反渗透海水淡化转子式压力交换器运行特性研究

张金鑫，王　越*，杨勇君，程百花，徐世昌，王世昌

(1.天津大学化工学院，天津 300072；2.天津大学化工学院化学工程研究所，天津300072；3.天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072)

随着反渗透膜、能量回收装置及系统工艺的不断发展，反渗透海水淡化成本显著降低，市场份额不断扩大[1-4]。其中，能量回收装置的快速发展和广泛运用使得反渗透海水淡化系统的产水比能耗已降至2.0～2.5 kWh/m3[5-6]。目前市场上普遍使用的能量回收装置主要采用正位移原理，包括转子式压力交换器和阀控式功交换器2种产品类型。该类装置通过“压力能-压力能”一步转化方式，将反渗透膜组件中排放出的高压盐水的余压能直接传递给原料海水，能量回收效率高达95%以上，成为国内外研究开发的重点[7]。

转子式压力交换器具有操作简单、运行平稳及高效率等特点，国外已有系列商用产品上市，并积累了较好的工程业绩[8-11]。我国对转子式压力交换器的研究起步较晚，至今仍处于技术完善和产品初期开发阶段[12]。本研究在课题组已有的工作基础上，设计开发了具有新型端盘结构的转子式压力交换器，结合装置在反渗透系统中的工艺特点搭建了实验平台，并对装置在工程实用压力(6.0 MPa)及较大单机负荷条件下的流体力学特性及其运行稳定性进行了测试和评价分析。

1　工作原理及实验装置

图1给出了转子式压力交换器工作原理图。该装置主要由左端盘、转子和右端盘3部分组成。左端盘与右端盘内侧面上分别对称设置有盐水集液槽和海水集液槽(图2)，并通过端盘集液槽之间密封平面将转子的轴向贯穿孔道区分割为高压区、密封区和低压区。装置运行过程中，转子上的一组孔道首先进入高压区，此时高压盐水通过左端盘进入转子孔道，将孔道内已充注的低压海水进行增压，并推动增压后的海水从右端盘上的增压海水口排出，此为增压过程。与此同时，转子上的另一组流道进入低压区，低压海水通过右端盘进入转子孔道，并推动泄压后的盐水从左端盘上的盐水口排出，此为泄压过程。增压区和泄压区通过端盘上的密封区隔离，随着转子的转动，转子孔道循环经过高压区、密封区、低压区，完成流体的连续增压和泄压过程，从而实现装置的压力交换功能。

图1　转子式压力交换器工作原理示意图Fig.1　Principle diagram of the rotary pressure exchanger

图2给出了本研究设计的新型端盘结构，低压海水和泄压盐水通过对应端盘圆周方向的2个侧孔供给和排出，而高压盐水和增压海水则通过对应端盘上的两个轴向直通孔供给和排出。端盘上对称设置的高压集液槽和低压集液槽，能够最大限度地保障装置高速运行时的稳定性。带有多个扇形直通孔道的转子(图3)由外置电机驱动，并在转子套筒内做连续旋转运动。

图2　新型端盘结构Fig.2　Structure of the novel end plate

图3　转子的结构Fig.3　Structure of the rotor

图4是转子式压力交换器试验工艺流程图。该工艺由“高压泵、压力交换器和高压阀门”组成的高压回路及“离心泵、压力交换器和低压阀门”组成的低压回路构成。每台泵的入口处均设置有保安过滤器，工艺回路中对应流体的入口和出口管道上分别设置了流量变送器和压力变送器。图5为本装置的试验测试现场。

图4　转子式压力交换器试验工艺流程图Fig.4　Experimental diagram for performance test of the rotary pressure exchanger

图5　转子式压力交换器样机试验现场Fig.5　Prototype of rotary pressure exchanger

2　结果与讨论

2.1　高压盐水和增压海水的压力变化特性

图6是在转速500 r/min时，进出压力交换器的高压盐水Pbi和增压海水Pso的压力变化曲线。从图6中可以看出，高压盐水和增压海水的压力整体上比较稳定，高压盐水压力的平均值约为6.0 MPa，增压海水压力的平均值也高达5.9 MPa。这一方面说明多孔道的转子在高速旋转的条件下，完全能够实现压力交换器增压过程和泄压过程的“无缝隙”衔接，保证了压力交换的连续性和装置运行的平稳性；另一方面证明了所设计的压力交换器能达到实际反渗透海水淡化系统中所需的操作压力指标。高压盐水与增压海水的压力差约为0.1 MPa，说明装置在高压区域的流动阻力较小，能够保障装置增压过程的高效率特性。

