毕业论文（设计）低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究.pdf

大连理工大学_硕士学位论文_ 低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究 _申请学位级别：硕士_专业：热能工程_ 大连理工大学硕士学位论文摘 要现今的全球性的水资源危机对经济可持续增长和普通百姓生活水平的提高带来了 巨大威胁。海水淡化是缓解水资源危机的重要方法。由于低温多效蒸发海水淡化技术制 造成本低，运行温度低于多级闪蒸，从而海水腐蚀小而且造水成本也很有竞争优势，并 且可以与沿海电厂结合，电厂的低温蒸汽作为加热蒸汽的热源，从而实现水电联产的结 合。因此，目前低温多效蒸发海水淡化技术越来越成为学者研究的课题。本文针对低温多效海水淡化系统在海水温度和浓度，进料海水的流量，和蒸汽的温 度等参数在变化的条件下运行时，同时考虑海水沸点升高，二次蒸汽经过汽水分离装置 和上下效连接蒸汽管道对二次蒸汽的压力降低所引起的温度损失，低温散热损失，蒸发 器管束结垢而引起污垢系数大小变化等不利影响，详细计算了系统的淡水产量和造水比 等性能参数的变化趋势并得出了系统在变工况运行条件下的规律。文中从低温多效蒸发淡化系统的蒸发器、预热器、闪蒸罐、冷凝器四个单元出发，建立了火用损失的数学模型，并计算了系统的火用效率的大小和各单元的火用损率的分布情 况；结果表明，蒸发器的火用损率占到主要部分。从而得知今后系统的研究重点是蒸发 器的喷淋装置和合理布置管束位置以及通过合理安排效数来降低传热温差，从而降低由 传热温差所产生的火用损失。通过计算表明，随着加热蒸汽温度的升高，蒸发器的火用损 率是降低的而冷凝器的火用损率是增大的，同时系统的火用效率是随加热蒸汽温度的升高 而减小的.所以可以看出，系统运行在低温条件下，不但可以降低海水腐蚀程度，而 且可以提高造水性能。最后，从节约造水成本和提高系统运行可靠性等角度出发，作者参与设计和加工组 装了一台5效塔式低温多效蒸发海水淡化实验装置通过系统抽真空实验表明，经过加 工和调试后的系统的密封性能完全符合设计要求，同时还初次测试了系统的造水能力，对低温多效蒸发海水淡化系统的运行有了基本工程经验。实验装置设计和制造以及安装 调试为未来中国推广大型低温多效蒸发海水淡化技术积累了一定的经验。关键词：低温多效蒸发；海水淡化；沸点升高；造水比；火用分析低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究Analysis of LT-MED on Dynamic Paramet ers and Experiment al ResearchAbst ractNow t h e g lobal wat er sh ort ag e crisis problem bring s big t h reat t o t h e economic development and common peoples lives improvement.And t h e seawat er desalinat ion is a useful way t o solve t h is problem.Because t h e low t emperat ure mult iple effect dist illat ion(LT-MED)syst em h as many advant ag es over mult i-st ag e flash(MSF).Such as,lower operat ional t emperat ure and less manufact ure cost.Th e more import ant compet it ion is t liat t h e LT-MED and t h e power plant can be built t og et h er wh ich is in order t o produce t h e wat er and elect ricit y at t h e same t ime.More and more professors and eng ineers are doing some research on t h e LT-MED.Th e performances of LT-MED syst em wh ich is operat ed on dynamic