低温多效蒸馏海水淡化系统热力过程数值模拟

低温多效蒸馏海水淡化系统热力过程数值模拟

0传统海水淡化技术蒸馏水法是采用最古老的海水淡化技术，但由于结垢和腐蚀等问题，应用较少。随着低温多效蒸馏技术的出现和发展,低温多效蒸馏海水淡化系统得到迅猛发展。低温多效蒸馏(low-temperaturemulti-effectdistillation,LT-MED)海水淡化技术已成为未来第2代海水淡化厂的主流技术之一。在多效蒸馏的三种常见工艺流程(顺流、逆流、平流)中,顺流流程具有显著的特点:高质量分数海水处于低温区,有利于减轻结垢,三种流程中,顺流具有最好的抗结垢性能;各效蒸发器压力逐渐减低,塔式结构的多效蒸馏装置料液靠效间压差可以自然流动到后效蒸发器;由于各效温度也是依次降低,故料液在效间流动时发生闪蒸,这样也可以产生一些蒸汽,提高造水比。对LT-MED海水淡化系统的模拟,多是依据经验数据和特定工况的研究,缺少针对特定流程进行全面热力性能分析。本文建立了考虑各种热力损失的顺流流程LT-MED海水淡化系统的数学模型,分析了效数、海水温度、第1效蒸发器加热蒸汽温度和海水浓缩比对系统热力性能的影响。1多效蒸发系统系统工作原理如图1所示。海水在冷凝器中完成预热和脱气后,流入第1效蒸发器,在蒸发器中部分海水被加热蒸发,落于蒸发器底部的浓盐水被送到下一效蒸发器继续蒸发,直至末效蒸发器的浓盐水被排出装置。加热蒸汽直接引入到第1效,其余各效的加热蒸汽产生于前一效的二次蒸汽,各效产生的二次蒸汽全部用于加热下一效的浓盐水。系统设备主要由蒸发器、冷凝器和闪蒸罐组成。蒸发器选择水平管降膜蒸发器,这种蒸发器是20世纪70年代发展起来的新型蒸发器,又称横管降膜蒸发器。在多效蒸发装置中,待蒸发的海水经喷嘴被均匀的分布到蒸发器的顶排管上,然后沿顶排管以薄膜形式均匀向下流动,管内为加热蒸汽。管内蒸汽的凝结温度略高于管外海水的蒸发温度,管内蒸汽被管外海水冷却而凝结,管外的海水吸收管内蒸汽的潜热而部分蒸发。对于光滑管,水平管降膜蒸发的传热系数三倍于闪蒸,二倍于竖直管蒸发,同时显著降低了空间高度。2热力过程的数学模型2.1传感器的数学模型3系统热力性能测试影响造水性能的参数很多,包括传热面积、冷凝海水流量、热效率、加热蒸汽温度和传热温差等。本文在给定淡水产量、各效蒸发器传热面积相等原则下,计算分析系统热力性能。计算基本参数为:淡水产量15000t/d,进料海水盐质量分数3.2×10-2,蒸发器换热管直径25mm,进料海水温度15℃,加热蒸汽温度65℃,末效蒸发器蒸发温度为41℃,设备热利用率0.98,海水浓缩比2.0。3.1各效数对冷凝器海水流量的影响图2、3给出了计算得到的蒸发器效数对系统热力性能的影响。当淡水产量、进料海水温度及质量分数一定,浓缩比为定值时,随效数增加,造水比增加,冷凝器海水流量逐渐减少,如图2所示。当效数增加,等量蒸汽可被重复利用的次数增加、盐水蒸发出的淡水增多,所以造水比增加。但受流动阻力损失引起的传热温差损失、盐水沸点升高、散热、汽化潜热随温度的变化等因素的影响,随效数增多,造水比增加比例逐渐减小。冷凝器海水流量减少主要是由于效数增加,造水比增大;由于淡水产量一定,加热蒸汽流量降低,进入冷凝器蒸汽流量降低,而冷凝器进出口海水温度一定,所以冷凝器需要的海水流量减少,由图2可见进料海水流量减小速度随效数增加而降低。另外,由于淡水产量一定,随效数增加,各效蒸发产生的蒸汽量减少、各效温差降低,所以各效蒸发器传热面积升高。虽然效数增加各效蒸发器传热面积增加较小,但蒸发器总传热面积增加较明显,如图3所示。3.2蒸发温度对蒸发设备的影响图4～6给出了系统热力性能随末效蒸发器蒸发温度的变化情况,其他参数取基本计算参数。改变末效蒸发器蒸发温度即改变了各效蒸发器的传热温差,从而影响系统热力性能。随末效蒸发器蒸发温度升高,各效蒸发器传热温差减小,蒸发器总传热面积增大,如图4所示。有趣的是,末效蒸发器蒸发温度提高,系统造水比增大,冷凝器海水流量减小,如图5、6所示。由水蒸气热力性质可知,水蒸气在高温区的凝结潜热小,且由于总蒸发量除传热管蒸发量外还包括盐水和淡水的闪蒸,综合结果为前效蒸发器的蒸发量要低于后效蒸发器的蒸发量。当末效蒸发器温度升高时,前、后效蒸发器的蒸发量相差变小,在总造水量一定条件下,第一效蒸发器产生的二次蒸汽量增加,而第一效蒸发器出口浓盐水温度升高,浓盐水从第一效蒸发器中带走的热量增加较大,综合影响下,第一效蒸发器加热蒸汽流量降低,造水比升高。