（化学工程专业论文）低温多效海水淡化过程模拟.pdf

中文摘要 海水和苦咸水淡化技术，已经成为人类获取淡水资源的重要途径，是 许多国家和地区可持续发展的必要组成部分。低温多效蒸馏海水淡化技术 以明显的技术优势及装置组合的灵活性，使它可以利用各种形式的低位热 源，在海水淡化的各种方法占有一定的优势。 论文以低温多效( l t - m e d ) 、低温多效一热压缩( l t - m e d t v c ) 系统 为研究对象，对其过程的物料传递，能量传递进行了分析，给出了海水的 沸点温度升高、海水的定压热容、水蒸汽的饱和蒸汽压和水蒸汽的饱和温 度等物性参数的计算方法。在质量守恒和热量守恒方程以及热力学的基础 上，建立了包括蒸发器、冷凝器、预热器、闪蒸器和喷射器等子系统的平 流流程l t - m e d 、l t - m e d t v c 系统的数学模型。编制了基于蒸发器等面 积的模拟计算流程框图，设计了以二分法辅助的迭代计算方法。 利用v i s u a lb a s i c6 0 语言编制了l t - m e d 、l t - m e d t v c 系统模拟的 求解程序。对实际工程进行了模拟计算，计算结果与实际工程数据相吻合。 进一步对平流流程l t - m e d 和l t - m e d t v c 系统的操作工况对系统 性能的影响进行研究。在总温差等其他条件不变的条件下，随着蒸发器效 数的增加，蒸发面积和单位淡水平均蒸发面积增加，造水比升高。在系统 总效数和产水能力一定时，蒸发器传热面积随第一效加汽温度的升高而减 少。升高末效蒸发温度，蒸发器传热面积都增加，但对于平流l t - m e d 造 水比减小，对于l t - m e d t v c 造水比增加。 关键词：低温多效蒸发；海水淡化；过程模拟：数学模型；迭代法 a b s t r a c t i n d u s t r i a ld e s a l i n a t i o no fs e aa n db r a c k i s hw a t e ri sb e c o m i n ga ne s s e n t i a l p a r ti np r o v i d i n gs u s t a i n a b l es o u r c e so ff r e s hw a t e rf o ral a r g en u m b e ro f c o m m u n i t i e sa r o u n dt h ew o r l d t h el 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 ( l t - m e d ) d e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yo c c u p ya ni m p o i r t a n ts t a t u si ni n d u s t r i a l d e s a l i n a t i o np r o c r e s s e s ，f o ri th a sac l e a rt e c h n o l o g i c a la d v a n t a g ea n dt h e f l e x i b i l i t yo fd e v i c ec o m b i n a t i o n s ，a n di tc a nm a k eu s eo fv a r i o u sf o r m so f l o wl e v e lh e a te n e r g y am a t h e m a t i c a lm o d e la n dp h y s i c a lm o d e lo fp a r a l l e lf e e dl t - m e da n d l t - m e d - t v cs y s t e mp r o c e s s ，c o m p o s e dw i t he v a p o r a t o r , c o n d e n s e r , f l a s h b o x a n dt h es t e a mj e te j e c t o r , h a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do np h y s i c a lp r i n c i p l s t h a ti n c l u d em a s sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o nm a s sm o m e n t u ma n dh e a tt r a n s f e r a n dt h e r m o d y n a m i c s am e t h o dt h r o u g he q u a l a r e ac o m m b i n e di t e r a t i o n a l g o r i t h ma n dd i c h o t o m ym e t h o du s e dt os o l v et h em a t h e