多级闪蒸原理及过程参数的分析

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 1 1 1 !!!!! } 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}}}}} 222 333 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 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 — 1 — 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 S O ZU 己 - 一下, ZYI r d t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i a ) 式中 , M d—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)M r—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M r 和温度差 (云1一t Z ) 。 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 (l a ) 式得 S (t l 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90 OC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 1 20 O C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 (T D S ) 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 海水浓度而 说 的 , 而 标准海水浓度定为 3 . 4 4 8 3 % (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 tf (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::: t 111 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 , (M e一M f ) S 。 t r ( 2 ) 淡水带出的热量 , M dS 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M a sd 云d + M o s o t 。 一M o S 。 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 t l ~ t l 一云2 = 云。一 云n ⋯ ⋯ ~ 云凡 _ 1 一云日 一 对气相来说 , 显然亦有 T l 一 T Z ~ T Z 一 T 3 - 二 T n _ 1 一 T n - 七。一 云n n 因此第 1 级的淡水蒸发量应为 M r s , L 亡。一 亡n n ~ 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 : (t o 一云。 ) _ n I, 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 = M r 〔Z + (1 一 Z ) Z 〕= M r 〔1 一 (1 一 Z ) 2 〕 第 3 级的蒸发量为 M r 〔1 一 Z 一 (1 一 Z ) Z 〕Z 则第 1 、 2 、 3 级蒸发量之和应为 M r 〔1 一 (1 一 Z ) 3 〕 依此类推 , 到第 n 级 , 则得总蒸发量 M 己 = M r 〔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L H (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 (1 1 ) 改写 M d M , ( 7 ) 式 , 则有 将 (1 1 ) 式代入 ( 5 ) 式便得 1 一 ( 1 一 z )一 1 一 ! 