低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的工藝模擬與分析

1、第40卷󰀁第3期2011年5月鹽業(yè)與化工JournalofSaltandChemicalIndustry37低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的工藝模擬與分析郝冬青,沙作良,王彥飛,舒󰀁暢,曾向東,趙曉昱,熊󰀁粲(天津科技大學(xué)天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津󰀁300457)󰀁󰀁摘󰀁要:󰀁應(yīng)用流程模擬軟件AspenPlus建立低溫多效海水淡化裝置模型,并用法國(guó)SIDEM公司4效低溫多效海水淡化裝置進(jìn)行可信性驗(yàn)證。模擬北疆電廠海水淡化裝置,進(jìn)行不同工藝流程的模擬計(jì)算。關(guān)鍵詞:&

2、#983041;低溫多效蒸發(fā);AspenPlus;模擬計(jì)算中圖分類號(hào):P747󰀁文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A󰀁文章編號(hào):1673-6850(2011)03-0037-03EstablishLT-MEDSimulationSystemwithAspenPlusHAODongqing,SHAZuoliang,WANGYanfe,iSHUChang,ZENGXiangdong,ZHAOXiaoyu,XIONGCan(TianjinKeyLaboratoryofMarineResourcesandChemistry,TianjinUniversityofScience&Tec

3、hnology,Tianjin300457,China)Abstract:󰀁SimulationmodelsofLT-MEDunitisbuiltwithAspenPlussoftware,andthefour-effectLT-MEDbySIDEMcorporationisaneffectiveapproachforevaluatingdependability.SimulationoftheseawaterdesalinationunitofBeijiangpowerplantisperformedtocalculateindi-fferentprocess.Keyword

4、s:󰀁LT-MED;aspenplus;simulationcalculation󰀁󰀁隨著世界的發(fā)展,淡水資源的匱乏日趨嚴(yán)重,發(fā)展海水淡化技術(shù),向相對(duì)無(wú)限的大海要淡水已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)的共識(shí)。在眾多海水淡化技術(shù)中,低溫多效海水淡化以其易實(shí)現(xiàn)大型化、運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn),成為海水淡化的主要研究方向1過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)學(xué)模型求解,得到該過(guò)程的全部信息,如過(guò)程內(nèi)各物流的組成、狀態(tài)及3各單元設(shè)備的狀態(tài)變量等。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用AspenPlus軟件,建立低溫多效海水淡化系統(tǒng)的模型,并使用實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可信性。應(yīng)用所建立的模型,對(duì)天津北疆

5、電廠海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行不同工藝流程的模擬計(jì)算。1󰀁利用AspenPlus軟件建立模型海洋因其開(kāi)放性,導(dǎo)致其組成是非常復(fù)雜的,但在海水淡化工程中,海水利用前都會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)處理,去除了大部分的成分,所以在模擬過(guò)程中對(duì)海水的組分采取了一定的簡(jiǎn)化,僅考慮最為重要的兩種組分:水(H2O)和氯化鈉(NaCl)。模型以法國(guó)SIDEM公司的典型4效裝置為基礎(chǔ),進(jìn)料海水的氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%。物性方法的選擇是流程模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度的關(guān)鍵,選擇接近的物性方法將提高模擬結(jié)果的精。所謂的低溫多效海水淡化技術(shù)是使用真空技術(shù)降低海水和濃縮海水的沸點(diǎn),并多次利用蒸汽,降低能量消耗的一項(xiàng)海水淡化技術(shù)。

6、一般來(lái)講,濃鹽水的最高蒸發(fā)溫度(TBT)低于70󰀁。其特征是將一系列的蒸發(fā)器串聯(lián)起來(lái),一定量的低溫蒸汽(一般為65󰀁75󰀁)進(jìn)入首效蒸發(fā)器作為熱源與海水進(jìn)行換熱后冷凝,而作為冷源的海水則蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽,作為下一效的熱源,并在下次換熱后冷凝為2淡水,如此逐效多次蒸發(fā)和冷凝。流程模擬軟件AspenPlus,是美國(guó)AspenTech公司開(kāi)發(fā)的大型通用流程模擬系統(tǒng),該軟件通過(guò)建立或者應(yīng)用已經(jīng)建立的能足夠準(zhǔn)確的描述整個(gè)工藝收稿日期:2010-10-25),38鹽業(yè)與化工第40卷 第3期2011年5月確度。模型采用的海水體系(H2O+NaCl)屬于典型的電

