1、 1 毕业设计文献综述 化学工程与工艺 海水淡化过程中的传质与传热分析 摘要： 本 文介绍了 热法海水淡化过程中二氧化碳与海水形成膜之间的传质与传热。目前世界和中国都面临着能源紧缺的问题，开发利用海洋热能等低品位可再生能源是优化能源结构、缓解能源紧缺、保持可持续发展的有效途径。低端品味热能的开发利用需要高效的换热技术以及装置，填料塔内的二氧化碳 -水直接接触传热就是一种高效的传热方式，可以作为开发利用低端品味能源的有效的技术手段。在导师的带领下自行建立了一套高效的、结构合理的二氧化碳 -水直接接触传热设备， 并进行了填料塔内二氧化碳 -水直接接触传热过程的实验研究 ,取得了理想的传热温差和体积
2、传热系数，发现了操作条件等因素对体积传热系数的影响，对实验器材及方案进行了设计本研究对开发利用低端品味水（海水）热能提供了一条有效途径，并为二氧化碳 -水直接接触传热过程和装置的研究和设计应用提供了一定的指导和参考。 研制开发 低端品味 传热传质的新产品，都是迫切需要解决的科学技术题目，已成为国际传热研究前沿的研究热门 。 关键词： 海水淡化 传质 传热 1、前言 海水淡化即利用海水 脱盐 生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，水质好、价格渐趋合理，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。 从海水中取得淡水的过程谓海水淡化。 现在所用的海水淡
3、化方法有海水冻结法、 电渗析法 、蒸馏法、 反渗透法 ，目前应用 反渗透膜 的反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代蒸馏法成为应用最广泛的方法。 能源是人类赖以生存的物质基础，它不仅是人民生活的必需品，也是现代工业的重要支柱，为国民经济发展提供动力一能源与社会经济的发展和人类的生活2 息息相关，开发和利用 能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。能源的人均占有量、能源构成、能源使用效率和对环境的影响等，是衡量一个国家现代化程度的重要标准之一。因此世界各国都把能源的开发和利用作为发展经济的前提。随着世界经济和社会的发展，能源的消耗量也在快速增长。据联合国统计，
4、19952020 年世界一次能源增长率每年将达 2%。同时，石油和煤炭等矿物燃料虽然具有含能量高，易于规模化开发和利用等多方面的优点，但它们是不可再生的一次性能源。由于它们的大规模开发和广泛应用，已经严重影响了人类生存环境的质量，破坏了生态平衡，造成世界 的环境日益恶化，使人类面临着前所未有的环境问题。这种生态环境破坏日益加剧的趋势，引起了国际社会的普遍关注。 中国是世界上仅次于美国的第二能源消费大国，也是能源需求增长最快的国家之一，能源相对紧缺，人均消耗量远低于发达国家，能源己成为制约经济社会快速发展的瓶颈。从能源构成情况来看，包括我国在内的世界绝大多数国家都把石油和煤炭等矿物性燃料作为基本
5、能源，把发展石油和煤炭工业作为能源开发和利用的基础。我国是以煤为主要能源的少数国家之一，煤炭生产和消耗量均占70%以上，能源结构不合理。而且我国的能源利用效率低、单位 GDP 能耗过高。在今后相当长的时间内，这种情况不会有大的改变。可以预见，随着经济和社会的快速发展，中国将面临越来越严峻的能源短缺问题。 2、设备 填料塔是化工生产中一种重要的设备，除了应用于分离或吸收过程外，还可应用于热量的传递和交换。利用填料塔来进行热量交换，属于直接接触或混合式 换热。在填料塔内气、液直接接触过程中，液体在填料表面分散并形成液膜，从 而增大与气体的接触面积，极大地强化了换热。填料塔作为直接接触换热设备， 通
6、常应用于热力发电过程的水冷却过程以及化工生中的增减湿过程。近年来，为 了提高燃气供热 设备的热效率，人们将其应用于燃气热水装置，使气体燃料燃烧 后产生的高温烟气与被加热的水进行直接接触换热，为生产或生活提供热水，其 效率可达 95%以上。填料塔内空气一水直接接触传热过程可以实现很低的传热温 差和很高的传热效率，在低品位热能利用方面具有很好的应用前景。在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔器均属面大量的重要单元设备，其投资一般占投资总额的 20%左右，有些甚至高达 50%。塔器按其结构可分为两3 类 :板式塔和填料塔。填料塔由填料、塔内件及筒体构成，填料分规整填料和散装填料两大类
