低温多效蒸发（共7篇）
低温多效蒸发 篇1
引言
海水淡化的方法多种多样, 其中LT-MED由于预处理要求低、耗能小等优点, 已被广泛应用。作为LT-MED系统的关键设备, 水平管降膜蒸发器的性能直接影响了系统经济性。由于蒸发器内蒸汽处于低温、负压、饱和状态, 流动阻力引起的压降会导致温度变化, 进而影响蒸发器的性能。因此需要对流动阻力进行深入研究, 寻求降低阻力的办法, 力争在阻力最小的情况下达到换热要求。
1 水平管降膜蒸发器
在LT-MED系统中, 水平管降膜蒸发器主要由壳体、换热管束、海水喷嘴、除沫器、蒸汽室、管箱等部分组成 (见图1) 。系统运行时, 海水喷淋到顶排换热管上, 然后以膜状形式逐级滴落到下一水平管。蒸汽在管内冷凝放热, 蒸汽凝结水就是生产出的淡水, 海水受热蒸发产生的蒸汽流经除沫器进入下一效蒸发器作为加热蒸汽。
蒸发器内的流动阻力包括:管内阻力、管束阻力、除沫器阻力、通道内阻力、蒸气室和管箱内的局部阻力等。其中管内阻力、管束阻力和除沫器阻力是主要的流动阻力。
2 管内阻力
蒸汽在管内冷凝时形成了气液两相流动, 会产生相应的压降。如果管内流动阻力过大, 根据饱和蒸汽的性质, 压降损失将导致蒸汽在换热管进口和出口的饱和温度发生很大变化, 凝结过程中的传热温差和传热系数也会发生变化。所以管内流动阻力对蒸发器性能影响很大, 不容忽视。
为了求解简化可以通过折算系数把管内气液两相流动阻力与单相阻力关联, 先求单相阻力然后折算出两相阻力[1]:
式中, (△P) l-管内仅为液相时的压降, Pa;Φ2-两相摩擦因子;fl-摩擦系数;go-换算系数;L-管长, m;D-管外径, m;vl-液体流速, m/h。
可以看出, 蒸汽在管内的流动阻力随着管长、蒸汽密度和流速的增加而增大, 随着管径的增加而减小;由于蒸汽密度、摩擦阻力系数以及马蒂内利参数都受温度的影响, 因此蒸汽温度对管内流动阻力的影响很大。
3 管束阻力
在蒸发器内, 管外海水受热蒸发会产生大量蒸汽, 蒸汽掠过管束时会产生相应的阻力。喷淋海水沿管束在重力作用下下落, 蒸汽流出管束时还要考虑到喷淋海水对其的阻力。管束阻力所造成的压降会引起蒸发温度和凝结温度的改变, 进而影响蒸发器的性能。
目前计算水平管降膜蒸发器内管束流动阻力的典型公式为[2]:
式中, ξ-修正参数;ρ-蒸汽密度, kg/m3;Z-管列数;v-管外蒸汽流速, m/s。
国内学者通过实验方法拟合出蒸汽横掠降膜流动水平管束的阻力公式[3]:
修正系数;液体降膜流动雷诺数Rel=4Γ/μ;蒸汽雷诺数Reg=GD/η。
式中, μ-喷淋水动力黏度, Pa.s;η-蒸汽动力黏度, Pa.s;Г-喷淋密度, kg/m.s;slo, str-纵、横向管间距, m。
可以看出, 管束阻力随着蒸汽密度、流速和管列数的增加而增大, 由于饱和蒸汽密度和动力黏度都直接受温度影响, 因此温度对管束阻力影响很大, 温度升高会使得阻力增加。管束阻力还受管束排列方式和喷淋密度的影响。
4 除沫器阻力
管外蒸发产生的蒸汽中会夹带大量海水液滴, 若不将其除去, 会影响淡水水质。蒸汽携带液滴流经除沫器后, 液滴会被拦截而流回蒸发器底部, 干蒸汽则通过除沫器进入下一效作为加热蒸汽。蒸汽流经除沫器引起的压降将降低凝结温度, 当传热温差很小时, 这种变化所带来的效应就很明显, 因此除沫器阻力对蒸发器性能的影响不可忽视。
蒸发器内蒸汽流经丝网除沫器的流动阻力公式[4]:
丝网除沫器在湿工况下的压降计算式[5]:
式中, ρs-除沫器填充密度, kg/m3;d-丝网直径, m;v-蒸汽流速, m/s;h-丝网除沫器厚度, m;μg-气相动力粘度, Pa.s。
有学者[6]将实验测得的除沫器阻力值同式 (5) 比较, 在蒸汽流速较小时, 实验值与式 (5) 计算值相差较小, 随着蒸汽流速的增加, 差距越来越大。
从式 (4) 、 (5) 可以看出, 除沫器阻力随着蒸汽流速和除沫器填充密度的增加而增大, 随着丝网直径的增大而减小。由于饱和蒸汽的动力粘度随着温度的升高而增大, 所以除沫器阻力随着蒸汽温度的升高而增大。
5 结束语
5.1 管内阻力随着管长、蒸汽流速和密度增加而增大, 随着管径增加而减小。
5.2 管束阻力随着蒸汽温度、流速和管列数增大而增大, 也受管束排列方式和喷淋密度的影响。
5.3 除沫器阻力随着蒸汽流速和温度的升高而增大, 随着丝网直径增大而减小。
