10 t/d船用板式蒸餾海水淡化裝置性能測試與模擬計算

胡鈺，魏林瑞，張磊，盧素敏

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京　100016；2.天津工業(yè)大學 環(huán)境與化學工程學院，天津　300387）

海水淡化

10 t/d船用板式蒸餾海水淡化裝置性能測試與模擬計算

胡鈺1，魏林瑞1，張磊1，盧素敏2

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京100016；2.天津工業(yè)大學 環(huán)境與化學工程學院，天津300387）

建立了一套船用板式蒸餾海水淡化裝置試驗測試平臺，對10 t/d淡化裝置進行了性能測試，在測試所采用的海水及熱水流量下，熱水溫度由59℃升高至83.77℃，淡水產(chǎn)量由400 L/h提高至550 L/h，進一步提高熱水溫度，淡水產(chǎn)量提高趨于平緩，操作時熱水溫度不宜超過85℃；隨熱水流量的增大，淡水產(chǎn)量呈現(xiàn)先升高后降低趨勢；海水入口溫度升高造成冷凝器中傳熱溫差降低，真空度降低，產(chǎn)水量下降；海水流量是制約海水淡化裝置真空度的關(guān)鍵因素，作為真空噴射泵的驅(qū)動水，當海水流量低于一定值時，淡化機真空度急劇下降，幾乎不能出水。對板式蒸餾海水淡化裝置進行了理論模擬，模擬結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)吻合良好。

海水淡化；真空蒸餾；真空度；性能測試；淡水產(chǎn)量

船用海水淡化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展始于20世紀50年代［1-2］，至今已形成了蒸餾法、膜法及離子交換法等技術(shù)［3-5］。蒸餾法是其中最為成熟的海水淡化技術(shù)之一，具有性能穩(wěn)定、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，在水電聯(lián)產(chǎn)、低位熱能利用等領(lǐng)域得到廣泛應用［6］。由于船舶上存在著大量可回收的余熱，采用蒸餾法淡化海水，無疑是一個很好的選擇。

真空蒸餾海水淡化裝置受各種因素影響，如加熱水流量、溫度、海水流量及溫度等。依托所研制的日產(chǎn)10t/d船用板式蒸餾海水淡化裝置，建立了1套海水淡化裝置性能測試平臺，對裝置進行性能測試，并針對整個海水蒸餾過程，建立數(shù)學模型，分析各參數(shù)對淡化裝置性能的影響，將模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相對比，為進一步分析優(yōu)化系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1　測試裝置流程

真空蒸餾海水淡化裝置系統(tǒng)流程如圖1所示。海水由主機海水泵送入海水淡化機冷凝器中，在冷凝器中海水作為蒸汽的冷卻介質(zhì)將蒸汽冷凝為淡水，同時自身也獲得預熱。預熱后的海水小部分經(jīng)穩(wěn)壓閥、節(jié)流孔板進入蒸發(fā)器，大部分則進入真空噴射泵，借助于真空噴射泵在體系內(nèi)形成85%～95%的真空度，并將冷凝器中的不凝氣體以及蒸發(fā)器中的濃鹽水抽走。進入蒸發(fā)器的海水在真空狀態(tài)下被熱水加熱至沸騰，蒸汽經(jīng)氣液分離器進行氣液分離后進入冷凝器，經(jīng)冷凝器冷卻后凝結(jié)成為淡水，在淡水管上設(shè)置有鹽度計對產(chǎn)水水質(zhì)進行監(jiān)測。

圖1　真空蒸餾海水淡化裝置系統(tǒng)流程Fig.1　Process f1ow of vacuum disti11ation seawater desa1ination device

性能測試平臺主要包括冷凝器、蒸發(fā)器、氣液分離器、真空噴射泵、淡水泵、管路閥門、自控儀表等。所采用的蒸發(fā)器和冷凝器均采用板式換熱器，傳熱面積均為7.5 m2，淡化裝置設(shè)計淡水產(chǎn)量為10 t/d。測試工藝中，測量儀表包括熱水、海水的流量，進、出口溫度和壓力，海水及淡水鹽度、淡化裝置真空度、產(chǎn)水量等。試驗性能測試所有的操作均采用自控調(diào)節(jié)，并對所測量的數(shù)據(jù)進行自動記錄、存儲。數(shù)據(jù)采集頻率為30 s，本文中試驗數(shù)據(jù)為操作穩(wěn)定后5min內(nèi)所記錄數(shù)據(jù)的平均值，數(shù)據(jù)誤差以均方差形式在圖中進行表示。

