单效蒸汽压缩设备的设计

1、单效蒸汽压缩设备的设计希沙姆化学工程系，能源与动力工程学院，科威特大学邮政信箱5969，沙法13060，科威特电子邮件：.kw摘 要本文介绍了一个单效应蒸汽压缩过程的综合设计模型。过去的文献基本上针对的传热面积和压缩机功耗的研究分析计算。这篇论文当中提到了几个新的设计特点，其中包括蒸发器的尺寸，除沫器的尺寸，非冷凝气体排气口的尺寸及真空系统的容积。该模型的基本方程包括质量和能量方程，蒸汽压缩机消耗的功率，以及一个行之有效的用来计算与蒸汽和流体系统的传热系数和热损失有关物理量的模型。由于系统的温度和密度是不断变化的所以对于一个非线性方程的求解需要进行迭代

2、。系统的性能包括模型的流量，盐水沸腾的温度，沸腾的饱和卤水和蒸汽的温差以及蒸发管的长度。设计结果和现有数据的对比显示具体的能耗和传热面积和预测的一致。关键词：海水淡化，单效蒸发，蒸汽压缩机，设计，建模，成本核算1.背景介绍目前海水淡化产业主要受多级闪蒸海水淡化和反渗透（雷达测距器）所控制影响。这两种海水淡化技术的市场占有率达90%以上。其余的市场份额包括多效应的由于热或者力的作用的蒸汽压缩以及但效应的机械蒸汽压缩（MVC）【1】的脱水方式。机械蒸汽压缩的脱水方式由于生产能力不足5000立方米/天【2，3】仍然具有一定的吸引力和竞争力。有关MVC研究的文献包括系统建模和设计以及领域内的数据和绩效

3、的评估。一篇由迈茨和费希【4】早在1981年的论文显示无论是RO还是MVC系统关于生产成本都有一个明确的优势。然而，MVC在生产过程中的扩大仍然有限。1994年，只有100个MVC的微元体在齐默尔曼【5】的论文中提到。MVC系统的设计和试验数据由卢卡斯、塔布里耶【7】、迈茨、齐默尔曼【8】得到。这篇论文得到了单效应及多效应MVC系统的现场数据。这些系统的能力各异，从300至2500立方米/天，平均的费用达11KWh/立方米。单效系统的压缩比为1.3，多效系统的压缩比为1.85。韦扎的论文提到了两个1987年和1989年安装在加那利群岛MVC单元（但效应）的可靠性。这些单元的生产能力达500立方

4、米/天，90%的工厂的因素，具体的功耗为10.4到11.2KWh/立方米。较高的工厂影响因素由于低温操作，60摄氏度，从而降低了生产效率。经过大量的文献研究得到了MVC系统的数学模型。达尔维什的研究中提到了一个简单的数学模型，这个模型提供了一种简单快捷的计算评估各种系统的性能的方法。由Al-Juwayhel等人研究的模型提供了各种单效应蒸汽压缩系统性能的快速估算方法，其中包括了MVC系统。Ettouney等人开发了MVC系统的详细模型。这个模型囊括了更细节的怎样计算蒸发器及板预热器的传热面积和压缩机的功率。科罗伦贝格和洛克发表的关于3000立方米/天的大容量的MVC单元的性能。该报告显示其具体

5、功耗为8.1KWh/m3，其中包括泵和压缩机。文章中提到的模型和分析更加具体的讨论了由Ettouney开发的MVC单元的一些新的特点及功能。这些功能包括蒸发器孔口尺寸的测定，除雾器的尺寸，非凝结气体排气口的尺寸以及真空系统的容量。这些新增的分析结果更加全面的描述了MVC系统并且为以后的研究文章提供了很多重要的文献资料和有用的设计。2.过程描述MVC系统原理图和蒸发器的截图如图1和图2所示。该系统包括了蒸发器/冷凝器管，进料预热器，蒸汽压缩机，排气系统，非凝性气体喷射器以及抽油单元。该系统不包括饲料预处理单元（其中包括支架以及粗/细显示屏）。应当注意的是，该系统的动力来源完全是电力，用来操控蒸汽