蒸汽温度和流速对各段阻力都有影响, 适当降低温度和流速可以减小阻力。但是降低温度和流速又会造成换热效率下降, 因此应在保证换热和降低阻力之间寻求最优值。
摘要：以低温多效海水淡化 (LT-MED) 蒸发器内蒸汽流动阻力为研究对象, 介绍了管内阻力、管束阻力和除沫器阻力, 分析了影响阻力的因素。
关键词：海水淡化,蒸发器,阻力
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多效蒸发器的计算机模拟 篇2
蒸发是将含有不挥发性溶质的溶液在沸腾条件下受热,使部分溶剂气化为蒸汽的单元操作。由于溶剂气化需要大量的潜热,因此蒸发是一个能耗很高的单元操作。多效蒸发是将前一效蒸发器汽化的二次蒸汽通入后一效蒸发器的加热室作为后一效蒸发器的加热蒸汽,多效蒸发充分利用了各效二次蒸汽的汽化潜热,是相对节能的蒸发操作[1]。
由于多效蒸发的模型与算法相当复杂,通过手工进行设计计算的难度较大,在九十年代后随着计算机技术的发展和普及,对多效蒸发的模拟与优化成为研究热点。
目前多效蒸发在污水处理中的研究主要集中在多效蒸发设备本身与为工艺匹配合适的多效蒸发器,如文献[2]研究了炼厂污水对设备的腐蚀与其结垢特性,为工艺设计和设备选型提供依据;文献[3]为高盐废水——水合肼生产废水进行高温多效蒸发;文献[4]设计了一种处理石油工业废水多效蒸发器。文献[5]对污水蒸发器的运行问题进行了解决。进行流程中多效蒸发换热器的设计的很少,现以某丙烯腈生产厂为例,证明多效蒸发的节能效应,在整个流程完成后进行换热器设计。
1蒸发器模型
在Aspen plus中没有蒸发器这个模块,所以用换热器、闪蒸器和分流器组合来模拟蒸发器。单效蒸发器模型如图1所示:
1.1模型参数
1.2工艺流程
将多个蒸发器顺次连接构造变成多效流程,本文是双效蒸发器与单效蒸发器所需蒸汽量的对比, 如图2所示。
1.3案例分析
要求:
废水中的水分蒸出83%,使得浓缩液中丙烯晴聚合物的质量浓度达到5.9%以上。
2结果分析
单效蒸发器消耗60498kg/h的蒸汽,蒸发水分61566kg/h,比例为1.01,即1kg蒸汽蒸发1kg水分。 双效蒸发器消耗蒸汽27173kg/h,蒸发水分61560kg/ h,蒸发比例为2.26,即1kg蒸汽能蒸发出2.26kg水分,节省蒸汽126%。
流程中使用的换热器可在流程模拟中得到一个简洁计算的数据。
把Aspen流程模拟中换热器的相关数据导入EDR中,得到详细的管壳式换热器设计,从中选取最优结果。
单效的换热器费用大概是461595$,而双效的两个换热器费用大概是274275$,比单效蒸发器降低50%左右,无论从运行费用还是设备制造费用双效都比单效的蒸发器节约成本。
摘要：多效蒸发器广泛应用于石油化工等流程工业,选型设计对工艺性能影响很大,是目前研究的热点。本文以丙烯腈废水处理的蒸发为研究对象,采用Aspen软件中的Heatx、Split和F l a s h模块进行了流程建模,对H e a t x进行了详细设计。结果表明多效蒸发在设备费用和操作费用上都优于单效蒸发,研究结论为换热器的开发设计提供依据。
低温多效蒸发 篇3
1降膜式蒸发器的概述
在物室顶部加入一定的材料, 经过液体分布器的分布, 呈膜状进行向下流动, 加热可以使其汽化, 被汽化的气体随着液体一起通过加热管流出, 将液体与气体分离, 就得到了浓缩液, 这是降膜式蒸发器的工作原理。
降膜式蒸发器的工作过程尤为重要, 物料在蒸发器内停留的时间很短, 但传热系数较高, 因此大多数热敏性物料是非常适合降膜式蒸发器的。
2多效降膜式蒸发器的结构
蒸发器、预热器、分离器、冷凝器、凝水罐等做成了多效降膜式蒸发器[1]。
2.1蒸发器
蒸发器是列管式的换热器, 管程用作液体的流入与流出, 壳程用作对蒸汽进行加热, 液体的物料从蒸发器顶部进入, 通过分布器的分布进入到加热管中, 其液体沿着加热管向下流出, 并在加热过程中被蒸发, 浓缩的液体与气体在进行分离。
2.2预热器
卧式列管式管热气是预热器的特点, 其管程通的是液体的物料, 壳程则通的是二次蒸汽, 所谓二次蒸汽, 就是在蒸发过程中产生的蒸汽。预热器的作用主要体现在两个方面:一是对进入蒸发器的物体进行预热;二是将二次蒸汽冷却, 便于回收并利用。
2.3分离器
单层结构是分离器的主要特点, 二次蒸汽接口与冷凝器接口是相同的, 其下部的接口则与蒸发器相通。
2.4冷凝器
冷凝器与预热器相同, 都是卧式列管式换热器, 管程通冷却水, 壳程与预热器的壳程相连接。