paramet ers are calculat ed in more det ailed and t h e result s are analyzed.Th e different inlet t emperat ure and t h e salinit y of seawat er and t h e different t emperat ure of h eat ing st eam are t aken int o account.And t h e fall of t h e h eat t ransfer coefficient caused by t ubes scaling in evaporat ors and t h e boiling point elevat ion(BPE)are also considered.Th e t emperat ure drop caused by t h e demist er and t h e connect ed duct s are calculat ed in det ailed.Th e result s of analysis and discussion in t h is paper provide a reference for t h e pract ical desalinat ion eng ineering project.Th e next part of t h e paper is t o calculat e t h e exerg y loss and t h e exerg y loss percent ag e.Th e four unit s of exerg y loss mat h emat ical model including evaporat or,pre-h eat er,flash ing box and final condenser are built.Th e result s sh ow t h at t h e majorit y of exerg y loss is caused by t h e t h ermal t emperat ure difference in evaporat or and t h e cooling seawat er disch arg e.Th e exerg y loss caused by t h e t h ermal t emperat ure difference in t h e evaporat or can be reduced by t h e reasonably desig ned t h e t ubes and spray syst em.A LT-MED experiment al research syst em wit h five effect s is built and is assembly in vert ical way.Th e st ruct ure of t h e syst em is more compat ible compared wit h t h e t radit ional ones.Th e vacuum t est sh ows t h at t h e syst em is well desig ned and t h e perfbimance of t h e experiment al research inst rument syst em is g uarant eed.Th e experience on t h e LT-MED syst em building will be a g reat h elp t o develop t h e LT-MED t ech nolog y in pract ical eng ineering in t h e not long fut ure in ch ina.Key Words：LT-MED;Desalination;BPE;GOR;Exergy Analysis独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名:日期:大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1 水资源危机介绍与海水淡化的意义水是人类来与生存和生产的不可缺少的基本物质，是地球上不替代的宝贵的自然资 源，同时也是战略性的经济资源。