1 - 旦三七。一 云, 兰 - n L ( 8 ) 。一 、 : s r 、。。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 s r 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 (g a ) 式 、 (1 0 )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 , , ‘ , 、 7 i二百二 开 。 r 、“ o 一 “n ’万i M r 已一 月 (g a ) S ; (亡。一 t 。 ) L z 一 e 一 月、召 同样按指数函数展开式得 M d _ 。 -石下一褚尸艺性 r (g b ) (1 3 ) 由此可见 ( 8 ) 、 ( 9 ) 和 (g b ) 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。 ) n L 1 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 M rs r 亡。一 t 几 n 各级的对数平均温差 △ o r都视为相等 , 以 第 1 级为例 么口r ~ (t 。一亡。 ) / n l.n 星二丝二丝Q二生边业些 云。一七 r In _ T : 二 全r T 。 一 t o (14 ) 加热器传热面积A , 可按下式求得 H ~ K : A i △入 - M d 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 〔(T s 一 云r ) / (T : 一 亡。) 〕 M a R 胶 , (t o 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 (T s 一 亡。 ) 十 (亡。一 t , ) 引入 ( 5 ) 式 和 (g a ) 式 , 代 换 仕 。一 忿, ) , 经整理后得 T z 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 t l 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 T l 与 同 级盐水平均温度云, 是不相等的 , 云1夕 T l 。 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 T I 一 t l 一△ t e 又因 七l ‘七。一 亡 。一 云n n 故 t l 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 t r = (云。一 云n ) 因而得回收段对数平均温差 j一 1 (云。一云。 ) / n A : 对‘ S , In L (1 一 e 一 户) l 坛浓 (T s几。)l K * (1 一 e - ( 1 5 ) (, 。一 , 。 ,音一△ , 。 (。。一。。 ) (导)一 △, 。 (1 6 ) 上式 中, S , , 毛和 e都是常数 , 蒸发比R 和总蒸 发系数口, 以及 T s , 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 M r s 云。一 七八 n M d 乙 n 则 M d L / n 一 K , A r : △ e , 式中 , K r—热回收段的传热系数 (千卡 /米 “ · — 5 — 小时 · “C ) A r ,—热回收段中一级 的 传 热 面 积(米 2 ) 故 A r l ~ M 己L n K , △口, 整个热回收段共有 (n 一 j) 级 , 则回收段 总的传热面积A , 应为 A r (n 一 j)M d 乙 n K r △o r 是很方便 的 。 按 (1 7) 式计算出的A , 便是整个 回收段的传热面积 。 ( 3 ) 排热段传热面积 仍然设排热段内级间温差是相等的 , 且等 于热回收段的级间温差 。 此外 , 盐水和流经各 级的蒸馏水的总量仍是 M r , 因此排热段各级 与回收段各级一样 , 其热负荷仍是相同的 , 郎 为M , S r (t 。