具有能量回收系统的反渗透海水淡化装置热力学分析(译文)

1、具有能量回收系统的反渗透海水淡化装置热力学分析（译文） 申请学位： 工学学士 院 系： 环境与材料工程学院 专 业： 金属材料工程 姓 名： 潘俊舟 班 级： 环104-3 学 号： 201061504144 指导老师： 李法兵（工程师） 2014年5月25日烟台大学具有能量回收系统的反渗透海水淡化装置热力学分析摘要 以热力学研究一有无能量回收设备的反渗透海水淡化装置。该研究基于质量和能量在每个子系统乃至整个系统中平衡的应用和利用建模盐水为理想溶液进行的。本文探讨三种配置的海水淡化装置。第一种配置包括一个节流阀在抑制高浓度盐水端，二另两种配置则掺入分别掺入在水力涡轮机和压力交换系统（PES）中

2、。结果表明，多种性能指标的多种变量的变化如进料盐度和温度和施加的压力等。例举的这些指标为比能耗（以kWh/m3表述为净水所产生的）和采收率。结果表明了当进料盐度高时掺入能量回收设备的重要性。此外，理论最小比能耗以有无压力交换系统（PES）的情况下得到并表示出来。1.介绍海水淡化工序可将含盐水或海水等进料盐水分离成低盐量的生产用水和高浓度盐水。这样的海水淡化工序需要的能量输入与很多参数有函数关系，如分离工序本身，盐度和输入盐水的温度等。使用能量的最小化是相当重要的，因为它降低了生产净水的费用，减少了温室气体的产生和将各种污染产物向大海或大气的排放。现有的海水淡化工序需要大量的以电能形式的能量来运

3、行反向渗透工序里不同种类的泵（如高压泵，液体流输送泵等）或在热能海水淡化工厂如多效蒸馏和多级闪蒸里的蒸发工序中以热能来加热蒸汽。因此，在海水淡化工业中降低能耗以生产净水是最活跃的研究领域之一。反向渗透是一项在1970年代成功商业化较为新颖的技术。它是比MSF方法更节能的海水淡化方法。然而，含在高压盐水流里的能量被排到大气中构成能源浪费并应该被回收。现有的回收系统含有一台液压涡轮机和一个利用在排出盐水和进料盐水之间的压力交换系统（PES）的先进模块。塞尔希等人1发展研究工序的一般关系。这种关系决定了每淡水单位质量的最小输入工作生产各种饲料盐水和生产的淡水盐度。可见，盐水分离成净水和高浓度盐水的最

4、小能耗取决于分离时所使用的海水淡化技术的工序和配置。同时还发现，分离盐水成净水和高浓度盐水所需的最小能量随着填料盐度的固定产物质量和采收率的增加而增加。它还随着固定渗透和填料盐度的采收率的增加而增加1。反渗透系统去盐的能耗曾被很多作者处理过，如Agashichev and Lootah2,Farooque et al3, 和Sharif et al4。一理论模型使在回收渗透填料属性（流量、浓度和温度）的效应分析和能耗由Agashichev and Lootah2开发出来。结果表明，在特定的填料更高的温度情况下会提高渗透回收和造成能耗下降。Farooque et al3报告过在海水反向渗透工序中

5、的能耗费用可以达到水的总产费用的50%，并尽可能是运行费用的75%。基于实际技术规格和性能数据，他们对在沙特阿拉伯的海水反向渗透工厂进行了越一年的广泛分析。调查考虑了各种能量回收设备的投入，这使节能达到约高压泵总能耗的27%。最近，Sharif et al4提出一个计算反向渗透工序的比能耗的新方法。他的方法可以评价最小的比能耗，这取决于膜的性能并定义为为克服填料的渗透压所需的最小机械能。随着采收率和渗透流量的比能耗变化，分析了膜的渗透性。Abbas5 and Al-Bastaki and Abbas6对使用简化模型的工业化反渗透海水淡化工厂的不同配置的性能进行分析。分析了主要工作的影响因素，如

