多级闪蒸原理及过程参数的分析王世昌

蒸馏法多级闪蒸原理及过程参数的分析王世昌(天津大学)在海水淡化技术中,发展厉史最久、技术最成熟、规模最大的是蒸馏法。而蒸馏法中又以多级闪蒸应用得最J一泛,并形成了城市以至国家或地区供水能力的规模,为目前各国建立大型海水淡化厂时所选择的主要技术〔`,2。〕。共他的蒸馏方法也在迅速发展之中。多级闪蒸法不仅用于海水淡化,而且也广泛用于热电厂和化工、炼油厂等锅炉的供水,以及工业废水与矿井苦咸水的处理〔“〕、工业废碱的回J}交等。多级闪蒸是多级闪急蒸馏法的简称。闪急蒸馏是将原料海水加热到一定温度后,引入一个蒸发室,室内的压力被控制低干热海水温度所对应的饱和蒸汽压。热海水进入后,一部分淡水吸收其多余的这份热量作为气化潜热而迅速蒸发,从而使热海水自身的温度降低。而蒸汽冷凝后郎为所需的淡水。多级闪蒸就是以此原理为基础,使海水侬次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室,逐级蒸发,逐级降温,直到末级的最低盐水温度。海水淡化多级闪蒸装置及其流程示于图1。主要设备有盐水加热器、多级闪蒸装置热回收段、排热段、海水前处理装置,排不凝气装置、盐水循环泵和进出水泵等。前前处理理!!!(脚111!!!!!}l!!!...’二二二二二二二二卜=====川川卜卜===========二=====================22222222222222222222222222222一一一,,,,...门门准准准、广广卜尸尸、下下卜一一丫尸尸尸卜尸尸卜广广广第第,级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级级}}}}}222333闪闪}}}III..........循循lll求级级曰目`......}}}}}}}}}}薰薰薰薰薰环环环}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}皇皇皇皇皇益益益益水水水水水水水水水水水水.....................司.加加加加rrr一飞石菠尸...产产、「__...图1多级闪蒸流程—1—DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.1979.01.003一、多级闪蒸过程义的蒸发系数仍然适用。反过来我们又定义“循环比”为(3)些呱一一1一乒一一1.蒸发系数、循环比和浓缩比在微小的温差(占:)下发生闪蒸时,可将盐水的比热、潜热和盐水量视为常数。故有SOZU己-一下,ZYIrdt七(l)而对于某一个较小的温差范围,则为S`性d~-乙`理r又“一`2)气ia)式中,Md—闪蒸所得淡水量(公斤/小时),dM。表示微小的淡水产量S一盐水此热(千卡/公斤·。C)I,—气化潜热(千卡/公斤)Mr—盐水流量(后面表示盐水循环量)(公斤/小时)亡:—闪蒸前盐水温度(。C)亡2—闪蒸后盐水温度(。c)由于L和S都是常数,因而淡水蒸出量决定于盐水量Mr和温度差(云1一tZ)。实际生产中.为了提高淡水产量,都尽可能地增加总的蒸发温差和提高盐水流量。从总的意义上讲,这就构成了多级闪蒸过程和装置发展的两条主耍线索。扩大蒸发温度范围,实际上是提高盐水温度,从而给防垢和防腐带来难题;在一定设备条件下提高盐水流量,除了涉及到腐蚀问题外,主要涉及到应用流体力学,设备几何学以及发展高效能大功率设备等问题。根据(la)式得S(tl一云2)L(2)循环比a,就是盐水循环量与淡水总产量之比.循环比间接地反映了一个装置的热效率。对于一定的淡水产量,循环比与总的蒸发温差有关。总温差大,则要求的循环盐水量小,循坏此就小,装置的热效率高;反之,则耍求较大的盐水循环量,装置的热效率低。这与汽轮机作功的道理是相似的。对于磷酸盐防垢的淡化装置,最高蒸发温度仅为90OC左右。循环比达到n一13:对于酸法防垢或使用高温防垢剂的淡化装置,最高盐水温度为120OC左右,则循环比可降为6一8,甚至更低。