术比较完善，规模也比较大( 表1 2 ) ，造水成本 较低；我国近几年在海水淡化方面做了许多工作【3 - 9 1 ，但国内海水淡化工业规模 较小，生产经验少，技术单一，造水成本高，市场上竞争力弱l l 叭。 市场竞争力体现在生产成本和环境成本上。海水淡化的成本包括研发：制 造、运行维护和培训等多种费用。降低成本的措施包括优化工艺设计流程，强 化传热，完善设备选型和材料选用，加强组织管理等。传统的海水淡化工业对 环境造成的污染是多方面的，比如，化石燃料燃烧排放的温室气体会产生大气 污染，含多种化学添加剂的热浓盐水会造成水源和土壤的化学和热污染。热蒸 馏工艺使用的能源主要来自化石燃料、核能、太阳能、风能、电能、燃料电池 和工业废热等多种能源，其中以化石燃料应用最广，技术最成熟。 热能通常以蒸汽的形式通过换热器加热海水，海水蒸发冷凝生成淡水，实 现盐水分离。因此，热蒸馏海水淡化工艺用各种材料构建不同的换热表面，以 提高换热效率。海水的腐蚀性要求选择合适的换热表面材料；海水温度愈高腐 蚀性愈大，而且加热到一定温度后，在换热表面会发生海水结垢，从而降低换 热面的换热性能。针对海水淡化的这些限制因素，科研工作者设计构造出多种 淡化工艺。所以在设计建造海水淡化工程前，需要全面了解当地的实际情况， 包括原料水源，淡水需求量，能源供给，科学技术水平和人员素质等。 1 2 海水淡化技术 海水淡化过程是盐和水的分离过程。目前，应用于海水淡化的分离技术主要 有四大类：热蒸馏法、半渗透膜法( r o r e v e r s eo s m o s i s ) 、电渗析法( e d e l e c t r o d i a l y s i s ) 和冷冻法。热蒸馏法包括多级闪蒸法( m s f m u l t i s t a g ef l a s h ) 、多效蒸 2 第1 章绪论 馏法( m e e m u l t i p l ee f f e c te v a p o r a t i o n ) 和蒸汽压缩法( v o - v a p o rc o m p r e s s i o n ) 等工艺。根据w a n g n i c kc o n s u l t i n gg m b h 公司统计，2 0 0 0 年国际上用m s f 和r o t 艺生产淡水的产量占海水淡化总产量的8 6 ，分别为4 4 和4 2 ，而e d 、 v c 和m e e 贝t j 分别占6 、4 和4 t l l 】。虽然m e e 和v c 技术在市场上份额低，但其 市场份额正在逐年增加【1 2 】。 表1 2 国际上最主要的海水淡化企业 事h t t p ：w w w w a n g n i c k c o m d e s a l h t m 、 3 7 第1 章绪论 1 2 1 多级闪蒸法 多级闪蒸工艺是运用闪蒸原理，先将海水( 下文中的盐水和海水属于同一溶 液，只是称谓不同，以后通用) 加热到一定的温度，再引入闪蒸室；闪蒸室内的 压力稍低于海水温度对应的饱和压力；海水在闪蒸室内处于过热状态；一部分过 热海水吸热，骤然蒸发生成蒸汽；余下的浓盐水温度降低，再进入压力更低的下 一级闪蒸室蒸发生成蒸汽；如此依次进入下级，直到热盐水温度接近环境温度。 产生的蒸汽在海水预热管外冷凝生成淡水。闪蒸是以减压方式来降低沸点，生产 蒸汽。闪蒸室的个数即级数，普通的多级闪蒸系统装置有2 0 3 0 级，有的甚至达 到4 0 级。闪蒸过程发生在汽水交界面，不在换热表面。闪蒸可以大幅改善换热表 面结垢问题。该工艺在1 9 世纪5 0 年代就己商业化，在中东产油国广泛使用，目前 仍是全世界最主要的海水淡化技术之一。 唑婴至! ! 