新型海水淡化工艺及装置的研究.docx

Y 105G597洳：、嗜硕士学位论文所在学院 挝魁生他堂王程堂院提交日期 200612摘要海水淡化是目前解决淡水资源缺乏的有效途径之一。但海水淡化存在着投入 高、能耗高、成本高、利用率低等问题。而且，目前海水淡化所用的能源，主要 是以化石能源为主。本文提出了一种基于海洋温差能的新型海水淡化技术。利用 海洋温差能来进行海水淡化，是充分利用自然能源的一种体现，不仅可以大量节 约日趋紧张的化石能源，而且能够降低海水淡化能耗和成本。本文主要对以下几个方面进行了研究： 一、对新型海水淡化工艺进行了研究，并对全流程工艺进行了设计计算，确定了工艺参数，为实验室小试及工程应用提供理论依据。通过计算，确定了整个 淡化过程的工艺参数主要包括：各个管路的参数(管径、流速、阻力损失等)、 动力设备的功率、系统能耗等。二、对新型海水淡化装置中的核心设备进行了设计计算。包括对蒸发器类型 的选择、结构以及主要尺寸的设计计算；冷凝器类型的选择、传热面积的计算； 蒸发器和冷凝器的放置高度的确定。三、建立数学模型并进行温度场分析。分析了表层海水温度、闪蒸温度及深 层海水温度对系统的影响。四、建立了新型海水淡化的实验室小试系统。确定了新型海水淡化实验系统 的工艺流程以及工艺参数；对系统所涉及到的设备，以及仪器仪表进行了设计和 选型；确立了实验步骤，并进行了部分实验。关键词：海水淡化海洋温差能蒸发器冷凝器浙江太学硕士学位论文新型海水淡化工艺及!丧置的研究AbstractSeawater desalination is one of the efrective methods to obtain freshwater resources in the worldBut seawater desalination is of high input，high consumption, high cost，and low utilization coefficientMoreover，the energy of seawaterdesalination currently used is mainly in the form of fossilbased energyThe paperpresents a new ty弦of seawater desalination technology based on the oceanic thermal energyThe use of oceanic thermal energy in seawater desalination is a manifestation of making full USe of natural energyNot only could this method save a lot of fossil energy which is growing tense，but also reduce the energy consumption and the cost of seawater desalinationThe main work of experimental research is as follows：(1)Study a new type of seawater desalination technologyThe computer simulation on the technology of the whole process has been done to obtain the technological parameters，including the parameter of each pipeline，the power of power equipment，the energy consumption ofthe system，and SO on(2)Design and calculate the gore equipment of the new-type seawater desalination，including the type selection，and the design ofthe structure and the main dimensions of the evaporator；the type selection，the calculation of heat transfer area ofthe condenser；and the setting height