10 t/d船用板式蒸馏海水淡化装置性能测试与模拟计算

胡钰，魏林瑞，张磊，卢素敏

（1.中海油能源发展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京　100016；2.天津工业大学 环境与化学工程学院，天津　300387）

海水淡化

10 t/d船用板式蒸馏海水淡化装置性能测试与模拟计算

胡钰1，魏林瑞1，张磊1，卢素敏2

（1.中海油能源发展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京100016；2.天津工业大学 环境与化学工程学院，天津300387）

建立了一套船用板式蒸馏海水淡化装置试验测试平台，对10 t/d淡化装置进行了性能测试，在测试所采用的海水及热水流量下，热水温度由59℃升高至83.77℃，淡水产量由400 L/h提高至550 L/h，进一步提高热水温度，淡水产量提高趋于平缓，操作时热水温度不宜超过85℃；随热水流量的增大，淡水产量呈现先升高后降低趋势；海水入口温度升高造成冷凝器中传热温差降低，真空度降低，产水量下降；海水流量是制约海水淡化装置真空度的关键因素，作为真空喷射泵的驱动水，当海水流量低于一定值时，淡化机真空度急剧下降，几乎不能出水。对板式蒸馏海水淡化装置进行了理论模拟，模拟结果与试验测试数据吻合良好。

海水淡化；真空蒸馏；真空度；性能测试；淡水产量

船用海水淡化技术的产业化发展始于20世纪50年代［1-2］，至今已形成了蒸馏法、膜法及离子交换法等技术［3-5］。蒸馏法是其中最为成熟的海水淡化技术之一，具有性能稳定、环境适应性强等优点，在水电联产、低位热能利用等领域得到广泛应用［6］。由于船舶上存在着大量可回收的余热，采用蒸馏法淡化海水，无疑是一个很好的选择。

真空蒸馏海水淡化装置受各种因素影响，如加热水流量、温度、海水流量及温度等。依托所研制的日产10t/d船用板式蒸馏海水淡化装置，建立了1套海水淡化装置性能测试平台，对装置进行性能测试，并针对整个海水蒸馏过程，建立数学模型，分析各参数对淡化装置性能的影响，将模拟结果与试验数据相对比，为进一步分析优化系统奠定了基础。

1　测试装置流程

真空蒸馏海水淡化装置系统流程如图1所示。海水由主机海水泵送入海水淡化机冷凝器中，在冷凝器中海水作为蒸汽的冷却介质将蒸汽冷凝为淡水，同时自身也获得预热。预热后的海水小部分经稳压阀、节流孔板进入蒸发器，大部分则进入真空喷射泵，借助于真空喷射泵在体系内形成85%～95%的真空度，并将冷凝器中的不凝气体以及蒸发器中的浓盐水抽走。进入蒸发器的海水在真空状态下被热水加热至沸腾，蒸汽经气液分离器进行气液分离后进入冷凝器，经冷凝器冷却后凝结成为淡水，在淡水管上设置有盐度计对产水水质进行监测。

图1　真空蒸馏海水淡化装置系统流程Fig.1　Process f1ow of vacuum disti11ation seawater desa1ination device

性能测试平台主要包括冷凝器、蒸发器、气液分离器、真空喷射泵、淡水泵、管路阀门、自控仪表等。所采用的蒸发器和冷凝器均采用板式换热器，传热面积均为7.5 m2，淡化装置设计淡水产量为10 t/d。测试工艺中，测量仪表包括热水、海水的流量，进、出口温度和压力，海水及淡水盐度、淡化装置真空度、产水量等。试验性能测试所有的操作均采用自控调节，并对所测量的数据进行自动记录、存储。数据采集频率为30 s，本文中试验数据为操作稳定后5min内所记录数据的平均值，数据误差以均方差形式在图中进行表示。

