多效板式海水淡化技術(shù)的研發(fā)

多效板式海水淡化技術(shù)的研發(fā)

剩余的78%是海洋。因此，船舶運(yùn)輸是人類社會(huì)發(fā)展的重要支柱。海洋航行所需的淡水制造設(shè)備（如海水淡化設(shè)備）是海洋航行和運(yùn)營(yíng)所需的工具。目前,中國(guó)市場(chǎng)上90%以上的船用造水機(jī)是進(jìn)口產(chǎn)品,其中阿法拉伐公司的產(chǎn)品占了絕大部分份額,其余部分則是丹麥APV公司及日本Sasakura公司的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)船用造水機(jī)的廠家主要是南京綠洲機(jī)器廠,其產(chǎn)品是引進(jìn)丹麥阿特拉斯公司技術(shù)許可證生產(chǎn)的管殼蒸餾式造水機(jī),但由于管殼蒸餾式產(chǎn)品在技術(shù)上不如阿法拉伐的板式造水機(jī),裝船量并不大。因此,研發(fā)一種技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異、操作方便且成本低廉的國(guó)有品牌海水淡化裝置是非常有必要的。在研究了國(guó)內(nèi)外各類船用海水淡化裝置的基礎(chǔ)上,文中提出了一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)缸套冷卻水余熱(簡(jiǎn)稱余熱水)提供熱源,通過板式升膜蒸發(fā)制取淡水的新工藝,此工藝具有成本低、能耗少、效率高及淡化水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)。1蒸發(fā)法制取海水海水淡化是將海水中的鹽分和雜質(zhì)除去后達(dá)到可以飲用和生活用水、工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)過程。蒸餾法制取海水是將海水加熱后使之蒸發(fā)汽化,利用鹽分幾乎不溶于低壓蒸汽這一性質(zhì),將鹽分和水分離,然后將產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝成水,形成符合生活及工業(yè)應(yīng)用的不含鹽分或含鹽分極少的淡水。到目前為止,蒸餾法制取海水仍然是船舶海水淡化最主要的技術(shù)。1.1蒸發(fā)溫度對(duì)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響海水中的鹽類主要包括氯化鈉、氯化鎂、硫酸鎂、硫酸鈣、硫酸鉀及碳酸鈣等,其中氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占77.7%,氯化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占10.9%。這些鹽類在水中的溶解度隨著溫度的升高而降低,其中以硫酸鈣鹽類最為典型。當(dāng)蒸發(fā)溫度較高時(shí),海水的鹽類很快在蒸發(fā)表面形成垢層,使熱阻大為增加并腐蝕到金屬表面。低溫海水蒸發(fā)是指海水在第一效的最高蒸發(fā)溫度(鹽水頂溫)不高于70℃,由此,蒸發(fā)表面鹽類結(jié)晶的速率將大為降低,顯著減少海水結(jié)垢量,從而解決以往多效海水蒸發(fā)時(shí)易結(jié)垢之難題。1.2多效板式海水淡化系統(tǒng)為了節(jié)省能量消耗和提高裝置的產(chǎn)水比,海水淡化裝置需要采用多效蒸發(fā)造水(將2個(gè)以上的單級(jí)裝置串聯(lián)起來)。在多效蒸發(fā)中,第一級(jí)蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽可以作為壓力較低的第二級(jí)蒸發(fā)器的熱源。多效板式海水淡化裝置一般可多達(dá)五至六效。對(duì)于艦船用蒸發(fā)裝置,過多的蒸發(fā)效數(shù)會(huì)增加控制的復(fù)雜度,降低工作可靠性,且低溫蒸發(fā)難以實(shí)現(xiàn)。而效數(shù)過少則影響產(chǎn)水量,熱量利用不合理。為此,本次設(shè)計(jì)采用了二效蒸發(fā)(2個(gè)單效蒸發(fā)裝置串聯(lián)起來),余熱水作為一效蒸發(fā)器的熱源,利用此余熱與一效海水熱交換進(jìn)行一效蒸發(fā),一效蒸發(fā)后的二次蒸汽則作為二效蒸發(fā)器的熱源。2冷凝水出水口配置船舶余熱用于海水淡化的工藝流程圖見圖1。假設(shè)海水平均溫度為20℃。從海中抽取海水至冷凝器,二效蒸發(fā)器蒸發(fā)出的蒸汽被冷凝,冷凝器中的海水經(jīng)過熱交換后溫度上升至30℃,其中約85%被排出船外,15%送入一效蒸發(fā)器,作為待蒸發(fā)海水。