海水淡化装置回热器技术研究

柴 帅，张 健，高 伟，李 明，巴 鑫

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

随着全球人口的急剧增长、人类社会的持续进步以及经济的快速发展，淡水资源日益匮乏。海水淡化技术因其原料资源广阔、可以源源不断地为人类提供淡水资源，发展前景可观。低温多效蒸发海水淡化技术(LT-MED)具有结垢风险性低、海水预处理要求低、热效率高以及可以利用热电厂、石油化工厂低品位热源等优点，在工程实践中得到广泛的应用，已成为未来海水淡化厂的主流技术。

低温多效蒸发海水淡化技术工艺流程多样、操作工况易变、设备组合方式灵活，故需要通过大量的模拟对比研究，寻求一种高效、节能的海水淡化装置设计方法。近年来，许多学者利用Aspen Plus软件，侧重于不同进料方式、蒸发器效数、浓缩倍数等影响因素对低温多效蒸发海水淡化装置开展了多种工况研究，但在回热器设置方面的研究报道较少。

基于以热水为热源的低温多效蒸发海水淡化装置，选取15效平流进料工艺流程为研究对象，利用Aspen Plus软件分别对不同回热器设置方式下装置的性能参数进行了模拟计算【1】，着重分析了设置回热器对低温多效蒸发海水淡化装置性能的影响规律。

1 装置原理

以热水为热源的低温多效蒸发海水淡化装置流程示意见图1。原料海水首先进入凝汽器中预热，然后被分成2股物流，一股作为冷却海水排回大海，另一股作为各效蒸发器蒸馏过程的进料海水【2】。进料海水被引入到15效蒸发器，经喷嘴被均匀分布到蒸发器内的换热管上。热水经闪蒸装置产生的蒸汽进入蒸发器，为蒸发器第1效内进料海水的蒸发提供热源；每效蒸发器内的进料海水蒸发产生的二次蒸汽为下一效进料海水的蒸发提供热源，蒸汽冷凝排出。

图1 低温多效蒸发海水淡化装置流程示意

蒸发、冷凝过程在各效重复，浓盐水逐效流动、闪蒸冷却，产品水在闪蒸罐中逐效闪蒸冷却。最后一效蒸发产生的二次蒸汽和浓盐水闪蒸蒸汽与闪蒸罐中闪蒸的产品水蒸汽一起在凝汽器中被原料海水冷凝后进入产品水总管，与第2～第15效产生的产品水混合，经产品水泵送至产品水储罐。浓盐水在第15效闪蒸后排出，经浓盐水泵进入换热器，与一股原料海水换热冷却后排回大海；该股原料海水与自凝汽器排出的冷却海水混合后排回大海。

2 回热器技术研究

2.1 回热器设置效果分析

低温多效蒸发海水淡化装置输入物料包括热水给水、原料海水，输出物料包括热水回水、冷却海水、产品水和浓盐水。整个系统质量守恒、能量守恒。装置输入输出物料的主要工艺参数见表1。

表1 装置输入输出物料主要工艺参数

在海水淡化装置内，进料海水为原料海水经凝汽器预热后分出的一股海水。由于蒸发器各效进料海水温度与该效蒸发温度温差逐效减小，即效数越靠前进料海水的过冷度越大，使得加热蒸汽其中一部分热量用来为海水加热升温至蒸发温度，因而制约了装置的产水率。

若在进料海水管道上增设回热器，从蒸发器某效蒸发产生的二次蒸汽出口末端抽取部分蒸汽作为热源为进料海水升温，便可降低进料海水的过冷度，提高装置产水率【3】。以在第8效设置回热器、抽取二次蒸汽的工况(工况二)为例，通过回热器提高蒸发器前8效进料海水温度，在装置日产淡水量为25 000 t时，需消耗的热水量和原料海水量与无回热器设置工况(工况一)的对比见图2。

图2 工况一与工况二水量消耗对比

与工况一相比，工况二增设回热器后，装置在相同淡水产量的情况下，所消耗的热水量和原料海水量均减小。结果表明，抽取蒸发器内蒸发产生的部分二次蒸汽为进料海水缩小过冷度以提高装置产水率的效果显著。