一 云。 ) / n 。 故在排热段 中冷却海水温度升高和循环盐 水温度降低的热平衡关系为又因 M a L 一 R H 于 R M ; S : (t o 一亡n ) 少 n M 。 S 。 (t , 一云。 )一jM , S r t o 一 云” n ( 1 8 ) A , 一 刀一 J n K r △ o r 。 、 , 。 ,“ 、 7八 Iyl r o r 、“ o 一 “ n 尹 而将 (g a ) 式 、 (13 ) 式和 (16 ) 式代入上式 , 并仍然使用单位淡水产量所需传热面积的表达 形式 , 则 八 r _ s r (n 一 j) M『一 K , (l 一 。不)- ‘,一 , 。 ,十一 △ , 。 (t o 一 t 。 ) j一 l n 由于我们 已经假定末级 (第 n 级 ) 的热负 荷等于其他各级 。 这就意味着从末级闪蒸出来 的蒸汽与补给海水没有热量混合 , 而补给水进 入末级后也不产生 闪蒸 。 这就是说冷却海水的 出 口温度幻 与补给水温度‘和末级盐水平均温 度亡。相等 , 自口t , = 亡, ~ 亡。 。 当然在实际中三者通常并不一 定 都 相 等 (往往是奸 一 t 。 ) , 但在讨论基本原理时为了方 便 , 我们就讨论三者均相等的情况 。 同时海水 比热S 。与循环盐水比热S , 近似相等 , 故得 一 △亡e (1 9 ) 引用 (l 0) 式和 (12 ) 式的关系 , 可求得 jM , (七。一 云。 ) n (亡n 一 云。 ) L n 艺 o 一 r n 一 (‘一 “ 尸厂瓦豆一 万 又 因盐水级间温差相 同 , 故冷却水在经过各级 时温度的升高值应为故有 A r _ M d S , (n 一 j) K r (1 一 e 一 目) 十‘,一 , 。 , 一号 一 ‘,一 ‘· , 因而末级冷凝器的对数平均温差为 (l一 e 一 月) R S 一 △ t 口 In 一一一— . 一一些 Z r - t n 一云。上卫 (i 一 。 一 。) 乙 了 双 亏 人云 。 1I n _ _ t 。 一 t 。一 △亡e ( (j一 1 ) / j〕(云。 一 亡。 ) (1 7 ) 在 (17 ) 式的右端全为常数和基本工艺条 件 , 消去了计算中的过渡参数 , 因而应用起来 对于倒数第二级 , (n 一 1) 级 , 均温差为 一△ t e (2 0 ) 其对数平 △o n ~ l 一 (云 , 一 t 。 )/ j (t 。 _ z 一△亡。) 一 ”。 十 一 些王亚二建互 , (t卜 z 一么 t e )一 云e + 2 云n 一 云。 , 了 ! 、Œ/日\ — 6 一 已知 亡。 _ 1 = 云。 + t o 一亡 。 n 代入 上式整理后得 么口n _ t n 一 t 。 〔(, 一 , , / , 〕 (,一 , · , +资‘, 。一 , · , 一△‘。 〔‘, 一 2 , / , , (,一 , 。 , + 一六一 “ 。一‘· , 一△ , 。 (2 1 ) 由 (2 0 ) 和 (2 1) 式可知 , 排热段各级的 对数平均温差是不相等的 。 从末级往前推 , 平 均温差逐级减小 , 道到排热段的首一级 , (n 一 j+ l) 级 , 降到最低 。 对于 (n 一 j 一卜 1 ) 级 , , 冷却水出 口温度为 云, , 进 口温度为七, 一 (亡, 一 亡。 ) / j , 则对数平均 温差为 △ 门n 一 J +1 一 (亡。 一 忿。 ) / j (。。 一 , 、 ; 一 △。。) 一 ( 。, - 红产 .、 因为 t , = 七, , 云卜 , + l ~ 亡。一 (n 一 j + z ) 代入上式经整理后得 (云。 一 卜一 △亡e )一 t , 七。 一 七。 n 么日n 一 j + 1 = t 八 一 t 。 j一 1 n ‘, 。一 ‘· , +十‘,一 ‘· , △‘夕 (2 2 ) J一 1 n (云。 一 t n ) 一 么云。 之所以排热段各级 的对数平均温差逐级变 化 , 是因为一方面盐水的级间温差仍等于回收 段的级间温差 , 各级的热负荷亦仍等于回收段 中各级的热负荷 ; 但另一方面冷却水量 M 。 又 口匕九一 3 排水段 壳(介tn) 出才众 青份t : ) 贵份切 冷却海水 丸 Ž ) 一、、J了 、.