ofthe evaporator and the condenser(3)Establish mathematical model and complete the theoretical calculations Analysis the influence of worm waterS temperature，evaporation temperature and cold waterS temperature on the system(4)Establish the newtype seawater desalination systemDetermine the technological process and parameters of the newtype seawater desalinationDesign and select the auxiliary equipmentsEstablish experimental steps，and do someexperimentsKey words seawater desalination oceollC thermal energy evaporationCOildensationII晰江文学硕士学位论文新型海水佚化工艺反装置蛞研究符号表P压力PaX蒸汽干度矿体积 r考虑凝液过冷和液膜对流换矗普适气体恒量热影响的参数r温度K 欧拉数Q热量材 液体在流道中的流速msm流量m3s 当量直径mm，汽化潜热kJkg 换热面积比热容kJkg 摩擦阻力Pa 印町 温差 马丁尼利系数 管内流速ms 传热温差J管径m坍 蒸发室的质量速度kg(m2彤D蒸汽管径mm 蒸发室直径mp流体粘度印 蒸发蒸汽量kghp海水密度kgm3 抽气速率掰。锄胎雷诺数 进料的摩尔数mols。管内粗糙度mm 汽相摩尔数mols摩擦系数 液相摩尔数moUs 摩擦系数 进料的摩尔焓kJmol 压头损失m汽相出料的摩尔焓kJmol阀门及弯头阻力损失系数液相出料的摩尔焓kJmol厂毋L，管路长度m比热量kmol蒸汽管压降Pa蒸发器中的液体积累量mols却有效功率kW【蓦磊4嘶z劬毋s，G工以吃g矿D液相摩尔密度mZmolM努塞尔准数。蒸发率丹普兰特准数岱质量流量够VI浙江上学硕士学位论文绪论第一章绪论11工程背景及意义2l世纪将是水的世纪。20世纪初，国际上就有“19世纪争煤、20世纪争石 油、2l世纪争水”的说法。从全球范围来看，根据联合国统计，全球目前有14 亿人缺乏安全清洁的饮用水。我国被联合国认定为世界上13个最贫水的国家之 一【l】。我国淡水资源总量名列世界第六，但人均占有量仅为世界平均值的14，位居世界第109位，而且水资源在时间和地区分布上很不均匀，有10个省、市、 自治区的水资源已经低于起码的生存线，那里的入均水资源拥有量不足500m3。 目前我国有300个城市缺水，其中110个城市严重缺水21，他们主要分布在华北、 东北、西北和东部沿海地区，水已经成为这些地区经济发展的瓶颈，今年预计全 国城市缺水量达到700亿m3，因缺水而造成的直接经济损失将达3000亿元左右。 随着我国经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，本来就很紧张的淡水资源 供求矛盾将更加尖锐，2010年后，我国将进入严重缺水期，到2030年，我国用 水总量将接近可用水量的极限。因此，为保证我国经济的可持续发展，淡水资源 问题的解决已迫在眉睫。而海洋中蕴藏着丰富的淡水，其总量约占海水的97， 相当于133亿km3之多，是一个取之不竭的巨大水库。因此解决淡水资源缺乏 问题的方法之一就是海水淡化，这将成为我国解决21世纪淡水资源危机的必然 选择。海水淡化是实现水资源利用的开源技术，也是世界各国竞相开发的朝阳产 业。世界海水淡化市场年成交额已达数百亿美元。在我国，海水淡化年产量也已 超过千万吨。发展海水淡化产业化不仅有助于缓解淡水危机，保障国民经济的平 稳发展，而且海水淡化技术和产品还有可能参与国内甚至国际市场竞争，必将成 为国民经济的一个新的增长点，并在不久的将来成为我国海洋领域新的支柱产 业。浙江文学硕士学位论文新型海水炭化工艺及装置的拜究12国内外研究现状资料表明H，截止到2002年世界上已建成和已签约建设的海水和苦咸水淡 化厂，其累积生产能力达到日产淡水3600万吨，见图11，而且还将以10一30的年增长速度攀升同，海水淡化对于缓解世界范围淡水短缺发挥着越来越重 要的作用。