6、压缩机、泵、真空系统以及控制器。不过，当进程开始或者需要改变到一个新的稳定的状态时系统则需要一个辅助的动力，即柴油动力系统。这一过程的温度分布如图3所示。在蒸馏份和海水淡化器里将海水预热对蒸馏过程有帮助。该预热器成板型，其目的是为了实现冷热流之间能够存在一个较小的温差。相应的，在淡化器里的可预置的部分的热量由供入的馏分提供。流入的液体在蒸发管里雾化。这样导致了在蒸发开始的时候流入的液体的饱和温度的增加。形成的液雾经去雾器流入蒸汽压缩机。压缩过程使液体的饱和温度达到一个更高点并且增加了一部分热量（汽化潜热）。当压缩的流体流过冷凝管时，流体冷凝放出汽化潜热，这部分热量同时传递给冷凝管外侧流过的流体

7、。冷凝的产物和流进的盐分高的流体在预热器里交换了热量。在蒸发过程中，不凝气体从海水中被释放，其中包括：氧气、氮气、二氧化碳。这些气体和雾化后的流体一同进入压缩机，在冷凝之前，非冷凝气体会积聚在冷凝管上。因此，有必要设计一个排气口连续不断的将这些非冷凝气体排出。这样可以防止冷凝气体的聚集，从而增加传热效率。此外，非冷凝气体数量的增加会导致压缩液体分压力的下降。分压力的下降直接导致蒸汽饱和温度的下降，从而导致热驱动力的降低。这样可以设计一个空气分离器将这些气体从液体中分离出来。MVC系统包括摄取海水以及产品的泵。有些设计可能需要用到盐水循环泵。这可能需要控制流体在蒸发器内的停留时间。33%的转化率

8、定义是最终产品对于流入高浓度液体的质量流量的比例，在无盐水循环的情况下泵的功率为3KWh/立方米。3.质量和能量平衡及传热模型MVC模型包括运用蒸发器和预热器的质量和能量平衡方程以及传热方程来确定蒸发器和预热器的传热面积，并且用一个压缩机模型来确定压缩机的功率。其他模型方程用来确定蒸发器、去雾器及通风线路的尺寸。以下各节包括方程和假设的模型。模型假设包括：稳态条件下的系统操作能力，这个是一个工业标准，在稳态条件下在夏季/冬季一个企业高/低生产能力。蒸发器、预热器、管道和抽水系统的能量损失是微不足道的。但是个可能导致2%-5%的传热面积的增加来弥补以上带来的热损失。假设产品的含盐量为0，因为流入

9、的流体含盐量很高可达36000ppm至70000ppm。另一方面，产品的含盐量相当的低，只有1ppm-20ppm。这个非常小的盐分对于总物质平衡影响微乎其微。预热器的传热面积是板型的并且每一部分具有不同的传热面积。假定预热器外进行冷凝的流体和预热器里的流体的温度是相同的。气液混合的物理性质取决于流体的温度。并且，进入系统的浓盐水的物理性质取决于该流体的温度和盐分的浓度。热力学损失由沸点升高、非平衡态误差以及去雾器损失引起。蒸发器和预热器的传热系数具有相关性，这取决于流体的温度、温差、物理性质、流量、尺寸和热通量。蒸发器中的热量传递的动力假定不变，并且相当于冷凝液体的饱和温度和沸腾温度的差值。该

10、假设忽略了压缩的过热蒸汽内的温度梯度。并且，该假设还忽略了将入流加热到沸腾温度存在的非常小的温度梯度。在除雾器的设计中，假设在整个蒸发的过程中都伴随着除雾。并且假设除雾器中流体的速度平均为4m/s，这个更具工业标准的得到的数据最大限度的减少了高浓度盐水的夹带。较高速的蒸汽流速会导致产品的浓度变高。质量和盐分平衡如下：Mf = Md + Mb (1)Mb = Mf Xf /Xb (2)预热器的能量方程，总能量等于流入的流体的能量变化加上蒸馏物能量的变化：Mf Cpf (Tf -Tcw) = Md Cpd (Td-To)+ Mb Cpb (Tb-To) (3)蒸发器的能量包括加热流体的热量和其汽化