7、解質(zhì)溶液,根據(jù)AspenPlus10.0用戶指南和物性數(shù)據(jù),選取ELECNRTL物性方法。AspenPlus軟件對(duì)工藝流程模擬的基礎(chǔ)為其齊全的單元操作模型。對(duì)于低溫多效海水淡化工藝流程而言,主要需要模擬換熱和蒸發(fā)裝置,基礎(chǔ)的依據(jù)為熱量和物料平衡。在模擬中采用Heater,Flash2和Mixer的不同組合模擬淡化工藝中的蒸發(fā)器,閃蒸器等操作單元。建立的模型如圖1所示。運(yùn)行AspenPlus模型,對(duì)流程進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果與SIDEM公司所示數(shù)據(jù)對(duì)比與分析見(jiàn)表2和圖3。表2 SIDEM公司海水淡化裝置主要參數(shù)與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比實(shí)際數(shù)值出口濃鹽水效數(shù)淡水累積排放量/量/(t h-1)(t h-1)1

8、234.202473.5109.83714.7213.94953.9316.1冷凝器360.9模擬計(jì)算值出口濃鹽水淡水累積排放量/量/(t h-1)(t h-1)224.40469.6119.6731.8218.41006300.3369.1圖3 各效蒸發(fā)器淡水累積量的實(shí)際值與模擬結(jié)果的比較圖1 低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置模擬模型SIDEM公司給出的系統(tǒng)實(shí)際數(shù)值是設(shè)備多次運(yùn)行后的平均值,實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)會(huì)有一定的波動(dòng)。從表2和圖3看出,通過(guò)模擬計(jì)算所得的出口濃鹽水排放量和淡水累積量與所給實(shí)際數(shù)值基本一致,可以認(rèn)為采用AspenPlus軟件建立的低溫多效海水淡化模型是可信的。3 應(yīng)用AspenPlu

9、s軟件對(duì)天津北疆電廠海水淡化裝置進(jìn)行模擬天津北疆電廠作為國(guó)家第一批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn),與漢沽鹽場(chǎng)合作,采用 火力發(fā)電-海水淡化-濃海水化學(xué)資源利用-土地節(jié)約整理-廢物資源化再利用循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目模式 ,將形成一條循環(huán)的產(chǎn)業(yè)鏈。該工藝的綜合利用特性決定了海水淡化工藝流程的入口、出口條件必然有一定的限制,此產(chǎn)業(yè)鏈中為滿足濃海水化學(xué)資源利用一般要求淡化出口的海水濃度在6%左右。另外,海水淡化伴隨火力發(fā)電時(shí),電力充足,而用于淡化工藝入口加熱蒸汽的乏汽則相對(duì)匱乏,所以采用何種工藝流程可以在消耗最451.85.1931.233.861100.9105.9953.9316.12 模型的驗(yàn)證法國(guó)SIDEM公司是全球著名

10、的海水淡化公司,以SIDEM典型的4效裝置為例進(jìn)行驗(yàn)證。SIDEM公司4效裝置流程圖如圖2所示,各效主要參數(shù)如表1所示4。圖2 SIDEM公司4效海水淡化裝置圖表1 SIDEM公司4效海水淡化裝置主要參數(shù)項(xiàng)目鹽水頂值溫度/出口濃鹽水濃度/%淡水閃蒸量/(t h-1)濃鹽水閃蒸量/(t h-1)從鹽水中蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽量/(t h-1)進(jìn)入下一效的加熱蒸汽量/(t h-1)出口濃鹽水排放量/(t h-1)淡水累積量/(t h-1)161.65.28900109.8109.8234.202358.355.15.2315.19900.6341.2732.567103.4100.2104.7103.44