蓍建设窖最S蕊勤i萋莹萎萎萎墨彗垂塞萋墨羹l萎蚕嚣年伢图11世界海水淡化累积生产能力随年份变化曲线121国外研究现状从二十世纪50年代开始至今，海水淡化技术的应用可分为两个阶段：2000 年前以蒸馏法特别是多级闪蒸法为主，2000年以后则是膜法特别是反渗透法为 主。在实际应用中，各国根据海水淡化规模的大小、能源价格、原料水水质，甚 至气候条件等来确定采用何种淡化技术。图12是世界各地区采用的淡化方法的 比较。卜pt_o鼍长誓k蝌咖蛐啪铷咖渤咖葶o图12世界各地区采用的淡化方法的比较很明显，中东国家仍主选多级闪蒸法，这与其海湾水的特点(“四高”：高温、2浙江文学硕士学位论文 绪论高盐度、高菌藻和高石油污染)有关，如果采用反渗透法将大幅度提高海水预处 理的成本和操作运行的难度，但是中东地区也是世界上最早建设和试用大型海水 反渗透的地区，20世纪80年代初沙特阿拉伯和马耳他都分别建成日产数于吨和 万吨级的海水反渗透淡化厂，19912001年间中东鲍区兴建的反渗透淡化厂生产 能力达到70万m3d，仅次于欧洲。除中东地区以外，其他各地区的首选技术都是反渗透法，最突出的是欧洲，反渗透厂生产能力达到1 00万m3d，使用量居世界之冠印。 美国的思路并不在于某种特定的技术，而在于这些技术的水处理方面的集成作用，因此他们对水处理的各种膜技术都予以高度重视。20世纪70年代以来的 苦咸水反渗透、80年代后期开始的膜软化纳滤(MSn师)、以及90年代后期崛 起的低压膜水处理18】(微滤和超滤，MFUF)等都在水处理方面发挥了巨大作用， 而蒸馏法由于经济性差，基本上不再使用【9】。用低压膜(MF、UF和NF)迸行 原料水预处理的反渗透淡化技术与传统的常规预处理方法相比，具有流程短、处 理质量高，特别有利于处理微生物含量高的海水或地表水，这种新工艺的效益虽 然还有所争议，但在美国和欧洲都已大量采用，人们已将这一工艺称为“双膜法” 或“全膜法”00。美国到2005年的规划基本上都采用膜法，对蒸馏法没有安排 新的项目。日本现在采用的方法也以反渗透法为主，现有淡化水生产能力10009600VdIn】。冲绳日产40000吨RO厂的投产、福冈日产50000吨RO厂的建 设，以及新加坡日产135000吨RO建设方案的确立，将对亚洲邻国提供更多的 经验和决策参考。最近日本研制出一种利用高频电压使海水中钠离子和氯离子化 合并被过滤的高效海水淡化装置，其效率是浸透膜法的3倍，海水利用程度高达95，所需电费和维修费都较低，每分钟可生产200升淡水。122我国海水淡化研究现状我国从20世纪50年代开始研究电渗析法；60年代中期开始研究反渗透法；70年代中期西沙海水电渗析器和西北苦成水反渗透器分别制成【12】，并开始研制 陆用蒸馏淡化装置；80年代中后期建成工业规模的电厂用23000Vd多级闪蒸装晰江文学硕士学位论文新型露水文化工艺反装置的研究置；到了90年代我国海水淡化的形势才发生了巨大的变化，经济高速发展加上 旱情加重，海水淡化市场开始形成，目前我国是继美、法、日、以色列等之后研 究和开发海水淡化先进技术的国家之一。在蒸馏法淡化技术方面，天津海水淡化 研究所的“低温多效蒸馏淡化技术”和“压汽蒸馏淡化技术”都取得了具有自主 知识产权的科技成果，万吨级海水淡化装置的设计达到国际先进水平，吨水成本 可降至5元人民币以下。反渗透海水淡化技术已在我国辽宁、山东、浙江、河北、 天津等地应用，相继建成规模为日产50010000立方米的装置，在全国已形成日 产3万立方米的规模。2003年3月，以国家海洋局杭州水处理技术研究开发中 心为技术依托的山东荣城“万吨级反渗透海水淡化示范工程”进入施工阶段，标 志我国有能力自行设计完成万吨级海水淡化工程。表11为我国主要海水淡化工 程。表11我国主要海水淡化工程13海水淡化工艺技术简介目前海水淡化工艺常用的有蒸馏法和膜分离法，此外还有冷冻法和萃取法 等。其中蒸馏法以多级闪蒸法(MsF)、多效蒸发法(ME)和压气蒸馏法(vC) 等为主，膜分离法以反渗透法(Ro)、电渗析法(ED)和纳滤法(NF)等为主【131。几种海水淡化工艺方法的分类及特点见表12。4晰江文学硕士学位论文 绪论表12海水淡化方法的分类及特点竺兰鲎兰茎鲎竺兰MSF不限 5 较低燕馏法 ME不限 10 较低VC不限 1-5低膜分离法肋RO三嬲8譬51：嚣。在适宜篙霎酬氏131多级闪蒸法(MSF)多级闪蒸法是多级闪急蒸馏法的简称。