2.5凝水罐
凝水罐与分离器相同, 都是单层结构的罐, 罐体结构也相对单一, 罐体上装有能控制液位的液位开关, 能对液位进行一对一的控制。其作用主要是通过连接泵 (出口处的泵) , 来实现对罐内冷凝液的自动排放。
3多效降膜式蒸发器的工作原理和特点
3.1工作原理
多效降膜式蒸发器的工作原理是:物料溶液从料泵进入到循环泵的吸口处, 泵在此时进行升压, 溶液在预热后进入蒸发器的进料室, 接下来进入到加热管蒸发, 蒸发后进入分离室, 将蒸汽与液体物料分离开, 溶液接下来会流入到泵的吸口处, 进行循环利用法, 蒸发出来的蒸汽与浓缩液进行分离, 二次蒸汽则被冷凝器回收再利用。
在进行逆流操作时, 其操作大致相同, 浓缩液的出料口应放在第一校, 因为第一校的温度较高, 会使溶液的粘度下降, 便于得到更高浓度的浓缩液[2]。
3.2多效将模式蒸发器的特点
结构相对紧凑、布局也较为合理, 并且占地面积小, 便于安装;生产效率之高是多效将模式蒸发器的特点, 其蒸发量巨大; 多效降膜式蒸发器的节能效果十分显著, 能耗为一般将模式蒸发器的三分之一左右。QA/A小于等于0.44, QB/Q小于等于7.99, 这里Q指的是清水的蒸发量, QA指的是蒸汽的消耗量, QB则是冷却水的消耗量[3];
4多效降膜式蒸发器的相关要点
4.1加热蒸汽的利用
从节能的角度出发, 多效将模式蒸发器被新疆的大多数厂家广泛利用着。例如新疆某厂, 利用多效降模式蒸发器的工作原理, 利用二次蒸汽为其他需要加热的系统提供热能, 这样做既可以锅炉内蒸汽的消耗量, 又可以在一定程度上减少未进入冷凝器的二次蒸汽的蒸汽量, 以此来提升正气的利用率, 进而提高企业的效益。多效降模式蒸发器所用的蒸汽一般不会超过180摄氏度, 当蒸汽的温度超过180摄氏度时, 压强就会变高, 这样会在一定程度上给设备操作上带来损失, 造成不必要的费用损失, 所以多效降膜式蒸发器的主要目的就是节省加热蒸汽[4]。
4.2蒸发器的效数
在多效蒸发中, 前一效的蒸发所产生的蒸汽可以为后一校的蒸发提供所需要的加热蒸汽, 因此, 多效蒸发可以节省大量的蒸汽消耗。
(1) 校数的变化问题
多效蒸发会随着校数的增加, 在总蒸发量相同的情况下, 所需生成的蒸汽量在减少, 操作费用也会降低。但校数过多时, 设备的费用也随之增加, 所产生的蒸汽量也逐步减少。
(2) 校数过多, 蒸发操作难
从理论上讲, 过多的蒸发校数, 是很难对其进行操作的。 相对而言, 多效蒸发中的第一效蒸汽加热温度是受限制的, 其冷凝器的操作也受到一定的限制, 多效蒸发理论也是会受到限制的[5]。在一定的操作环境与操作条件下, 校数在增多时, 其温度之间存在的差异也就越来越大, 是成正比的关系, 因此有效温度差在逐步减小, 形成了反比。当校数过多时, 有效温度差减小, 分配到各效之间的温度不足以保证液体正常的沸腾, 使蒸发操作的难度进一步增加。
校数的多少要看蒸发物料的属性, 或者说是特性, 例如电解质溶液, 由于其沸点升高速度快, 采用二效或者三效就足够了, 非电解质溶液等沸点升高较慢的物料, 需要采取四效到六效之间。
4.3多效将模式蒸发器的流程
多效降膜式蒸发器中的溶液流程是可以以并流、平流、逆流和错流等方式存在的, 在它们之间选择一种方式并不难, 要根据物料的属性、操作方式以及相关费用来对它们进行选择。 本文所探讨的新疆实例属于逆流方式, 溶液与蒸汽形成逆流。
结语:本文根据降膜式蒸发器的概述与在新疆地区的运用实例, 对多效降膜式蒸发器的结构与工作原理进行了详细的探讨, 并总结出了三个要点:一是无论降膜还是升膜的方法, 都需要根据物料的属性来选择;二是降膜式蒸发器应合理选择多效, 其原因是节能;三是对多效将模式蒸发器流程的确认要根据蒸发溶液的特性而定。
摘要：多效降膜式蒸发器在新疆地区被广泛应用着, 其工作原理问题应该受到足够的重视。本文针对多效降膜式蒸发器的工作原理以及相关要点进行了详细的探讨, 根据在新疆地区的具体应用, 从多效降膜式蒸发器的概述入手, 对多效降模式蒸发器的结构进行详细论述。
关键词：多效降膜式,蒸发器,工作原理,相关要点
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低温多效蒸发 篇4
1 MVR蒸发装置的工艺流程简述
