多效板式海水淡化技术的研发

多效板式海水淡化技术的研发

剩余的78%是海洋。因此，船舶运输是人类社会发展的重要支柱。海洋航行所需的淡水制造设备（如海水淡化设备）是海洋航行和运营所需的工具。目前,中国市场上90%以上的船用造水机是进口产品,其中阿法拉伐公司的产品占了绝大部分份额,其余部分则是丹麦APV公司及日本Sasakura公司的产品。国内生产船用造水机的厂家主要是南京绿洲机器厂,其产品是引进丹麦阿特拉斯公司技术许可证生产的管壳蒸馏式造水机,但由于管壳蒸馏式产品在技术上不如阿法拉伐的板式造水机,装船量并不大。因此,研发一种技术先进、性能优异、操作方便且成本低廉的国有品牌海水淡化装置是非常有必要的。在研究了国内外各类船用海水淡化装置的基础上,文中提出了一种利用发动机缸套冷却水余热(简称余热水)提供热源,通过板式升膜蒸发制取淡水的新工艺,此工艺具有成本低、能耗少、效率高及淡化水质好的优点。1蒸发法制取海水海水淡化是将海水中的盐分和杂质除去后达到可以饮用和生活用水、工业用水标准的一个过程。蒸馏法制取海水是将海水加热后使之蒸发汽化,利用盐分几乎不溶于低压蒸汽这一性质,将盐分和水分离,然后将产生的二次蒸汽冷凝成水,形成符合生活及工业应用的不含盐分或含盐分极少的淡水。到目前为止,蒸馏法制取海水仍然是船舶海水淡化最主要的技术。1.1蒸发温度对盐水质量分数的影响海水中的盐类主要包括氯化钠、氯化镁、硫酸镁、硫酸钙、硫酸钾及碳酸钙等,其中氯化钠的质量分数约占77.7%,氯化镁的质量分数约占10.9%。这些盐类在水中的溶解度随着温度的升高而降低,其中以硫酸钙盐类最为典型。当蒸发温度较高时,海水的盐类很快在蒸发表面形成垢层,使热阻大为增加并腐蚀到金属表面。低温海水蒸发是指海水在第一效的最高蒸发温度(盐水顶温)不高于70℃,由此,蒸发表面盐类结晶的速率将大为降低,显著减少海水结垢量,从而解决以往多效海水蒸发时易结垢之难题。1.2多效板式海水淡化系统为了节省能量消耗和提高装置的产水比,海水淡化装置需要采用多效蒸发造水(将2个以上的单级装置串联起来)。在多效蒸发中,第一级蒸发器产生的二次蒸汽可以作为压力较低的第二级蒸发器的热源。多效板式海水淡化装置一般可多达五至六效。对于舰船用蒸发装置,过多的蒸发效数会增加控制的复杂度,降低工作可靠性,且低温蒸发难以实现。而效数过少则影响产水量,热量利用不合理。为此,本次设计采用了二效蒸发(2个单效蒸发装置串联起来),余热水作为一效蒸发器的热源,利用此余热与一效海水热交换进行一效蒸发,一效蒸发后的二次蒸汽则作为二效蒸发器的热源。2冷凝水出水口配置船舶余热用于海水淡化的工艺流程图见图1。假设海水平均温度为20℃。从海中抽取海水至冷凝器,二效蒸发器蒸发出的蒸汽被冷凝,冷凝器中的海水经过热交换后温度上升至30℃,其中约85%被排出船外,15%送入一效蒸发器,作为待蒸发海水。在一效蒸发器中,海水与发动机缸套冷却水进行热交换后升至67℃,进行一效升膜蒸发,蒸发后的海水温度降低,流至二效蒸发器,进行二效升膜蒸发,蒸发后的剩余的海水排出船外。一效蒸发器中的海水被加热至沸腾后流至一效分离室进行汽水分离,产生的压力较低蒸汽作为二效蒸发器的热源,在二效蒸发器进行热交换后冷凝成水,二效蒸发器产生的二次蒸汽经冷凝器后也被冷凝为水。