多级闪蒸过程原理如下：将原料海水 加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所 对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分 气化，从而使热盐水自身的稳定降低，所产生的蒸汽被用于加热来自上级的浓 盐水，同时又被冷凝为所需的淡水。多级闪蒸就是以此原理为基础，使热盐水依 次流过若干个压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，同时盐水也逐渐增浓，直 到其温度接近(但高于)天然海水温度为止。图13为三级闪蒸淡化原理示意图。I一加热器?2一热回收段j 3一排热段j 4一海水：5一排冷却海水：6一进料水；7一循环盐水；8一加热蒸汽；9一排浓盐水：10一蒸馏水；ll一抽真空 图13多级闪燕淡化原理由于多级闪蒸中的海水加热与蒸发在不同位置，故结垢较轻(低温多效蒸馏 等其他蒸馏装置由于加热面与蒸发面是在同一传热面的两侧，其结垢问题严重)， 因此在70年代，多级闪蒸海水淡化装置占据整个淡化市场份额的70以上。其浙江文学硕士学位论文新型海水佚化工艺反装置的研究 缺点是设备庞大，一次性投资费用高，存在腐蚀问题114】。目前全球淡化永总产量中，多级cj4蒸排第一。其技术最为成熟，适合于大型和超大型淡化装置，主要在 海湾国家采用。目前日产6x104 m3的单机已经投入商业运行，日产9x104 m3的 单机正在设计中n5】。132反渗透法(RO)反渗透法(RO)属于一种膜分离技术，1960年美国加利福尼亚大学的Loeb 和Sourirajan用醋酸纤维素研制出第一张可实用的反渗透膜，标志着现代膜科学 技术的诞生。其工作原理如图14所示。联通管中部隔有一个特制的渗透膜，如 果在盐水侧对液体施加一压力P大于渗透压H时，盐水中的水分子将通过渗透 膜进入淡水侧，而溶质仍被渗透膜隔离于盐水侧，致使盐水浓度加大，这个过程 称之为反渗透【16J。为使反渗透装置正常运行，盐水侧的压力必须高于渗透压H， 一般情况P在4-7MPa范围内。连通营图14反渗透法原理反渗透法对于海水有一定的要求，必须对原水做严格的预处理，以免渗透膜 被污染、微孔被堵塞，通常采用加入氯气或次氯酸钠杀灭海水中的细菌、微生物 和藻类旧；加入三氯化铁、硫酸铝等凝聚剂，而后再用过滤的方法以除去海水中 的悬浮物及胶状物；加入亚硫酸氢钠除去海水中的溶解氧。预处理的目的是保证 反渗透进水的污染指数SDI小于4【l舯。而采用微滤、超滤或纳滤等膜技术作为反 渗透海水淡化系统的预处理工型191，则可以将反渗透进水的污染指数SDI降到1，从而可以更有效的保证反渗透装置的长期稳定运行。6晰讧文学硕士学位论文 绪论此外，由于反渗透法在分离过程中不需加热，没有相变，故方法本身实际所 需能耗较dd201，最新的抗结垢膜(如SW30HR一320膜，Film Toe公司生产)， 可节约25的能耗和20的安装维护费用211。其装置本体的能耗大概在35KWhm3左右圈；而且在常温下操作，腐蚀及结垢轻。目前世界上最大的海水反渗透淡化厂是杜邦公司在A1 Jubail建立的02106m3d的淡化厂，总能耗为59kWhm3淡水。世界上最大的反渗透苦咸淡水淡化厂在美国Yuma市，生产能 力为O37106m3d淡水。我国于2003年在山东荣成建成的5000m3d反渗透海水 淡化示范工程，已经将能耗下降到4kVChm3左右，成本降至5元吨淡水左右， 达到国际水平【2那。133多效蒸发法(ME)多效蒸发系由单效蒸发组成的系统。即将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽 引入下一个蒸发器作为加热蒸汽并在下一蒸发器中冷凝为蒸馏水。如此依次进 行。每一个蒸发器及其过程称为一效。这样就可以形成双效、三效和多效等。至 于原料水则可以有多种方式进入系：有逆流、平流(分别进入各效)、并流(从 第一效进入)和逆流预热并流进料等。在大型脱盐装置中，多用后一种进料方式， 其他进料方式多在化工蒸发中采用。多效蒸发过程在海水淡化和大中型热电厂锅 炉供水方面都有采用。图1，5为竖管降膜多效蒸发流程图。各效的压力温度从左到右依次降低。从 冷凝器后分流出来的原料海水经过预处理后，由泵Gt依次送入预热器E进行预 热，然后进入第1效蒸发器D1的顶部，并按要求分配到传热管的内壁，管外为 加热蒸汽。蒸发出来的二次蒸汽同下降的盐水在分离室中实现气液分离，二次蒸 汽经过除沫器后引至下一效加热。剩下的盐水则因两效间的压差作用而流入下一 效蒸发器D2。从第2效起各效都有盐水循环泵，将盐水分别打到蒸发器顶部进行分部和蒸发。如此进行直到末效Dn。