先利用生蒸汽将蒸发器预热升温, 当蒸发器内溶液沸腾后, 启动机械蒸汽压缩机 (MVR) , 将溶液蒸发浓缩过程中的产生的低温、低压的二次蒸汽通过机械再压缩转换为温度、压力较高的蒸汽。升压后的蒸汽再与蒸发器内的溶液换热冷凝。MVR蒸发器的工艺生产装置在系统开车和负荷提高较大时, 需要部分生蒸汽, 系统在正常运行时无需再加入生蒸汽。MVR蒸发装置依靠消耗电能补充蒸发器需要的热量。 (附图1)
2 多效蒸发装置的工艺流程简述
物料流向:原料液经冷凝水预热器预热后依次进入一、二、三效蒸发器进行蒸发浓缩, 浓缩后的固液混合物进入稠厚器, 再进行固液分离。
蒸汽、冷凝水流向:饱和生蒸汽进入一效蒸发器壳程换热冷凝, 冷凝液预热原料后再利用;一效分离室产生的二次汽进入二效加热室的壳程换热冷凝, 冷凝液进入三效加热室的壳程;二效分离室产生的二次汽进入到三效加热室的壳程换热冷凝, 冷凝液收集再处理;三效分离室产生的二次蒸汽经间接冷凝器冷凝后, 再由冷凝水泵输送至界外或再利用。 (附图2)
3 MVR蒸发器与多效蒸发器能耗
说明:多效蒸发中的循环水消耗按补水量进行核算水消耗。
4 生产运行、能耗、投资分析
4.1 工业蒸汽价格按200元/t, 工业电价为0.76元/kw h, 全年工作时间为7200h;
仅从两套装置的汽、电消耗对比, MVR蒸发装置相对于多效蒸发装置每年可节省费用50万元左右。
MVR蒸发装置利用机械式蒸汽再压缩技术, 从理论上讲, 在启动后正常运转时, 不再需要外来蒸汽的供应;但是此案例的废盐水经过冷凝水预热后并没有达到操作状态下的沸点, 因此装置依然需要消耗部分蒸汽;系统内的压缩机消耗电能补充系统所需的热量, 因此压缩机的耗电量较大。
多效蒸发装置的把前效的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽, 降低了生蒸汽消耗;多效蒸发装置利用效间的压差过料, 省去了效间的过料输送泵, 因此电耗也有所降低。
4.2蒸发浓缩的溶液具有一定的腐蚀性, 设备材质选用2205/316L, MVR蒸发装置的投资是多效蒸发装置的近3倍左右, 因此MVR蒸发装置的一次性投资比较高。
4.3 MVR蒸发装置操作温差较小, 生产工况较为温和, 因此对设备、管道的腐蚀较小;装置需要人工较少;压缩机在运行过程中对二次蒸汽的品质有一定的要求, 如果浓缩液易起泡或在蒸发浓缩过程中雾沫夹带比较严重, 需要设置消泡设施及除沫装置以保证蒸汽压缩机的稳定运行;另外对于溶液沸点升高较高或者在蒸发浓缩过程中随着浓度的增大沸点变化较大的溶液, 对整个MVR蒸发装置的稳定运行会有很大的影响。MVR蒸发装置的压缩机在蒸汽压缩过程, 为避免产生的过热蒸汽对设备造成损坏, 需在压缩机出口对二次蒸汽喷雾增湿以产生饱和的二次蒸汽。
5 结语
本文以5t/h废盐水的蒸发浓缩为案例, 对采用MVR蒸发装置和多效蒸发装置的投资、能耗、生产状况进行了简单的对比分析, MVR蒸发装置的一次投资比较大, 能耗较低;但随着国产蒸汽压缩机不断改进技术和生产工艺, 价格也在不断地下降。多效蒸发装置的效数增多, 那么多效蒸发装置投资也会增大, 但能耗也能在一定程度内降低;因此, 不论是MVR蒸发装置还是多效蒸发装置, 都有一定的相对优势, 要根据适用性、投资、运行、消耗、人工、占地进行多方位的比选。
摘要：本文简单介绍了淡盐水蒸发浓缩过程中MVR蒸发装置和多效蒸发装置, 并将两类蒸发装置进行技术、投资、消耗等多方面的对比, 对两类蒸发装置的优势及适用性进行了简单的分析。
低温多效蒸发 篇5
1 实验方法
1.1 实验系统
实验系统由效体段、冷凝段、干燥段和抽真空段4部分组成, 如图1所示。效体段以恒温水在管道内循环, 温度仪与恒温水箱加热装置联锁, 以自动实现进入管道内的水温与蒸汽温度相同;海水进水流速与生产中的流速一致, 2.2 m/s。冷凝段用于将效体段抽出的水蒸气冷凝为液态水, 由循环冷却装置和冷凝器组成。干燥段是由填充无水氯化钙的干燥塔和淡化水出水调节阀组成。抽真空段由真空泵和调节阀组成, 用于抽真空, 使效体段内部的真空值与生产运行中的真空值一致, 调节阀用于对效体段的真空度进行调整。
1.2 实验原理
模拟生产中海水淡化第一效蒸发器装置, 效体段内换热管为10根内径25 mm, 壁厚0.5 mm长2 000 mm的钛钢管。实验开始后, 每隔设定的时间, 取出一根钛钢管, 用涂层测厚仪对钛钢表面的垢层厚度进行检测;用扫描电镜 (SU-70, 日本日立) 对污垢进行表面形貌观察, 以区分不同析出条件下的外观特征;用X射线射线仪 (XD-D1, 日本岛津) 进行X射线分析, 以区分相分组成。用酸洗的方法, 对钛钢管表面的碳酸钙污垢进行清洗。