充足的水资源为实现经济可持续发展和社会的进步提 供.基本保障。因此联合国有关机构指出“水是生命的摇篮，是不可替代的宝贵的基础自 然资源。水将成为世界最严重的资源问题，缺水问题将严重制约21世纪经济和社会发 展并可能导致国家的冲突，供水不足将成为一个深刻的社会危机，世界上的石油危机之 后的下一个危机便是水的危机”.缺水问题已经是一个全世界共同面临的社会可持续发 展的难题。全球的水总储量为L386X10”加3,其中9 6.5%为海水。而可取用的河水、湖水及浅 层地下水等仅占0.2%左右。而随着全球人口的增加、经济的发展和水资源的分布不均匀，已经出现了全球性的水资源缺乏危机的课题.关于缺水问题，国际上有一个公认的衡量 标准，一般认为这个国家的人均每年占有可更新淡水量，在1700吨以下，视为缺水国 家,在1000吨以下视为严重缺水国家.目前，世界上占人口的40%,全球已经有80多 个国家严重缺水。中东地区缺水最为严重。沙特每年人均占有水量只是249吨，科威特 95.吨，以色列300吨，埃及936吨。联合国全球变暖问题研究小组主席、著名气象学家约翰堆顿爵士认为，随着全球变 暖导致一些对立国家为争夺日益减少的水资源发生冲突,21世纪将爆发水资源战争。1993年第47届联大决定每年3月22日为“世界水日”，号召世界各国对全球普遍存在的 水资源紧缺和水污染问题引起警觉，并开展相应活动，提高公众的水患意识，是非常正 确的。淡化海水是从水危机和水污染困境下实现新水源生产的惟一希望。我国水资源的地区性分布极不均匀，南方水多地少，北方水少地多。南方的人均水 量是北方人均水量的4倍多，公顷均水量是北方的9倍多。水资源年内和年际分配也不 均匀。由于季风的影响，洪涝和干旱连年不断。遇到干旱年份，水的短缺不仅严重影响 正常的工农业生产，也影响到人的生活。1.2 国内外海水淡化的历史概况,第一个陆基海水脱盐工厂是1560年建在突尼斯的一座海岛上。在1675年和1683 年的英国专利No.184和No.226提出了海水蒸慵淡化，18世纪提出了冰冻法海水淡化。英国在1812-1840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，1852 年开始提出了水平管喷膜蒸发。1898年，俄国巴库日产淡水1230吨的多效蒸发海水淡-1-低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究化工厂投入运行。到1900年提出了多级闪蒸(MSF)的专利，1930年机械蒸汽压缩蒸馆 有很大的改进。1942年出现了适用于船用的浸没管蒸播，1943年出现了适用于船舶及 海岛使用的蒸汽压缩蒸谯，这使该装置和多效蒸发在二战期间得到大力发展。1944年又 提出了人工冷冻法.同时在1930年提出了反渗透和电渗析的概念，但1954年电渗析才 实用化，主要用于苦咸水脱盐。1957年R.S.Slver和A.Frankel发明了多级闪蒸，由于 克服了多效蒸发中易结垢和腐饨的问题，所以在中东等缺水地区获得很快的发展，这可 作为海水淡化技术大规模应用的开始。1960年反渗透(RO)膜获得突破性进展，但在海 水淡化中应用是美国Dupont公司。20世纪80年代中期之后，随着反渗透膜性能提高、价格下降、能量回收效率的提高等，使R0成为投资最省、成本最低的海水淡化制取饮 用水的工艺。由于是水资源的匮乏和用水的巨大需求，核能淡化也引起世界原子能组织 和各国的重视，核能与反渗透或者蒸储法结合的新工艺，已经在全世界展开研究和进一 步推广过程中I我国在50年代末期就开始了电渗析的研究.60年代末研制成功了电渗析一次脱盐 工艺和定时倒极电渗析技术，解决了电渗析装置的极化，消除了沉淀，提高了运行稳定 性。70年代以来，相继进行了多种均相离子交换膜的研制和中试放大，电极动力学研究 和新型钛涂钉电极的制备，ED水力学参数研究，大型ED膜堆的设计。电渗析技术在 水处理和工业生产中得到广泛应用，19 70-19 72年之间日产74和14加两种电渗析海水 淡化装置用于岛屿饮用水制取。1981年6月在西沙建成200md的电渗析海水淡化站，满足了当时的军用和民用的需求。我国在50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，60年代 就.有了船用多级闪蒸海水淡化设备。