末效蒸发器蒸发温度提高,末效蒸发器蒸发量降低,使得冷凝器海水流量降低。结合图4和5可见,末效蒸发器蒸发温度升高,造水比增加较小,而蒸发器总传热面积增大显著,对于4效情况,末效蒸发器由40℃升高到50℃,造水比仅增加6.2%,然而总传热面积增加63.2%。效数越大时,末效蒸发器蒸发温度对传热面积的影响越大,随蒸发温度逐渐升高,蒸发器总传热面积的增加速度加快。可见末效蒸发器蒸发温度升高后,造水比的少量提高,需要付出蒸发器总传热面积大量增加的代价。3.3加热蒸汽温度图7～9给出了系统热力性能随加热蒸汽温度的变化情况。随加热蒸汽温度升高,各效蒸发器传热温差增大,蒸发器总传热面积减小,如图7所示。然而加热蒸汽温度升高,造水比降低,冷凝器海水流量降低,如图8、9所示。当加热蒸汽温度升高,蒸发相同温度和流量的海水所需的显热量增加,同时高温时加热蒸汽潜热降低,所以加热蒸汽流量增加,造水比降低。由于淡水产量一定,前效产生二次蒸汽流量减少,所以末效产生二次蒸汽流量增加,即进入冷凝器的蒸汽流量增加,同时对于冷凝器内海水侧,海水进、出口温度不变,所以冷凝器海水流量增加。由图7和8可见,效数越大加热蒸汽温度对总传热面积和造水比影响越大。对于4效情况,加热蒸汽温度由60℃升高到85℃时,造水比仅降低0.4,而总传热面积减少了60%。对于8效情况,造水比降低1.2,而总传热面积减少了63%。可见,随第一效蒸发器加热蒸汽温度升高,总传热面积明显降低,有利于降低投资成本。3.4浓缩比对造水比的影响从图10～12可以看出,浓缩比增大,系统造水比升高,蒸发器总传热面积先降低而后略有增加,冷凝器海水流量降低。这主要是由于淡水产量一定,增大浓缩比,冷凝器海水流量减少,相应的加热蒸汽量减少,使得造水比增大。从图10可以看出,效数越大,造水比随浓缩比增加的速度减慢;对于4效情况,浓缩比大于1.8后,由于浓缩比增加引起的造水比增加不明显,而对于8效情况,浓缩比大于1.8后,造水比仍有明显增加。由图11可见,浓缩比低于1.4时,增大浓缩比,蒸发器总传热面积降低,而后略有增加。综合考虑图10～12可知,在一定范围内增大浓缩比有利于提高系统性能,但浓缩比过高,会使末效蒸发器内盐水盐度过高,造成结垢,阻碍正常传热,降低换热系数,甚至引起运行危险,所以对于顺流流程低温多效蒸馏海水淡化系统浓缩比不易过高。综合考虑可知,浓缩比在1.4～1.8时对系统性能较为有利。4蒸发器海水流场变化1)效数增加造水比显著增大,冷凝器海水流量显著降低,各效蒸发器传热面积增加,蒸发器总传热面积增大明显。2)末效蒸发器蒸发温度升高,冷凝器海水流量显著降低,造水比略有增加,而蒸发器总传热面积增加量较大。3)加热蒸汽温度升高,造水比略有降低,蒸发器传热面积显著降低,冷凝器海水流量升高。4)浓缩比升高,造水比明显升高,冷凝器海水流量减少,蒸发器总传热面积降低。浓缩比在1.4～1.8时,对系统性能较为有利。传热系数A蒸发器传热面积,m2d换热管直径,mg重力加速度,9.8m/s2h比焓,J/kgK蒸发器内横管降膜蒸发过程的总传热系数,W/(m·K)qm质量流量,kg/sR污垢热阻,m2·K/Wr汽化潜热,J/kgαin管内凝结换热系数,W/(m·K)αout管外降膜蒸发换热系数W/(m·K)Γ喷淋密度,kg/(m·s)δ传热壁面厚度,mη蒸发器绝热效率λ导热系数,W/(m·K)μ动力黏度,Pa·sρ密度,kg/m3υ运动黏度,m2/sw盐水质量分数k液质及蒸汽w膜管内流体系统b盐水c凝结、冷凝器cw冷凝器冷却海水d淡水de除沫器e蒸发器f液膜h管束i效数in入口k液层l液相last末效蒸发器m对数平均out出口s饱和状态t管道v气相、蒸汽w管内壁cde基本参数第i效蒸发器的盐水质量平衡、盐分质量平衡和能量平衡方程:第i效蒸发器出口的二次蒸汽温度tv,i和下式中:海水沸点温度升高(boilingpointelevation,BPE)是海水温度和质量分数的函数,单位为℃;液体静压强引起的温升为Δtk,i,由于在横管降膜蒸发中液膜厚度薄而忽略不记。Δth、Δtde和Δtt分别为蒸汽在管束、除沫器和管道中流动时由于压力降低引起的温度损失。BPE计算经验关系式为令系数第i效蒸发器的传热方程:总传热系数计算公式为管内凝结换热系数计算采用Chato在努塞尔特理论的基础上给出的适用于Pr≥1条件下水式中:λ、ρ、r、μ、cp、d为温