6、工作压力和低进料率对产率的影响。该膜工序的性能是非常灵敏于不同参数，如浓度和极化温度、在推动混合中垫片和掺入能源回收设备的使用。Sablani et al7探讨了流量和分离工序的膜的性能下降的主要原因。他们提出了对理论研究和在超滤与反渗透中的浓度极化模型的严厉的评价。Zhou et al8调查了在有垫片的螺旋环绕的反渗透膜中数字化的浓度极化现象。研究发现垫片不仅能推动混合，而且还有去极化的效果。第二定律和火用分析被用以研究工业化反渗透工厂的位置和亏损金额。Cerci9研究了一座位于加洲的每天7250 m3的反渗透工厂。他计算了工厂内主要组件的火用损，并显示最大的火用损发生在膜模块，达到中火用输

7、入的74%。第二定律效率被认为非常低（4.3%左右）。作者提出提高该性能的代替设计。Aljundi10对约旦的一座工业化反渗透工厂的研究揭示了最高火用损发生在节流阀（57%左右）和两个阶段的反渗透装置（21%左右）中。现有工作目标在于利用热力学第二定律系统地分析有无能量回收系统的基础反渗透装置的性能。三种系统被提及，并且对它们的性能分析和对比。第一种系统，即最基础的那种，包括一台泵、一个反渗透模块和一个节流阀。第二种和第三种分别运用一个回收称为压力交换系统的模块。2.描述与模块化系统2.1 系统描述研究的三种配置的反渗透装置如图1所示。第一种配置，如图1a，包含一个节流阀以抑制高浓度盐水端而另

8、外两种配置则分别掺入水力涡轮机和压力交换系统，如图1b和1c。2.2 主要假设l 以下为研究的假设：l 盐、水和盐水是不可压缩的物质l 动能和潜能是可忽略的l 盐水默认为稀溶液且是一种理想溶液l 极化效果忽略不计l 在标准状况下为T0=298.15 K，p0=1 atm、Sal0=2450 ppml 分渗透模块区域应等于37.61 m2l 已知进料水在8处l 在9处渗透压与有压力交换系统的反渗透的11处的压力设定在101.325 kPal 涡轮机和泵的等熵效率设定在85%l 该PES的有效性设置在恒定值的95%图.1a.反渗透装置使用节流阀图.1b.反渗透装置使用液压涡轮机做回收装置图.1c.

9、反渗透装置使用压力回收系统（PES）2.3 盐和盐水的性能 盐水的性能取决于其压力、温度和盐度。后者可用ppm表示（质量基础上的百万分之一），如百分比（sal），如盐质量分数（m）或盐摩尔分数（）.m和被定义为1,11： and (1) MS和MW分别为盐和纯水的摩尔质量。它们的值为58.5 kg/kmol和18.0 kg/kmol。Mm为表观盐水的摩尔质量，给出如下： (2) 因此，盐的质量分数与盐的摩尔分数可以得出以下关系(塞尔希1)： (3)即： and 盐度小于5%的盐水可视为稀溶液和理想溶液1,11。这样的理想溶液可忽略其中不同分子之间的影响。混合物的广泛特征是各组分的广泛特征的总和

10、。因此，比热和热熵用一下式子确定1,11： （4a） (4b) 纯水的比热和热熵以标准状况计算11。盐的则用以下的公式计算12： (5a) (5b)hs0为标准温度T0和压力p0下盐的热熵。其值为hs0=21.0455 kJ/kg10。2.4 反渗透系统的建模 特别注意的是进料水（模块8）被适当的膜分成两种液流（饮用水渗透到9，而抑制盐水到10）的反渗透模块的压力容器的建模。反渗透膜的性能取决于多个工作参数如温度、压力和进料水的盐度。温度影响盐水的粘性。膜被认为是一种多孔性的环境。通过膜的溶剂比流量可用以下关系确定12： (8) 其中Cw（kg/m）为水的平均浓度，为水的摩尔体积（18 m3/

11、mol），T（K）为平均温度，e（2 m=2x10-6 m）为膜的厚度。膜内水的扩散系数根据斯托克斯爱因斯坦关系式求出 （9） 其中k为玻尔兹曼常数= 1.38 10-23 J/K，ds为斯托克斯直径= 0.076Mw0.4，为水的摩尔质量，为它的动力黏性。 为膜的进料端与渗透端的压力差：8-9。随着盐度和温度变化的渗透压的变化给出如下关系13：（10） 另一方面，反渗透模块的控制方程为：- 盐水溶液的质量守恒 （11）- 盐的质量守恒 （12）- 能量守恒（13）r1和r2分别为采收率和盐水抑制率，定义为：（14a）（14b） 采收率以Agashichev 和 Lootah给出的关系式确定2