m a t i cm o d e lh a s b e e nd e v e l o p e d a c o m p u t e rp a c k a g eh a sb e e nc o m p i l e dw h i c hh a db e e nw r i t t e ni nv i s u a l b a s i c6 0b a s e do nt h es o l u t i o na l g o r i t h ma b o v e t h er e s u l t so ft h ec o m p u t e r p a c k a g ew a sc o m p a r e da g a i n s ti n d u s t r i a ld a t a ，t op r o v et h a tm a t h e m a t i c a l m o d e la n dt h es o f t w a r ei sv e r yp r a c t i c a l t h ep r e f o r m a n c eo fe v a l u t i o no fp a r a l l e lf e e dl t - m e da n dl t - m e d - t v c p r o c e s sa saf u n c t i o no ft h ep a r a m e t e r sh a db e e ns y n t h e s i sa n a l y s i s e d w h e n t h et o t a l et e m p e r a t u r ed r o pc o n s t a n t ，r e s u l t sf o ri n c r e a s i n gt h et h en o u m b e ro f e f f e c t sw a st h a tt h es p e c i f i ch e a tt r a n s f e ra r e a ，h e a tt r a n s f e ra r e ai na n ye f f e c t a n dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c er a t i ow e r ei n c r e a s e w h e nt h en o u m b e ro fe f f e c t s a n dp r o d u c tf l o wr a t ec o n s t a n t ，r e s u l t sf o ri n c r e a s i n gt h et h eh e a ts t e a m t e m p e r a t u r ew a st h a tt h eh e a tt r a n s f e ra r e aw o u l di n c r e a s ef o rb o t hl t - m e d a n dl t - m e d - t v c b u tt h et h e r m a lp e r f o r m a n c er a t i of o rp a r a l l e ll t - m e d p r o c e s sd e c r e a s e d ，t h et h e r m a lp e r f o r m a n c er a t i of o rp a r a l l e ll t - m e d t v c p r o c e s s 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 ；s e aw a t e r d e s a l i n a t i o n ；p r o c e s ss i m u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；i t e r a t i o na l g o r i t h m 主要符号说明 主要符号说明 a e f t a b b p e ( t q 畅m m b ( o m a ( o m o ) m a m s m b f ( i ) m a f ( o n n e a b ( o n e a a ( o 也( f ) j r d s u m m a s u m m b s u m m a n ( 1 ) 删| 仇m d n ( ) s a e s m 洲 乃 t b ( j 巧( ) t t ，m 主要符号说明 第i 效蒸发室传热面积 各效平均传热面积 第i 效沸点温度升 溶液比热容 第i 效传热系数 第i 效浓水流量 第i 效二次蒸汽流量 第i 效进料海水流量 设计淡水总产量 加热蒸汽流量 第i 效二次浓水闪蒸蒸汽流量 第i 效二次淡水闪蒸蒸汽流量 蒸发效数 浓水闪蒸非平衡常数 淡水闪蒸非平衡常数 第i 效热负荷 喷射泵抽汽比 计算得出的淡水总产量 浓水总产量 第i 效浓水汇集流量 第i 效淡水汇集流量 单位产品淡水平均传热面积 单位产品淡水平均冷却水流量 加热蒸汽温度 第i 效蒸发温度 重新计算的第i 效蒸发温度 第i 效进料海水温度 第i 