低温多效蒸发系统进料方式的研究进展

刘天柱，赵东风，薛建良，李 石，刘 伟，张 华

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛266580；

2.山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛266590）

目前，淡水资源的相对匮乏和用水量的增大严重制约着国家的经济发展。开发新的淡水资源和减少污水排放是当前用水的主题。其中，含盐水（包括海水和工业含盐污水）的淡化或处理是解决当前用水问题的有效途径[1－5］。

工业应用较多的海水淡化技术包括多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（MED）和反渗透（RO）等[6－7］。特别是低温多效蒸发（LT－MED）技术由于操作温度低、运行稳定[8－12］，近几年发展较快。2007 年，全球13 869个海水淡化工程中，采用 MED技术的占到9%[13］。研究发现，进料方式、进料盐度和流量、加热蒸汽的温度和流量、系统效间压力差等因素都会影响MED系统的性能，其中进料方式决定着系统的布置方式，其重要性尤为突出。作者在此简述了LT－MED的原理、特点、系统分类，分析了不同进料方式的应用情况并进行了比较，提出了LT－MED进料方式的发展趋势。

1 LT－MED技术的原理、特点、系统分类及应用

1.1 LT－MED的原理

MED是应用历史最悠久的海水淡化技术[14］，具有非常高的热效率[15］。它经历了浸没管蒸发→垂直管降膜蒸发→横管降膜蒸发的发展过程[16－17］。MED系统由多个蒸发器连接而成，其后一效的操作压力和溶液沸点均较前一效低，仅在压力最高的第一效加入加热蒸汽，所产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，即后一效的加热室成为前一效的二次蒸汽的冷凝器。MED系统的效数一般为4～21效，典型大型装置的造水比为10～18[18］。

LT－MED原理与MED相同，只是首效蒸发器的蒸发温度需要控制在70℃以下。

1.2 LT－MED的特点

与其它海水淡化技术相比，LT－MED技术有如下特点[19］：

（1）操作温度低，可避免或减缓设备的腐蚀和结垢；

（2）对进料的预处理要求不高；

（3）系统的操作弹性大，安全性高。在高峰期，系统可以提供设计值110%的产品水；而在低谷期，系统可以稳定地提供设计值40%的产品水；

（4）系统的热效率高，动力消耗少；

（5）产品水纯度高。一般含盐量小于20×10－6，可直接用于酿酒厂、市政、居民用水等，节省用水成本[20］。

1.3 LT－MED系统的分类

含盐水与蒸汽进入方式的不同直接影响到LTMED系统的性能。LT－MED系统按进料方式（图1）可分为顺流、逆流、平流和混流。顺流进料：来自冷凝器的进料盐水首先进入第一效蒸发器蒸发，蒸发后的浓盐水作为下一效的入料盐水继续蒸发，如此逐效进行；逆流进料：来自冷凝器的进料盐水首先进入最后一效蒸发器，蒸发后的浓盐水进入前一效蒸发器继续蒸发，如此逐效进行；平流进料：来自冷凝器的进料盐水同时进入各效蒸发器，蒸发后的浓盐水直接进入下一效蒸发器底部闪蒸出部分蒸汽后排出，而不作为下一效的入料盐水；混流进料：是介于顺流进料和平流进料之间的一种流程，进料盐水在混流前段和混流后段都以平流的方式进入蒸发器。

图1 低温多效蒸发系统的进料流程Fig.1 Feed arrangement flow chart of LT－MED

1.4 LT－MED系统的应用

LT－MED技术可与其它海水淡化技术耦合应用。例如，LT－MED与太阳能发电厂联用系统的产品水日产量为47 918m3，蒸汽耗量为56.25kg·s－1，热利用效率较高[21］。

Xue等[22］利用灰色系统理论对中国西北地区典型炼厂的5个生产装置18条管线的低温余热进行比较，发现催化裂化装置的油气循环管线的余热最适合作为LT－MED系统的驱动蒸汽。同时，LT－MED与MSF、RO 相比，制水成本明显较低[23－25］。因此，LTMED为电厂、石化企业能源的有效综合利用开辟了一条新途径，有利于提高行业综合利用能源的能力。

2 LT－MED系统不同进料方式的应用比较

不同的进料方式适合于不同的操作环境，如平流进料各效的进料量理论上近似相等，顺流进料各效的进料量有一定的差别，而混流进料的进料量介于两者之间。选择合适的进料方式将会大大提高LT－MED系统的性能。