各效所生成的蒸馏水也沿着压力温度降 低的方向流经各效管间，同时回收其热量，直到最后的冷凝器K，形成产品淡水 抽出。最后的浓盐水从末端D。的底部排出。多效蒸馏装置一股容量越大越经济，采用较高的级数可以提高产水比和蒸发浙江文学硕士学位论文新型海书痰化工艺反装置的研究效率，从而节约能耗t241；在同等条件下，能耗比多级闪蒸装置低，但由于加热蒸 汽直接通入沉浸在蒸馏器下部海水中的加热盘管内，管壁温度很高，所以多效和 单效蒸馏装置都容易在管壁上结垢。在多效蒸馏技术基础上于1975年发展起来 的低温多效蒸馏装置(LT-MDE)，该装置蒸发温度低于80，具有传热效率高、结垢少、成本低等特点，是极有发展前途的大型海水淡化技术嘲。如我国山东黄岛发电厂利用乏汽加热23000m3d低温多效海水淡化装置的示范项目；以色 列Ashdod的119万m3，d低温多效海水淡化装置，总效数为6；美国南加州计划 建造28万m3d塔式结构多效蒸馏装置，设计成30效、造水比22，该塔式结构的优点是流体藉助自身重力自上而下流动(给料)可以节省流体循环的输送功，同时增加了传热的有效温差。D一燕发器；E预热器：G一泵；K一冷凝器围15竖管降膜多效蒸发流程134电渗析法(ED)电渗析(ED)是指在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现 象。电渗析过程最基本的工作单元称为膜对。一个膜对构成一个脱盐室和一个浓 缩室。一台实用电渗析器由数百个膜对组成。电渗析器的主要部件有阴、阳离子交换膜、隔板和电极三部分。隔板构成的8浙缸大学硕士学位论文 绪论隔室为液流经过的通道。淡水经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。 若把阴、阳离子交换膜与浓、淡水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极， 就构成了一台实用电渗析器。若电渗析器各系统迸液都为NaCl溶液，在通电情况下，淡水的隔室中的N矿 与Cl僦分别阳膜和阴膜迁移到相邻的隔式中去。这样淡水隔室中的NaCI溶液浓 度便逐渐降低；而相邻的隔室中NaCI溶液的浓度则相应的逐渐升高，从而电渗 析器中就能源源不断地流出淡化液与浓缩液。图16为双膜电渗析器原理示意图。极I阳膜 阴厦H： Cl 2+ NIel H-a el-H，a_阴极室 中窒阳极室围16双膜电渗析器原理由于电渗析法需要大量电能，所以装置容量一般较小，1978年我国在浙江 嵊泗岛建成一个18千瓦小时的风力发电设备，专门用于电渗析淡化海水，日产 淡水24吨。用电渗析法淡化含盐量3500ppm的海水，制得400ppm的饮用水的吨水耗电超过16千瓦时，能耗大，因而大型的海水淡化装置基本上不采用电渗 析法。电渗析法适用于含盐量小于20000毫克升以下水的苦咸水淡化126。135其他方法海水淡化还有冷冻法、溶剂萃取法。冷冻法是使海水受冷后在海水中结成不 含盐的碎冰晶体，然后把它与海水分离，融化后得到淡水犯71。溶剂萃取法是利用 一种只溶解水而不溶解盐的溶剂如三乙胺(CzHs)3N从海水中把水溶解出来，然后把水和溶剂分开，从而得到淡水。9晰江土学硕士学位论文新型海水炭化工艺反装置的研究14海水淡化所需雒源141化石能源在上述的各种方法中，蒸馏法中的多级闪蒸(MsF)、多效蒸馏(ME)和热 力蒸汽压缩(TVc)主要使用热能，而蒸馏法中的机械蒸汽压缩(MvC)和膜 法的反渗透(Ro)和电渗析(ED)则主要使用电能。从源头上看，这些能源主 要来自石油和煤炭等化石燃料。据估计，每天生产26000kt淡水，每年消耗的原 油量约为26kt。众所周知，化石燃料是储量有限的不可再生资源，且在燃烧时会 向环境中释放出大量的温室气体。因此，国内外都在研究新的能源来进行海水淡 化，其中利用核能和太阳能的海水淡化技术已取得了突破性成果，并付诸于工程 应用。142核能淡化目前，世界电力供应的17来自核电厂，核能的利用已经越来越普遍，许多 国家已将其视为常规能源。在这种情况下，将核能引人海水淡化就显得很有吸引 力【挪。由于核反应堆既可以供热，又可以发电，因而原则上可以与任何常规的淡化 工艺锅台。一般认为在核能海水淡化中，反应堆使用中小型更适合，淡化装置则 使用大规模更为有利291。将反应堆的热量经多回路隔离后，在MSF盐水加热器 中加热盐水，或为ME提供首效加热蒸汽，即可实现与MSF和ME的耦合；利 用核能发电为RO提供电能，则可实现与RO的成功耦合。迸一步的耦合则包括 冷却水的利用或进料海水的预热，同时还应综合考虑所涉及的资金、设施、工作 人员及构筑物等方面。