2　理論計算模型

2.1蒸發(fā)器計算

（1）物料平衡

F=D+W（1）

式中：F——進入蒸發(fā)器海水流量，kg/s；

D——蒸汽產(chǎn)生量，kg/s；

W——濃鹽水流量，kg/s。

為了簡化計算，忽略蒸汽中的鹽分含量，則有下述鹽平衡式：

FxF=W xW（2）

式中：xF——進料海水中鹽分的質(zhì)量分數(shù)，%；

xW——濃鹽水中鹽分的質(zhì)量分數(shù)，%。

（2）能量衡算

蒸發(fā)器中所交換的熱量QE為：

QE=WhCph（T1-T2）=FCps（tB-t2）+Drts（3）

式中：Wh——加熱熱水流量，kg/s；

Cph——熱水的比熱，kJ/（kg·℃）；

Cps——海水的比熱，kJ/（kg·℃）；

T1——加熱熱水進口溫度，℃；

T2——加熱熱水出口溫度，℃；

t2——海水進入蒸發(fā)器溫度，℃；

rts——溫度ts下的汽化潛熱，kJ/kg；

tB——鹽水沸騰溫度，℃。

tB、ts兩者之間的關(guān)系為：

ts=tB-ΔtB（4）

式中：ts——飽和蒸汽溫度，℃；

ΔtB——因海水鹽度所導致的海水沸點溫升，℃。ΔtB為鹽水溫度和鹽度的函數(shù)，根據(jù)E1-Dessouky等［7］所提出的公式計算。

（3）蒸發(fā)器傳熱方程

QE=KE1SE1（LMTD）E1+KE2SE2（LMTD）E2（5）

式中： KE1——蒸發(fā)器預熱段總傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；

SE1——蒸發(fā)器預熱段傳熱面積，m2；

（LMTD）E1——蒸發(fā)器預熱段傳熱溫差，℃；

KE2——蒸發(fā)器蒸發(fā)段總傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；

SE2——蒸發(fā)器蒸發(fā)段傳熱面積，m2。

（LMTD）E2——蒸發(fā)器蒸發(fā)段傳熱溫差，℃。

2.2冷凝器

（1）能量衡算

冷凝器中所交換的熱量Qc為：

Qc=WsCps（t2-t1）=Drtc（6）

式中：Ws——進冷凝器海水流量，kg/s；

t1——海水出冷凝器的溫度，℃；

rtc——溫度tc下的水蒸氣冷凝潛熱，kJ/kg；

tc——冷凝器中蒸汽冷凝溫度：

tc=ts-ΔtW（7）

ΔtW——蒸汽經(jīng)過氣液分離器流動阻力造成的溫度下降，℃。

（2）冷凝器傳熱方程

Qc=KcSc（LMTD）c（8）

式中：Kc——冷凝器傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；

Sc——冷凝器傳熱面積，m2；

（LMTD）c——冷凝器傳熱溫差，℃。

2.3氣液分離器

性能測試所采用的氣液分離器為絲網(wǎng)式分離器，其流動阻力Δpw以下式計算［8］：

Δpw=3.881 78（ρw）0.375798（uv）0.81317（dw）-1.56114147（9）

式中：dw——絲網(wǎng)金屬絲直徑，m；

ρw——絲網(wǎng)分離器堆積密度，kg/m3；

uv——蒸汽通過絲網(wǎng)的表觀氣速，m/s；

uv=D/（ρvAw）（11）

ρv——蒸汽密度，kg/m3；

Aw——絲網(wǎng)的截面積，m2。

2.4真空噴射泵

真空噴射泵將冷凝器中的不凝氣體不斷抽走，使淡化機產(chǎn)生必要的真空，噴射泵所產(chǎn)生的壓差采用下式計算［9］：

式中：pB——擴壓管出口的背壓，Pa；

p0——吸氣室壓力，Pa；

pp——工作水的壓力，Pa；

Re0——噴嘴處水的雷諾數(shù)；

u0——噴嘴處水的流速，m/s；

μw——水的粘度，Pa·S；

σw——水的表面張力，N/m；

C0——噴射泵體積噴射系數(shù)，即為被吸入氣體（空氣與蒸汽混合氣體）體積流量和工作水體積流量之比。

當1.7＜A1/A0＜4.0時，

當4.0＜A1/A0＜7.5時，

式中：A1/A0——連接管與噴嘴的截面積比；

d0——噴嘴直徑，m。