1974年，在天津市科委的组织下，天津大学，轻工 业部制盐研究所，天津海水淡化综合利用研究所共同研制和试验完成日产百吨级多级闪 蒸海水淡化原型试验装置，实际生产能力达到日产淡水72m3。1977年大连市海水淡化 蒸惚法工作组制造了我国第一套竖管多效蒸发海水淡化试验装置，产水能力 10/2加/。80年代初期，内蒙古也上马两台日产淡水分别为2400和860加3用于处 理内陆高盐量河水和湖水的电厂用6效蒸发器。目前蒸储法已在海水淡化，废水处理，化工物料回收等多个领域被广泛应用。在八十年代，天津海水淡化与综合利用研究所又 开发出30加3/低温负压蒸汽压缩海水淡化装置。我国大型多级闪蒸装置是1987年大 港电厂从美国引进的两套3000加3的MSF海水淡化装置。1997年华北电力大学研究 生院与天津大港电厂在仿制的基础上完成了 1200 m3/d MSF海水淡化装置四。大连理工大学硕士学位论文Fig.1.1 Th e number unit s of desalinat ion plant s on land,由图1.1可以看出各种海水淡化工艺在世界范围内淡水产量。从中可以看出，反渗 透法(R0)工艺在生产能力和设备数量上是最大的，但是其单机容量较小。目前单机容量 最大的是多级闪蒸蒸情法(MSF)。2004年IDA(国际脱盐协会)公布的统计结果，MSF 为 44.1%,R0 为 39.5%.MED 为 4.05%。两年以后,MSF 降为 42.4%,R0 为 41.1%,MED 为 8.2%很明显，MED和R0的发展速度越来越快1ML由于中东地区水资源极其缺乏，对淡水的需求缺口很大。正是这种需求，促使从上 世纪五六十年代开始中东国家投入大量资金在海水淡化技术进行研究。所以现在全世界 的淡化装置一半以上分布在中东地区，其他主要建在美国、日本、德国、韩国等沿海发 达国家。阿联酋在1960年建成的第一座海水淡化厂，其产量仅为50疗/4,现在其规 模已达2x106加3/d.当今各种海水淡化方法都向大型化或者超大型化发展，世界上最 大的多级闪蒸海水淡化装置在阿联酋，共有六台装置组成，每台的造水容量达到 5.46x104加3，整个海水淡化厂日产淡水3.276x105小3。最大的低温多效淡化装置位 于以色列IDE公司制造和调试的ASHDOD电厂,日产淡水达至U 1.9 x10最大的海水 反渗透淡化装置位于沙特阿拉伯Jeddah,日产淡水1.14x105m3。世界上最大的苦咸水 反渗透淡化厂是建于1989年的美国Yuma海水淡化厂，其淡水生产能力达到 2.73x105/1。随着海水淡化技术的突破，近来全世界都在积极推广热电联产海水淡化技术和各种 海水淡化方法的联合系统得到广泛的应用，实现水电联产解决水电危机。如海湾地区的 Yknbu-Median期工程采用的就是热电联产RO和MSF海水淡化的联合方案，其中，发电低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究I50MW,R0与MSF装置容量各120,000m3.阿联酋迪拜的Jebel Ali电站（G座）发电 450MW,MSF与RO联合系统造水288,000/，阿布扎比（AbuDh abi）的水电部门建设 装机容量732MW的发电机组、6x58000加3/d多级闪蒸海水淡化厂经过采用各种新的工艺和多种新技术，使得海水淡化的成本大大降低。根据以色列 海水淡化公司IDE和法国海水淡化公司SIDEM目前各种海水淡化装置的报价，不同方法不 同工艺的海水淡化装置综合淡水成本已经降到4 7元/吨，接近甚至低于部分地区的自 来水价格，从而使海水淡化技术大规模推广应用成为可能。海水淡化技术尽管已经在全 球范围内取得了巨大的成功，但在新的廉价耐腐蚀材料技术、海水淡化传热传质技术、自动控制技术以及新工艺过程都有待这个领域的科技工作者去研究。1.3 海水淡化方法简介海水淡化就是将海水中的盐分和水分分离的技术和过程，最终得到淡水和浓缩盐 水。根据盐水分离方法分类，从盐水中取出淡水的方法主要有蒸发（蒸储）、反渗透、纳滤等；从盐水中取出盐的方法主要有电渗析、离子交换、填充床电渗析等。据分离过 程分类，可分为热过程、膜过程和其他过程。热过程由多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸 慵（LT-MED）、压汽蒸馈（VC）和冰冻法等；膜过程由反渗透（SWRO）、纳滤（NF）、电港析（ED）和填充床电渗析（EDI）等；其他过程有离子交换、水合等。但是目前真 正实用的只有MSF、LT-MED和RO等几种方法。有关专家认为，今后MSF,MED和 RO将决定海水淡化的未来。