7、。塔内件则 有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置与进料装置及气体分布装置等。筒体有整体式结构及法兰连接分段式结构。 填料塔作为气液传质设备虽然有 100 多年的历史，但直到 1914 年拉西环填料的出现才使填料塔进入了科学发展的轨道。填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相接触传质与换热的表面，与塔空气一水直接接触高效传热过程及设备研究 内件一起决定了填料塔的性能。目前填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整 填料两个方向进行。 3、主题 低温多效蒸馏淡化技术的概念 低温多效海 水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度低于 70 的淡化技术，其特征是将一
8、系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。低温多效蒸馏技术由于节能的因素，近年发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造 价，提高操作温度，提高传热效率等。一种低温多效蒸馏法海水淡化设备，包括供汽系统、布水系统、蒸发器、淡水箱及浓水箱，供汽系统的生蒸汽入口置于中间效蒸发器上
9、。工作方法为：（ 1）布水系统对海水进行喷淋；（ 2）输入生蒸汽到中间效蒸发器的蒸发管内部；（ 3）蒸汽在蒸发管内冷凝传出热量，蒸发管外吸收热量产生蒸发；（ 4）新蒸汽输送至其两侧的蒸发管内；（ 5）管内发生冷凝，管外吸收热量、产生蒸发；（ 6）各效蒸发器重复蒸发和冷凝过程；（ 7）蒸馏水进入淡水箱；（ 8）浓盐水进入浓水箱。 进料海水 在排热冷凝器中被预热和脱气，之后被分 成两股物流。一股物流作为冷凝液排弃并排回大海，另外一股物流变成蒸馏过程的进料液。料液经加人阻垢分散剂之后被引人到热回收段各效温度最低的一组中。喷淋系统把料液喷淋分布到各蒸发器中的顶排管上，在沿顶排管向下以薄膜形式自由流动的
10、过程中，4 一部分海水由于吸收了在蒸发器内冷凝蒸汽的潜热而汽化。被轻微浓缩的剩余料液用泵打入到蒸发器的下一组中，该组的操作温度要比上一组高一些，在新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液接着往前打，直到最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开该效组。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浓盐水液滴分离器以保证蒸馏水的纯度之后，又引人到下一效的传热管内，第二效的操作温度和压力要略低于第一效。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海水冷却液冷凝。第一效
11、的冷凝液被收集起来，该蒸馏水的一部分又返回到蒸汽发生器，超过输人的生蒸汽量的部分流人到一系列特殊容器的首个容器中，每一个容器都连接到下一低温效的冷凝侧。这样使一部分蒸馏水产生闪蒸并使剩余的产品水冷却下来，同时 把热量传给热回收效的主体中去。如此产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却。放出的热量提高了系统的总效率，被冷却的蒸馏水最后用产品水泵抽出并输人到储液罐中。这样生产出的产品水是完全的纯水，它不含任何污染物，平均含盐量小于 20ppm。如果安装两级捕沫网，产品水盐含量可小于 Sppmo 像蒸馏水一样，浓缩海水从第一效呈阶梯状流人一系列的浓盐水闪蒸罐中，闪蒸冷却以回收其热量。经过冷却之后，浓盐水经
12、浓盐水泵打人大海。不凝性气体从每一根冷凝管中抽出，并从一效流到另一效。这些不凝性气体最后在排热冷凝器的最冷端富集，并用蒸汽喷射器 或机械式真空泵抽出 。 所谓 竖直 螺旋微槽管壁面液体升膜是指当 竖直 螺旋微槽管的底部表面与液面相切或微微浸进时，由润湿力、毛细力和温差驱动力等克服重力，驱动液体自下而上在管壁形成均匀连续的覆盖整个管表面的薄液膜。采用超景深三维显微镜系统可视化观察了 竖直 螺旋微槽管壁面升膜形成及活动状态，在管壁内埋设0.5mm 铠装热电偶定点丈量 竖直 螺旋微槽管壁面周向温度。在此基础上用不平衡热力学理论分析 竖直 螺旋微槽管壁面升膜形成的影响因素，活动的驱动力及其耦合关系。在