产l山”一C 沪丫”.产 l一.卜‘卜 r.、一子r龟、一了‘、仁护‘护咨工-工-jJJ工!l-心d 进水 (j一 3 , 七, “ 艺, : 一 之, ) 图 3 排热段温差 — 7 — 不等于M , , 故冷却水在各级的温升 (幻 一 t 。 ) / j就不等于各级盐水的级间温差 (七。一 亡。 ) /n 。 此外 , 幻 的数值是确定的 (郎大致等 于 t 。 和 t , ) , 而 云。 的数值却是在很大程度上变化的 , 因而冷却水升温曲线往往与盐水降 温 线 不 平 行 , 这就出现了图 3 所示的情况 。 耍使排热段各级的对数平均温差相等也是 可能的 。 合M 。 一肥 r , 则根据 (1 8 ) 式便可得 出 温差与热回收段各级 的对数平均温 差 完 全 相 等 , 郎 △口, 二一 △日, 。 这 样 , 在传热面积计算问 题上 , 排热段 与热回收段的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 就 完 至 一 样 了 。 设计 中 , 耍使M 。 二 M , 并不是任意的 , 这 必须要求冷却海水满足下列条件 云。 一 云。 t c 一艺n 一 J—一二 -一, 奋 (2 3 ) 十“ , 一 , · , 一青‘, 。一‘· , 将此结果代入 (2 0 ) 、 (2 2 ) 和 (2 2 ) 式 (注 意到 幻一 t 。 ) , 则这些式子圣都变得 与 (16 ) 式相同 。 在此情况下 , 排热段各级的对数平均 而在实际情况中 , 往往是海水温度更低 , 因而 冷却海水量M 。比M , 小 。 根据上面M 。 一M , 的结果 , 我们联合 (14) 式和 (1 7) 式 , 就可将整个多级闪蒸装置 (包 括加热器 、 热回收段和排热段 ) 的单位淡水产 量所需传热面积写成下列形式 A T M d s r ‘· { 1 + L ( 1 一 e 一 月) R S , (T , 一云。) K , ( 1 一 e 一 月) _ 「 ( 1 一 e 一勺 一 典 一△ : 。 n s 一 1 1 瓦5 -十 二二 ; 丁- - - 一= 不 - 1 n . 一—一二— - - 一一一代 , ( 1 一 已 尸 ) l / , 一 1 \ , 诩 _ _ R 、 L以一丁一夕、‘一 “ 「 ’ 豆S厂一 △ 乙“(2 4 )式中 , A T—全装置传热面积 (米 “) 。 (2 4) 式为 M 。 = M : 的结果 , 如果 M 。 < M , (通常 情 况 ) , 则排热段的传热面积需逐级分别计算 。 不 过排热段一船只为 2 一 5 级 , 所以这种计算也 不是太麻烦的 。 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上我们应用 (2 4) 式进行粗略的方 案比较是很方便的 , 它可帮助我们比较 一些工 艺参数的选定值 。 R 一 t o 一 亡 n t o 一 t r ( 2 5 ) 二 、 过程参数及其相互关系 前面讨论了多级闪蒸过程的基本关系 , 从 而推导出有关的计算公式 。 但其中的若干参数 究竟如何确定呢 ? 如盐水最高温度亡。、 蒸发比 R 、 总级数 n 、 排热段级数夕、 传热系数 K 和温 差损失 △ t 。 的确定 , 以及它们之间的 相 互 关 系 , 都需要进一步加以分析和讨论 。 1 . 盐水最高温度 根据 (1 3) 式的原理 , 如果不 计 散 热 损 失 , 不难证明 显然 , 耍提高蒸发比 R , 必须努力提高盐水温 度云。 。 技术经济研究指出 , 淡化水成本与 (亡。 一 t 。 ) 的平方根成反比 。 但 t 。的提高 又受到许 多条件的限制 。 首先从过程的热力学效率来讨 论 这 个 问 题 。 可逆热机的热功转换效率仅 与高温热源和 低温热源温度有一关 。 热源温度差愈大 , 转换效 率愈高 , 热量的利用也愈完全 。 在多级闪蒸装 置中所发生的热力学过程 , 也适于利用这一原 理来作此较的标准 。 按卡诺循环 , 最大的热功 转换效率为 刃m a 、 一 T m a 、 一 T m l n T ;二 a x (2 6 ) 式中 , T m a x—盐水最高温度 ( “ K )T ,二 , n—末级盐水温度 ( “ K )因此闪蒸所需要的最小热量为 — 8 — 初3.0 一一|翻ƒ .