11、潜热。这个总和等于冷凝气体放出的汽化潜热和压缩机所做的功。Mf Cpf (Tb-Tf) + Md vp = Md d + Md Cpv (Ts-Td) (4)冷凝管内蒸汽的温度(Tvp)等于盐水的沸腾温度(Tb)减去沸点升高的值(BPE)减去非平衡态的补偿(NEA)。Tvp = Tb-BPE-NEA (5)除雾器的蒸汽温度(Tv)由于除雾器里温度的降低(Tp)。Tv = Tvp-Tp (6)等熵压缩过程蒸汽的过热温度(Tis)表现在入口蒸汽温度(Tv)以及进口蒸汽压力(Pv)和出口蒸汽压力(Pd).Tis = (Tv + 273.15) (Pd/Pv) (-1)/-273.15 (7)其中 =

12、 1/1!8.314/(18 Cpv) (1 + X)2/Y, X =0.004256,Y = 1.0011.压缩过程的过热蒸汽的焓(Hs)与压缩蒸汽的饱和焓(Hd)以及登上过程的显热(Hv)以及进口蒸汽的焓(Hs)有关。超高温加热的温度取决于压缩的过热蒸汽的焓(Hs)以及压缩蒸汽的饱和焓(Hd)。Ts = (Hs-Hd)/Cpv + Td (9)具体的能量差（W）表现在压缩的过热蒸汽和进口蒸汽的焓差。方程（10）中的系数（1000/3600）与产品密度（1000Kg/立方米）及转化率（3600s/h）有关。这个系数用来得到W的单位。W = (Hs-Hv) (1000/3600) (10)蒸发

13、器的传热面积取决于冷凝蒸汽的显热和潜热或者流入单元流体的显热和潜热。 流入预热器的馏分的传热面积与馏分的显热有关方程（12）中的对数平均温差由最初吸入的海水、进入系统的盐水、入口浓度和出口浓度决定。流入系统的盐水的传热面积与其显热有关。方程（14）中的对数平均温差与最初吸入的海水、进入系统的盐水、入口流量和出口流量决定。在方程（10）（12）（14）中总传热系数值取2-4KW/（平方米*K）对于流动情况的下限的管壳与管内。对于版式预热器总传热系数有一个更宽的范围是4-6KW/(平方米*K)。下面三个方程给出了蒸发器和两个预热器的总体传热系数。蒸发器的传热面积取决于蒸发管的数量、除雾器的宽度以及

14、外壳的直径。蒸发管的数量（Ne）由蒸发管的传热面积以及外面的单一传热面得到。该除雾器宽度由蒸汽流量、蒸汽速度和除雾器的长度决定。该管束安排在一个正方形的区域内。管束的长度取决于管子的数量（Ne）、管子直径（Deo）以及管子的间距（PT）。应该指出的是处于经济因素的考虑，管子的间距系数在1.25-1.5之间取值。蒸发器的直径与管束的长度有关。蒸发器的直径应该足够装下管束、喷雾喷嘴、除雾器、盐水池。其他系统尺寸包括通风管的数量。需要定义通风管管口的直径用来计算管口蒸汽的流速。方程（23）中的数值1.5为收缩及扩张损失。排气孔中蒸汽的速度用来确定排气管的数量。方程（24）中的xvl代表排气口损失的最

15、终产品（低浓度水）。通常其值应低于2.5%。值越大表示损失越大，而较小的值则代表除非凝性气体的效率不高。4.相关模型与模型有关的包括传热系数、物性、以及热力学损失的方程组。传热系数包括预热器、降膜以及冷凝蒸汽的传热系数方程。由Uche和Wangnick写的论文总结了许多的传热系数并且将其运用到该模型当中去了。预热器中的传热系数由Buonopane等人获得。以下是盐水预热器的相关说明。预热器馏分也可以用一个类似的方程表示；但是，wbp, dbp, 以及kwd的值必须得到。应该指出的是，在这两种情况下流体的速度将保持不变对于压降（高速下）带来的侵蚀以及低速带来管壁上出现沉积物。hbp = 0.25