核能海水淡化只在哈萨克斯坦和日本得到实现。哈萨克斯坦阿克套一座淡化 能力为80000m3d的核能淡化厂成功运行了26年，并一直为附近居民中一15供水。 日本所有的核电厂都在海边，表13是日本现有的核能海水淡化厂的情况。10晰缸土学喊士学位论文 绪论在国内，栗用清华丈学具有自主知识产权的“低温棱供热反应堆”与。高温 多效蒸馏淡化工艺”相结合的海水演化新技术的世界上最大的海水淡化厂将在2007年底在山东烟台建成，其规模将达到日产16万吨，投资额16亿元，投资 强度为1万元，吨淡水，天，成本大约为375元，吨。不过，核能淡化也仍存在一些问题。经济分析表明，核能淡化的成本与传统 能源淡化的成本大致处于同一范围。另外，核能淡化由于涉及一些敏感问题，已 有的成果还不能使人们在其系统可靠性与经济性方面树立足够的信心。因而，核 能淡化在大规模工业化之前还需要建立一定规模的示范项目。143太阳能淡化太阳能是一种辐射能源，它可转化为热能和电能，原则上也可以与任何一种 海水淡化方法组合。但太阳能的能量密度较低，且不稳定，与各种淡化方法的组 合难度较大。目前传统的太阳能海水淡化装置的产水效率仍然不高，年产水率仅 为1000kgm3左右。太阳能海水淡化一般都采用蒸馏法，目前太阳能蒸馏装置主要有被动式和主 动式蒸馏系统。被动式蒸馏系统最典犁的例子是盘式太阳能蒸馏器，通过新材科 的选用、各种热性能的改善咀及将它与各类太阳能集热器配合使用，现在较为理 想的盘式太阳能蒸馏器的日产水量般为34kgm213”。热效率只能达到35*o-45!”J。被动式太阳能蒸馏系统一个严重的缺点是工作温度低、产水量不高 也不利于在夜间、阴雨天工作及利用其它余热。目前，通过各种技术改进，太阳 能蒸馏器在产水量、传热传质效率、能量回收等方面都有了较大的改进，越来越晰恤太学硕士学位论文新型海水凌化工艺反装置的研究受到广泛重视【331。法国化学家皮埃利戈夫最近研制成功一种结构简单、使用方便 的太阳能海水淡化新装置，每天每平方米太阳能收集器可生产20升蒸馏水。此外，利用太阳能与反渗透法结合，进行海水淡化与传统的淡化工艺不同， 因为需要利用光电池将太阳能转化为机械能【35弓7j，提供反渗透所需的压力，其技 术难度更大3引。144其他代替型能源除核能和太阳能外，海水淡化中的替代型能源还包括风能【39】、地热能、海洋 能以及生物质能等。海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、 波浪能、海流能、海水温差能和海水盐差能等M。在前面所提到的替代型能源中，海水温差能是指海洋表层海水温度与深层海 水温度的差异，也称为海洋热能【4ll。一般海洋的表层海水温度常年保持在2530左右，与深层海水(25米以下)相比，其温度差最高可达到15C以上【42J。 表14是我国各海域典型月份不同深度的海水最低温度。袭14我国各海区典型月份不同深度处海水最低温度C目前利用“海水温差能”来进行发电的研究已比较成熟，只是因为发电的成 本较高、效率较低(实际效率仅为2)，尚不具备与常规能源的竞争优势，因而 无法推广应用【431。如果利用“海水温差能”来进行海水淡化，这将充分发挥海水 温差能的优势。晰江文学硕士学位论文15存在的问题和发展趋势目前，在海水淡化工业上，主要存在的是能耗问题。几种较常见的方法，如 蒸馏法、离子交换法、渗透法、反渗透膜法以及冷冻法，都需要消耗大量的燃料 或电力。据已有的数据显示，截至1990年，全世界海水淡化产业生产能力是13000000m3d，相应的要消耗1亿3千万吨原油441。而到2000年，生产能力已 经翻了一番还多。如此巨大的能耗带来了一系列的问题。第一，化石能源是不可 再生能源，目前所探明的储量已经十分有限；第二，化石能源的来源和价格受生 产国家的牵制，导致经济利益的不稳定：第三，就是使用化石能源所释放的温室 气体、有毒气体等所带来的环境污染。为了可持续发展，也为了能更好的降低海水淡化的成本，取得更好得经济和 社会效益，国内外众多的研究机构已经把目光投入到开发新的海水淡化工艺中。 目前，在利用核能和太阳能进行海水淡化处理上，已经取得了实质性进展。并已 开始工业化运用。从今后的发展趋势来看，反渗透法和蒸馏法这两种工艺方法仍将占主导地 位，在此基础上的技术改进和工艺合成将不断开展。在能源日趋紧张的将来，海 水淡化所需的能源将成为研究重点，如上所述，化石能源由于受环境影响和储存量的限制，将逐渐被其它能源所替代。