效二次蒸汽温度 - 6 6 - m 2 m 2 k j ( k g ) k j ( s m 2 1 m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s k j s m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 2 ( m 3 s ) 主要符号说明 第i 效浓水闪蒸温度 第i 效淡水闪蒸温度 第i 效浓水质量百分数 x b ( 0 的计算中间值 第i 效进料质量百分数 浓水汇总质量百分数 造水比 第i 效加热蒸汽潜热 第i 效二次蒸汽潜热 第i 效浓水闪蒸二次蒸汽潜热 第i 效淡水闪蒸二次蒸汽潜热 第i 效有效传热温差 重新分配第i 效有效传热温差 计算呓) 的中间值 - 6 7 k j k g k j k g k j k g k j k g 瓢枷珈枷袱锄锄硫协锄。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 目于岩 签字日期： z 7 年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤盗盘堂 有关保留、使用学位论文的 规定。特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：岛寸岩 签字日期：五d d 9 年石月3日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 海水淡化的背景意义 1 1 1 世界水资源概况 水是生命的摇篮，是人类赖以生存和生产的不可缺少的基本物质， 是地球上不可替代的宝贵的基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一， 同时也是战略性的经济资源。 全球的水总储量为1 3 8 6 亿k m 3 ，其中9 6 5 为海水，其他分布在陆 地、大气和生物体中，约为2 5 3 ，其中多存储于冰川、雪盖和7 5 0 m 深 度以上的地下，而可取用的海水，湖水及浅层地下水等仅占0 2 左右，这 里还包括相当一大部分的苦咸水，而且地区分配很不均匀。 水资源匮乏正日益影响全球的经济发展和生态环境，甚至可导致国 家和地区间的冲突。联合国有关机构指出“水将成为世界最严重的资源问 题”，“缺水问题将严重制约2 l 世纪经济和社会发展并可能导致国家间的 冲突”，“供水不足将成为一个深刻的社会危机，世界上在石油危机之后的 下一个危机便是水的危机”。缺水问题是一个世界性的问题i l j 。 1 1 2 我国水资源概况 我国水资源总量丰富。2 0 0 4 年，全国第二次水资源评估的多年平均 水资源总量为2 8 4 0 5 x 1 0 8 m 3 ，居世界第6 位【2 j ，但人均淡水资源量只有 2 2 0 0 m 3 ，仅为世界人均占有量的1 4 ，居世界第1 1 位，被联合国列为1 3 个贫水国之一。我国淡水资源时空分布极不均匀，导致目前有1 6 个省， 市，自治区人均水资源占有量低于17 0 0m 3 ，为中度缺水，其中有1 0 个省， 市，自治区人均水资源占有量低于5 0 0m 3 ，为重度缺水【3 】：同时，水体的 大量污染加剧了我国水资源贫乏的程度，在资源性缺水的同时，伴随着水 质良性缺水，双重缺水特征的凸现。中国工程院在2 0 0 0 年7 月提出的2 l 世纪中国可持续发展水资源战略研究报告中预测，到2 0 1 0 年，我国需 水量：73 0 0 亿m 3 ，可供水量为：62 0 0 63 0 0 亿m 3 ， 缺水量：10 0 0 亿m 3 。总体上，我国的水资源状况令人担忧【4 1 。 第一章文献综述 中国沿海地区地位重要，水资源短缺形势更加严峻。沿海地区经济 发达，她以1 3 的土地、养活了全国4 0 的人口，提供了6 0 左右 的国民经济贡献率，在我国国民经济中占有举足轻重的地位。但是沿海 城市的缺水形势极为严峻，我国的沿海工业城市人均水资源量大部分低 于5 0 0r n 3 ( 大连、天津、青岛、连云港、上海的人均水资源量均低于2 0 0m 3 ) ， 处于极度缺水境况1 5 j 。 1 1 3 沿海水资源短缺问题 全世界4 5 万k m 长的海岸线正面临着人口压力的挑战。据统计，世 界上有2 3 的人口居住在宽8 0 k m 宽的沿海平原地区( 高程1 5 m 以下，总面 积18 18m 2 ) ，其中大约有5 0 的人1 3 ( 相当于2 0 世纪5 0 年代全球人口总 和1 聚居在离海洋6 0 k i n 的狭长地带。据联合国统计资料，1 9 世纪末，全 球人口为16 亿，2 0 世纪9 0 年代初超过5 0 亿( 19 9 0 年为4 1 亿，19 9 2 年7 月5 2 亿，1 9 9 7 年7 月为5 6 6 亿) ，2 0 0 0 年以超过6 0 亿。2 0 世纪6 0 年代 人口增长率为2 ，9 0 年代人口增长率为1 6 ，目前全球人口每年增加 9 4 0 0 万，按这样的增长速率推测，预计2 0 3 0 年世界人口可达8 6 亿，2 0 5 0 年为9 8 亿，2 0 5 4 年突破l0 0 亿大关。