撇食一节罕„咖滚一,==.电 8 0 了00 脚 科口 叮占O 侣口 之G口 22 0 温度 2 40 器 口 屯 ( oc ) 图 4 最小热量与盐水最高温度的关系 Q m i n 一 W m 一n 刃m a 二 T m a 二 m ’n 一瓦福妥二云而五 = W m l n 亡。 + 2 7 3 七。一 亡几 ( 2 7 ) 式中 , W m i n—根据设计的分离要求计算 的最小功 (千瓦小时 / 米“) Q m , n—生产蒸馏水所需的最小热量 (千瓦小对 /米 3 ) 将最小热量Q m , n 对盐水的最高温度 亡。 作 图 , 如图 4 。 可以看出 , 最小热量 Q m , n 随着 云。的升高而降低 , 但是当盐水最高温 度大致超 过 1 60 “C 以后 , 最小热量的降低速度就显 得 十 分缓慢 ; 当超过 2 00 “C 后 , 最小耗热量实 际 上 已趋于定值 。 这就 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 , 在多级闪蒸过程中 , 虽 然热功效率随盐水最高温度的升高而增加 , 但 是当温度高过一定数值以后 , 降低最小耗热量 的除地就不大了 。 所以 , 就提高热功转换效率 来说 , 亡。是越高越好 ; 而从降低单位淡水的最 小耗热量来说 , 则没有必耍使云。设计得过高 。粗 略看来 , 超过 1 60 一 1 70 “C 其意义就不大了 。 蒸馏法的热功效率是很低的 , 如果最高盐 水温度是 12 1 OC , 其最大热功效率仅为 20 % 左 右。 事实上 , 当前一些最新蒸馏装置其实际的 热功效率 也不超过 10 % 〔“〕。 所以在 目前的 水 平上 , 尽量提高一些操作温度仍是努力的方向 之一 。 现在我们再从防垢方面进行讨论 。 蒸馏法 中, 一个很寐烦的问题 , 就是传热面上的结垢 问题 。 锅垢主要有两类 。 其一类是以硫酸钙为 主所形成的硬质垢 ; 另一类是以钙 、 镁的碳酸 盐和氢氧化物为主体的软质垢 (碱 性 垢 ) 。 而 软质垢是海水 中的 H C 0 3 一 受热分解在不同 温 度下演化而成的 。 所以通过对补给海水进行加 酸处理 (一般加 H : 5 0 4 ) 预先分解H C O 3 一 , 井 尽量除去 C O Z , 则碱性垢便可避免 。 但硫酸钙 问题还没有解决 。 防止硫酸钙垢则要靠控制温度和浓度来实 现 。 在海水淡化中 , 硫酸钙有三种结晶形式 : 双水硫酸钙 C a S O · Z H Z O (常称石膏 ) ; 半水硫 酸钙 C a s o 4 ·寺 H Z o (常称熟石膏) ; 无水硫酸 钙 C a S 0 4 (无水石膏 ) 。 这三种硫酸钙的析出 曲线示于图 5 。 图中横坐标为盐水温度 , 纵坐标是按标准 海水浓度计算的浓缩比 。 曲线分别表示各种形 态硫酸钙的溶解度界限 。 蒸发过程的操作线如 果接近这些界限 , 就会形成锅垢 。 在多级闪蒸 过程 中, 经过前处理的补给水在40 O c 左右进入 末级闪蒸室与浓缩比为 2 . 0 的盐水混合后温度 逐渐升高 (在升温期间浓度不变 ) , 然后 逐级 — 9 — \ 。。鑫石蔽矛 5.0初3.D2.0切 妇漂诀怜脚 咭曰瑞一斌尸层打 .茄十偷一亩户扁温度 (. 七) 图 5 硫酸钙垢析出曲线 注 : 一 · 一根据蒸发器操作经验估计的近似 溶解度界限 闪蒸 , 温度降低 , 浓度提高 。 从图中可见盐水 最高温度不能接近 1 30 OC , 否则会与 C a S O 4 · 十 H Z O 线相遇而结垢 。 在实际运转中, 加热器 管壁温度总是接近于加热蒸汽的温度 , 显然加 热蒸汽就必须小于 1 3 0 O c , 一般不超过 1 27 O c , 再扣除 5 一 7 度的传热温差 , 这样盐水的最高 温度就只能限于 1 20 一 1 21 ”C 。 因此 , 酸法防垢 的多级 闪蒸过程 , 其盐水最高温度大多都设计 为 1 2 1 “C , 或低于此温度 。 为什么操作线可以与无水硫酸钙的析出曲 线相交呢 ? 这是因为 Ca S O 4 ·士 H Z O 是一种亚 稳态形式 , 当温度高于 4 0℃时 , 稳 定 形 式 为 C a S 0 4 ; 4 o o c以下时 , 稳定形式则为 Ca s o 4 · Z H : 0 。 