利用“海水温差能”来进行海水淡化，从 而降低海水淡化的能耗和成本是目前直至将来全世界一个极其热门的重大研究 课题。16本项目的提出基于上述背景，本项目在大量调研和可行性论证的基础上，提出了一种利用 “海洋温差能”的新型海水淡化工艺技术。本方法从工艺上突破了传统的蒸馏法 和反渗透法，实现以化工工艺为主的海水淡化工艺。从能源上主要依赖海洋自身 的温差能，是充分利用自然能的一种体现，不仅没有环境污染的问题，而且可大 量节约目前日趋紧张的化石能源，降低能耗和成本。使海水淡化得到全面推广应 用成为现实。晰讧大学硕士学位论文新型喀水淡化工艺反装置的研究 本项目不仅利用“海水温差能”，而且还利用物理上的虹吸原理来实现海水的输送。其主要特征有三个：(1)表层海水和深层海水的输送依靠虹吸原理来实现，而不需要泵来输送 (系统中泵的主要作用是克服管道阻力损失，能耗很小)。(2)在虹吸管路的顶部设置蒸发器，蒸发器内的真空度与虹吸在顶部产生 的真空度平衡，从而实现表层海水温度下的自然汽化。蒸发器内的真空度在初始 阶段由真空抽气泵来实现，运行过程中依靠与冷凝器内由于海水温差引起的真空 度之差来维持，丽不需要利用外界能源来进行加温或抽真空的方法汽化。(3)汽化气体通过深层低温海水来进行冷凝获得淡水(即利用海洋的温差)。17本文主要研究内容本文将对以下几个方面的内容进行研究： 一、新型海水淡化工艺研究和全流程设计计算。通过对整个系统的工艺研究，进行全流程工艺设计计算，确定工艺参数，为实验室小试，以及今后的工程应用 提供理论依据。二、新型海水淡化装置的设计。在工艺研究的基础上，对新型海水淡化的主 要核心装置进行了设计和选型。包括对蒸发器类型的选择，结构以及主要尺寸的 设计计算；冷凝器类型的选择、传热面积的计算；蒸发器和冷凝器的放置高度的 确定。三、建立数学模型进行温度场分析。研究表层海水温度、闪蒸温度、深层海 水温度的变化对系统蒸发率、海水泵功率等的影响。四、新型海水淡化实验室小试系统的建立。确立整个实验工艺流程及实验步 骤，对系统所涉及到的设备，以及仪器仪表进行了设计和选型，并进行部分实验。 五、总结与展望。对本文所的研究工作进行总结，并对今后还需进行的工作提出一些建议。18本章小结本章主要介绍了以下几个方面：14浙江大学硕士学位论文 一、本文所研究项目的工程背景及意义。二、国内外的研究现状。介绍了工艺方法研究现状，海水淡化所需的能源，目前所存在的问题以及今后的发展趋势。 三、提出了一种基于海洋温差能的新型海水淡化技术。 四、介绍了本文所要研究的主要内容。雠江土学硕士学位论文新型海水佚化工艺反装置的研究第二章新型海水淡化工艺研究本章将对新型海水淡化工艺进行研究，并进行全流程设计计算，确定工艺参 数，为实验室小试及工程应用提供理论依据。21新型海水淡化工艺图21为新型海水淡化工艺流程图。1燕发器 2表层水管线泵3冷凝器4深海水管线泵5淡水贮罐6淡水泵 7真空泵 图21工艺流程及装置图本装置所涉及的工艺主要有虹吸、汽化、冷凝和海水输送等。 虹吸和流体输送：表层海水和深层海水的输送利用虹吸原理来维持，管路及蒸发器的阻力损失用海水泵来克服。 汽化：表层海水的汽化在蒸发器内完成。所需要的常温下汽化真空度分两个阶段：起始阶段，蒸发器内的真空度由真空抽气泵来实现(同时使冷凝器内达到 同样真空度)，当绝对压力达到与蒸发管内的压力相同时，关闭真空抽气机，这16晰江大学硕士学位论文 新型海水淡化工艺研究样，连通蒸发管和蒸发器时，两者压力平衡，海水产生汽化。运行过程阶段，汽 化气体要及时抽走以维持蒸发器内的真空度，这时需要依靠与冷凝器内由于海水 温差引起的真空度之差来及时抽取汽化气体。因为温度越低，真空度越高(不存 在不凝性气体)，而冷凝器内的温度比蒸发器要低，在两者起始真空度相等的情 况下，冷凝器内的真空度要低于蒸发器，此时冷凝器相当于一个抽气机来及时抽 取蒸发管内的汽化气体，从而维持蒸发器内的真空度，利用的能源就是“海水温 差能”。为保证汽化、冷凝效率和虹吸现象的保持，需不断抽取蒸发器和冷凝器 内的不凝性气体。冷凝：由蒸发器内汽化的气体进入冷凝器内进行冷凝成为淡水，冷凝所需的冷媒介质为温度较低的深层海水。本装置所利用的“海水温差能”主要用于维持海水常温汽化所需的真空度和对汽化气体进行冷凝。22新型海水淡化全流程工艺设计计算本小节将以工程项目目标，每天生产淡水100吨为设计要求，对新型海水淡 化的全流程工艺进行设计计算，并确定各个过程的工艺参数。221表层、深层海水进出口温度考虑到本套装置应用时的实际情况，取表层海水温度为29(2，深层海水温度为IOC，表层、深层海水的设计温差为19C，符合一般海水温度范围。