以下对这三种方法简单介绍：1.3.1 多级闪蒸多级闪蒸是的过程工艺原理如下：将原料海水加热到一定温度后进入闪蒸室，由于 该闪蒸室中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，从而使盐水进入 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温度降低，所产生的蒸 汽冷凝后即为所需的淡水。热盐水流过压力逐级降低的若干个闪蒸室，逐级蒸发，得以 淡化。目前多级闪蒸是热法中技术最成熟，应用最广的技术，运行安全性高、弹性大，适合于大型和超大型淡化装置，主要在海湾国家采用。-4-大连理工大学硕士学位论文图L2多级闪蒸（MSF）系统流程图Fig.1.2 Th e diag ram of MSF syst em process1.3.2多效蒸发多效蒸储海水淡化技术(MEDMult iple Effect Dist illat ion)历史最为悠久，蒸储过 程的技术种类最多，变化也最为激烈。目前，具有商业价值的脱盐技术有竖管蒸播(VT-MEDVert ical Tube Mult iple Effect Dist illat ion)和水平管蒸储(HT-MED一 Horizont al Tube Mult iple Effect Dist illat ion),其他方法由于结垢严重而被淘汰。20世纪 6。年代，以色列IDE公司生产的低温多效海水淡化技术(LT-HTMED一Lower Temperat ure Horizont al Tube Mult iple Effect Dist illat ion),克服了早期多效蒸馅结垢严重 的问题，使多效蒸储恢复了在海水淡化领域中的主流技术地位。与其他生产厂家产品不 同的是系统不设计预热器，其最大特点是无承压换热管束，海水对产品淡化不易产生污 染，产品水质易于得到保证，只是装置的热力性能有所降低。其产品系列中最大单机容 量已达到21000t/d的规模。由于采用低温蒸储过程，可以使用廉价的铝合金材料。因为 使用了廉价的铝合金材料，可以通过增加效数和传热面积达到所需的造水比，保证低温 运行时仍有较高的热力性能。由于LT-MED的海水顶值温度低于70C,汽轮机的抽汽参数与海水淡化装置所要 求的参数不能很好的匹配，因此水电联产系统中通常利用蒸汽喷射器(Th ermal Vapor Compression-TVC)来解决蒸汽参数不匹配的问题。蒸汽喷射器将抽汽作为动力蒸汽来 引射LT-MED末效产生的二次蒸汽后，共同作为加热蒸汽进入海水淡化装置，抽汽冷凝 后返回电厂给水系统。低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究图1.3水平横管降膜蒸发海水淡化系统图Fig.1.3 Th e diag ram of MED syst em process1.3.3反澹透法反渗透膜分离法是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。其基本原理是利用只 允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。这时淡水通过半透 膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过 程即为渗透。与此同时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压.如果对海水一侧施加一 个大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中，这也就是反渗透海水 淡化过程的原理。反渗透是一高效节能技术.过程无相变，一般不需要加热，工艺过程简便，能耗小，操作和控制容易，应用广泛。但是该方法也有一些劣势，比如膜的制造工艺要求很高导 致膜的更换费用很高，海水的前处理要求很严格，操作要求高以及产品水的水质比热法 低等问题。1.4 国内外低温多效蒸发海水淡化技术发展现状在20世纪60年代末，以色列的IDE公司开发了低温多效蒸发技术，克服了早期结 垢严重的问题，使多效蒸发恢复了在海水淡化领域中的主流技术地位，所以从20世纪 八十年代开始，多级闪蒸所占的市场份额有不断缩小的趋势，而低温多效蒸发的市场份大连理工大学硕士学位论文额不断扩大。到八十年代中期出现了大型淡化装置，其性能优于多级闪蒸。