1.3 实验参数
某电厂海水淡化设备运行时, 一般采取蒸汽品位相对较低的六抽蒸汽, 运行的各种参数及出力具有可调节性, 具体参数如表1所示。
本实验采用比较接近运行平均值的参数, 如表2所示。
进料海水主要盐类组成如表3所示。
由表3可见, 海水中含有丰富的化学资源, 但其巨量的钙镁离子所形成的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物等导致海水具有很高的硬度, 淡化过程中极易生成污垢。碳酸钙垢与硫酸钙垢是最常见的两种污垢。本实验通过对设备运行中产生的污垢滴加稀盐酸, 发现污垢溶解且有微小气泡产生, 经测试, 确定为碳酸钙污垢, 这与文献中85℃以下形成碳酸钙垢的倾向大的结论相符[8]。
2 实验结果及讨论
2.1 海水淡化设备Ca CO3污垢形成规律探索
污垢形成规律实验共设置了两组, 每组的区别在于取出钛钢管的间隔时间不同。第一组每隔24 h取出一根钛钢管, 共计时间216 h, 具体数据如图2所示。
由图2分析知, 前75 h的时, 钛钢管表面Ca CO3污垢一直保持增长状态;72 h之后, 污垢的厚度不在增长, 基本维持在580μm左右, 120 h后有略微下降的趋势。因此, 第二组实验改变取出钛钢管的间隔时间, 每隔10 h取出一根钛钢管, 共计100 h, 具体数据如图3所示。
由图3分析得知, 钛钢管表面Ca CO3污垢随着时间的推移, 厚度在不断地增加, 在第60 h的时候, 污垢的厚度达到了最大值, 约为585μm。
实验结果表明, 60 h的时候Ca CO3污垢在管壁形成, 并达到一定的厚度, 在这之后, 厚度基本上维持不变。
2.2 Ca CO3污垢外观特征分析
用扫描电镜对钛钢管表面析出的Ca CO3污垢进行了扫描分析, 结果如图4所示。
通过对管道表面的SEM分析, 可以直观的看到污垢颗粒在管道表面的附着情况 (见图4) 。实验条件下, Ca CO3在钛钢管表面形成的污垢结构较为疏松, 或者可以直接说是由大颗粒直接附着了小颗粒形成的垢层。
2.3 XRD分析
碳酸钙污垢常见的晶相有3种:方解石、球霰石和文石。用X射线对析出的Ca CO3污垢进行衍射, 分析污垢的相分组成, 结果如图5所示。
由图5可以看到, Ca CO3污垢的主要晶相为方解石和少量的文石。方解石和文石的相对含量可按如下公式计算[8]。
式中:ωa为主峰位于27.1°的斜方晶结构的文石质量分数, ωb为六方晶结构的主峰在29.7°的方解石的质量分数, Ia和Ib分别为27.1°和29.7°的衍射强度。
计算得出, 污垢中方解石的质量分数为68.17%, 文石的质量分数为14.22%。
实验结果表明, 污垢中方解石的含量较高。一般情况下方解石在较高的温度而文石在较低的温度下形成, 理论上在低于75℃、压力120 mm Hg的海水淡化设备中利于文石的形成, 但是文石的性质极不稳定, 极易转变成方解石且不可逆, 因此造成了方解石的含量远远大于文石的含量。方解石遇酸即起泡溶解, 这对设备的酸洗效果极为有利。
2.4 Ca CO3污垢的清洗
酸洗是去除金属表面氧化层和污垢的最有效的化学清洗工序。某电厂通过设备的产水比对换热效果进行判断, 当产水比低于进气量产水比最低限时打开人口门检查换热管表面结垢情况, 确定是否需要酸洗。酸洗洗剂采用的是加有含氮化合物缓蚀剂的硫酸酸洗剂;运行方式是用工业水稀释配置成20%的微酸性 (p H为6.2~6.7) 水溶液, 与海水一起在海水淡化系统中进行循环4 h, 之后停止酸洗剂加入, 用海水进行冲洗, 排出系统外, 从而对管道污垢进行清洗。本实验系统采用相同的硫酸酸洗剂溶液对附着有污垢的钛钢管进行喷淋冲洗, 以此判断洗剂对污垢的清洗效果。清洗完毕之后, 取出钛钢管道进行观察, 看到管道表面碳酸钙污垢清洗干净, 无余垢残存;钛钢管表面光洁、平滑无损伤。
3 结论
本实验通过模拟海水淡化设备运行, 对真空压力为120 mm Hg、温度低于72℃条件下Ca CO3污垢的形成进行了探索, 得出了以下结论:
1) 钛钢管表面的Ca CO3污垢随着时间的推移不断的析出沉积, 到60 h的时候, 污垢的厚度达到了最大值, 约为585μm。