由于蒸发器效数为15效，进料海水分支管道数量及分支方式较多，所以回热器设置位置与抽汽位置的组合方式多种多样。本文主要以在总管、支管、小总管设置回热器这3种方式为研究对象，对比分析不同回热器设置方式下装置日产淡水量25 000 t时所消耗热水量和原料海水量的变化规律，从而选取一种最优的回热器设置方式。在总管、支管、小总管设置回热器示意见图3(a)～图3(c)。所有模拟计算算例的输入输出主要工艺参数及蒸发器参数设置同工况一。

图3 不同回热器设置方式示意

2.2 回热器设置规律分析

2.2.1 总管设置回热器规律分析

以在第6效设置回热器为例，改变抽汽位置，各工况下进料海水经回热器升温后的温度相同。

图4给出了日产淡水量为25 000 t时，各工况下装置所消耗的热水量和原料海水量随抽汽位置的变化规律。

如图4(a)～图4(b)所示，当回热器的设置位置不变时，抽汽位置越靠近末效，装置相同淡水产量下所消耗的热水量和原料海水量越少，产水率越高。

图4 热水量和原料海水量随抽汽位置的变化规律

故选取靠近末效的第10效、12效、14效作为抽汽位置，对比分析这3种工况下不同回热器设置位置对装置所需消耗热水量和原料海水量的变化规律，见图5(a)～图5(b)。

由图5(a)～图5(b)可知，回热器分别设置在第10效、12效、14效时装置所需消耗的热水量和原料海水量最少。可以表明，当回热器设置效数与抽汽效数相同时，装置所需消耗的热水量和原料海水量最少，产水率最高。

图5 热水量和原料海水量随回热器设置位置的变化规律

因此，对在相同效设置回热器和抽取二次蒸汽的工况进行分析。图6(a)～图6(b)给出了装置所需消耗的热水量和原料海水量随在不同效数设置回热器和抽取二次蒸汽的变化规律。

图6(a)～图6(b)中呈现出热水量和原料海水量先减小后增大的趋势；当在第10效设置回热器、抽取二次蒸汽时，装置所需消耗的热水量和原料海水量最少，可见在总管设置1台回热器的情况下，此种方案产水效果最优。

图6 热水量和原料海水量随回热器设置位置和抽汽位置的变化规律

2.2.2 支管设置回热器规律分析

以在第12效抽取二次蒸汽为例，改变回热器的设置位置，得出如图7(a)～图7(b)所示的装置所需热水量和原料海水量的变化规律。

根据图7(a)～图7(b)可得，当抽汽位置不变时，回热器设置位置越靠近首效，装置所需消耗的热水量和原料海水量越少，即回热器设置在第1效支管时，效果最好。

图7 热水量和原料海水量随回热器在支管设置位置的变化规律

因此，将回热器设置在第1效支管，改变抽汽位置，各工况下进料海水经回热器加热后的温度相同。模拟得出装置所需热水量和原料海水量的变化规律见图8(a)～图8(b)。

图8 热水量和原料海水量随抽汽位置的变化规律

结果表明：抽汽位置越靠近末效，装置所需消耗的热水量和原料海水量越小。

综上，在支管设置1台回热器的情况下，回热器设置在第1效支管、在第12效抽取二次蒸汽时，装置所需消耗的热水量和原料海水量最少。

2.2.3 小总管设置回热器规律分析

此处将进料海水总管分为3支小总管，将15效蒸发器按效数分为3个效组，每1支小总管对应1个效组，在每1支小总管上设置1台回热器为每个效组的进料海水提高温度。图9(a)～图9(b)给出了按照4-5-6、5-5-5、6-5-4(从第1效至第15效)分效组设置回热器的工况下装置所需消耗热水量和原料海水量的变化规律。

图9 热水量和原料海水量随回热器在小总管设置位置的变化规律

结果表明：第1效组效数越多，热水和原料海水消耗量越少。因此，当小总管按照6-5-4分效组设置回热器时，装置所需热水量和原料海水量最少，可认为是一种较优的方案。

2.2.4 3种回热器设置方式对比分析

由前面的分析可知，当总管设置1台回热器时，采用在第10效设置回热器、抽取二次蒸汽的方案装置产水率最高；当支管设置1台回热器时，采用在第1效设置回热器、第12效抽取二次蒸汽的方案装置产水率最高；当小总管设置3台回热器时，按照6-5-4分效组设置回热器的方案装置产水率最高。