11、73.5714.7109.8213.9小量乏汽的情況下就達(dá)到出口要求成為研究重點(diǎn)。為了得到最優(yōu)化的工藝流程,運(yùn)用AspenPlus軟件對(duì)淡化工藝的多種不同流程進(jìn)行模擬,并通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的比較和分析得出適合的工藝流程。3.1 14效簡(jiǎn)單無(wú)回流串聯(lián)蒸發(fā)裝置的模擬如前所述,選取Heater和Flash2模塊的不同組郝冬青等:低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的工藝模擬與分析39采用此方式對(duì)14效簡(jiǎn)單的無(wú)回流串聯(lián)蒸發(fā)裝置進(jìn)行模擬,從電廠得到的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3所示。表3 模擬的主要參數(shù)項(xiàng)目加熱蒸汽壓力/kPa進(jìn)料海水溫度/ 進(jìn)料海水濃度/%末效排出海水濃度/%進(jìn)料海水量/(t h-1)末效排出海水溫度/ 鹽水的

12、頂值溫度/30-6692036166664067造水比就逐漸增大,由9.25增大到12.85,提高約40.0%。相對(duì)的單位蒸餾產(chǎn)物熱消耗從146.72kJ/kg降低到105.59kJ/kg,能量節(jié)約約28.0%。鹽水頂值溫度的限定和設(shè)備承受壓力的能力等因素決定一效加熱蒸汽的壓強(qiáng)為30kPa。系統(tǒng)對(duì)出口海水質(zhì)量濃度的要求為6%左右,應(yīng)用AspenPlus軟件的靈敏度分析功能,當(dāng)加熱蒸汽量為1097t/h時(shí),最后的淡水累積量為8896.381t/h,出口鹽水濃度約為6.43%,基本滿足出口條件。此時(shí)的造水比僅為8.11。3.2 引射點(diǎn)不同位置的模擬水電聯(lián)產(chǎn)除了乏汽的相對(duì)匱乏外,乏汽的高壓也決定了其

13、不可直接用于低溫多效海水淡化的加熱蒸汽,為此,往往采取設(shè)置引射點(diǎn)利用噴射器等裝置將某效的二次蒸汽引回與乏汽 混合 后調(diào)至適合蒸汽壓強(qiáng),再將該氣體作為一效的加熱蒸汽。電廠乏汽高壓為669kPa,引射點(diǎn)處的回流比取0.5,當(dāng)蒸汽噴射器引射點(diǎn)從第4效依次變化到第12效時(shí),所需乏汽量(加熱蒸汽量)、造水比和單位蒸餾產(chǎn)物熱消耗隨引射點(diǎn)效數(shù)依次變化,如圖4,圖5和圖6。圖6 單位蒸餾產(chǎn)物熱消耗隨引射點(diǎn)效數(shù)變化曲線圖5 造水比隨引射點(diǎn)效數(shù)變化曲線4 結(jié)論1)選取AspenPlus軟件的Heater,Flash2和Mixer模塊模擬法國(guó)SIDEM公司4效海水淡化裝置,模擬計(jì)算的結(jié)果與所給的實(shí)際數(shù)值基本一致,說(shuō)

14、明通過(guò)此軟件建立的模型具有可信性。2)采用此軟件模擬北疆電廠循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目中的海水淡化部分裝置。限定出口濃鹽水質(zhì)量濃度,模擬簡(jiǎn)單的無(wú)回流和帶有回流并且回流位置變化的不同工藝流程,得到不同情況下加熱蒸汽的需要量,以及造水比的變化。二次蒸汽回流可減少系統(tǒng)加熱蒸汽的需要量,緩解水電聯(lián)產(chǎn)乏汽的相對(duì)匱乏。3)回流引射位置的后移逐漸減少加熱蒸汽需要量,增大造水比。但同時(shí)也必然增加了設(shè)備的投資和外界能量的需求,因此,最佳引射點(diǎn)位置的確定還需要考慮到設(shè)備投資等因素。4)AspenPlus軟件用于海水淡化系統(tǒng)模擬能夠提供不同流程下的參考計(jì)算結(jié)果,具有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1陳俠,陳麗芳.淺談我國(guó)濃海水化學(xué)資源的綜合利用J.鹽業(yè)與化工,2008,37(5):47-50.2劉曉華,沈勝?gòu)?qiáng),KlausGenthner,等.多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)模擬計(jì)算與優(yōu)化J.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2005,18(4):19-20.3樊艷良.用AspenPlus對(duì)反應(yīng)精餾的模擬計(jì)算J.上?；?2007,32(5):14-19.4柴曉