2 1 世纪末，世界人口将超过1 10 亿。 人口日益增长的同时，有较大比例的人口迁移至沿海居住，人口向沿海集 中的趋势已在2 0 世纪后期出现。预计未来3 0 年内，世界人口的7 5 ，即 有6 5 亿人分布在沿海地带。 据统计全世界有3 2 个特大城市位于海岸线，其中2 2 个处在河口及 三角洲。中国海岸带集中了全国7 0 以上的大城市，超过lo o 万人口的大 城市有15 座，占全国人口的6 0 5 。目前大多数沿海地区的城市化水平不 高( 非农业人口不足4 3 ) ，按2 0 1 0 年规划城市化水平达到6 0 的要求，在 内地向沿海人口迁移的同时，还存在着农村人口向城市集中的趋向。所以 沿海地区水资源紧张问题越来越突出。 值得注意的是，一些沿海工业城市由于过度开采地下水而引发大面 积地面沉降和海水入侵。如上海市自1 9 2 1 年以来，4 0 0k m 2 多的地区总沉 降量达1 9 5 7 m ，四个沉降漏斗区沉降量达每年l o m m 。今年来常见三角洲 苏、锡、常城市出现了新的沉降漏斗区，地面沉降量0 4 0 5 m ，最大沉降 量1 0 1 4 5 m ，沉降速率超过上海市。 山东、河北、辽宁是我国海水入侵的严重地区，总入侵面积达8 0 0k m 2 ， 入侵速率为4 0 5 5 m a ，入侵距离从数百米到数l o k r a 不等，如山东莱州市 第一章文献综述 海水入侵总面积达4 3 5k m 2 ，占全区总面积的4 9 1 ，入侵速度从1 9 8 7 年 的9 2 米增加到1 9 8 7 年的3 4 5 米；大连市1 9 8 1 年海水入侵范围1 7 3 5k m 2 ， 入侵距离5 0 0 。7 5 0 0 m ，1 9 8 6 年入侵面积发展到2 0 8 6k m 2 ，对沿海工农业 生产已产生影响【6 1 。 1 2 海水淡化 1 2 1 海水淡化技术在水资源利用中的地位和发展前景 随着全球水资源紧缺矛盾的日益突出，海水淡化作为解决水资源的 主要途径之一，日益受到各国，尤其是缺水国家和地区的重视【7 】。海水淡 化是从海水中获取淡水的技术和过程。这是通过物理，化学或物理化学方 法等实现的。主要途径有两条，一是从海水中取出水的方法，二是从海水 中取出盐的方法。前者有蒸馏法、反渗透法、冰冻法、水合物法和溶剂萃 取法等；后者由离子交换法、电渗析法、电容吸附法和压渗法等。但目前 为止，工业应用的主要有蒸馏法、反渗透法和电渗析法悼j 。 海水淡化技术经过半个多世纪的发展，从技术上讲，已经比较成熟， 大规模的把海水变成淡水，已经在全世界各地出现，尤其是海湾地区。根 据2 0 0 4 年国际脱盐协会( i n t e r n a t i o n a ld e s a l i n a t i o na s s o c i a t i o n ，i d a ) 出版 的脱盐装置目录，截至2 0 0 3 年1 2 月3 1 日，世界范围内共有l0 3 5 0 座海 水淡化工厂，脱盐装置1 7 3 4 8 套，总装机容量为3 7 7 5 万m 3 d ，与2 0 0 2 年 相比，海水淡化装置的数目和总转装机容量分别增长了2 1 1 5 套和 4 8 l m 3 d 【9 1 ，现在仍以1 0 3 0 的年增长率攀升，目前最大的m s f 淡化工 厂规模3 0 万m 3 d ，最大的s w r o 淡化厂规模为2 0 万m 3 d 1 0 】。 海水淡化不是某一国家和地区，某一时期的暂时性的局部问题，而 是世界范围内涉及人类生存和社会发展的长远而重大的问题。它可以据所 需水质和水量要求为所需地区连续的提供淡水，为缺水地区( 我国沿海地 区) 人民生活，经济发展和生态维持提供淡水保证。可向海岛和船舶供水， 有利于海防建设和提高续航能力，保证国家安全。可去除水中危害人体健 康成分，提高人民生活质量。可对传统产业进行技术改造，实行清洁生产。 沿海地区和城市利用取之不尽用之不竭的海水向大海要水，是增加 淡水资源的有效途径。因为随着对传统水源的持续开发，具备畜水条件的 大都建设了水库，调水的距离越来越远、工程难度越来越大，且调水和出 水都受到气候条件的影响。随着城市供水成本不断地提高，海水淡化的成 第一章文献综述 本不断降低，海水淡化技术会越来越受到重视。 根据世界供水协会的有关资料，国外主要国家消费税价每立方米相 当于人民币2 4 1 7 0 元t 。目前膜法海水淡化的耗电量已经从8 0 年代的 8 1 0 度t 降到目前的4 度吨左右；淡水成本已接近5 元i t l l l 】。其他方法产 水成本也相当于人民币5 4 2 0 0 元t ，显然两者有重合的价格段。也就是 说，条件优先的海水淡化吨水成本已经与目前缺水国家城市的消费水价相 当，此时的海水淡化产品水，可以直接进入城市管网系统作为消费税的补 充，这无疑是海水淡化将得到大规模推广应用的重要前提。 由此看出，随着随着水资源的日趋紧张、经济的迅速发展和人民生 活水平的不断提高，随着海水淡化技术的进步，海水淡化已经成为解决海 岛居民生活用水的第一水源，海水淡化将成为调水困难的沿海城市的补充 水源和应急水源，海水淡化竟成为解决水资源危机各项措施的有效补充。 其在该领域的作用越来越大，前景十分广阔【坦】。 