“盐水浓缩此”,是指闪蒸装置末级盐水浓度(TDS)一与补给海水浓度之此。由于硫酸钙结晶(垢)曲线的限制,末级盐水浓缩比一般都不超过2.。。需要说明,浓缩比不超过2.0是对标准海水浓度而说的,而标准海水浓度定为3.4483%(重量)〔峨’。对于某些河口海湾,海水浓度常年低于此值,如以该处海水浓度为基准设计浓缩比,自然可以适当提高,但耍小心;反之,对于波斯湾那样的半内陆海湾,海水浓度远高于标准值(接近5%),以该海域浓度为基准计算时,末级盐水的浓缩比常需低于2.。。2.温度变化与热盆平衡图2示出多级闪蒸装置的流程及各部位的温度变化情况。设全装置共有n级,其中排热段为j级,则热回收段为(n一j)级。温度为云。的冷却海水从末级进入冷凝器管内,温度逐渐升高到幻而被排出。图中所示的补给水,在前处理过程中,又稍有加热,使温度从幻提高到ft(但一般变化不大),再与循环盐水混合。从加热器出来的盐水,其温度为t。,经过n级闪蒸后,到末级(第n级)温度降至亡。。在第n级一部分浓盐水排出,大部分与补给海水混一一蝎一叭一一O曰f月为淡水产量与盐水流量之比,我们把它定义为“蒸发系数”或“蒸发分数”。这个概念是根据温差值很小的假定得出的。对于一个实际装置,虽然总的蒸发温度差达到50一90“C,但因盐水循环量比淡水产量大得多,且盐水增浓倍数不大,故(2)式所定一2—吟吟吟哈哈,合合叼八八L刘刘.习卜卜内八八、卜卜卜.沪...习、、吟吟附附附附附附门门门门门门门门门七七:::t111士33333333333七一手手手,......t。_,,侃侃卜卜.....!..叫叫卜~叫叫卜`叫叫卜.叫叫lee叫叫卜.叫叫卜.`叫叫叫卜.叫叫卜.叫叫l`宙lll---一-一一--一二知知如如n抽』候乙乙拼拼徽仪耳耳(矛幻图2多级闪蒸流程及温度变化合后循环。循环盐水在热回收段管内被加热,温度逐渐上升,再经加热器使温度提高至七。。全装置的热量平衡关系如下:输入热量:(1)加热器净输入的热量(郎加热蒸汽总的潜热值),H(2)冷却海水带入的热量,M。S。亡。(不计补给海水的补充加热,幻、云f)输出热量:(l)冷却海水排出的热量,(Me一Mf)S。tr(2)淡水带出的热量,MdS时d(3)浓盐水带出的热量,M。S。亡。,(不计散热损失)故得H~(M。一肥r)S。右r十Masd云d+Mosot。一MoS。t。(4)另一方面,热量H是从加热器输入的,因而有H=M,S;(七。一t,)(5)以上各式中,符号脚码:表示循环盐水;c表示冷却海水;d表示产品淡水;b表示浓盐水;f表示补给海水;j表示排热段排出的冷却水。其他符号见图2。3.级间温差和蒸发t设所有的级间温差普相等,则从加热器出口温度t。到末级盐水温度亡。之间,存在着亡。一tl~tl一云2=云。一云n……~云凡_1一云日一对气相来说,显然亦有Tl一TZ~TZ一T3-二Tn_1一Tn-七。一云nn因此第1级的淡水蒸发量应为Mrs,L亡。一亡nn~M,Z(6)式中,Z一s,(t。一云。)/。乙,为第1级蒸发系数。乙—闪蒸装置中水的平均气化潜热。一3一第2级的淡水蒸发量为M:(1一Z)S:(to一云。)_nI,M,(1一Z)Z显然第2级的蒸发系数仍为Z。第1、2级蒸发量之和应为M,Z+M,(1一Z)Z=Mr〔Z+(1一Z)Z〕=Mr〔1一(1一Z)2〕第3级的蒸发量为Mr〔1一Z一(1一Z)Z〕Z则第1、2、3级蒸发量之和应为Mr〔1一(1一Z)3〕依此类推,到第n级,则得总蒸发量M己=Mr〔1一(1一Z)n〕因而M。=M,〔z一(z一Z)”〕、M声4.蒸发比(造水比)习惯上所说的蒸发比(造水比)是指装置总蒸发量(淡水总产量)与加热器所消耗的饱和水蒸汽量之比。但这在技术上不方便。技术上是用热量表示,郎蒸发比R-M己LH(10)如果不计散热损失,在回收段中,冷凝器管内循环盐水每级所升高的温度应等于该级闪蒸室盐水所降低的温度,郎与盐水级间温差相等,在数值上同样等于(云。一云。)n/,于是便有(7)云r一云。+(n一j)亡。一云。n(11)改写MdM,(7)式,则有将(11)式代入(5)式便得1一(1一z)一1一!1-旦三七。