根據(jù)工作水流量、工作水壓力即可計算得到吸入室壓力p0，減去氣體吸入管流動阻力，即可得到冷凝器壓力pc，此壓力為冷凝器蒸汽冷凝壓力。

pc和冷凝溫度tc之間的關(guān)系可通過Antoine進行計算：

模型中所有的物理性質(zhì)如海水比熱、導熱系數(shù)、粘度、密度及水蒸氣潛熱等均考慮了溫度的影響，其計算參考文獻［10］；模型計算所用到的液體沸騰對流傳熱系數(shù)參考文獻［11］，蒸汽冷凝傳熱系數(shù)參考文獻［12］，無相變對流傳熱系數(shù)根據(jù)Okada等［13］提出的公式計算。模型采用gPROMs軟件進行計算。

3　結(jié)果與討論

3.1熱水溫度的影響

熱水溫度對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響如圖2所示。

圖2　熱水溫度對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響Fig.2　Inf1uence of hot water temperature on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

由圖2可見，熱水溫度的升高對淡水產(chǎn)量是有利的，淡水產(chǎn)量隨著熱水溫度的升高而逐漸增加。根據(jù)試驗測試結(jié)果，熱水溫度由59℃升高到83.77℃，淡水產(chǎn)量由400 L/h提高到550 L/h。當溫度提高到80℃后，淡水產(chǎn)量提高的速度趨于平緩，這主要是由于真空度的影響造成，隨著熱水溫度升高，在同樣的海水流量下，水蒸發(fā)量逐漸增大，淡化機的真空度也會隨之降低。

熱水溫度對蒸發(fā)器傳熱溫差的影響如圖3所示。

圖3　熱水溫度對蒸發(fā)器傳熱溫差的影響Fig.3　Inf1uence of hot water temperature on mean heat transfer temperature difference of evaporator

由圖2、圖3可見，當熱水溫度由59℃升高到83.77℃時，淡化機內(nèi)絕對壓強由6.1 kPa提高到13.5 kPa，使得蒸發(fā)室溫度由起始的36℃升高至51℃，隨著熱水溫度的升高，蒸發(fā)器傳熱溫差也隨之提高，但當熱水溫度升高至一定值后，蒸發(fā)器傳熱溫差不再進一步提高。由此可以推斷，熱水溫度不宜超過85℃，一方面熱水溫度過高對提高淡水產(chǎn)量不會再有明顯提高，另一方面也可以降低淡化機結(jié)垢的可能性。

3.2熱水流量的影響

熱水流量對淡水產(chǎn)量及淡化機內(nèi)壓強以及對蒸發(fā)器傳熱溫差的影響分別如圖4、圖5所示。

圖4　熱水流量對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響Fig.4　Inf1uence of hot water f1ow rate on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

圖5　熱水流量對蒸發(fā)器傳熱溫差的影響Fig.5　Inf1uence of hot water f1ow rate on mean heat transfer temperature difference of evaporator

由圖4、圖5可見，隨著熱水流量的提高，淡水產(chǎn)量起始時明顯增加，但繼續(xù)提高熱水流量，淡水產(chǎn)量反而會有所下降。熱水流量的影響主要表現(xiàn)為：①熱水流量增加，在一定熱水入口溫度下，熱水所提供熱量增加，所蒸發(fā)的蒸汽量增加；②熱水流量增加，熱水側(cè)對流傳熱系數(shù)會增大，有利于傳熱，也有利于蒸汽產(chǎn)量的提高，因此，隨著熱水流量的增加，起始時淡水產(chǎn)量隨之提高；③蒸汽量增加，淡化機內(nèi)壓強提高，真空度下降，蒸發(fā)溫度升高，在一定的熱水入口溫度的條件下，蒸發(fā)所需傳熱溫差下降，從而使所蒸發(fā)的蒸汽量降低，產(chǎn)水量下降，因此，當熱水流量超過7kg/s時，淡水產(chǎn)量反而會下降。