1 2 2 工业海水淡化方法 f e e d s e a b r a c k i s h f o r mo f e n e r g y 图1 1 海水淡化过程的定义 f i g 1 1d e f i n i t i o no fd e s a l i n a t i o np r o c e s s e s 海水淡化又称脱盐。工业脱盐过程就是把淡水从海水或者苦咸水中 分离，同时把盐分浓缩到浓水【1 3 】，如图1 1 所示。值得一提的是在电渗析 过程中，阳离子和阴离子是分开脱离盐水的。这里所述的脱盐过程主要基 于热法和膜分离方法，如图1 2 所示。热法分离技术主要分两大类：一种 是把蒸发形成的水蒸汽冷凝的过程，另外一种则是通过冷冻之后融化所形 成的冰晶的过程。第一种方法在实际海水淡化过程中应用广泛，并且还可 第一章文献综连 以和热电厂和或者蒸汽透平联产。蒸发过程可以是有换热面的沸腾过程 也可咀是闪蒸过程。 m e m b r * 一 - - - - - - - - 一 ；一_ 。，嚣嚣；一r j 匠一 一坦自! e 一 = 嚣：篮篇& 匦卜 嚣：端蒜= ：= ?i 陌i k ， 一rw v i _ w t t d h r j 一r 1 【! ：! 一 _ 臣蟹l 1 臣习一一 = ；j 一 ；垒1 睁 岔d 一 = = = 一 拳 一_ 一，i ；r 圈i - 2 热法和膜 圭海水淡化过程 f i g1 2t h e r i n a la n dm e m b r a n ed e s a l i n a t i o np r o c e s s e s 蒸发过程包括：多效蒸发( m e e ) 、多级闲蒸( m s f ) 、单效压汽蒸发 ( s e v c ) 、增湿减湿( h d h ) 和太阳能蒸馏( s o l a rd i s t i l l a t i o n ) 【1 0 , ”】。 压汽蒸发包括机械蒸汽压汽( m v c ) ，热力学压汽( t v c ) ，吸收蒸汽压 缩( a b v c ) ，吸附蒸汽压缩( a d v c ) 和化学蒸汽压缩( c v c ) ”s l 。蒸汽压缩一 般联合在单效或者多效蒸发过程中，来提高蒸发的热利用率。束效蒸发产 生的温度较低的蒸汽被压缩温度升高作为加热蒸汽进入率效或者第一教。 蒸汽压绾设备包括机械压缩机和喷射泵( 热力学蒸汽压缩) ，吸收吸附床和 吸收吸附塔。太阳能可以直接用来作为脱盐的能量，也可以作为提供其他 热法脱盐过程的热源。 常用的膜方法是反渗透( r o ) ，其过程是淡水在高压作用下穿过半 透膜，留下高浓度的浓缩液。另一种有限的工业规模应用膜方法是电渗析 ( e d ) ”7 1 。其过程是，在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而 迁移，从而使电解质离子自溶液中部分分离出来。 海水淡化过程也可以按提供过程驱动的主要能量形式来分类i ”】，分 类详情见图1 3 。如图所示，热量形式的能量被分为两类，加热和取热。 第一章文献综述 图l - 3 按能量类型分类 f i g 1 - 3e n e r g yc l a s s i f i c a t i o no fd e s a l i n a t i o np r o c e s s e s 给过程提供热量的方法包括m s f ，m e e ，h d h 以及这些过程与热力学、 化学、吸收、吸附等形式热泵的联合过程。这些淡化过程所需要的加热蒸 汽主要来自热电联产的电厂、锅炉或者是太阳能。取热的脱盐过程主要冷 冻法。r o 和m v c 则归类于机械能量淡化方法。在反渗透过程中机械能f 或 者说膜两侧的压力差) 驱动水透过膜同时使盐分截流在浓缩液侧。对m v c 过程，蒸汽压缩机提供的机械能提高了蒸馏二次蒸汽的温度和压力，然后 用二次蒸汽来加热进料海水。最后一类是利用电能来分离，以电渗析最为 典型。在直流电场的驱动下，阴阳离子分别透过选择性离子交换膜从而降 低了海水中盐份的浓度【1 3 】。 1 2 3 海水淡化发展 有证据表明早在公元前1 4 0 0 年，古代海边居民就知道采用蒸馏法来 制取淡水。而亚里士多德早在公元前4 0 0 年就描述了蒸馏现象，并对这一 现象进行了解释。到公元3 0 0 年才有人专门记录海水淡化的技术与应用， 他们在文献中介绍了公元1 3 世纪的蒸馏实践。简单的海水淡化装置在公 元2 0 0 年开始出现在远航船上。 1 8 0 0 年前后，由于蒸汽机的出现，以及远洋殖民开拓对航海的发展 和世纪需求，促进了蒸馏的发展，出现了浸没式蒸发器，这可作为海水淡 第一章文献综述 化技术发展的开始；1 8 1 2 1 8 4 0 年开发了单效和真空多效蒸发，也开始了 闪蒸的研究和设计工作；1 8 5 2 年英国专利垂直海水蒸发器很快在舰船上使 用【1 8 】，之后又提出水平管喷膜蒸发、蒸汽压缩等专利1 8 7 2 年。美洲地区 第一个海水淡化工厂是在佛罗里达州k e yw e s t 岛的军事基地，修建于1 8 6 0 年。这套简单的一级蒸发设各- ( 2 7 m 3 s ) 是由伦敦的d en o r m a n d y 公司修建 的。1 8 9 8 年，俄国巴库热产淡水1 2 3 0 吨的多效蒸发工厂投入运行【l9 1 。 