以色列IDE 公司，法国SIDEM公司生产的该类装置均稳定可靠。该装置生产一吨淡水动力设备耗电 为5kW时,所得淡水为5ppm.该设备作为热源的加热蒸汽72c左右,所以结垢更少。由于操作温度低,海水对传热管道及设备本身的腐蚀状况有很大减轻。目前投入工业运 行的低温多效装置，单台造水能力达2Q000t/d,并可根据需要设计生产能力更大的装 置。装置的设计使用寿命为25年,报价比多级闪蒸低20%,具有很强的竞争能力（电23天津市正在加紧建设国家节水示范城市和海水淡化及综合利用示范城市。天津泰达 投资控股有限公司在天津开发区建设20000吨级海水淡化工程，项目采用目前国际上先 进的低温多效热压蒸馅工艺，其中关键设备通过公开国际招标，经过专家评审和多轮次 技术与商务谈判，最终确定被法国WE I R公司中标。法国WE I R公司所拥有的低温 多效热压蒸储工艺具有国际领先水平，技术优势明显。作为目前国内最大规模海水淡 化综合示范工程，天津开发区万吨海水淡化项目，不仅进一步推动天津海水淡化产业化 发展，而且将为我国广大沿海缺水地区和西部高浓度苦咸水地区的新型水源开发工作提 供示范12叫2004年4月，我国国内首台百吨级低温多效海水淡化装置在秦皇岛问世。专家指出，该项技术及装置的研制成功结束了国外公司的技术垄断和封锁，填补了国内该领域的空 白；达到国内领先水平，应用前景非常广阔。该公司承担了国家“863计划”项目“太 阳能海水淡化技术研究”课题。研制出国内首台具有自主知识产权的百吨级低温多效海 水淡化装置，从原材料到配套件全部实现国产化，其产品工艺与结构设计方案为国内首 例，已获得国家发明专利，可用于日产千吨级以上装置的设计制造。经秦皇岛市质量 技术监督局检验，该装置生产的淡化水水质符合GB17323瓶装饮用纯净水标准.专 家认为，该装置吨水电耗比国外同类产品有较大幅度降低，达到国际先进水平。据了解，该套百吨级装置淡化纯净水综合成本在6元/吨左右，千吨级装置淡化纯净水综合成本 将小于4元/吨，有着很好的发展前景33据清华大学新闻网及山东人大信息网报道，山东烟台核能海水淡化示范工程项目建 议书在去年获得国家批准，项目约需16亿元投资、日产淡水16万吨，计划由北京豪信 投资公司通过增资扩股筹集8亿元，申请国家高技术产业化补助L5亿元，其余申请银 行贷款；项目将采用清华大学核研院提供的核供热堆，成本约为每吨3.75元，大大低 于自来水经过深度处理达到相同水质的成本。虽然目前国内海水淡化技术在最近一段时间取得了很大进步，但是对于各种工艺的 关键技术还是落后于发达国家。随着海水淡化技术的进步和海水综合利用的发展，海水 淡化会变得越来越重要.所以我们要增强海水资源开发利用意识。蒸播法海水淡化技术低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究在国内仍处于工程示范阶段，要真正实现产业化发展还有很多实际工程技术问题有待解 决。因此对蒸播法海水淡化系统的研究和优化，以及研究电厂和淡化装置的匹配问题对 海水淡化技术推广都有很大的应用价值。目前主要碰到的问题就是如何降低海水淡化的 成本，充分利用新材料、新工艺和新技术来优化系统，降低装置的制造成本和降低运行 管理维护费用，增强系统运行的稳定性和延长系统生命周期.针对海水淡化装置总体设 计水平和系统集成优化水平较低，致使产业化速度较慢，专家们认为，一方面要进一步 加大科技攻关，加大集成，降低海水淡化的成本：另一方面，各级政府从政策和资金等 方面进行扶植和引导，调动更多的企业和科技人员投身到海水淡化的工作中，让海水淡 化形成规模。作为极具前途的低温多效蒸发海水淡化技术，将体现出如下的发展方向：(1)装置规模的大型化和超大型化。海水淡化的技术指标与其装置的规模密切相 关的，装置容量越大，其经济性就越强。因此低温多效蒸发正在向提高装置容量的方向 发展。目前低温多效的最大单机容量已达到25000d。也有公司将多效蒸发设计成塔 式结构，正在设计单机造水容量达到十万吨级的系统。(2)新材料、新工艺的采用使装置性能提高。低温多效蒸发海水淡化的另一个趋 势就是采用新材料和新工艺来提高性能。以色列IDE海水淡化工程公司使用光滑铝合金 管作为传热管材降低了设备造价，提高了竞争能力。美国水脱盐国际公司船I采用效率 高达95%的蒸汽压缩设备、带沟槽的薄钛管作为传热材料、特种混凝土作为蒸发器的壳 体，使得海水淡化设备及厂房一体化并且达到40年的使用寿命，显著地降低了造水成 本可以认为，新型制造材料的使用将显著降低海水淡化装置的制造费用或者提高装置 性能.