2) Ca CO3在钛钢管表面析出的污垢结构疏松, 随着垢层的增加, 水力冲击可能会对垢层的厚度产生影响。
3) Ca CO3污垢的主要晶相为方解石, 出现了少量的文石, 其相对质量分数为方解石68.17%, 文石14.22%, 方解石晶相对酸洗效果有利。
4) 采用硫酸酸洗剂对钛钢管表面Ca CO3污垢清洗效果显著。
摘要：为去除海水淡化装置换热面产生的污垢物质, 提出采用低温多效海水淡化实验模拟装置, 以海水为研究对象, 模拟低温多效海水淡化装置中第一效的运行工况, 并通过X射线相解析 (XRD) 、扫描电镜 (SEM) 和涂层测厚等技术手段, 对换热管表面CaCO3析晶污垢特征、相分组成及碳酸钙污垢形成规律进行探索。模拟实验结果显示:在真空压力为120 mmHg、温度为6872℃条件下, 钛钢管表面析出的CaCO3污垢不断沉积, 到60 h时, 污垢厚度达到最大值 (585μm) 。钛钢管表面CaCO3析晶污垢结构疏松, 主要为方解石晶相和少量文石晶相。方解石遇酸即起泡溶解, 对设备酸洗效果极为有利。
关键词：海水淡化,低温多效,碳酸钙污垢
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负压低温在多效蒸馏水机中的应用 篇6
负压低温多效蒸馏系统是将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽。降低压强, 所以其沸点降低, 并在下一蒸发器中冷凝为产品, 热能得以重复利用, 这样会大大增加蒸馏水产量。
2 低温多效蒸馏技术的流程
原料水在排热冷凝器中被预热和脱气, 之后被分成两部分。一部分物流作为冷凝液排弃, 另外一部分物流变成蒸馏过程的进料液。料液被引入到热回收段中。喷淋系统把料液喷淋分布到各蒸发器中的顶排管上, 沿顶排管向下自由流动, 一部分原料水由于吸收了在蒸发器内潜热而汽化。被轻微蒸馏的剩余料液用泵压入到蒸发器的下一组中, 该组的操作温度要比上一组低, 在新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液流到下一级, 直到最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开。生蒸汽输入到温度最高一效的蒸发管内部, 在管内发生冷凝的同时, 管外也产生了与冷凝量基本相同的蒸发。产生的二次蒸汽在穿过蒸馏水液滴分离器之后, 又引入到下一效的传热管内, 后一效的操作温度和压力要低于前一效。这种蒸发和冷凝过程沿着一串蒸发器的各效一直重复, 每效都产生了相当数量的蒸馏水, 到最后一效的蒸汽在排热段被原料水冷凝。
3 蒸发器单元的数学模型
每一级蒸发器的热过程有原料水预热, 原料水蒸馏, 蒸汽凝结等环节。由热工理论, 可建立多级蒸馏过程的数学模型。
3.1 预热过程模型
第j级预热器的能量平衡方程为:
式中为预热器管内原料水热容量, 原料水水当量。
管内热换量可以用下式表示:
蒸汽凝结量为, 管外蒸汽冷凝放热量为, 式中rj为蒸室压力pj下的凝结潜热。
蒸馏室温度方程为:Tdj=Tj-BPEj-∆tnej-∆tdj-∆tcj=Tj-∆tlj (3)
3.2 蒸馏室温度和压力的关系
根据热力学理论, 假定蒸室内压力pj各处均匀。
在动态过程中, 温度损失会有所变化, 设为常数。则各级闪蒸器的压力与温度的变化关系近似表示为:
4 系统的性能分析模型
4.1 蒸馏水产量
原料水蒸馏后离开每一级时都有一个温度降ΔT st, 称为级间递减温度.在循环原料水初级和末级温度确定的情况下, 按各级等温降原则可计算得到ΔT rt.如果装置的总级数为n, 则多级蒸馏装置的级间递减温度为
式中:T0为最高浓缩水温度;Tn为末级浓缩水温度.第j级蒸馏室产生的蒸汽流量为
式中:α为引到下一M级的蒸M汽占本级蒸汽的比rvj重.系统总的蒸馏水产量为
4.2 性能指标
4.2.1 蒸馏效率
对于蒸馏系统, 蒸馏效率P是衡量其性能的最重要的参数, 它是指蒸发装置蒸馏水总产量与原料水加热器所有消耗的蒸汽量之比, 定义P=Md/Ms (4)
系统原料水加热器的热平衡方程为Msrs=Mrcp (T0-t1) (5)
式中:t1为热回收段蒸馏室第1级冷凝管的出口水温.利用式 (2) 、 (5) 得
4.2.2 循环率
对于多级蒸馏系统, 循环率U是衡量其装置重要性能指标, 即为循环原料水流量与蒸馏水总产量之比U=Mr/Md (7)