2　理论计算模型

2.1蒸发器计算

（1）物料平衡

F=D+W（1）

式中：F——进入蒸发器海水流量，kg/s；

D——蒸汽产生量，kg/s；

W——浓盐水流量，kg/s。

为了简化计算，忽略蒸汽中的盐分含量，则有下述盐平衡式：

FxF=W xW（2）

式中：xF——进料海水中盐分的质量分数，%；

xW——浓盐水中盐分的质量分数，%。

（2）能量衡算

蒸发器中所交换的热量QE为：

QE=WhCph（T1-T2）=FCps（tB-t2）+Drts（3）

式中：Wh——加热热水流量，kg/s；

Cph——热水的比热，kJ/（kg·℃）；

Cps——海水的比热，kJ/（kg·℃）；

T1——加热热水进口温度，℃；

T2——加热热水出口温度，℃；

t2——海水进入蒸发器温度，℃；

rts——温度ts下的汽化潜热，kJ/kg；

tB——盐水沸腾温度，℃。

tB、ts两者之间的关系为：

ts=tB-ΔtB（4）

式中：ts——饱和蒸汽温度，℃；

ΔtB——因海水盐度所导致的海水沸点温升，℃。ΔtB为盐水温度和盐度的函数，根据E1-Dessouky等［7］所提出的公式计算。

（3）蒸发器传热方程

QE=KE1SE1（LMTD）E1+KE2SE2（LMTD）E2（5）

式中： KE1——蒸发器预热段总传热系数，kW/（m2·℃）；

SE1——蒸发器预热段传热面积，m2；

（LMTD）E1——蒸发器预热段传热温差，℃；

KE2——蒸发器蒸发段总传热系数，kW/（m2·℃）；

SE2——蒸发器蒸发段传热面积，m2。

（LMTD）E2——蒸发器蒸发段传热温差，℃。

2.2冷凝器

（1）能量衡算

冷凝器中所交换的热量Qc为：

Qc=WsCps（t2-t1）=Drtc（6）

式中：Ws——进冷凝器海水流量，kg/s；

t1——海水出冷凝器的温度，℃；

rtc——温度tc下的水蒸气冷凝潜热，kJ/kg；

tc——冷凝器中蒸汽冷凝温度：

tc=ts-ΔtW（7）

ΔtW——蒸汽经过气液分离器流动阻力造成的温度下降，℃。

（2）冷凝器传热方程

Qc=KcSc（LMTD）c（8）

式中：Kc——冷凝器传热系数，kW/（m2·℃）；

Sc——冷凝器传热面积，m2；

（LMTD）c——冷凝器传热温差，℃。

2.3气液分离器

性能测试所采用的气液分离器为丝网式分离器，其流动阻力Δpw以下式计算［8］：

Δpw=3.881 78（ρw）0.375798（uv）0.81317（dw）-1.56114147（9）

式中：dw——丝网金属丝直径，m；

ρw——丝网分离器堆积密度，kg/m3；

uv——蒸汽通过丝网的表观气速，m/s；

uv=D/（ρvAw）（11）

ρv——蒸汽密度，kg/m3；

Aw——丝网的截面积，m2。

2.4真空喷射泵

真空喷射泵将冷凝器中的不凝气体不断抽走，使淡化机产生必要的真空，喷射泵所产生的压差采用下式计算［9］：

式中：pB——扩压管出口的背压，Pa；

p0——吸气室压力，Pa；

pp——工作水的压力，Pa；

Re0——喷嘴处水的雷诺数；

u0——喷嘴处水的流速，m/s；

μw——水的粘度，Pa·S；

σw——水的表面张力，N/m；

C0——喷射泵体积喷射系数，即为被吸入气体（空气与蒸汽混合气体）体积流量和工作水体积流量之比。

当1.7＜A1/A0＜4.0时，

当4.0＜A1/A0＜7.5时，

式中：A1/A0——连接管与喷嘴的截面积比；

d0——喷嘴直径，m。

根据工作水流量、工作水压力即可计算得到吸入室压力p0，减去气体吸入管流动阻力，即可得到冷凝器压力pc，此压力为冷凝器蒸汽冷凝压力。

pc和冷凝温度tc之间的关系可通过Antoine进行计算：

模型中所有的物理性质如海水比热、导热系数、粘度、密度及水蒸气潜热等均考虑了温度的影响，其计算参考文献［10］；模型计算所用到的液体沸腾对流传热系数参考文献［11］，蒸汽冷凝传热系数参考文献［12］，无相变对流传热系数根据Okada等［13］提出的公式计算。模型采用gPROMs软件进行计算。