当淡水产量一定时，蒸发器进出口温差低，相应的表层海水流量就要提高， 蒸发器的体积也相应增大；相反，蒸发器进出口温差变高，则表层海水流量降低， 蒸发器的体积也减小。但是，进出口温差也不能太高，在实际设计中，日产淡水 数千吨至万吨级的大型多级闪蒸装置，级间温差通常为23C：日产几百吨或 几十吨的小型装置，级问温差则可以达到56。这里设计蒸发器进出口温差 为4。即，蒸发器入口温度29，出口温度25。冷凝器的进出口温差取与蒸发器相同值。即，冷凝器进口温度10，出口温度14。晰讧大学硕士学位论文新型喀水佚化工艺反装置的研究222蒸发、冷凝温度表层海水的温度为29C，为了使海水在蒸发时有一定的过热度，以提高蒸 发效率，这里设计蒸发温度为25C冷凝温度必需在冷凝器内压力所对应的淡 水沸点之下。系统在运行之前，需先用真空泵将蒸发器、冷凝器内的压力，抽成25C海 水所对应的饱和蒸汽压，3109kPa。此时，蒸发器和冷凝器内的温度基本与外界 温度一致，为29。然后，深层海水进入冷凝器，冷凝器的温度下降到与深层 海水一致，为10。根据理想气体状态方程，可以算得冷凝器温度下降后的压 力。PV=nRT(21)其中：n为气体摩尔数； R为普适气体恒量。：PV：nRrK：常数吊裂 (22)L厶Z J当在一个密闭容器中时，13不变，R为常数，所以可得22式：冷凝器内初始温度为29C，压力3109kPa；深层海水进入后，温度为10(2，根据22式，可以算得压力。卫：望正五最：晏五：三堕(10+273)：2913kPaZ 29+273、淡水在24C时的饱和蒸汽压为2983kPa，23C时的饱和蒸汽压为2809kPa， 冷凝器内的压力为2913kPa，所以从蒸发器过来的蒸汽，只有在23C以下才会 冷凝。这里设计冷凝温度为23C。223表层海水流量表层海水温度：29C，蒸发后水温：25C海水在25C时的汽化潜热：22438kJkg18晰江文学硕士学位论文新型海水淡化工艺研究海水在25C时的比熟容：3898 kJkg-C 淡水产量：100吨，天=4167 kgh 蒸发热量：蜴=ml (23)a=4167x22438=0935x107kJh=25972kW 根据热量平衡原理：Q1=m2Cp2At2(24) 由24式可得表层海水流量：拼，：里L：0935x107=60x105kghCp2出2 38984m2=O163m3s224表层海水管路设计根据手册【451，管道中水的流速为102Oms，所以这里取流速为10ms进 行计算。则由：三剃?铲珊：选择规格为m480X9mm的热扎无缝钢管，则：驴三：些：0972所s码5豸2面万而24225深层海水流量深层海水温度：IOC，出冷凝器后水温：14C 水蒸汽在23时的冷凝潜热：243952kJkg水蒸汽在23C时的比热容：1863 kJkg19浙仁太学硕士学位论文新型海水嶷化工艺及蓉置曲研霓 海水在10(2时的比热容：3916 kJkg蒸汽流量：100吨，天=4167 kgh冷凝热量：Q2=m3r3+m3c出3(25)Q2=4176x243952+4176x1863x4=1022x107kJh根据热量平衡原理：Q2=m4Cp44可得深层海水流量：=告=丝坐=652x105k93916x4C。3觚，mt=0176m3s226深层海水管路设计根据手册【451，管道中水的流速为102Oms，所以这里取流速为10以进 行计算。则由：三础“：=所。d2= 互 =0473m选择规格为由4809mm的热扎无缝钢管，则：”粤：=J坐L了：105mvLiv2葛2面万瓣锄5J1d227蒸汽管路设计已知：蒸汽流量为4167kgh 蒸汽温度为25C 蒸汽绝对压力为3109kPa晰江文学硕士学位论文新型海水淡化工艺研究蒸汽密度为O02304kgm3 根据资料，饱和蒸汽的流速一般在2040ms，若取蒸汽在管内的流速为20ms，则三桕2如=而丽4167D=179m若取内径为1800mm的蒸汽管道，蒸汽实际流速约为198mls。228管路阻力损失2281表层海水引水、排水管路阻力的计算一、引水管路阻力损失 已知：海水温度29管内流速u=O972ms 流体粘度II=o888cP 密度p=10221krym3 引水管长：160ra 引水管内径：462mm雷诺数嘲：Re：望竺 (26)Re：一0462x0972x10221：51710p0888101取管子相对粗糙度：三：里：0000433d 462取摩擦系数：脚。旦rL矗Re， (27)21浙江土学硕士学位论文新型海水文化工艺反装置的研究A=叭叫33+i若斋)”=o