5 负压蒸馏的要点
5.1 真空度的选择
蒸发系统真空度的选择是负压蒸发的关键。在选择真空度时, 应综合考虑真空度大小对二次蒸汽利用的可能性及其利用程度等。理论上说, 系统的真空度越高, 纯化水的沸点越低, 蒸发所需的热量越少。对于第一蒸发器, 操作温度不高, 因此选择一蒸的负压时, 主要考虑二次蒸汽热能利用和抽真空所需能耗两个方面的问题。由于二次蒸汽的量最大, 其所含热量也最多, 被用于一蒸加热的热源。如果真空度非常高, 则由于蒸发操作温度低, 其蒸发所需热量少, 会导致二次蒸汽的热能利用不充分。降低真空度, 则传热温差大, 所需传热面积就小, 但抽真空所需能源消耗大;蒸脱机二次蒸汽的温度一般为70～75℃, 若一蒸的真空度低, 则传热温差小, 所需传热面积就大, 由于一蒸的操作温度高, 使二次蒸汽不能完全冷凝释放热量, 不能充分利用能源;因此, 一蒸真空度的选择应适宜。在采用蒸脱机的二次蒸汽作为其热源时, 考虑20℃左右的传热温差, 则一蒸的真空度应控制在70～75kPa为宜。
5.2 尾气的处理
从原料水蒸发系统抽出的气体主要为未凝结的溶剂气体和不凝性的空气, 在蒸汽喷射泵的混合腔内与喷嘴喷出的蒸汽混合后排出, 混合气体携带了较多的热量, 具有利用的价值。因此通常的处理方法有下面两种:一是作为辅助加热热源;二是可以直接排入冷凝器。
5.3 冷却水的配置
冷却水量供给选择循环水, 进水温度在20℃～30℃不致于使溶剂冷凝液的温度太高。循环水量的确定可以先根据热量衡算得出总的传热负荷。用多于热量衡算计算的总量依次通过各冷凝器, 通过每一冷凝器的水量都是相同的, 而总的冷却水温度差还是7℃～10℃, 不同冷凝器的温升会不一样。
6 结语
本系统操作温度低, 避免或减缓了设备的腐蚀和结垢, 进料水的预处理简单, 系统的操作弹性较大, 系统的动力消耗小。
参考文献
[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典 (二部) [Z].北京:化学工业出版社, 2000.附录186
[2]王世昌.海水淡化工程[M].北京:化学工业出版社, 2003.
低温多效蒸发 篇7
海水淡化技术是开发利用和保护水资源的重要手段和有效方法,海水淡化产业的高速发展,对缓解全球淡水资源短缺、供需矛盾日趋突出和环境污染日益严重等一系列重大问题具有深远的战略意义。
海水淡化方法按分离过程可分为蒸馏法、冷冻法、反渗透法、太阳能法、电解析法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。虽然海水淡化方法多种多样,但目前世界上使用较多且规模化应用的海水淡化只有多级闪蒸(MSF)、低温多效(MED)、反渗透法(RO)等方法。目前来看全世界范围内再装机组还是以低温多效(MED)为主,占到整个海水淡化机组的一半以上。
1 低温多效海水淡化的基本原理及现有材料的问题
1.1 低温多效海水淡化的基本原理
所谓低温多效海水淡化技术是指蒸发器内处于中度真空环境下,使得盐水的沸点降低至70℃的海水淡化技术,其主要机构形式为把一系列水平管降膜蒸发器串联起来形成许多能效组,利用废热蒸汽输入各个能效组对海水进行不断地蒸发,对海水产生的二次蒸汽进行冷凝,从而得到蒸馏水,并且使未凝结蒸汽进入下一级蒸发器作为热源蒸汽循环使用的海水淡化技术。低温多效海水淡化的工艺流程如图1所示。
低温多效蒸馏海水淡化技术,利用热电厂、化工厂、钢铁、低温核反应堆提供的废热蒸汽,即可缓解沿海地区企业的缺水问题,又能实现资源综合利用,让淡水成本显著降低。所以在一定程度上推进了低温多效海水淡化的发展。利用废热蒸汽对海水进行蒸发形成二次蒸汽,二次蒸汽经过冷凝凝结成淡水,通过调整二次蒸汽的产量和冷凝速率达到比较理想的产水比,特别适合于利用低位余热的大中型海水淡化使用。低温多效海水淡化技术生产的淡水盐度<5mg/L,完全可以满足工业锅炉用水、生产过程工艺用水、大规模的市政饮用水用水的要求。
1.2 低温多效海水淡化工业中现有材料存在的问题
海水具有腐蚀性电解质溶液特性,当淡化设备使用普通碳钢材料时,海水作为介质会对材料产生严重腐蚀,显著降低设备的使用寿命。
不锈钢材料在海洋大气中耐蚀性较好,但是处于全浸区时腐蚀现象严重,而且不锈钢材料与异种金属接触会导致电偶腐蚀,不锈钢材料管道内海水流速需适宜,过小会引起杂物沉积腐蚀,过大会冲击钝化膜,局部膜破坏后引起点蚀等腐蚀。