垒骏 ， _ _ _ 一_ _ ，_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ h 一一 m s fp l a m 图i i 具备混合与冷却功能的多级闪蒸系统示意图 图1 2 多级闪蒸系统逐级温度分布 、一一7 m i x i n ga n dc o o l i u g d f t l r t n 第1 章绪论 图1 1 为典型的多级闪蒸淡化系统结构图【1 3 1 ，包括：闪蒸室系列，盐水混合 冷凝器和蒸汽发生器等主要功能构件。其工艺流程：原料海水首先进入混合器， 与最后一级闪蒸室排出的浓盐水混合。混合后的温度和质量流量分别为t m i x ， 从再进入冷却室冷却，温度控制为t m n ；然后从最后一级穿过一直到达第一 级进行预热，预热后温度达到t m o ；在盐水加热器内由高温蒸汽加热，这时海 水温度升高到设定的温度绉乃进入第一级闪蒸室闪蒸生成蒸汽d 1 ，蒸汽在预 热管外冷凝生成淡水，冷凝潜热加热预热管内的海水；剩余浓盐水b 进入第二 级闪蒸室闪蒸；如此一直到最后一级。在整个闪蒸过程中浓盐水温度逐级降低， 直到接近环境温度；盐水温度逐渐升高，如图1 2 所示。最后一级排放的浓盐 水部分进入混合器，回收余热和海水。该系统能回收所有蒸汽的冷凝潜热，冷 凝热用于预热海水，使其温度由t m n 升高到t m o 。再用高温蒸汽将其加热到 足够高的温度册丁。 f sf l a h i t a g s t a g e s b m t m i i _ d 1 1t 卜l + b p lt i 1 呻 也 扣m t m i _ d it i 卜b it i c 图1 3 单级单元和混合器的流程图 原料海水f 经过多级闪蒸系统处理后，生成蒸馏水d 和浓盐水r ，则系统 的质量平衡方程 d + r = f ( 1 1 ) 混合器的质量平衡方程 f + ( b r ) = m ( 1 2 ) 上式中b 为从最后一级排放的浓盐水，必为经过混合器混合后的质量流量。 根据质量平衡方程( 1 1 ) ，系统的盐分平衡方程 勃d + x a r = 矗f ( 1 3 ) x f f + x r ( b r ) = x m m ( 1 4 ) 即f + ( m f ) = x m m ( 1 5 ) 上式中为x 为质量浓度，g k g 。 第1 章绪论 混合器内原料盐水和浓盐水混合，混合过程的能量方程 慨讶= 砚+ ( m f ) ( 1 6 ) h m x - h b n 。面f 、h 删，吃) ( 1 7 ) 原料盐水经加热后，温度升高进入第一级闪蒸室，在闪蒸室内盐水部分蒸 发，生成蒸汽西和浓盐水占。闪蒸过程质量平衡方程为 m = 属+ a i ( 1 8 ) 图1 3 为多级闪蒸单元f 流程包括淡水、盐水和浓盐水的温度和质量的变化。 第i 级的蒸发量和浓盐水的流出量以及总的冷凝水量 z = e 。一e ( 1 9 ) 置= m d f ( 1 1 0 ) d i = 吒 ( 1 。1 1 ) = l e = m p = m 一2 ( 1 1 2 ) ；l 单元f 内盐水或浓盐水部分在低压下吸热闪蒸生成蒸汽，剩余盐水降温， 且浓度升高。闪蒸过程能量平衡方程 e ，；。= 西气+ e ( + ) ( 1 1 3 ) 表示由于盐水浓度变化而引起的焓值变化。 闪蒸室内产生的蒸汽在预热器表面冷凝降温，预热器的能量平衡 m h m , 。+ 口= m h m ，+ 口，。+ z 丸 ( 1 1 4 ) 以为冷凝潜热，冷凝潜热和冷凝水的显热用于预热海水。 预热后的盐水被高温热源蒸汽加热，盐水加热器的能量方程 鸠( k k ) = m ( 吃甜嘞。) + d 船 ( 1 1 5 ) m s 蒸汽发生器提供的蒸汽流量，l o s s 由于克服冷凝蒸汽和原料海水之间 的终端温差的热量，还包括浓盐水沸点升高而引起的焓值得变化。 冷却器的能量方程 2 m ( k 一) + m c p ( t t d + 万) ( 1 1 6 ) t t d 终端温差，设计值为5 c ，万为沸点升高，设计值为1 c 。 6 第1 章绪论 1 2 2 多效蒸馏法 多效蒸馏是海水淡化技术中较早发展成功的方法之一。