16、36 Re0.65 Pr0.4 (kwb/Debp) （25）其中Re = Debp v/, Pr = mCp/k, and Debp = 2(wbpdbp)/(wbp+dbp).下降过程的液膜的传热系数由Han和Fletcher测得。 其中，Re = Deo v/, and Pr = Cp/k.水平的蒸汽冷凝管的传热系数由Shah等人得出如下。其中，z = (1/)!10.8 Pr0.4, Pr= Cp/k. 应该指出的是在方程（26）（27）中的物性参数是指在蒸发器或者冷凝器中液相的部分的饱和温度下的物性参数。BPE的定义如下，其与盐分浓度和温度有关：其中A = (8.325×1

17、0!2 + 1.883×10!4 T + 4.02×10!6 T2),B = (!7.625×10!4 + 9.02×10!5 T!5.2×10!7 T2),C = (1.522×10!4!3×10!6 T!3×10!8 T2).非平衡态的补偿由Miyatake等人定义如下，其与饲料，盐水以及蒸汽的温度有关。除雾器的压降定义如下，其与除雾器内的密度，蒸汽流速以及内部金属丝的直径有关。海水的密度定义如下，其与水的盐度和温度有关：海水的定压比热如下，其与海水的浓度和温度有关：海水的运动粘性系数如下，其与海水的浓度和温度

18、有关：海水的导热率表达如下：水的汽化潜热表达式如下，其和温度有关：水蒸气的饱和压力如下，其与温度有关：5.计算过程模型MVC的求解方法如图4（上图）所示。这个算法首先定义各个输入设计参数。假设的系统温度应该参考一下几点。饲料海水的温度范围是5摄氏度35摄氏度。压缩蒸汽的饱和温度Td高出盐水的沸点温度Tb至少2摄氏度。盐水的盐度是饲料海水的两倍。这些得到一个较高的转化率是很有必要的。系统的其他部分包括管的直径、管壁的厚度、管壁的热传导系数、以及根据工业标准设计的版式预热器的面积。第一步，求解方程（1）、（2）求解出饲料海水和盐水的质量流量。第二步，用迭代发求解方程（3）（9），这是因为该方程组是

19、非线性的。迭代时运用牛顿迭代法，这需要猜测饲料海水的温度Tf以及流出的盐水馏分的温度To。Tf的值比Tb低2摄氏度，To的值比T高2摄氏度。第三步，连续求解方程（10）（24）求出传热面积、能耗、蒸发器及除雾器的尺寸，排气管的数量。6结果及讨论预测的数学模型由图510表示。这些计算建立在盐水沸腾温度（60100摄氏度）、压缩蒸汽的饱和温度（比盐水沸腾温度高14摄氏度）、产品产出率（1060Kg/s等同于8645184立方米/天）、管长（520m）的基础上。压缩蒸汽的过热温度及产品产出率在不同温差、不同盐水沸腾温度下的对应值如图5a和图5b所示。如图5a中所示，过热温度在8到30摄氏度之间变化。

20、过热温度较低的点盐水的沸腾温度相应的较高。这是由于在温度较高时汽化潜热较低所导致。图5b显示了压缩比的变化范围。温差为8摄氏度，盐水沸腾温度为70摄氏度是压缩比为1.4。这个结果与Aly和El-Fiqi发表的论文当中的数据一致。图6显示了功耗的不同数值。功耗在较低的温差和较高的盐水沸腾温度下会减少。这是由于在较高温度下和压缩过程的功耗的减少所致。图6显示了，在沸腾温度为70摄氏度、温差为4摄氏度时功耗为15.2Kw/立方米。这个结果与文献当中的915Kw/h符合的很好。除雾器宽度以及蒸发器直径的变化如图7和8所示。除雾器宽度与盐水的沸腾温度、产品的产出率以及管长有关。盐水沸腾温度较高时除雾器的

21、宽度会减少，这是因为整齐单元的体积变小了。另外产品产出率的减少和管长的增加都会导致除雾器宽度的减小。除雾器的宽度同时也受制于蒸发器的直径。蒸发器直径的变化如图8a8c所示。图8a显示了当产品产出率大幅增加时蒸发器的直径也需要大幅增加。另一方面，盐水的沸腾温度变化对蒸发器的直径变化影响很小。这是由于传热面积对于盐水沸腾温度的影响（如图9所示）引起的。温差对蒸发器的面积和直径则有很大的影响。如图8a8c所示，蒸发器的直径在212米之间变化。蒸发器的直径由管长、管径、传热的动力以及系统工作能力所决定。例如，当蒸发器直径为2.73m时，系统的工作能力为500立方米/天，管长为10米，管径为0.025米