一云,兰-nL(8)。一、:sr、。。一。。)(卜宇)。:一、:s,(。。一。。)十(12)根据(2)式的定义,(8)式右端应为总蒸发系数。下面我们将证明这一点。合sr丝。二如2一厅L(9)贝。一挤一!1一灯从(12)式可以看出,当级数与盐水循环量已定时,排热级数目的多少,将直接关系到多级闪蒸装置的热利用率。排热级多,消耗的热量多,热利用率低。将(ga)式、(10)式代入(12)式,则得按幂级数展开式可得从己乙R又因月~则上式变为R~1,,`,、7i二百二开。r、“o一“n’万iMr已一月(ga)S;(亡。一t。)Lz一e一月、召同样按指数函数展开式得Md_。-石下一褚尸艺性r(gb)(13)由此可见(8)、(9)和(gb)式与最初的(2)式所定义的总蒸发系数是一致的。也就是说旦r鱼;`如)、乙1一1一S,(云。一云。)nL1一(1一Z)n这样我们又得到另外一个概念:在多级闪蒸中,当级间温差相等时,蒸发比R大约等于总级数与排热段级数之比〔5〕,而不象多效蒸发那样蒸发比只依赖于总的效数。多级闪蒸的这个特点我们可以这样理解,当级间温差相等时,总级数与排热段级数之比就意味着所有各级冷凝器总回收的热量与排出的热量之比。显而易见,在极限状态下,j二n—4—时,R=1,这就表示所有各级的冷凝热量全部被冷却水带走,没有任何热量的回收利用。因而,对于一定量的加热蒸汽也就只能蒸发出大体等量的淡水,而没有更多的造水效益。5.传热面积传热面积的计算主要包括三个部分:加热器、热回收段和排热段,下面分别讨论。(1)加热器传热面积加热器的壳方为饱和蒸汽,温度T:。管方为循环盐水。盐水进入加热器之前的温度为七,,离开加热器的温度为亡。,盐水循环量为班,。加热器的热负荷H由(10)式决定。加热器的对数平均温差△0:如下热回收段冷凝器的壳方为闪蒸的淡水蒸汽,管方为循环盐水。对任何一级,其热负荷为Mrsr亡。一t几n各级的对数平均温差△or都视为相等,以第1级为例么口r~(t。一亡。)/nl.n星二丝二丝Q二生边业些云。一七rIn_T:二全rT。一to(14)加热器传热面积A,可按下式求得H~K:Ai△入-Md乙R式中,K。—加热器传热系数(千卡/米2·小时·“C)A,—加热器传热面积(米2)单位淡水产量所需传热面积为、旦吐_乙In〔(Ts一云r)/(T:一亡。)〕MaR胶,(to一云,)为了将上式中的云r消去,而直接使用原始工艺参数来计算传热面积,故采取如下变换:T:一云,一(Ts一亡。)十(亡。一t,)引入(5)式和(ga)式,代换仕。一忿,),经整理后得Tz一云,在这里需要讨论一下淡水的蒸汽温度T,与该级蒸发室中盐水的实际温度tl之间的关系。从理论上讲,在一定压力下,纯水在液层很薄的蒸发皿中沸腾时,气相温度与液相温度是相等的。但在实际的闪蒸器中情况就有所不同。这里冷凝管束中的蒸汽冷凝温度Tl与同级盐水平均温度云,是不相等的,云1夕Tl。二者的差别是由于盐水的沸点升高、盐水深度的静压和蒸汽进入冷凝室的阻力损失等所造成的。这些影响总称为温差损失,以△t。表示。故TI一tl一△te又因七l`七。一亡。一云nn故tl一t:~t。一(t。一t。)/n一t:将(l功式代入上式右端,代换忿,,则t]一tr=(云。一云n)因而得回收段对数平均温差j一1(云。一云。)/nA:对`S,InL(1一e一户)l坛浓(Ts几。)lK*(1一e-(15)(,。一,。,音一△,。(。。一。。)(导)一△,。(16)上式中,S,,毛和e都是常数,蒸发比R和总蒸发系数口,以及Ts,t。等都是原始工艺条件,传热系数K*或经验确定,或由经验初定后再经复算确定。(2)热回收段传热面积热回收段传热面是整个装置最大的传热面,这可在很大程度上影响装置的投资大小。热回收段中每一级的热负荷Mrs云。一七八nMd乙n则MdL/n一K,Ar:△e,式中,Kr—热回收段的传热系数(千卡/米“·—5—小时·“C)Ar,—热回收段中一级的传热面积(米2)故Arl~M己LnK,△口,整个热回收段共有(n一j)