(3)与核能等新能源的结合。核能海水淡化的工艺之所以选择多效蒸发而不选择 多级闪蒸工艺主要是保证产品淡化水不含放射性物质。因为在MED工艺中产品淡水侧的 压力大于核反应堆产生的蒸汽侧的压力，蒸汽中可能含有的放射性物质不容易渗透到产 品淡水中。而在多级闪蒸工艺两侧的压差正好要倒多来，假如蒸汽中含有放射性物质的 话，就有扩散或渗透到产品水中的危险.在世界范围内已经有13座与核电站结合的海 水淡化厂在运行中。低温核供热堆与低温海水淡化结合能够解决大型海水淡化装置蒸汽 来源问题，能降低淡水成本有帮助。还有就是与太阳能、风能、海洋温差能、地热能等 可再生能源的结合，目前也是研究的重点。由于目前海水淡化技术是以多级闪蒸、多效蒸发和反渗透膜技术为主，这三种方法 都有各自的优势，在未来很长一段时间内，不太可能出现其中一种方法取代另外两种方 法。因此在未来10年或者15年，在海水淡化工程领域，其工艺的选择仍然是三分天下-8-大连理工大学硕士学位论文的局面。今后的任务就是充分发挥各自的优势，从降低海水淡化成本着手，开发海水淡 化的新技术和新廉价耐腐蚀材料，提高系统运行的稳定性、安全性和维持设备的造水能 力。这样便能不断降低装置系统的制造费用和维护费用，以及要对从排放的浓盐水中提 取出附加产物的研究，达到充分利用。还应该对浓盐水的排放对环境的影响进行探索性 研究，实现人类与自然的可持续发展。低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究1.5 本文的研究内容本文主要针对实验室搭建的五效塔式低温多效蒸发海水淡化系统进行变工况性能 计算和分析以及通过实验来研究系统装置的造水性能。具体研究内容如下：1）针对一台五效塔式低温多效蒸发海水淡化系统实验装置在进料海水温度、浓度 和流量以及加热蒸汽温度和流量的变化，并考虑二次蒸汽的温度损失和盐水的沸点升高 以及污垢系数等运行参数对系统造水性能的影响，最终得出相应的低温多效蒸发海水淡 化系统变工况运行的淡水产量和造水比的变化规律。2）建立低温多效蒸发海水淡化系统的火用损失计算数学模型，得出装置在设计条件 下的火用效率和火用损率的分布。并计算和分析系统在海水温度和加热蒸汽温度变化的情 况下，系统的火用效率的变化和火用损率的分布变化，最终分析装置较优的操作工况。3）通过优化设计、加工、安装和调试一台五效塔式低温多效蒸发海水淡化系统实 验装置，通过实验来研究系统装置的造水性能，为低温多效蒸发海水淡化工程技术的推 广积累经验。-10-大连理工大学硕士学位论文2低温多效蒸发海水淡化系统装置变工况分析2.1水平横管降膜蒸发工作原理与多级闪蒸相比，低温多效蒸发有以下优点：（1）由于操作温度低，可避免或者 减缓设备的腐蚀和结垢，还可以充分利用电厂和化工厂的低温废热。（2）进料海水的 预处理比多级闪蒸更为的简单，大大降低预处理费用。（3）多效蒸储的操作弹性很大,负荷范围从110%变到40%,皆可以正常操作，而且不会使造水比下降。（4）对于大型 低温多效蒸发设备，由于效数一般不超过15效，所以设备制造费用大大降低。（5）系 统的寿命长，淡水水质高以及系统操作安全可靠。（6）特别是LT-MED和沿海电厂相 结合的水电联产工程，利用电厂的低品位的蒸汽作为加热热源来生产淡水，不但实现热 能的梯级利用，而且能够满足日益增加的水电需求网。虽然有很多优越性,但是盐水蒸发温度不能超过70c也成了该技术进一步提高热效 率的制约因素。冷凝和蒸发过程的传热系数随其操作温度提高而提高，由于低温操作，蒸汽的比容较大，使得设备的体积较大，这无形中增加了设备的投入。所以尽可能地提 高低温多效过程的操作温度，使之达到更高的造水比，是近几年国际海水淡化界努力解 决的问题。目前研究工作主要是降低系统制造成本、降低造水成本和提高系统运行的经 济性和稳定性。水平横管降膜蒸发器是20世纪70年代发展起来的新型蒸发器，其基本原理是循环 盐水通过喷淋装置在横管束的管外形成液膜，加热蒸汽（或者前一效产生的二次蒸汽）在管内冷凝。它具有与竖管降膜式有相同的优缺点，但是设备高度远比竖管降膜式低，装置紧凑，所有各效的管束、喷淋管和汽水分离器都装在一个简体中，因而散热损失小，能耗低。近几年发展起来的铝合金管HET蒸发器引起越来越多国家的重视。由于温度 低，结垢和腐蚀都大大减轻，保证了较高的传热系数；此外汽相阻力小，又消除了静液 压损失，传热温差可以很小，尤其适用于使用低位热能。对于光滑管而言，水平管的传 热系数三倍于闪蒸，两倍于竖管蒸发装置。同时显著地降低了空间高度，增加了传热的 有效温差。