收集二效蒸发器和冷凝器中所产生的冷凝水即为纯净水,用盐度计检测合格后即可使用(盐度小于7×10-6)。常压下水的沸点为100℃,一、二效蒸发时温度远低于此值。要在较低的温度下实现蒸发,就需要降低一、二效蒸发室压力,为此,在冷凝水出水口配置了真空泵,且连通一、二效分离室。只要保持分离室压力低于此温度时物料的沸点压力,则系统即可连续蒸发制造淡水。3蒸发设备综合利用率根据单效蒸发器热量平衡与质量平衡分析,有qmz1/qmf1=0.91(1kg蒸汽可以蒸出0.91kg的淡水)。如果将蒸发出的二次蒸汽通往第二个蒸发室的加热室作为热源用,那么同样1kg的蒸汽又可以蒸出0.91kg的淡水,故二效蒸发比单效蒸发热量利用程度高。由于溶液有沸点升高现象,管线有流动阻力损失,故1kg的新鲜蒸汽通过双效蒸发并不能蒸出1.82kg的淡水,而是比此值要小。本例计算中各效加热蒸汽均为饱和蒸气,对于蒸发器及冷凝器均采用逆流换热,各效设备利用率为98%。已知t1=30℃,w0=3.2%,w2=6.4%,ty=70℃。需要计算的参数有qm、qmz1、qmz2、qmy、Φ1、Φ2、Δt1、Δt2、A1和A2。3.1效蒸发器海水进料量qm1的计算总蒸发量及一、二效的物料平衡分别按照下式计算:qm=qmz1+qmz2=qm(1-w1/w2)(1)qmw0=qmh1w1=qmh2w2(2)其中qmh1=qm−qmz1qmh2=qm−qmh1−qmz1w1=qmgw0qmh1=qmgw0qmg−qmz1w2=qmgw1qmh2=qmgw1qmg−qmh1−qmz1qmh1=qm-qmz1qmh2=qm-qmh1-qmz1w1=qmgw0qmh1=qmgw0qmg-qmz1w2=qmgw1qmh2=qmgw1qmg-qmh1-qmz1根据以上各式及相关条件,计算出一效蒸发器需海水量qmh1=4167kg/h,二效蒸发器海水进料量为qmh2=3125kg/h。3.2计算条件选取各效温差分配符合以下关系式:Δt1Δt2=Φ1K1=Φ2K2(3)Δt1Δt2=Φ1Κ1=Φ2Κ2(3)将已知条件代入上式,可计算出Δt1≈113℃,Δt2≈11℃。3.3相关融合信息的计算一、二效传热面积分别按照下式计算:A1=Φ1K1Δt1A2=Φ2K2Δt2(4)A1=Φ1Κ1Δt1A2=Φ2Κ2Δt2(4)代入相关已知条件计,算出A1=28m2,A1=25m2。3.4qmi计算图1余热水量按下式计算:qmy=K1A1Δt1γq(5)qmy=Κ1A1Δt1γq(5)式中,γq为水57.5℃汽化潜热,γq=2287kJ/kg。代入已知条件计算出qmy=46901g/h。3.5蒸发器绝对压力不同时点文中所有计算均未考虑热量损失,设计时应考虑各效间应有3%~4%的热损失。当二效蒸发器中绝对压力低于9.58kPa时,二效开始蒸发;一效蒸发器绝对压力低于22.7kPa时,一效开始蒸发。要建立必要和稳定的真空度,除上述基本条件外,还必须用真空泵不断抽出冷凝器中所积聚的空气,才能保证由于低温凝结所获得的真空度不受破坏。4蒸发效率比较此装置以70℃余热水作为热源用于海水淡化。当余热水温度升高时,一、二效蒸发温度略有提高,但设备的蒸