3　结果与讨论

3.1热水温度的影响

热水温度对淡水产量及淡化机压强的影响如图2所示。

图2　热水温度对淡水产量及淡化机压强的影响Fig.2　Inf1uence of hot water temperature on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

由图2可见，热水温度的升高对淡水产量是有利的，淡水产量随着热水温度的升高而逐渐增加。根据试验测试结果，热水温度由59℃升高到83.77℃，淡水产量由400 L/h提高到550 L/h。当温度提高到80℃后，淡水产量提高的速度趋于平缓，这主要是由于真空度的影响造成，随着热水温度升高，在同样的海水流量下，水蒸发量逐渐增大，淡化机的真空度也会随之降低。

热水温度对蒸发器传热温差的影响如图3所示。

图3　热水温度对蒸发器传热温差的影响Fig.3　Inf1uence of hot water temperature on mean heat transfer temperature difference of evaporator

由图2、图3可见，当热水温度由59℃升高到83.77℃时，淡化机内绝对压强由6.1 kPa提高到13.5 kPa，使得蒸发室温度由起始的36℃升高至51℃，随着热水温度的升高，蒸发器传热温差也随之提高，但当热水温度升高至一定值后，蒸发器传热温差不再进一步提高。由此可以推断，热水温度不宜超过85℃，一方面热水温度过高对提高淡水产量不会再有明显提高，另一方面也可以降低淡化机结垢的可能性。

3.2热水流量的影响

热水流量对淡水产量及淡化机内压强以及对蒸发器传热温差的影响分别如图4、图5所示。

图4　热水流量对淡水产量及淡化机压强的影响Fig.4　Inf1uence of hot water f1ow rate on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

图5　热水流量对蒸发器传热温差的影响Fig.5　Inf1uence of hot water f1ow rate on mean heat transfer temperature difference of evaporator

由图4、图5可见，随着热水流量的提高，淡水产量起始时明显增加，但继续提高热水流量，淡水产量反而会有所下降。热水流量的影响主要表现为：①热水流量增加，在一定热水入口温度下，热水所提供热量增加，所蒸发的蒸汽量增加；②热水流量增加，热水侧对流传热系数会增大，有利于传热，也有利于蒸汽产量的提高，因此，随着热水流量的增加，起始时淡水产量随之提高；③蒸汽量增加，淡化机内压强提高，真空度下降，蒸发温度升高，在一定的热水入口温度的条件下，蒸发所需传热温差下降，从而使所蒸发的蒸汽量降低，产水量下降，因此，当热水流量超过7kg/s时，淡水产量反而会下降。

3.3海水入口温度的影响

海水入口温度对淡水产量及淡化机压强的影响如图6所示。

图6　海水入口温度对淡水产量及淡化机压强的影响Fig.6　Inf1uence of seawater temperature on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

海水入口温度的影响可以体现在两方面，其一，海水入口温度升高，在蒸发器中海水蒸发所需的热量降低，可以提高蒸发的蒸汽量；另一方面，由于海水温度提高，冷凝器中的传热温差会降低，无法将更多的蒸汽冷凝下来，淡化机内压强增加，使得淡水机内真空度很快下降；而真空度的降低反过来又会使蒸发器中蒸发所需的温度升高，蒸发量减少。因而，从总的影响来看，海水入口温度升高对淡水的产量是不利的，从图6可以明显看出，随着海水入口温度的升高，淡水产量会逐渐降低。

3.4海水流量的影响

海水流量对淡水产量及淡化机压强的影响如图7所示。

图7　海水流量对淡水产量及淡化机压强的影响Fig.7　Inf1uence of seawater f1ow rate on yie1d of fresh water and pressure of fresh water generator

