基于低温蒸馏_喷雾蒸发集成工艺的海水淡化_侯经纬

第38卷第8期2010年8月化 学 工 程C H E M IC A L ENG I N EER I NG (CH I NA )V o.l 38N o .8A ug .2010基金项目:国家/十一五0科技支撑计划项目(2006BAB03A04);山东省科技攻关项目(2007GG10005001)作者简介:侯经纬(1985)),男,硕士研究生,主要从事海水淡化与综合利用研究;成怀刚(1978)),男,博士,通讯联系人,E -ma i :lchenghg @ou c 。

基于低温蒸馏-喷雾蒸发集成工艺的海水淡化侯经纬,成怀刚,伍联营,高从堦(中国海洋大学化学化工学院,山东青岛 266100)摘要:考察了利用低温蒸馏-喷雾蒸发集成工艺进行海水深度淡化的可行性,使用喷雾蒸发技术深度浓缩蒸馏淡化过程排出的浓盐水,并将余热用于驱动蒸馏过程。

考察了蒸馏柱进液量、浓盐水喷雾量、加热空气温度及流速对淡水产量的影响。

结果表明,较高的加热空气温度有利于淡水产量的提高,而为获得较高的淡水产量,加热空气流速、浓盐水喷雾量以及蒸馏柱进液量则应控制在一定的范围之内,即10)15m 3/h ,0.4)0.6kg /h 和0.8)1kg /h 。

对于该集成装置,蒸馏柱淡水产量、总淡水产量及淡水产量与输入淡化系统的蒸汽当量之比(造水比)分别可达5kg /(h #m 2),1kg /h 及1.2,回收率可以达到70%以上。

关键词:海水淡化;喷雾蒸发;回收率;热效率中图分类号:P 747 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2010)08-0094-04Seawater desali nation based on low te mperaturedistillation and s pray evaporationHOU Ji n g -w e,i CHENG Hua-i gang ,W U L ian -ying ,GAO Cong -jie (Co llege o fChe m istry and Che m ical Eng i n eering ,O cean Un iversity of Ch i n a ,Q ingdao 266100,Shandong Pr ov i n ce ,China)Abst ract :The feasibility of sea w ater deep desa li n ation by the i n tegrated process of lo w te m perat u re distillation and spray evaporati o n w as exa m i n ed .I n the pr ocess the d istillation brine w as furt h er concentrated by using sprayevaporation and the w aste heatw as used to drive the d istillation .The effects o f feed rate of distillate column,brinespray rate ,te m perature and flo w rate o f heati n g a ir on the fresh w ater y ield w ere exa m i n ed .The resu lt show s that higher heating air te m perature is good for raisi n g fresh w ater y i e l d .To obtain h i g her fresh w ater yie l d ,higher heati n g a ir te m perature and su itab le operati n g ranges for fl o w rate o f heati n g air ,brine spray rate and feed rate o fdistillate co l u m n are required as 10-15m 3/h ,0.4-0.6kg /h and 0.8-1kg /h ,respectively .For t h e w ho le process ,co l u m n fresh w ater producti v ity ,gross fresh w ater producti o n ,ga i n ed output ratio (GOR )w hich is the ratio of gross fresh w ater productivity to stea m equ i v a lence enteri n g desa li n ation syste m,and recovery rate can reach5kg /(h #m 2),1kg /h, 1.2and 70%respecti v e l y .K ey w ords :sea w ater desali n ation ;spray evaporation ;recovery rate ;t h er m a l efficiency 海水淡化是缓解世界缺水问题的重要手段。

然而随着能源及环境压力的加大,海水淡化产业对降低能耗和减少浓水排放的要求也在逐步提高。

开发一种可以利用废弃能源或可再生能源,并且具有高回收率、浓缩率的海水淡化技术就显得极具吸引力。

喷雾蒸发技术浓缩率很高,非常适用于高浓溶液的浓缩,因此近年来有研究者提出可将喷雾技术用于海水淡化所排放浓盐水的深度处理,并进一步提高海水淡化过程的回收率[1-5]。

这是一种将喷雾技术用于海水淡化的新尝试[6],是基于低温相转换过程的淡化方法。

其原理是将浓盐水雾化,并在热空气中迅速蒸发,所产生的水蒸气再被冷凝成淡水予以回收。

但因喷雾尾气温度较低,因此其余热往往难以实现直接回用,致使过程热损失较大,能耗较高。

本文目的是研究将海水蒸馏淡化工艺和浓盐水喷雾蒸发工艺进行集成并用于海水深度淡化的可行性,利用喷雾方法处理蒸馏浓盐水,其尾气余热则用于驱动低温蒸馏淡化装置。

主要考察操作参数对集成淡化过程淡水产量、热效率以及回收率的影响规律,为新型海水深度淡化技术的研究提供参考。

1 实验1.1 工艺流程与装置实验设备主要包括喷雾系统、蒸馏柱和冷凝柱3部分,流程如图1所示。

图1 低温蒸馏-喷雾蒸发实验流程Fig .1 E xperi m ental p rocess of l o w t e m perat u red i still ati on-spray evaporation实验使用竖管降膜式蒸馏柱,总换热面积约9.42@10-2m 2,盐水在管程流动,加热气体在壳程流动。