图10(a)～图10(b)给出了3种不同回热器设置方式下装置所需热水量和原料海水量的对比。

图10(a)～图10(b)表明，回热器设置在支管时，装置所需消耗的热水量和原料海水量明显大于回热器设置在总管和小总管的方案。因为回热器设置在支管，只能为蒸发器某一效进料海水缩小过冷度，对于整个装置的产水率而言影响较小。回热器设置在小总管时，装置所需热水量和原料海水量稍大于回热器设置在总管的方案。但由于小总管方案需设置3台回热器，而总管方案只需设置1台回热器，考虑到设备投资的经济性，优先选择回热器设置在总管的方案。即当回热器设置在第10效进料海水总管、抽取第10效二次蒸汽时，装置所需热水量和原料海水量最少，产水率最高，经济性最优。

图10 不同回热器设置方式下热水量和原料海水量对比

2.2.5 回热器设置台数分析

在第10效总管设置1台回热器的基础上，再增设1台回热器，同样在相同效设置回热器和抽取二次蒸汽。图11(a)～图11(b)为装置所需消耗的热水量和原料海水量随增设回热器设置位置的变化规律。

图11 热水量和原料海水量随增设1台回热器(在第10效设置1台回热器基础上)设置位置的变化规律

由图11(a)～图11(b)可看出，增设回热器设置在第6效时，装置所需消耗的热水量和原料海水量最少。因此，在第10效总管设置1台回热器的基础上，在第6效增设1台回热器可促进装置产水率的提高。

同样，在第12效总管设置1台回热器的基础上，再增设1台回热器时，装置所需消耗的热水量和原料海水量随增设回热器设置位置的变化规律见图12(a)～图12(b)。

图12(a)～图12(b)显示，增设回热器设置在第8效时，装置所需消耗的热水量和原料海水量最少。因此，在第12效总管设置1台回热器的基础上，在第8效增设1台回热器可提高装置产水率。

图12 热水量和原料海水量随增设1台回热器(在第12效设置1台回热器基础上)设置位置的变化规律

由于在第8效和第12效设置回热器时装置所消耗的热水量和原料海水量均小于在第6效和第10效设置回热器的方案，所以在第8效和第12效设置回热器的方案可作为装置设置2台回热器的优选方案。

在第8效和12效总管设置回热器的基础上，再增设1台回热器，同样在相同效设置回热器和抽取二次蒸汽。图13(a)～图13(b)为装置所消耗的热水量和原料海水量随增设回热器设置位置的变化规律。

图13 热水量和原料海水量随增设1台回热器(在第8和第12效设置2台回热器基础上)设置位置的变化规律

由图13(a)～图13(b)可知，增设的回热器设置在第5效时，装置所消耗的热水量和原料海水量最少。因此，在第8效和第12效总管设置回热器的基础上，在第5效再增设1台回热器产水效果更佳。

将在装置进料海水总管设置1台回热器(第10效)、2台回热器(第8效和第12效)、3台回热器(第5效、第8效和第12效)3种方案进行对比，见图14(a)～图14(b)。

由图14(a)～图14(b)可得，随着回热器设置台数增多，装置所需消耗的热水量和原料海水量减小，但是减小的趋势变缓。因此，当回热器设置台数增多时，需综合考虑回热器设备投资与装置消耗水量投资的因素。

图14 热水量和原料海水量随回热器设置台数的变化规律

3 结论

基于以热水为热源的低温多效蒸发海水淡化装置，选取15效平流进料工艺流程为研究对象，利用Aspen Plus软件分别对不同回热器设置方式下装置的性能参数进行了模拟计算与对比分析。得出以下结论：

1)海水淡化装置应考虑增设回热器，可显著减小装置所需消耗的热水量和原料海水量，同时提高产水率。

2)回热器的设置应对总管、支管、小总管3种布置方式进行系统对比，通常回热器设置在总管时，装置所消耗的热水量和原料海水量在分别从首效至末效设置回热器的情况下呈现出先减小后增大的趋势；回热器设置在支管时，设置位置越靠近首效、抽汽位置越靠近末效，装置所需热水量和原料海水量越小；回热器设置在小总管时，第1效组数越多，装置所需热水量和原料海水量越小。

3)回热器设置在进料海水总管较设置在支管和小总管时装置相同淡水产量下所消耗的热水量和原料海水量少，此种回热器布置方式有助于提升海水淡化装置的整体性能。

4)回热器设置的台数需要综合考虑设备投资、运行能耗等。