图6　高压盐水和增压海水的压力变化曲线Fig.6　Pressure variations of HP brine stream and HP seawater stream with time

2.2　低压海水和泄压盐水的压力变化特性

图7是在转速为500 r/min、操作压力为6.0 MPa时，进出压力交换器的低压海水Psi和泄压盐水Pbo的压力变化曲线。从图7中可以看出，低压海水的压力稳定在0.11 MPa左右，泄压盐水压力保持在0.07 MPa左右。由于转子孔道间存在物理的隔离厚度，不可避免地导致低压海水和泄压盐水产生轻微的压力波动，但对压力交换器的运行稳定性几乎无影响。这种波动可通过提高转子的转速和优化端盘的集液槽结构进一步减小。

图7　低压海水和泄压盐水的压力变化曲线Fig.7　Pressure variations of LP seawater stream and LP brine stream with time

2.3　低压海水和高压盐水的流量变化特性

图8是在转速为500 r/min、操作压力6.0 MPa时，进入压力交换器的高压盐水Qbi和低压海水Qsi的流量变化曲线。

图8　低压海水和高压盐水的流量变化曲线Fig.8　Flow rate variations of LP seawater stream and HP brine stream with time

从图8中可以看出，高压盐水的流量曲线基本为一条直线，稳定在8.3 m3/h左右，低压海水的流量曲线较高压盐水略有波动，其流量的平均值约为8.4 m3/h。说明2股流体的流量具有较好的匹配性，保证了装置进流的连续性和稳定性。

图8中高压盐水的流通平稳性略优于低压海水，这有利于更好地保障压力交换装置实际应用工程中反渗透膜的脱盐稳定性。

2.4　装置的压力交换效率

能量回收效率是评价压力交换器性能的重要指标之一。其效率可以通过公式(1)计算得出[6]：

(1)

其中Psi是低压海水的压力，Pbi是高压盐水的压力，Pso增压海水的压力，Pbo是泄压盐水的压力，Qsi是低压海水的流量，Qbi高压盐水的流量，Qbo是泄压盐水的流量，Qso是增压海水的流量。

在忽略装置内部渗漏的情况下，即：Qsi=Qbo和Qbi=Qso，装置的能量回收效率公式可转化为：

(2)

图9给出了压力交换器在转速为500 r/min、处理量为8.3 m3/h、操作压力为6.0 MPa时，按公式(2)计算得到的装置能量回收效率变化曲线。

图9　装置的效率变化曲线Fig.9　Efficiency variations of the device with time

结果表明，该装置的能量回收效率始终保持在95.8%～97.7%，与国外同类型产品(PX型装置)相当[11]，具有较好的工程实用价值。

2.5　装置的动平衡性能

压力交换器的动平衡性能可通过装置在高速旋转时驱动扭矩的变化规律来评价，转动扭矩的波动幅度越小，装置的动平衡性能越好;反之，装置的动平衡性能就越差。表1给出了操作压力为6.0 MPa、处理量为8.3 m3/h时，压力交换器在不同转速下的驱动扭矩变化规律。从表1中可以看出，在转速一定的条件下，装置的驱动扭矩整体上比较稳定，波动微小；随着转速的增加，扭矩值逐渐减小。这一方面由于采用了集液槽对称布置的端盘结构，较好地保障了装置受力的平衡性；另一方面由于转速越高，转子与端盘之间及转子和转子套筒之间的水润滑越充分，并可能形成了水润滑液膜，较大地减小了装置的旋转阻力。当装置转速达到额定转速500 r/min时，所需的驱动扭矩值最小，约为17～18 N·m。

表1　不同转速下压力交换器的驱动扭矩值

3　结论

设计开发了具有新型端盘结构的转子式压力交换器，并对其流体力学性能和运行稳定性进行了研究。结果表明：装置的单机处理负荷和运行压力分别达到8.3 m3/h和6.0 MPa；装置的连续运行特性稳定，能量回收效率达到95.8%～97.7%；装置具有良好的动平衡性能，且转速越高，装置的驱动扭矩越小。

参考文献：

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[3]LUDWIG H.Hybrid systems in seawater desalination-practical design aspects,present status and development perspectives[J].Desalination,2004,164:1-18

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[12]周一卉,丁信伟,姜海峰,等.旋转式压力能交换器能量回收试验研究[J].能源工程,2009,2:5-8

[13]RICHARD L S.Development of a fourth generation energy recovery device[J].Desalination,2004,165:313-321