铜合金材料一般作为清洁海水中冷却器管子的材料,主要有海军铜、铝黄铜等,铜合金材料与海水接触时表面生成一层氧化亚铜保护膜,可提高铜管的耐蚀性,但是铜管在使用过程中会产生冲蚀与沉积腐蚀现象。
铝合金材料在海水中几乎不具备抗污损能力,污损海生物对铝合金有明显腐蚀倾向。铝合金材料在海水淡化工业中使用时常常会在间隙或边缘出现表面腐蚀较深的点蚀,这是海水中污损生物引起的铝合金材料缝隙腐蚀问题。
2 钛材在低温多效海水淡化中的优势
钛材的密度为4.51g/cm3,高于铝合金但低于不锈钢与铜合金,但钛材比强度位于金属之首,是不锈钢的3倍,是铝合金的1.3倍。钛的表面暴露在大气或者水溶液中,立即会形成氧化膜,例如在室温大气中氧化膜厚度约为1.2~1.6nm,并随时间的延长而增厚,70天增厚到5nm,545天以后氧化膜厚度逐渐增加到8~9nm。所以在制造装配过程中对钛材表面氧化膜损伤,钛材表面会很快与氧气化合形成新的氧化膜。钛对氯离子也具有很强的抗腐蚀性,在海水中,铜的腐蚀率为0.05mm/年,铝的腐蚀率为0.01mm/年,而钛的腐蚀率仅为0.003mm/年。
对于海水淡化蒸发器而言,蒸发管作为设备的核心部件。蒸发管的使用寿命直接决定了蒸发器的维修频率和维修及维护成本,所以对于碳钢、不锈钢、铜合金以及铝合金蒸发管来说,钛蒸发管的使用年限明显更长。海水中含有大量泥沙、微生物,海水进入蒸发后泥沙及微生物后附着于蒸发管内部,使得该部位合金管出现间隙腐蚀、堵塞等问题,严重时会使蒸发管失效。然而钛材蒸发管就不会出现此类问题,为了保证水质有时不得不注入氧来杀死海水中的微生物时,更需使用耐蚀性能优异的钛材蒸发管;钛材的导热系数虽然比碳钢、铜合金、铝合金低,但由于钛材具有优异的耐腐蚀性能,所以钛材蒸发管壁厚可以大大减薄,同样作业条件下,钛管壁厚仅为铜管的一半;海水流速为3~5m/s时,钛制海水淡化设备的生物污堵现象最为轻微,钛换热器的污堵系数约为0.99~0.95,而且钛表面不易结垢,可减少热阻,使钛的换热性能显著提高。
钛材低温多效海水淡化设备的总造价约为不锈钢低温多效海水淡化设备的2.5倍,但钛材在海水环境中的使用寿命约为不锈钢的2倍,因此使用钛材可有效降低管道和设备的维修成本,同时延长了设备和管道的使用时间,经过对使用周期内的运行成本核算实际上是降低了成本。由于钛材设备及管道在低温多效海水淡化系统中不存在腐蚀问题,避免了设备及管道的腐蚀从而对产水系统产生腐蚀。所以钛材是低温多效海水淡化工业中的一种理想材料。
3 国内外使用情况
日本对于低温多效海水的应用研究起步最早最成熟的国家,同时也是世界上最早在低温多效海水淡化工业中采用钛材。从十九世纪七十年代开始日本工业技术研究院就开始在低温多效海水淡化蒸发器中使用直径Φ19,壁厚分别为0.3mm和0.4mm钛管作为蒸发管及冷凝管进行试验。通过报道显示目前日本已经在低温多效海水淡化设备中成熟使用了0.5~0.7mm壁厚的钛管。根据相关资料显示日本在已建成的低温多效海水淡化装置中的钛材使用总量达到了8000吨,采用Φ18×0.5和Φ19.05×0.5的钛管作为蒸发管使用,而冷凝管采用Φ22×0.6和Φ25.4×0.7的钛管。由于钛材有着优良的耐蚀性所以在海水含盐量高、水温高、水污染比较严重的地方,钛材的用量将大大提高。目前日本在低温多效海水淡化设备中每万吨产水装置约使用5—10吨钛材。
相对于日本来说国内关于钛材在低温多效海水淡化的应用研究起步较晚,从目前公开资料显示国内在西沙群岛建成一台日产水200吨的低温多效海水淡化装置已使用钛材,另外在部分海水淡化装置热放部位也使用钛焊管使用情况良好,为未来钛材在低温多效海水淡化工业的应用提供了有力依据。
4 结语
随着中国沿海地区淡水需求的日益增加,低温多效海水淡化工业作为海水淡化工业的龙头必将成为我国的一项新兴产业。由于近年来钛材价格大幅下滑,使得钛材材料费在整个低温多效海水淡化装置所占比重也大幅下滑,因此钛材在低温多效海水淡化工业中的应用将有很广阔的市场前景。
摘要：介绍了低温多效海水淡化的基本原理,结合低温多效海水淡化工业传统材料不锈钢、铜合金、铝合金材料存在的问题,提出钛材能有效弥补以上材料的不足,并根据国内外在低温多效海水淡化工业中钛材的使用情况,对未来我国钛材在低温多效海水淡化工业的应用进行展望。
关键词：钛材,海水淡化,问题,应用
参考文献
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