2.1 顺流进料

早期对顺流进料的研究是在考虑系统实际运行参数的同时建立系统模型，为MED的优化设计作参考[26－27］。Darwish等[28］对 LT－MED 系 统 顺流进料进行了简单的性能计算，同时列举了不同进料方式的典型的LT－MED系统运行参数。产水量为139kg·s－1的12效顺流进料系统，造水比为9.8，而将其改为2组6效系统，产水量为290kg·s－1，造水比为12.4；若增加进料预热器，系统的造水比可提高24.6%，蒸发器热交换面积也明显减小[29］。

孙小军等[30］比较分析了LT－MED系统不同进料方式：顺流进料蒸汽耗量为122.77t·h－1，造水比为3.39；逆流进料蒸汽耗量为117.04t·h－1，造水比为3.56；平流进料蒸汽耗量为114.18t·h－1，造水比为3.65；带热蒸汽压缩（TVC）的平流进料蒸汽耗量为51.90t·h－1，造水比为8.03。显然，顺流进料性能较差。这是由于顺流进料盐水全部进入第一效蒸发器，加热蒸汽冷凝过程中释放的潜热大部分用于将物料水加热至沸腾，导致有效用于将物料水蒸发产生二次蒸汽的加热蒸汽量所占比例减小，造成蒸汽耗量大、造水比小。

2.2 逆流进料

逆流进料可改善顺流进料制水经济性不高这一缺点，同时，造水比相对于顺流进料要高。但逆流进料时盐水在第一效以最高的含盐量和温度排出蒸发器，结垢的风险较大。LT－MED第一效的最高蒸发温度保持在70℃以下，再加入高效阻垢剂，可使结垢的风险大大降低。实例证明LT－MED系统运行6年才需化学清洗1次[31］。尽管逆流进料方式有显著的优势，但各效间需多台中间进料泵，增大了系统的复杂性和运行电耗。

2.3 平流进料

平流进料时各效盐水逐级自流，无需中间进料泵，因此，运行与控制方便，电耗较少。意大利西西里岛单元日产9 000m3的平流进料MED－TVC系统，由4个单元组成，造水比为16.7，产品水电耗为1.0kWh·t－1，顶值盐水温度控制在62.2℃，可有效减少腐蚀和结垢[32］。同时，由于平流进料的逐级闪蒸作用，热效率较高。

EL－Dessouky等[33］对8效平流多效蒸发系统的性能进行了分析。平流进料热交换面积为335m2，转化率为0.325，循环冷凝水流量为8.9m3·h－1，与相同效数顺流与混流系统比较，性能较差。此外，平流进料的蒸发器的换热面积大（原因在于平流进料盐水温度低于饱和温度，蒸发器管束上部面积部分用于加热海水至饱和温度），投资成本高，因此，平流进料的应用逐渐减少。

2.4 混流进料

目前，混流进料因抗结垢性强、蒸发器传热面积小、造水比大等优点而逐渐受到关注。EL－Dessouky等[33］报道，混流进料的蒸发器热交换面积为255m2，转化率为0.714，与其它3种进料方式比较，混流进料的性能比为5.8，运行及投资成本最低。Liu等[34－35］根据质量和能量守恒定律，建立了平流进料和混流进料LT－MED与热蒸汽压缩联用系统模型。结果表明，热蒸汽压缩机被引流蒸汽的最佳位置位于混流进料位置之后，这是由在此位置系统的造水比最大、蒸发器热交换面积最小所决定的。然而，目前所研究的LT－MED混流系统的混流点只有一个，而理论上系统最优混流点不止一个，应当可根据系统效数和性能的要求选择多个最优混流点，进一步提高系统的性能比。

2.5 不同进料方式的LT－MED系统特性比较（表1 ）

表1 不同进料方式的低温多效蒸发系统特性比较Tab.1 Comparison of the characteristics of LT－MED with different feed arrangement method

3 结语

LT－MED技术具有操作温度低、可利用低温废热、预处理要求低等优点，越来越受到人们的青睐。为提高LT－MED系统的性能比，需对不同进料方式的LT－MED系统进行改进和完善：

（1）顺流进料系统消耗加热蒸汽量较大，热经济性能不高。若增加进料盐水预热器，可显著降低蒸汽耗量，有助于减小蒸发器的换热面积进而降低设备投资，提高制水经济性。

（2）逆流进料系统虽有显著优点，但结垢风险大，应用较少。可在不影响盐水蒸发的同时，控制进入第一效盐水的温度和盐度，同时研制经济实用的新型阻垢剂，降低系统能耗，充分发挥逆流进料的优势。

（3）平流进料一般要求各效蒸发器对盐水的浓缩比近似相等，高温下盐水易结垢，因此盐水浓缩比不能太大。且蒸发器换热面积较大，系统投资成本高，应用有限。

（4）未来研究要重点探索混流进料中的多个最优混流点，建立投资成本最少、运行成本最低的混流LTMED系统将是大势所趋。

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