其原理是利用高温蒸 汽与海水的温差进行热交换，然后将受热沸腾产生的蒸汽冷凝收集而成。沸腾易 造成换热管线积垢，因此在应用方面，多效蒸馏法不如多级闪蒸法广泛。 最近几年在技术方面的发展，使得多效蒸馏技术具有初始能耗低，换热面积 小和产水比高的特点，在商业化方面具有一定的竞争力。 图1 4 为典型的多效蒸馏系统流程图n 钔。温度为的原料海水进入冷凝器加 热，温度升高到再经过多效预热温度达到t l ，进入第一效。在第一效内由温 度为t 。的高温蒸汽加热，海水蒸发，产生温度为兀j 的蒸汽d ，和温度为乃的浓盐水 曰，。蒸汽d j 进入压力低的下一效，冷凝放热，加热浓盐水；浓盐水迸入下效喷 淋蒸发。如此逐效蒸发，温度逐渐降低，如图1 5 所示。最后一效产生的蒸汽进 入冷凝器冷凝加热原料海水。 图1 4 典型多效蒸馏系统流程图 图1 5 多效蒸馏系统各单元内冷凝温度和预热温度 第l 章绪论 图1 6 多效蒸馏系统中单元流程图 原料海水晦进入第一效，吸热蒸发产生蒸汽d ，海水浓度升高变成浓盐 水b ，。第一效的质量平衡方程 骂= m - d l ( 1 1 7 ) 图1 6 为多效蒸馏系统中i 单元的温度变化、质量和盐分的流程图。前一 效的浓盐水b f 进入第i 效吸热蒸发产生蒸汽d ，剩余浓盐水b f ，浓度进一步升 高，第i 效的质量平衡方程 e = e l d f ( 1 1 8 ) 根据前面的描述，第一效和第i 效的盐分平衡方程 m ， 五2 0 音 ( 1 ) 誓魂睾 ( 1 2 0 ) 通常设计每效的热负荷相等，则能量平衡方程为 q j = 口九2d f 一一九一。 ( 1 2 1 ) 上式中五为潜热，k j k g 。 1 2 3 蒸汽压缩法 原理：海水先预热，再输送到蒸发器内，进行加热汽化，产生的饱和蒸汽 经压缩升温后，返回蒸发器夹套进行冷凝，生成淡水，冷凝潜热加热蒸发室内 的盐水，生成二次蒸汽。如此循环，蒸汽冷凝潜热得到充分的回收。蒸汽压缩 氇： 瓦 第1 章绪论 技术进入商业用途始于2 0 世纪3 0 年代，可用来替代多效蒸馏或多级闪蒸等海 水淡化工艺，并且它具有易组装可搬迁的特性。压缩技术主要包括热蒸汽压缩 法和机械压汽法两种。 热压缩蒸馏系统通常和其它系统联合使用，如图1 7 所示n 副，可以回收末 端的蒸汽冷凝潜热，提高联合系统的热效率。热蒸汽压缩法的流程：相对压力 为咫的高温高压蒸汽瓜进入喷射器，混合室内局部产生负压；抽吸最后一效 的部分相对压力为砌蒸汽历，蒸汽d r 在喷射器内与蒸汽眈混合，形成压力 为p d 的动力蒸汽d s + d r 进入第一效，压力i d 高于压力a ，蒸汽册被压缩升 压。动力蒸汽冷凝，冷凝潜热将原料海水f 1 加热，使其温度由可升高到饱和 温度丌，并有部分蒸发生成蒸汽d f 。部分冷凝水眈返回到源头，另一部分冷 凝水所进入第一效蒸发室。蒸发室内压力较低，产生少量的蒸汽。该部分蒸汽 与第一级生成的蒸汽一起进入第一级预热器将原料海水加热，海水温度由聊 升高到卵。然后蒸汽作为热源流入第二效加热，如此类推。 图1 7 热力压缩与多效蒸馏系统联合运行示意图 另一种压缩蒸馏技术是机械压汽蒸馏( m v c m e c h a n i c a lv a p o rc o m p r e s s i o n ) 技术【1 6 ，17 1 ，如图1 。8 所示，过程3 - 6 为压缩机将饱和蒸汽压缩升温变成过热蒸汽， 过程6 7 为过热蒸汽冷凝放热，加热盐水，过程2 3 为盐水加热蒸发过程，盐 水蒸发生成二次蒸汽。图1 9 为机械压汽蒸馏工艺结构示意图，具体流程为原 料海水经过预热器预热后进入蒸发室，在蒸发室里吸热部分蒸发，生成蒸汽； 蒸汽经过压缩机压缩升温，变成过热蒸汽，再输送到冷凝室内冷凝，加热蒸发 室内的盐水，生成二次蒸汽，如此循环往复。 质量和盐分平衡方程 m ，= + 鸩 ( 1 2 2 ) 第1 章绪论 图1 8 机械压汽蒸馏过程