13、对升膜的速度分布和厚度分布进行数值模拟的基础上，得出正交曲线坐标系 下 竖直 螺旋微槽管壁面升膜蒸发换热的热量表达式。建立 竖直 螺旋微槽管壁面升膜传热试验台，得出 竖直 螺旋微槽管壁面升膜换热系数在周向上的分布，并对不同热流密度及强化措施进行分析比较。对 竖直 螺旋微槽管壁面多组分流体5 升膜形成及传热进行分析，以 海 水 、 CO2 混合物和 水蒸气 为工质对不同浓度的多组分流体升膜传热进行比较，为工程应用提供理论支持。 以单效水平螺旋微槽管壁面升膜海水淡化试验参数为依据设计更为高效紧凑的多效海水淡化装置与流程，并进行了数值分析计算。将水平螺旋微槽管壁面升膜多效海水淡化的各效换热温差及造水
14、量与 相同工况下竖管降膜海水淡化的相应参数进行比较，分析了水平螺旋微槽管壁面升膜海水淡化装置在海洋环境(海洋平台、舰船 )中应用的适应性。 4、总结 通过分析海水淡化装置的结构、工作原理和传热过程，装置性能的改进和效率的提高应从以下几个方面来： (1)最大限度地重复利用水蒸汽凝结所释放出来的潜热，用以预热和加热蒸发的海水，降低系统能耗； (2)尽量利用低温多效蒸发的方式来淡化海水，不过要注意液膜紧贴壁面流动并均匀分配，避免出现导致换热恶化的干燥区； (3)利用负压汽化和正压凝结，强化传热系数； (4)要利用太阳能蒸汽作 为热源以提高系统性能。 通过以上研究发现 竖直 螺旋微槽管壁面升膜形成受到
15、毛细压力、润湿力、周向温差、汽泡等多种因素的综合作用，各项力对升膜的质量和热量传递之间存在耦合效应。 竖直 螺旋微槽管壁面升膜需要循环泵，能够在螺旋微槽中实现欠热蒸发和过冷沸腾，通过实验得出其换热系数。对多组份流体在 竖直 螺旋微槽管壁面升膜的形成和换热有了初步的分析，为适应于工业制盐 的海水淡化装置和流程设计提供了依据。对 竖直 螺旋微槽管壁面升膜蒸发海水淡化进行参数计算，并与相同工况下的 水平 降膜海水淡化进行比较， 竖直螺旋微槽管壁面升膜蒸发海水淡化其上 风在于可以降低初始蒸发压力和蒸汽温度，有利于在 工业制盐 设施上应用。通过对 竖直 螺旋微槽管壁面升膜在倾斜角度时活动的数值模拟， 竖
16、直 螺旋微槽管壁面升膜蒸发海水淡化可以适应在 不同的场合 中应用：并分析了不同海域海水参数 (盐度、温度等 )对 竖直 螺旋微槽管壁面升膜海水淡化的影响，为其在 海水淡化及工业制盐 的工程应用提供设计参考。 参考文献 6 1Malic M A s， Tiwari G N， Kumer A， et a1 Solar DistillationJ Oxford：Pergamon Press， 1982 8一 l7 2Sotefis Kalogirou Survey of solar desalination systemsand system selectionJ Energy， 1997， 22(
17、i)： 69 81 3Cooper P I The maximum eficiency of a single efectsolar stillJ SolarEnergy， 1973， 15： 205_217 4郑宏飞，葛新石太阳能蒸馏器中一组传热传质关系式 J太阳能学报，2000， 21(1)： 95 99 5Kudish A I， Evseev E G， et a1 Simulation study on a so 1ar desalination system utilizing an evaporator condenserchamberJ Energy convers Mgmt， 2
18、003， 44： 1653 1670 6郑宏飞，葛新石多级降膜式太阳能蒸馏器的模拟实验研究 J太阳能学报， 1999， 20(4)： 370-376 7张连英，吴裕远，等降膜蒸发内回热型 太阳能海水淡化装置的实验研究J水处理技术， 2005， 31 8朱跃钊，蒋金柱槽式聚光型热管式太阳能锅炉装置 P中国：200610040139 4， 2007 9王世昌，周清，王志 .海水淡化与反渗透的发展形势 .膜科学与技术， 2003， 23(4)162一 166 10王世昌 .对发展我国海水淡化产业的几点考虑 . 2004海水淡化及利用技术国际研讨会，中国天津， 2004 11王世昌 .发展海水淡化产业为沿海经济区提供补充水源 .天津城市建设学院学报， 2003， 9(2)73一 75 l2王越，徐 世昌，王世昌 .国外反渗透系统余压回收技术研究概况 .化工进展， 2002， 21(11)868一 871 13苏保卫，王志，王世昌 .采用纳滤预处理的海水淡化集成技术 .膜科学与技 术， 2003， 23(6)54 一 58 14httP:/ 15http/ww.sciPW/ater.html 7 16httP:/ 17http:/ PhP?id=44694 18http:/