在2 0 世纪早期，海水淡化工程还没达到为市政供水的程度，工程技 术手段还仅仅局限于以下几个方面；简单的一级蒸发；多效蒸发( 从制糖 工业发展而来) ；热压汽蒸馏。使用海水淡化装置的地方也非常分散，主 要集中在蒸汽轮船上( 用于锅炉补给水和饮用水) ，以及中东和地中海地区 的几个港口，如苏伊士、亚丁、马耳他。1 9 3 0 年机械蒸汽压缩蒸馏有了很 大的改进，1 9 4 2 年出现了适于船用的浸没管蒸馏，1 9 4 3 年出现了适于船 舶及海岛使用的蒸汽压缩蒸馏【1 3 】。19 4 3 年也有了用于海上救生的离子交 换淡化装置。1 9 4 4 年又提出了人工冷冻法，同时在1 9 3 0 年提出了反渗透 和电渗析的概念，但直到19 5 4 年电渗析才被实用化，主要用于苦咸水脱 盐。1 9 5 3 年，提出溶剂萃取法。1 9 5 7 年r s s i l v e r 和a f r a n k e l 发明了多 级闪蒸，克服了多效蒸发中易结垢和腐蚀的问题，这个作为海水淡化技术 大规模应用的开始【2 0 】；1 9 6 0 年反渗透膜获得突破性进展，但是海水淡化 应用是从美国杜邦( d u p o n t ) 公司于l9 7 5 年提出的“p e r m s e p ”b 1 0 中空纤维 反渗透开始的【2 1 1 。1 9 6 1 年又提出了耗能很低的水合物法。1 9 7 5 年低温多 效蒸馏商品化，它克服了以前多效蒸发高温易结垢的缺点，能耗也有所降 低，用才要求不再苛刻，从而得到广泛的推广；2 1 世纪8 0 年代中期之后， 随着反渗透膜性能提高、价格下降、能量回收率的提高等，反渗透( r e v e r s e o s m o s i s ，r o ) 才得到了迅速发展【2 2 1 。由于水资源的匮乏和用水量的巨大需 求，核能淡化也引起世界原子能组织和各国的重视，核能与蒸馏法或反渗 透结合大规模生产饮用水的设想和计划正在推广中【9 】。 1 3 低温多效蒸馏海水淡化技术 1 3 1 概述 蒸馏法是最早采用的海水淡化技术，是海水淡化最主要的方法。蒸 馏法海水淡化是将海水加热蒸发，再使蒸汽冷凝得到淡水的过程。蒸馏法 具有其他淡化方法不可比拟的特点：设备简单可靠；受原水浓度限制较 第一章文献综述 小，即当料液浓度变化时，蒸发过程的条件改变不，能耗变化较小，故 蒸馏法更加适合于海水及高浓度苦咸水淡化；海水蒸发所得的水就是蒸 馏水，水质较高；直接利用热能，避免了能量转换过程的损耗，可利用 低压蒸汽、废可燃气体、熔炉废热、温泉热等廉价热能，较为经济1 23 1 。 多效蒸馏( m u l t i p l ee f f e c td i s t i l l a t i o n ，m e d ) 是在单效蒸馏的基础上发 展起来的多效蒸馏又叫多效蒸发，是一个典型的化工单元操作，其历史 可追溯到制糖业兴起时对糖液的浓缩。它的主要原理就是将蒸馏产生的二 次蒸汽再作为加热蒸汽来对下一效溶液进行加热。使蒸发所耗的热能充分 得到再利用，以降低能耗f 2 4 1 。在2 0 世纪6 0 年代前，多效蒸馏一直是最主 要的商业化海水淡化技术，多效蒸馏的多种形式，如垂直管、水平管、浸 没式均有商业使用的装置。但由于操作温度接近10 0 ，碳酸钙和硫酸钙 等盐类很容易沉淀下来因此早期的多效蒸馏存在严重的结垢问题，而且 还十分难以清洗，在2 0 世纪6 0 年代多级闪蒸技术引人海水淡化领域后就 慢慢退出海水淡化市场。考虑到在7 0 以下无机盐的结垢不是很明显，以 色列的i d e 公司开发了低温多效蒸馏技术，低温操作可以避免和减缓设备 的腐蚀及结垢问题，而且也使得使用廉价传热材料成为可能，使得同样的 投资规模可以安排更多的传热面积，即使在低温操作段也可以达到较高的 造水比( 可达到1 0 左右) 。 低温多效蒸发技术是多效蒸发的一种，其特点是最高蒸发温度( 盐水 项温) 不超过7 0 【2 5 ，2 6 】。在海水淡化的各种方法中，低温多效具有较强的 竞争力，是蒸馏法中最节能的方法之一，有关专家认为，今后l t - m e d 、 m s f 、r o 将决定海水淡化的未来，这是过去4 0 年的发展得出的结论【2 。7 1 。 1 3 2 低温多效蒸馏海水淡化的原理 低温多效蒸馏海水淡化的特征是将一系列的水平管降膜蒸发器或垂 直降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组，用一定量的蒸汽输入通过多次 的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术。水 平管海水淡化工艺流程如图1 4 所示。 海水首先进入冷凝器中预热、脱气，然后被分成两股物流。一股作 为冷却水被排回大海，另一股作为蒸馏过程的进料，加入阻垢剂后被引入 蒸发器的后几效中。料液经喷嘴被均匀分布到蒸发器的顶排管上，然后沿 顶排管以薄膜形式向下流动，部分水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而蒸发。二 次蒸汽在下一效中冷凝成产品水，剩余料液由泵输送到蒸发器的下一效组 第一章文献综述 中，该组的操作温度比上一组略高，在新的效组中重复喷淋、蒸发、冷凝 过程。