随着海水流量的增加，淡水产量随之增大，根据淡化机性能测试结果，当海水流量从9.18kg/s增加至10.40kg/s时，淡水产量从480 L/h提高至550 L/h，但当海水流量低于8.74kg/s时，淡水产量会急剧降低，当海水流量小于7.90kg/s后，几乎不能产水。

淡化机内压强的变化与淡水流量的变化有很好的对应关系，当海水流量低于9.18kg/s时，淡化机内压强迅速提高；当海水流量低于7.90kg/s时，根据图7，淡化机内压强已经升高至21.2 kPa（真空度低于80 kPa），此时几乎不能出水。

为了更好地对这一现象进行解释，性能测试记录了淡化机真空度及蒸发器传热温差的变化，海水流量对蒸发器平均温差的影响如图8所示。

图8　海水流量对蒸发器平均温差的影响Fig.8　Inf1uence of seawater f1ow rate on mean heat transfer temperature difference of evaporator

海水流量是制约装置真空度的关键因素，在淡化工艺中，海水作为真空喷射泵的动力水，为整个装置提供必要的真空度，海水流量增加，可以使真空喷射泵达到更高的真空度，提高蒸发器传热温差，从而可以产生更多的蒸汽。

4　结论

（1）升高热水温度对淡水产量的提高有利，但温度不宜过高，当温度达到一定值后，淡水产量不再有明显提高。

（2）随着热水流量的增加，淡水产量呈现先增后降的趋势。热水流量增加，淡化装置真空度下降，蒸发器传热温差降低，因此，热水流量过高，淡水产量反而会有所下降。

（3）海水入口温度升高会使冷凝器传热温差快速降低，蒸汽冷凝量减少，淡水装置内真空度很快下降，对淡水产量产生不利影响。

（4）海水流量是制约淡化装置真空度的关键因素，当海水流量低于某一数值（本测试中为7.90kg/s），淡化机真空度会急剧下降，几乎不再出水。

（5）对10 t/d淡化机进行了理论模拟，模拟结果与测试数据能很好地吻合，为板式蒸馏海水淡化装置性能优化提供了理论基础。

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Performance test and simulated calculation for 10 t/d marine plate distillation seawater desalination device

HU Yu1，WEI Lin-rui1，ZHANG Lei1，LU Su-min2
（1.Beijing Institute of Cold Energy Utilization，CNOOC Energy Technology and Services Limited，Beijing 100016，China；2.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A test p1atform for marine p1ate disti11ation seawater desa1ination device was set up，the performance of 10 t/d desa1ination device was tested.According to the test resu1ts，at the testing f1ow rate of seawater and hot water，the yie1d of fresh water was increased from 400 to 550 L/h when increasing the in1et temperature of hot water from 59℃to 83.77℃，and it wi11 be 1eve1ed off if the temperature of the hot water is further raised. The operating temperature of hot water shou1d be contro11ed not above 85℃.With the increase of the hot water f1ow rate，the yie1d of fresh water increased at first and then decreased.The increase of seawater in1et temperature caused a drop of the heat transfer temperature difference in the condenser and the vacuum degree，1ed to a decrease of the yie1d of fresh water.The f1ow rate of seawater is the key factor restricting the vacuum degree of the seawater desa1ination device.As the driving water of vacuum jet pump，when the f1ow rate of seawater is be-1ow a certain va1ue，the vacuum degree drop sharp1y，a1most no fresh water is generated.A theoretica1 simu1ation for p1ate disti11ation seawater desa1ination device was performed，and the simu1ation resu1t was in good agreement with the experimenta1 test data.

seawater desa1ination；vacuum disti11ation；vacuum degree；performance test；yie1d of fresh water

TQ085+.47

A

1009-2455（2016）03-0078-06

胡钰（1980-），男，天津人，高级工程师，硕士，主要从事海洋工程及油田化工研究，（电子信箱）1usumin0720@163. com。

2016-03-22（修回稿）