在一效蒸發(fā)器中,海水與發(fā)動(dòng)機(jī)缸套冷卻水進(jìn)行熱交換后升至67℃,進(jìn)行一效升膜蒸發(fā),蒸發(fā)后的海水溫度降低,流至二效蒸發(fā)器,進(jìn)行二效升膜蒸發(fā),蒸發(fā)后的剩余的海水排出船外。一效蒸發(fā)器中的海水被加熱至沸騰后流至一效分離室進(jìn)行汽水分離,產(chǎn)生的壓力較低蒸汽作為二效蒸發(fā)器的熱源,在二效蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換后冷凝成水,二效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)冷凝器后也被冷凝為水。收集二效蒸發(fā)器和冷凝器中所產(chǎn)生的冷凝水即為純凈水,用鹽度計(jì)檢測(cè)合格后即可使用(鹽度小于7×10-6)。常壓下水的沸點(diǎn)為100℃,一、二效蒸發(fā)時(shí)溫度遠(yuǎn)低于此值。要在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)蒸發(fā),就需要降低一、二效蒸發(fā)室壓力,為此,在冷凝水出水口配置了真空泵,且連通一、二效分離室。只要保持分離室壓力低于此溫度時(shí)物料的沸點(diǎn)壓力,則系統(tǒng)即可連續(xù)蒸發(fā)制造淡水。3蒸發(fā)設(shè)備綜合利用率根據(jù)單效蒸發(fā)器熱量平衡與質(zhì)量平衡分析,有qmz1/qmf1=0.91(1kg蒸汽可以蒸出0.91kg的淡水)。如果將蒸發(fā)出的二次蒸汽通往第二個(gè)蒸發(fā)室的加熱室作為熱源用,那么同樣1kg的蒸汽又可以蒸出0.91kg的淡水,故二效蒸發(fā)比單效蒸發(fā)熱量利用程度高。由于溶液有沸點(diǎn)升高現(xiàn)象,管線有流動(dòng)阻力損失,故1kg的新鮮蒸汽通過雙效蒸發(fā)并不能蒸出1.82kg的淡水,而是比此值要小。本例計(jì)算中各效加熱蒸汽均為飽和蒸氣,對(duì)于蒸發(fā)器及冷凝器均采用逆流換熱,各效設(shè)備利用率為98%。已知t1=30℃,w0=3.2%,w2=6.4%,ty=70℃。需要計(jì)算的參數(shù)有qm、qmz1、qmz2、qmy、Φ1、Φ2、Δt1、Δt2、A1和A2。3.1效蒸發(fā)器海水進(jìn)料量qm1的計(jì)算總蒸發(fā)量及一、二效的物料平衡分別按照下式計(jì)算:qm=qmz1+qmz2=qm(1-w1/w2)(1)qmw0=qmh1w1=qmh2w2(2)其中qmh1=qm?qmz1qmh2=qm?qmh1?qmz1w1=qmgw0qmh1=qmgw0qmg?qmz1w2=qmgw1qmh2=qmgw1qmg?qmh1?qmz1qmh1=qm-qmz1qmh2=qm-qmh1-qmz1w1=qmgw0qmh1=qmgw0qmg-qmz1w2=qmgw1qmh2=qmgw1qmg-qmh1-qmz1根據(jù)以上各式及相關(guān)條件,計(jì)算出一效蒸發(fā)器需海水量qmh1=4167kg/h,二效蒸發(fā)器海水進(jìn)料量為qmh2=3125kg/h。3.2計(jì)算條件選取各效溫差分配符合以下關(guān)系式:Δt1Δt2=Φ1K1=Φ2K2(3)Δt1Δt2=Φ1Κ1=Φ2Κ2(3)將已知條件代入上式,可計(jì)算出Δt1≈113℃,Δt2≈11℃。3.3相關(guān)融合信息的計(jì)算一、二效傳熱面積分別按照下式計(jì)算:A1=Φ1K1Δt1A2=Φ2K2Δt2(4)A1=Φ1Κ1Δt1A2=Φ2Κ2Δt2(4)代入相關(guān)已知條件計(jì),算出A1=28m2,A1=25m2。3.4qmi計(jì)算圖1余熱水量按下式計(jì)算:qmy=K1A1Δt1γq(5)qmy=Κ1A1Δt1γq(5)式中,γq為水57.5℃汽化潛熱,γq=2287kJ/kg。代入已知條件計(jì)算出qmy=46901g/h。3.5蒸發(fā)器絕對(duì)壓力不同時(shí)點(diǎn)文中所有計(jì)算均未考慮熱量損失,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各效間應(yīng)有3%~4%的熱損失。當(dāng)二效蒸發(fā)器中絕對(duì)壓力低于9.58kPa時(shí),二效開始蒸發(fā);一效蒸發(fā)器絕對(duì)壓力低于22.7kPa時(shí),一效開始蒸發(fā)。要建立必要和穩(wěn)定的真空度,除上述基本條件外,還必須用真空泵不斷抽出冷凝器中所積聚的空氣,才能保證由于低溫凝結(jié)所獲得的真空度不受破壞。4蒸發(fā)效率比較此裝置以70℃余熱水作為熱源用于海水淡化。當(dāng)余熱水溫度升高時(shí),一、二效蒸發(fā)溫度略有提高,但設(shè)備的蒸