22、。这些数据从四个方面描述了典型单元的工作情况。 特定区域的传热面积的变化如图9所示。温差对特定区域的传热面积影响很大。较高的温差可以减小传热面积。传热面积的数值是最难确定的一个变量。这是由于大多数文献中都没有发表过具体的数据，这些数据被认为是专有的。但是，大部分文献和一少部分对于热脱盐系统研究中提到了传热面积大概在200800m2/(Kg/s)。下限是系统在一个较高的温度范围90110摄氏度下得到的。上限是系统在一个较低的温度范围6070摄氏度下得到的。另一个影响传热面积的因素是热传导系数和流动阻力。当平均传热系数在2.4kw/(m2*摄氏度)，传热面积为544 m2/(Kg/s)。这个数值和

23、Veza发表的论文中的数值很接近。排气管的数量和排气管中蒸汽的速度的变化分别在图10a和10b中显示。计算的条件是孔径为0.05m，排气管径为0.1m。排气管的数量随盐水沸腾温度及产品产出率的增加而减少。当盐水沸腾温度较高时产品蒸汽的比容较小，因此流体流域的排非凝性气体的量将减少。盐水沸腾温度对蒸汽的流速的影响很小。这是因为此时排气管的数量再增加。7.结论一个涵盖一些新的特征的MVC单元的模型展示如上。其中包括了蒸发器、除雾器的尺寸以及排气系统的排气能力。除了确定了具体的传热面积以及功耗外。试验得到的数据和之前发表的一些论文中的数据匹配的很好。这表明了数据和假设的模型之间匹配的很好。模型显示了

24、传热面积和功耗对于压缩蒸汽和盐水之间的温差依赖性很强。接着优化参数来获得最小的传热面积和功耗。8.符号A 面积, m2BPE 沸点升高, 摄氏度Cp 定压比热, kJ/（kg 摄氏度）d 版间距, mD 直径, mDe 板式预热器的当量直径, mDS 外壳直径， mg 重力加速度, m/s2h 对流传热系数, kW/（m2 摄氏度）H 焓, kJ/kgk 导热系数, kW/（m*摄氏度）L 长度或厚度, mLMTD 对数平均温差, 摄氏度M 质量流量, kg/sN 排气管数量NEA 非凝性气体温度补偿, 摄氏度P 压力, kPaPc 绝对压力, kPaPr 普朗特数, Pr = Cp/kPT

25、管的倾斜度P 压降, kPar 半径, mRe 板式预热器的雷诺数Re = De v/Rf 流阻, （m2 *摄氏度）/kWs 盐浓度, g/kgT 温度, ECTc 绝对温度, ECT 温差, ECU 总体传热系数,kW/（m2* 摄氏度）v 速度, m/sV 比体积, m3/kgVc 绝对比体积, m3/kgw 板式预热器宽度, mW 绝对功耗,kWh/m3X 盐浓度, ppmx 质量百分比希腊符号 蒸汽压缩效率 压缩因子 管或者壁的厚度, m 蒸发潜热,kJ/kg 动力粘性系数, kg/(m s) 密度, kg/m3 蒸汽冷凝百分比下标的含义b 盐水bh 盐水/饲料预热器c 浓缩物cw

26、进口海水d 馏分dh 馏分/饲料预热器e 蒸发器f 饲料ff 液膜i 内径is 等熵压缩蒸汽o 外径或出口温度or 排气口p 除雾器s 过热压缩蒸汽tb 管束v 除雾器前的饱和蒸汽vl 排气管束vp 除雾器后的饱和蒸汽参考文献1 K. Wangnick, Worldwide Desalting Plants Inventory,IDA, Gnarrenburg, Report No. 17, 2002.2 R. Borsani and R. Rebagliati, Fundamentals and costing of MSF desalination plants and compariso

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