3.3海水入口溫度的影響

海水入口溫度對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響如圖6所示。

圖6　海水入口溫度對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響Fig.6　Inf1uence of seawater temperature on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

海水入口溫度的影響可以體現(xiàn)在兩方面，其一，海水入口溫度升高，在蒸發(fā)器中海水蒸發(fā)所需的熱量降低，可以提高蒸發(fā)的蒸汽量；另一方面，由于海水溫度提高，冷凝器中的傳熱溫差會降低，無法將更多的蒸汽冷凝下來，淡化機內(nèi)壓強增加，使得淡水機內(nèi)真空度很快下降；而真空度的降低反過來又會使蒸發(fā)器中蒸發(fā)所需的溫度升高，蒸發(fā)量減少。因而，從總的影響來看，海水入口溫度升高對淡水的產(chǎn)量是不利的，從圖6可以明顯看出，隨著海水入口溫度的升高，淡水產(chǎn)量會逐漸降低。

3.4海水流量的影響

海水流量對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響如圖7所示。

圖7　海水流量對淡水產(chǎn)量及淡化機壓強的影響Fig.7　Inf1uence of seawater f1ow rate on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

隨著海水流量的增加，淡水產(chǎn)量隨之增大，根據(jù)淡化機性能測試結(jié)果，當海水流量從9.18kg/s增加至10.40kg/s時，淡水產(chǎn)量從480 L/h提高至550 L/h，但當海水流量低于8.74kg/s時，淡水產(chǎn)量會急劇降低，當海水流量小于7.90kg/s后，幾乎不能產(chǎn)水。

淡化機內(nèi)壓強的變化與淡水流量的變化有很好的對應關(guān)系，當海水流量低于9.18kg/s時，淡化機內(nèi)壓強迅速提高；當海水流量低于7.90kg/s時，根據(jù)圖7，淡化機內(nèi)壓強已經(jīng)升高至21.2 kPa（真空度低于80 kPa），此時幾乎不能出水。

為了更好地對這一現(xiàn)象進行解釋，性能測試記錄了淡化機真空度及蒸發(fā)器傳熱溫差的變化，海水流量對蒸發(fā)器平均溫差的影響如圖8所示。

圖8　海水流量對蒸發(fā)器平均溫差的影響Fig.8　Inf1uence of seawater f1ow rate on mean heat transfer temperature difference of evaporator

海水流量是制約裝置真空度的關(guān)鍵因素，在淡化工藝中，海水作為真空噴射泵的動力水，為整個裝置提供必要的真空度，海水流量增加，可以使真空噴射泵達到更高的真空度，提高蒸發(fā)器傳熱溫差，從而可以產(chǎn)生更多的蒸汽。

4　結(jié)論

（1）升高熱水溫度對淡水產(chǎn)量的提高有利，但溫度不宜過高，當溫度達到一定值后，淡水產(chǎn)量不再有明顯提高。

（2）隨著熱水流量的增加，淡水產(chǎn)量呈現(xiàn)先增后降的趨勢。熱水流量增加，淡化裝置真空度下降，蒸發(fā)器傳熱溫差降低，因此，熱水流量過高，淡水產(chǎn)量反而會有所下降。

（3）海水入口溫度升高會使冷凝器傳熱溫差快速降低，蒸汽冷凝量減少，淡水裝置內(nèi)真空度很快下降，對淡水產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。

（4）海水流量是制約淡化裝置真空度的關(guān)鍵因素，當海水流量低于某一數(shù)值（本測試中為7.90kg/s），淡化機真空度會急劇下降，幾乎不再出水。

（5）對10 t/d淡化機進行了理論模擬，模擬結(jié)果與測試數(shù)據(jù)能很好地吻合，為板式蒸餾海水淡化裝置性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

［1］苗超，謝春剛，馮厚軍，等.船用海水淡化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研究建議［J］.船舶工程，2011，33（6）：6-9.