水平管多效蒸发装置可以横向组合，也可以纵向组合做成塔式蒸发器。由于 管束水平排列高度小，因此组合成塔式总高度最小，占地面积也最小；同时泵的输送功 率也可以显著减小，比VTE塔式蒸发器节省动力。几乎所有的大型多效蒸发海水淡化 设备采用水平连接方式，因为这种方式稳定可靠、便于操作和维修。塔式多效蒸发设备 的优点就是设备紧凑占地面积小、靠自身重力自流可省去效间盐水泵。塔式多效蒸发设-11-低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究备通常有两种安装方式：一种是单塔式，另一种是双塔式，单双效分别安装在两个不同 的塔重。水平横管降膜蒸发HTE原理如下图所示：进料盐水加热蒸汽Kef V二次蒸汽K。Q0V K t 木IQI排放浓盐水图2.1水平横管降膜蒸发原理图Fig.2.l Th e diag ram of Horizont al Tubes Evaporat ion降膜蒸发是溶液在重力、离心力、界面剪力的作用下，沿管内壁旱膜状向下流动，在流动过程中溶剂吸热汽化从而使溶液浓缩的单元操作，相应的设备就是降膜蒸发器。同其它类型的蒸发器相比，降膜蒸发器具有以下显著特点：1、有较高的传热系数。由于溶液沿管壁旱传热效果较好的膜状流动，液膜很薄且 有波动性，有利于液膜与管壁间的传热。2、传热温差损失小。因为降膜蒸发器没有因液位静压引起的沸点升高而带来的温 差损火，且料液是在热交换管内流动过程中而被逐级预热的，一般情况下料液一次性通 过管子即可达到浓缩系数的要求，因此溶液沸点升高引起的温差损失较小。在总推动力 不变的前提下，使有效传热温差变大。3、易于实现多效操作。降膜蒸发器传热温差损失小，提高了总有效传热温差;另外 降膜蒸发传热系数高，在传热量及传热面积不变的情况下，所需的传热温差就较低，因 而易于实现多效蒸发。-12-大连理工大学硕士学位论文2.2低温多效蒸发海水淡化系统工艺流程和物理模型一个5效仃-1口系统结构如图2.2所示，整个系统工艺流程如下：原料海水首先 进入冷凝器，冷凝器利用进料海水对末效蒸发器产生的二次蒸汽进行冷却，一方面，可 以通过海水冷却二次蒸汽得到冷凝淡水；另一方面，二次蒸汽的放热量可以提高进料海 水温度，使得海水进入蒸发器时具有较高的蜡值，在蒸发器中蒸发所需的热量相应减少，提高了蒸发器的换热效率。经过加热的海水然后被分成两股流：一股作为冷却海水直接 排出系统，另一股作为蒸储过程的进料海水。进料海水由后至前依次被送入各个预热器 进行预热，然后进入第一效蒸发器；蒸发器产生的二次蒸汽大部分进入下一效作为加热 蒸汽，另一部分被抽往预热器用于预热海水：浓缩盐水在两效间的压差作用下流入下一 效继续蒸发；各效蒸汽的凝结水流入相应闪蒸罐，冷凝水进入闪蒸罐后，由于罐内的压 力低于进口冷凝水所对应的饱和蒸汽压，此时冷凝水即为过热水，于是，一部分冷凝水 吸收热量作为汽化潜热而迅速蒸发，使得剩下的冷凝水的温度降低，由出口接管排出，流入冷凝水汇总管。产生的蒸汽也被引至下一效，作为下一效的加热蒸汽的一部分。闪 蒸罐主要起两方面的作用：一是获得少量蒸汽作为加热蒸汽进入蒸发器：二是使得剩下 的冷凝水温度降低。如此进行直到末效，浓盐水最终由末效排出。2至5效及冷凝器、预热器产生的凝结水即为淡化水产量。-13-低温多效蒸发海水淡化虹况分析与实睑研究2.3低温多效蒸发海水淡化系统的变工况分析数学模型a）蒸发器数学模型：（1）根据质量平衡方程得：=mdi+fnfi（21）其中，加小叫,朗山，加,分别为第效盐水进口流量，生成的二次蒸汽流量以及盐 水出口流量，kg/s用叩-1 马-小 加办。位-1，掰 h，m扪Ct-第用效蒸发器.-*-0图2.3第i效蒸发器数学模型Fig.2.3 Th e diag ram of evaporat or mat h emat ical model（2）由于低温多效蒸发产生的淡水中的含盐量很低，所以可以忽略。故可得到盐量平 衡方程：=m fiCi（22）其中，q,T，G分别为第ij效盐水进口和出口的盐水浓度，（3）根据能量平衡公式可以得到蒸发器第效的热量平衡方程：KMM=加力C/3-tfi-）+mdidi=加丫*1尺（%7）（2-3）其中，/（，-，3分别为第日效蒸发器盐水进口和出口温度，上式中的传热系数均采用以下公式迭代计算：-14-大连理工大学硕士学位论文“11 1Ks=-=-：-R 坳+Rd+Rw+R/_L+_q_+_!_+hut dik 2Mn为4 其中，管内冷凝传热系数而,根据文献2Ch a