管内的盐水在负压下沸腾,产生的二次蒸汽进入换热柱冷凝为淡水。

剩余浓盐水由底部离开蒸馏柱,经浓盐水罐进入喷雾系统,并在其中进一步浓缩为固体盐。

经过固气分离后,热的蒸汽-空气混合气作为加热气体进入蒸馏柱,同时水蒸气冷凝为淡水。

由此实现了低温蒸馏与喷雾蒸发的物质、能量耦合。

1.2 数据采集及考察对象温度采集使用Pt100热电偶,盐水进料量和淡水产量使用电子天平监测。

蒸馏柱使用德国I L MVAC 公司M PC201E 隔膜计量泵抽真空,压力为0.005MPa 。

实验装置启动后,以10m in 为间隔重复采集数据,直至设备稳定运行1h 后,采集最终的数据。

实验考察了蒸馏柱进液量M (kg /h)、浓盐水喷雾量S (kg/h)、加热空气温度t (e )及体积流量q V (m 3/h)对总淡水产量、蒸馏柱淡水产量、热效率以及回收率的影响。

其中蒸馏柱淡水产量P c [kg /(h #m 2)]由单位时间单位换热面积的淡水产量表示,总淡水产量P (kg /h)用单位时间淡水产量表示。

热效率使用造水比(GOR)表示,即淡水产量与输入淡化系统的蒸汽当量之比,其中蒸汽当量由与加热气体热焓量等同的100e 蒸汽换算得出。

回收率R (%)为淡水产量与盐水总进料量之比。

2 结果与讨论2.1 加热空气流量与温度的影响改变喷雾加热空气流量对淡水产量影响如图2所示。

图2 淡水产量随加热空气流速的变化Fi g .2 H eati ng ai r flo w rate vs f resh water yi eld随着加热空气流速提高,淡水产量首先上升,而后逐步下降。

水蒸气-空气混合气体在蒸馏柱内的冷凝过程中,不凝的空气会在气液界面上聚集,由此可降低局部水蒸气的饱和蒸汽压,增大了传热阻力,干扰了冷凝传热过程,最终阻碍淡水的制得[7-10]。

随着加热空气流量的提高,气体在蒸馏柱内的湍动程度得以强化,使得传热阻力有降低趋势,淡水产量增加;但增大加热空气流量的同时也增加了混合气体中的空气质量分数,使得传热阻力又呈现出增加的趋势,进而降低淡水产量。

二者的相互作用使加热空气流量存在一个适宜的操作区间。

从图中可看出,这个区间约为10)15m 3/h,此时总淡水产量可达1kg /h ,蒸馏柱淡水产量为5kg /(h #m 2)。

改变加热空气温度对集成设备淡水产量也有显著影响。

如图3所示,在提高加热空气温度的同时,更多的热量通过换热壁传导给盐水,淡水产量随之升高。

#95#侯经纬等 基于低温蒸馏-喷雾蒸发集成工艺的海水淡化图3 淡水产量随加热空气温度的变化F i g .3 H eati ng air t e m perat u re vs fres h w at er yiel d2.2 浓盐水喷雾量的影响由图4可知,浓盐水喷雾量对淡水产量的影响也符合一种峰形趋势。

增加喷雾量对淡水产量有二方面影响,一方面增加了喷雾尾气中水蒸气的质量分数,进而提高了喷雾尾气在蒸馏柱的冷凝换热能力,这有助于淡水产量的增加;另一方面,雾滴蒸发时需从周围加热空气中吸取显热,导致排出喷雾器的尾气温度下降,这将使得蒸馏柱管程-壳程的有效传热温差降低,弱化了蒸馏柱产水能力。

为获得较高的淡水产量,浓盐水喷雾量宜控制在0.4)0.6kg /h,此时蒸馏柱淡水产量可达到3.5kg /(h #m 2)。

图4 淡水产量随喷雾处理量的变化F i g .4 Sp ray vol um e vs fres h w ater yiel d2.3 蒸馏柱进液量的影响从图5可以看到,随着蒸馏柱进液量增加,淡水产量呈现出了一个峰值。

蒸馏柱进液量增加有二方面影响,一方面进液量增加意味着气化的二次蒸汽也可能呈现出增多的趋势,进而增加二次蒸汽在冷凝柱中冷凝出的淡水量;同时提高进液量也意味着更多冷盐水进入蒸馏柱,这将降低盐水温度,使气化程度减弱,二次蒸汽又有减少的趋势。