［2］ZHANG L，XIE L，CHEN H L，et al.Progress and prospects of seawater desa1ination in China［J］.Desa1ination，2005，182（1-3）：13-18.

［3］KHAWAJI A D，KUTUBKHANAH I K，Wie J-M.Advances in seawater desa1ination techno1ogies［J］.Desa1ination，2008，221（1-3）：47-69.

［4］HEGAZY A，HAGAZY M，ENGEDA A.A nove1 desa1ination system for uti1izing waste heat contained in coo1ing sa1t water of a steam p1ant condenser［J］.Desa1ination，2015，371：58-66.

［5］MEZHER T，F(xiàn)ATH H，ABBAS Z，et al.Techno-economic assessment and environmenta1 impacts ofdesa1ination techno1ogies［J］.Desa1ination，2011，266（1-3）：263-273.

［6］馮厚軍，謝春剛.中國海水淡化技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.化學工業(yè)與工程，2010，27（2）：103-109.

［7］EL-DESSOUKY H，ETTOUNEY H，AL-FULAIJ H，et al. Mu1tistage f1ash desa1ination combined with therma1 vaporcompression［J］.Chemica1 Engineering and Processing，2000，39（4）：343-356.

［8］EL-DESSOUKY H T，ALATIQI I M，ETTOUNEY H M，et al. Performanceofwiremeshmiste1iminator［J］.Chemica1 Engineering and Processing，2000，39（2）：129-139.

［9］宋顯洪.水噴射真空泵的流體力學特性與設(shè)計計算方法［J］.化工與醫(yī)藥工程，1982，（4）：5-11.

［10］EL-DESSOUKY H T，ETTOUNEYA H M，MANDANI F，et al. Performance of para11e1 feed mu1tip1e effect evaporation system for seawater desa1ination［J］.App1ied Therma1 Engineering，2000，20（17）：1679-1706.

［11］周玲枚.板式換熱器換熱性能的實驗研究［D］.杭州：浙江大學，2008.

［12］王列科，楊強生.板式換熱器中蒸汽凝結(jié)換熱特性［J］.上海交通大學學報，1998，32（4）：18-22.

［13］OKADA K，ONO M，TOMIMURA T，et al.Design and heat transfer characteristics of a new p1ate heat exchanger［J］.Heat Transfer Japanese Research，1972，1（1）：90-95.

Performance test and simulated calculation for 10 t/d marine plate distillation seawater desalination device

HU Yu1，WEI Lin-rui1，ZHANG Lei1，LU Su-min2
（1.Beijing Institute of Cold Energy Utilization，CNOOC Energy Technology and Services Limited，Beijing 100016，China；2.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A test p1atform for marine p1ate disti11ation seawater desa1ination device was set up，the performance of 10 t/d desa1ination device was tested.According to the test resu1ts，at the testing f1ow rate of seawater and hot water，the yie1d of fresh water was increased from 400 to 550 L/h when increasing the in1et temperature of hot water from 59℃to 83.77℃，and it wi11 be 1eve1ed off if the temperature of the hot water is further raised. The operating temperature of hot water shou1d be contro11ed not above 85℃.With the increase of the hot water f1ow rate，the yie1d of fresh water increased at first and then decreased.The increase of seawater in1et temperature caused a drop of the heat transfer temperature difference in the condenser and the vacuum degree，1ed to a decrease of the yie1d of fresh water.The f1ow rate of seawater is the key factor restricting the vacuum degree of the seawater desa1ination device.As the driving water of vacuum jet pump，when the f1ow rate of seawater is be-1ow a certain va1ue，the vacuum degree drop sharp1y，a1most no fresh water is generated.A theoretica1 simu1ation for p1ate disti11ation seawater desa1ination device was performed，and the simu1ation resu1t was in good agreement with the experimenta1 test data.

seawater desa1ination；vacuum disti11ation；vacuum degree；performance test；yie1d of fresh water

TQ085+.47

A

1009-2455（2016）03-0078-06

胡鈺（1980-），男，天津人，高級工程師，碩士，主要從事海洋工程及油田化工研究，（電子信箱）1usumin0720@163. com。

2016-03-22（修回稿）