12、：（15a）其中Amem（m2）为膜的面积。 Zhou et al8给出以下在约25工作下特定膜的公式，（15b） 因此，采收率的变化可给出：（15c） 另一方面与图1的基础配置，在反向渗透工序中高压泵的能耗为：（16a） 这些量的最小值对应于克服进料渗透压所需的能量：（16b）其中8-9分别为进料端和渗透端的渗透压。 因此，理论上的特定的最小能量（在）可以表示为： （16c）沙里夫等人4也发现，这个公式对应与每个反渗透程序的装置产品理论上最小的工作量，并且与斯皮格勒和赛义德的分析4是一致的。谢里夫等人4从普通的方程给出反渗透过程的比能耗，并考虑到一些影响，包括膜的反射系数，浓度极化和伴随膜元

13、件的压力损失获得这个表达式。公式（16c）对应的是理想状态下，其实所述的膜反射系数，浓度极化因子和液压损失因数等于1。如果引入压力交换系统，能量主要被两个泵给消耗了，观察图1c。 （17a）能量的最小值是： （17b）3.结果与讨论使用EES软件处理上述的方程组。这个软件16也获得普遍的认同，并且广泛使用于这些类型的热力学研究。反渗透模块的耐渗透量，（Pa.s.）可以写为： (18)这个阻抗的值取决于反渗透膜的特性。与以往对于变化范围各式各样的研究所不同，表1得到了一些想法。表1:以往研究中的的取值图2通过在研究中建立模型反映了温度对于膜电阻计算值的影响。这些值都在表1给出的值的范围之内。该图

14、表明，进料温度降低，则的值增大。当我们认定处于高温的时候，这些都能理解，海水粘度减小提供给渗透通量较低的电阻。另一方面，这表明进料盐度的增加将使的值略微的上升。图2：在不同盐度和温度下的值表2：计算回收率和Zhou等人的结果之间的比较8。进料压力为5MPa下不同的进料盐度 将表2中计算的回收率与研究的进行比较，我们可以看出差异是非常小的。图3：对于三个反渗透系统，进料盐度对比能耗（）的影响（压力=8000KPa）（Thr,TH和PES分别指节流阀，液压涡轮机和压力交换系统） 图3比较了图1所描绘的三个系统的单位能耗。它表明使用能量回收装置降低了能耗，尤其是在较高的进料盐度的情况下。当使用压力交

15、换系统并且施加的压力和盐度都很高的时候，这个还原反应程度在50%。有趣的是，这些能耗值比以往研究报告出来的略低（法罗库等人3，沙立夫等人4）。一些实际影响，例如那些的浓差极化和压力损失这里不考虑。图4表示了进料流量、渗透物的流量以及回收率r1施加压力的变化。当回收率升高逐渐接近P8时，提高P8的值会使和提高。这个渐近值取决于进料的盐度和温度。图4：、和r1随着进料压力变化（进料盐度为2%）图5给出了反渗透系统有无压力交换系统时所施加压力P8时比能耗的变化。基本的反渗透最小曲线指的是公式给出的理想状况(16c)。沙立夫等人4。预测值较高（约2 ），因为它包含的浓差极化，膜的反射和压力损失的影响。

16、除此之外，比能耗不是恒定的，由公式（16a）可以得出，它随着施加的压力P8而升高。如同图6示一样，当进料盐度提高至2%（20000ppm），情况不一样了。图5：比能耗（）随着P8和反渗透是否存在压力交换系统而变化（进料盐度=1%）理想的比能耗比0.5更高并且取决于所施加的压力。如同公式（16c）所示，它与回收率的变化密切相关。当设置有回收装置，P8对于比能耗的影响与以往进料盐度低于1%是一样的。但是，没有压力交换系统时，施加的压力很低比能耗下降；当P8要高于3.5MPa的特定值时，比能耗线性增加。图6：比能耗（）随着P8和反渗透是否存在压力交换系统而变化（进料盐度=2%）4. 结论 这个工作通过热力学分析估算了一个基本的反渗透过程使用和不使用能量回收装置状态下能量消