剩余的料液由泵往高温效组输送，最后在温度最高的效组中以浓缩 液的形式离开装置【2 钔。 蒸发器 冷凝器 巾问进料泵浓水闪蒸罐进料泵 图1 - 4 水平管低温多效海水淡化工艺流程 f i g 1 - 4f l o wd i a g r a mo fl t - m e dp r o c e s s w i t hf a l l i n gf i l m h o r i z o n t a l - t u b ee v a p o r a t o r 不凝气 海水 淡永 浓盐水 冷却水 生蒸汽被输入到第一效的蒸发管内并在管内冷凝，管外海水产生二 次蒸汽，由于第二效的操作压力要低于第一效，二次蒸汽在经过气液分离 器后，进入下一效。蒸发、冷凝过程在各效重复，最后一效的蒸汽在冷凝 器中被海水冷凝。 第一效的冷凝液返回到蒸汽发生器中，其余效的冷凝液进入产品水 罐，各效产品水罐相连。由于各效压力不同使产品水闪蒸，并将热量带回 蒸发器。这样产品水呈阶梯状流动动并被逐级闪蒸冷却，回收的热量可以 提高系统的总效率。被冷却的产品水由产品水泵输送到产品水储罐。这样 生产出来的产品水是平均含盐量小于5 m g l 的纯水。 浓盐水从第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸灌中，过热的浓 盐水被闪蒸以回收期热量，经过闪蒸冷却之后的浓盐水最后经浓盐水泵排 回大海或综合利用。不凝性气体从冷凝管中抽出，并从一效流到另一效。 这些不凝结气体最后在冷凝器富集，并用蒸汽喷射器或机械式真它泵抽出。 多效蒸发的多个蒸发器中只有第一效使用生蒸汽，故生蒸汽的使用 第一章文献综述 量大为减少。若忽略热损失而沸点进料，单效蒸发的单位蒸汽消耗量e 约 为1 n 效蒸发的c 约为1 n 。 1 3 3 多效蒸馏海水淡化的流程 多效蒸发的工艺流程根据进料方式分类基本主要有三种：并流、逆 流、平流，其他更复杂的流程都是这几种基本流程的组合i ”孙l 。 ( _ 一1 并流 并流流程其流程如图i 一5 所示：是指料液和加热蒸汽都是按第一效到 第二效到第三效的次序前进。其特点是：l 、由于多效的真空度依次增大， 也即绝对压力依次降低；故料液在各效之间的输送不必用泵，而是靠两相 邻效之间的压力差自然流到后面各效；2 、由于温度也是依次降低。故料 液从前一效通往后一效是就有过热现象，也就是发生闲蒸，这样也可以产 生一些蒸汽，即产生一些演水；3 、对于浓度大，粘度也大的物料而言， 后几效的地传热系数就比较低：而且由于浓度大，沸点就高，各效不容易 维持较大的温度差，不利于传热。但对海水而言，问题不大，因为前后浓 度都1 i 高。 裂一、o ；二一掣 - 一黜= ， c 二i 。f h 日m r 一 图1 5 并流进料流程示意鳕 f i gi - 5s c h e m a t i co f m e ef o r w a r df l o w ( 二) 逆流 逆流是指进料流动的路线和加热蒸汽的流向相反。原料从真空度高 第一章文献综述 的末一效进入系统，逐步向前面各效流动，浓度越来越高。由于前面各效 压力比较高，所以两相邻效之间要用泵输送。又因为前面各效的温度越来 越高，所以料液往前面一效输入时，不仅没有闲蒸，而且要经过一段预热 过程，才能达到沸腾。可见和顺流的优缺点恰好相反。对于浓度高时黏度 大的物料用逆流比较合适因为最后的一次蒸发温度是在温度最高的一效 所以虽然浓度大，黏度还是可以降低一些，可以维持比较高的地传热系数。 这在化工生产上采用较多，但是在海水演化中不合适应用。其流程如图1 6 所示。 嚣i 辩2 拳- r 一r + f 一一 图l - 6 逆流进料流程示意图 f i gl 一6s c h e m a t i co f m e ep a r a l l e lb a c k w a r df l o w ( 一1 平流 平流是指各教都单独平行加料，不过加热蒸汽除第一效外，其余各 效皆用的是二次蒸汽。在并流多效蒸发系统中，采用的是逆流预热、交叉 流蒸发流程海水的预热流程由后至前，在各效预热器被预热的海水分别 进入各蒸发罂，而浓缩海水直接从各蒸发器捧出：蒸汽流程与串流相同，各 效排出的淡水经过逐效闲蒸，产生的闪燕汽加a n 下一效的加热蒸汽中加 1 3 0 l 。其流程如图卜7 所示。 第章文献综述 s b 口j h 蹄羊乳：= “ 1 圈l - 7 平流进料流程示意 f i gl - 7s c h e m m i co f m e ep a r a l l e lf l o w 另外还有一种常见的流程是并叉流多效蒸发系统，它是结并流和平 流的特点。海水由后至前，边预热边进入各效蒸发器，与并流相同；其后 的流程与串流相似，前一效的浓缩海水进入下一效进一步蒸发浓缩液最 终由最低温效排出：二次蒸汽作为下效热源，凝结水同样经过闪蒸后顺 序排出。系统流程如图i - 8 所示。 耄i ：一：紫一 。，二， 。”