但是从 C a S O 4 ·告H Z o [fiJ C a S O 4 的转 变 速 度 , 在 目前遇到的操 作条件 一下 , 都是十 分缓慢的。 实现这种转变需要若干 小 时 或 数 天 。 因而 C a S O 4 ·全 H Z o 还没有来得 及 转 为 , C a S O 4时 , 浓盐水就已被替换排出了 。 一再由 一于 C a S O 4 ·令 H Z O 析出线本身允许的过饱和度 较 小 , 所以通常的硫酸钙 垢都 是 以 Ca S O 4 ·十 H : 0 形式存在 , 而温度控制主耍是 为 了 对 付 C a S O 4 ·音H 2 0 垢的 。 以上是酸法防垢得出的温度范围 。 目前在 中东使用较多的药剂防垢法 , 是在补给海水中 加入以聚磷酸盐为主的水质稳定剂 (约4P Pm ) , 这是一种阳离子赘合剂 , 在操作条件下它能使 钙镁离子溶存在盐水中而不结晶沉淀。 但聚磷 酸盐添加法所允许的温度较低 , 不用于93 ’C以 上的条件 , 否则聚磷酸盐本身会被水解失效 。 此外 , 采用某些有机酸类水质稳定剂 (如聚马 来酸) , 也可使盐水温度提高到 1 2 1 OC , 甚或稍 局 。 但是 12 1 ’c 这个界限是否就不能突 破 呢 ? 并非如此 。 目前用于海水淡化的高温水质稳定 剂已有多种面世 , 盐水温度不少都超过这个指 标 〔7 , 8 〕 。 但是盐水温度进一步的提高将会带来更多 的问题 , 如材料与防腐问题 , 热源问题 , 设备 性能问题等 。 在那种情况下高温操作的经济效 益是否表现得很明显 , 还需要作深入的技术经 济分析 。 2 . 蒸发比与级数 蒸发比 R 是设计蒸馏装置的一个基本出发 点 , 它是淡化曰经济效益的直接体现 。 在设计 多级闪蒸装置时 , 必须根据规模的大小和技术 经济要求 , 经过分析比较选定 R 值 。 通常小装置的 R 值定得小 , 大型装置定得 高 。 目前 日产淡水儿百吨或四 、 五 千 吨 的 装 置 , R 一般为 8 左右 ; 而接近万吨或万吨以上 的装置 , R 常定为 10 一 12 . 5 。 在多效蒸发 中 , 提高蒸发比基本上是靠增 加效数 。 而对于多级闪蒸过程 , 蒸发比与设备 级数又有何关系 ? 笼统地讲 , 增加级数有利于 得到较高的蒸发比 , 从而降低单位产量的能量 消耗 。 这可从两个方面来说明这个问题 。 首先 , 根据 (1 3 ) 式 , R 、n / j, 蒸 发 此 决定于总级数与排热段级数之比 , 所以单纯讲 增加级数是不确切的 。 但 I;和 j都是正整数 , j又 不能选得太小 , 因此要提高 R 值 , 就必须有足 够多的总级数 n 。 其次 , 当最高温度 t。和最低温度云。确定之 后 , 如果级数少则级间温差大 , 反之则级问温 差小 。 当盐水从前一级进入后一级 发 生 闪 蒸 时 , 温差愈大则愈偏离平衡过程 , 热力学效率 愈低 。 我们希望在蒸发过程中 , 既能由于适 当 的级间温差使海水充分扰动 , 尽速释放淡水蒸 — 1 0一 乡 吞 7 母 夕 刀o t了 f2: 百, 件燕发比万 t6 醉和“杜拍外和肠胜侣体106 嘴撼嵌劝 汽, 而又尽可能接近平衡蒸发 。 所 以 , 适 当增加级数 , 减少热力学效 率的损失是有利的 。 图 6 示出若干设计和研究的实 际资料 。 上面阴影区表示排热级数 为 3 的设计 , 下面是排热级数为 2 的设计 。 这些实例大体 上 说 明 了 (1 3 ) 式的趋势 。 3 . 蒸发比 、 级数与传热面积 的关系 在多级闪蒸装置中 , 传热管的 费用 占有相 当大的比重 。 据统计日 产淡水 5 千吨到 5 万吨的装置 , 管 图 6 级数与蒸发比之间的关系 材费用约占总投资的20 % ; 管子 、 管束和管箱 的加工安装费约占总加工安装费的 5 。“石。 因此 在设计闪蒸装置时 , 必须尽量减少传热面积 , 节省作为传热材料的铜材及其合金。 我们已经求得单位淡水产量所需 传 热 面 积 , 如 (2 4) 式所示 。 该式的第一项为加热器 传热面积 . 在进行数学分析时可视为常数 。 略 去式中的温差损失△ 七。 , 并引用 ( 9 功 式 , 以口代替 ( 1 一e 一 月) , 则 (2 4 ) 式变为 K , (t o 一 t n ) R n 一 R一 reses . seesL 十 1· ( l + R n 一几 (2 9 ) 飞11we. esJ、、ZJ 在实际设计中 , 聪是远大于“ , 且击 < ‘ , 故上式中1。( 1 十 数 , 从而 (2 9 ) 式变为 R 刀一 R ) 便可展开成级 S ; In 一生了~ 迢望、一 d n \ M d / L K , (t o 一 云n ) A T _卜一 塑 一 一 1 R S r (T : 一 t o )」 3、、才/M 。 一 口K : 「 二 / _ 乒 丫 . 1 / l — ~ 几 ‘二 j 一下 — .L_ Z \ n 一入 / 3 \ R n 一几 几S , 十 下K ‘ , 1 _ / j 、一 1 1 1 1 一万一 - — J\ 夕一 1 / 叉因 月二 s r . 。一亡。 )/ L , R = n / j 代入上式后得 A T _ M d _ 1 ! _ 口L 飞乙 ·“, 「‘ + 反瓦万二不丽」 夕K 一,一一卫k—K r (云。一 亡n ) / n 、1 11 ( 二 石 1 (2 8 )\ 几一 瓦 / 将 (2 8 ) 式对n 微分 , 整理后得 卫 一厂竺红 .、_ d n \对 d / 乙 K , (亡。一 亡n 1 / n 、‘ 1 1 1 【一‘ 1) \几一瓦 / 十 元 乙 n 乙 : (云。一 云。 ) (n 一 R ) K , (云。一 云。 ) , 、 _ , _ / R 、3 ~ _ 一 。 , 一 - , 一略去卜二些 石 ~ ) 及其后的高次项 , 得一 “ 一 、 n 一 R / ~ / 、 ’曰 曰 “ ,川 , 、 , 、 , d / A 二 \ d n 、M d / L 「 1 / R 、2 1 ; ; 二万 . 下 叹一 ! 一 万 ~ { 二 二 】 l (3 0 ) K r (亡。一云。 ) L Z \ n 一 几 / 」 对上式讨论如下 : ( l ) A T / 肥‘对n 的导数始终是负值 , 这 表明传热面积随级数的增加而减小 。 ( 2 ) 当n 增大时 , 导数的绝对值 减 小 , 其渐近线为平行于横坐标的直线 。 这表明当级 数增大时 , 曲线趋于平缓 , 传热面积减少的速 — 1 1— 度趋于缓慢 。 ( 3 ) 理论上不存在一阶导数 等 于 零 的 点 。 耍使传热面积达到极小值 , 级数 n必 须 趋 于无限大 ; 另一方面级数执必须大于蒸发比 R , 如果 R 接近于 n , 或可与 n 相比拟时 , 传热面 积 A 打M 。将趋于无限大 。 显然这两种情 况 都 是 没有实际意义的 。 上列分析结果都表现在图 7 所示的一个计 算例子 中。 此图向我们指出了选择级数和蒸发 比的方法 。 从减少传热管的投资费来说 , 当 R 给定之后 , 设计点应选择在两条虚线之间 。 如 R ~ 8 , 级数 n宜于定在 20 一30 级的范围内 。 级 数太少 , 虽设 备结构较简单 , 但所需传热面积 太多 , 铜材消耗大 ; 级数太多 , 则传热面积降 低的效果不大 , 却增加了设备的复杂性 , 制造 费用迅速上升。 为什么在产水量和蒸发比相同条件下 , 增 加级数会减少传热面积呢 ? 这可从多级 闪蒸的 温度变化图上直观地看出 。 在图 2 中 , 阶梯线 表示闪蒸降温曲线 , 每下一个台阶表示盐水经 过一级闪蒸 。 阶梯曲线与循环盐水升温线之间 的垂直距离郎为传热温差 。 显而易见 , 级间温 差越小 (阶梯越小 ) , 两条曲线之间的垂道距 离就越大 , 因而传热温差大 , 传热面积小 。 在 极限情况下 , 级数无限多 , 闪蒸降温曲线成为 一条直线 , 此时传热温差达到最大值 , 传热面 积趋于最小 , 这就是图 7 中曲线平行于横坐标 的情况 。 4 . 传热系数 由于传热管及其有关的费用在整个装置的 总投资中占有相当大的比重 , 所以人们花费了 很大的精力对传热条件 、 管束型式以及计算方 法等进行研究 , 对传热系数的确定和考核 111111111 iii又又\\\\\\’父父父父 }}}}}}} { ((( 】】 \ ... ,, .、、、、、吏吏之, ! 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