“ 嗣i - 8 并叉进料流程流示意图 f i g i - gs c h e m a t i co f m e ep a r a l l e l c r o s s f l o w 第一章文献综述 1 3 4 多效蒸馏海水淡化的技术特点 与多级闪蒸和传统的多效蒸发不同，低温多效技术主要有以下优点： ( 1 ) 多效蒸馏的传热过程是沸腾和冷凝换热，是双侧相交传热，因此 传热系数很高，对于相同的温度范围，多效蒸馏所用的传热面积要比多级 闪蒸少； ( 2 ) 多效蒸馏的动力消耗少，由于多级闪蒸产生淡水依赖的是海水吸 收的显热，而潜热远大于显热，所以生产同样多的淡水，多级闪蒸需要的 循环量比多效蒸馏大出很多，多级闪蒸需要更多的动力消耗； ( 3 ) 多效蒸馏的操作弹性很大，负荷范围从1 1 0 变到4 0 ，皆可正 常操作，而且不会使造水比下降1 3 u ； ( 4 ) 内于操作温度低，避免或减缓了设备的腐蚀和结垢【3 2 1 ； ( 5 ) 进料海水的预处理更为简单。系统低温操作带来的另一大好处是 大大简化了海水的预处理过程。海水进入低温多效装置之前只需经过筛网 过滤和加入5 m g l 左右的阻垢剂就行，不像多级闪蒸那样必须进行加酸脱 气处理【3 3 】； ( 6 ) 系统的热效率高，二十余度的温差即可安排1 2 以上的传热效数， 从而达到1 0 左水的造水比【2 5 1 ； ( 7 ) 系统的操作安全可靠，在低温多效系统中，发生的是管内蒸汽冷 凝而管外液膜蒸发，即使传热管发生厂腐蚀穿孔而泄漏，由于汽侧压力大 于液膜侧压力，浓盐水绝对不会流到产品水中，充其量只会影响造水量。 自从2 0 世纪8 0 年代以后低温多效海水淡化技术的装机容量持续 增加同时，与多级闪蒸相比，二者的装机容量差距也在逐渐缩小【3 。 1 3 5 低温多效蒸馏海水淡化的工业应用范围 与膜法海水淡化方式不同，热法海水淡化采用蒸汽作为外加能量。 因此在实际应用小，蒸汽的来源和价格决定了低温多效蒸馏的经济性。一 般说来，低温多效海水淡化技术要与其他工程程联合才有效率，凡是具有 蒸汽的场合都可以用来进行海水淡化。包括发电厂、钢铁厂和化工厂，低 温核反应堆等。低温多效蒸馏海水淡化技术以明显的技术优势及灵活的装 置组合方式，位它可以利用各种形式的低位热源1 34 1 。目前成功的运行力式 有： ( 1 ) 和火力发电厂或核电厂结合一水电联产： 可以从绝压0 2 0 4 k g c m 2 成的任何地方背压抽汽造水。与抽取2 3 第一章文献综述 k g c m 2 背压蒸汽的高温蒸馏系统相比，低温多效海水淡化装置允许蒸汽在 透平机中进步膨胀做功，减少发电损失，提高发电机组效率，使电厂热 效率从3 5 提高到6 5 左右。如只能提供压力为2 3k g c m 2 的蒸汽，可 利用高压蒸汽将淡化装置的低压蒸汽压缩得到更多的加热蒸汽，提高淡化 装置的造水比【3 5 】。 ( 2 ) 利用柴油发电机的热量 在柴油发电机中，大部分废热通过其废气、缸套水和冷却油排放。 这部分热量占柴油燃烧所放出热量的4 0 5 0 如果将此热量回收用于 海水淡化可使柴油发电机的效率提高到8 0 以上。利用这种流程，每 1 0 0 0 k w 的发电机组，每大可以生产3 0 0 4 0 0 吨蒸馏水。与柴加发电机结 合的热压缩淡化装置的吨水能源费用为1 8 1 9 k g 燃油，而这部分能量是 用于维持系统的发电量不变和提供工艺用泵的耗电。在要求的水电比很高 的场合，柴油机的废热将显得不足，此时可采用热压缩多效蒸馏和机械压 汽蒸馏的复合流程。机械压汽蒸馏将生产所需要的额外淡水，由于用电也 加大了系统的废热量，同时提高了热压缩系统的产水量。 ( 3 ) 与同体废物燃烧炉结合 这类应用可通过废热锅炉产生蒸汽供给低温多效淡化装置造水，在 大多数情况下，利用中间蒸汽透平发电后再造水会更经济( 如垃圾电站与 海水淡化的结合) 。 ( 4 ) 利用工业冷却水、工业废气造水 通过板式换热器或热管换热器将热量传递给中间介质以防止污染产 品水。回收了热量的中间介质在闪蒸室闪蒸后又回到换热器循环，而产生 的蒸汽引入到低温多效淡化系统用于造水。 ( 5 ) 利用太阳能、地热造水 同上一种方式一样这类应用可通过板式换热器将热量传递给中间 料液中间料液在一个闪蒸室闪蒸后又回到换热器循环，而产生的蒸汽引 入到低温多效淡化系统用于造水。 1 3 6 低温多效海水淡化在国内的发展 l t m e d 的低温操作减缓了海水的腐蚀与结垢、对海水水质要求宽、 产水纯度高、应用灵活，市场份额和装机容量增长很快，已占世界海水淡 化总装机容量的1 2 ，逐渐成为热法海水淡化的主流技术1 3 2 。 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 第一章文献综述 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【3 6 1 ， 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1 0 1 2 m 3 d 了7 1 。该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。 我国低温多效海水淡化技术于“十五”期间正式开展自主研发，并 于2 0 0 4 年在山东的黄岛发电厂建成30 0 0m 3 d 的低温多效率海水淡化示 范工程【3 8 ，39 1 。河北国华沧东发电有限责任公司与s i d e m 公司合作【4 们，建 成了