低溫多效海水淡化蒸發(fā)器的管道分程與傳熱模擬分析

郭曉俊，劉 燕，袁俊生

（河北工業(yè)大學 海水利用中心，天津 300130）

0 引言

低溫多效 （low temperature multi-effect distillation）海水淡化是在第一效蒸發(fā)溫度低于70℃的情況下，將幾個蒸發(fā)器串連進行蒸發(fā)操作，是一種可以節(jié)省熱量的蒸餾淡化方法，又稱LT-MED.LT-MED通常與蒸汽熱泵（thermal vapor compression）相結(jié)合，形成LT-MED-TVC的工業(yè)應用模式[1-2].LT-MED-TVC具有水質(zhì)好和可利用工廠余熱或低品位熱源的優(yōu)點，成為當前發(fā)展較快的主流海水淡化技術之一.低溫多效海水淡化產(chǎn)品水可提供鍋爐給水和工藝純水，適合于有低品位蒸汽或余熱可利用的沿海電力、石化、鋼鐵等企業(yè)[3-5].

隨著海水淡化裝置的興建，LT-MED-TVC系統(tǒng)模擬計算方法也備受關注，沈勝強等建立了LT-MED-TVC計算模型，對串流、并流和并叉流3種工藝流程進行了計算和分析[6].解利昕等對四效平流LT-MED-TVC裝置進行了系統(tǒng)模擬計算，結(jié)果與實際運行指標十分接近[7].郝冬青等采用了Aspen Plus軟件對LT-MED-TVC系統(tǒng)進行了模擬[8].

LT-MED-TVC效間溫差小，所需換熱面積很大，而換熱管一般采用耐腐蝕的銅鎳管，設備造價十分昂貴.因此，合理設計蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，使有限的換熱面積發(fā)揮最大的換熱效率是熱法海水淡化的關鍵技術.目前，各個海水淡化工廠的LT-MED-TVC設計形式有所差異，但其本質(zhì)仍是通過一定的方式連接起來的水平管降膜蒸發(fā)器.

筆者了解過多家LT-MED-TVC的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，同時也參與設計過日產(chǎn)千噸級LT-MED-TVC蒸發(fā)器.實際運行中的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)有單管程、雙管程和三管程等多種形式.為詳細了解管程對換熱面積的影響，本文結(jié)合某LT-MED-TVC海水淡化工廠蒸發(fā)器的雙管程結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)，將其中單效蒸發(fā)器中換熱管通過簡單分隔，劃分為單管程、雙管程或三管程3種形式.采用ASPENPLUS7.0化工模擬系統(tǒng)和HTRI5.0換熱模擬軟件對以上設計方案進行模擬計算和分析，評價了相同蒸發(fā)量情況下，單效蒸發(fā)器的管程劃分對換熱面積的影響.本文還計算和分析蒸發(fā)器的傳熱阻力及其分布，為進一步提高蒸發(fā)器傳熱效率提供理論依據(jù).

1 模擬計算

1.1 物性選擇

物性方法的選擇是流程模擬計算結(jié)果準確程度的關鍵.MED-TVC主要工藝過程為海水的蒸發(fā)和水蒸氣的冷凝.海水的物性計算采用了Chen等人提出的電解質(zhì)NRTL模型計算海水的活度系數(shù)、焓和吉布斯能[9]，此模型在ASPEN PLUS中有專用的數(shù)據(jù)包[10].為了簡化計算，海水電解質(zhì)僅加入了一定濃度Na+和Cl+離子.水蒸氣的冷凝采用ASPENPLUS中有專用的蒸汽表.水和蒸汽的液相和氣相粘度采用“水蒸汽性質(zhì)的國際協(xié)會”開發(fā)的IAPS模型.

1.2 計算模型

采用ASPEN PLUS7.0中的HeatX、Flash等模塊進行流程模擬計算，計算結(jié)果導入HTRI5.0軟件進行換熱計算.水平降膜蒸發(fā)器模型選用NXN形式.管內(nèi)、外熱阻采用某實際運行海水淡化裝置數(shù)據(jù).為簡化計算，所有換熱管采用了同一規(guī)格的合金管.

2 設計方案與計算模型的建立

某海水淡化裝置的某效進料狀況如下：蒸汽流量93 252 kg/h，溫度為68.4℃，壓力0.288 bar；進入蒸發(fā)器的氣化分率均為1，出蒸發(fā)器的氣化分率均為0.005 4，即蒸汽流量為503 kg/h.海水流量512 444 kg/h，溫度66.33℃，含鹽量4%（鹽以NaCl代替）.下文涉及物料流量及管側(cè)、殼側(cè)熱阻均來自該海水淡化裝置.

該效蒸發(fā)器雙管程管道劃分比例如表1所示.三管程蒸發(fā)器的管束劃分通過試差法確定，目標使3個管程內(nèi)蒸汽流速保持一定，劃分結(jié)果見表1.

利用ASPEN PLUS7.0流程模擬軟件進行模擬計算，HTRI5.0進行換熱計算.

圖1為單管程方案，（以下敘述中蒸汽以G、海水以S、產(chǎn)品水以W開頭表示）.GGG1進入換熱器的管程進行冷凝，未冷卻的 GGG3流出管程.SSSW 1從蒸發(fā)器上部進入，成膜狀穿過換熱器的殼程.生成的GGG2進入下一效，SSSW 2從下部流出蒸發(fā)器.圖2為流程模擬的計算模型，只是在換熱器后增加了相平衡計算，從而得到冷凝水的量和二次蒸汽的量.

表1 換熱器管束的劃分Tab.1 Partition of tube bundle of exchanger

圖1 蒸發(fā)器為單管程Fig.1 Evaporimeterwith one tube side

圖2 單管程蒸發(fā)器計算模型Fig.2 Calculationmodelof one tubesideevaporimeter

圖3 蒸發(fā)器為雙管程Fig.3 Evaporimeterwith double tube side

圖3 為雙管程換熱器，前端GG1進入換熱器2-1，WW 1和水蒸汽分離.分離的水蒸氣進入換熱器2-2繼續(xù)冷凝，得到WW 2和GG3在水箱分離.SSW 1從蒸發(fā)器上部進入，首先與2-2換熱蒸發(fā)，未蒸發(fā)的濃縮海水繼續(xù)成膜狀下降，與2-1換熱蒸發(fā)，SSW 2從下部流出蒸發(fā)器.2-1和2-2殼側(cè)海水蒸發(fā)的水蒸氣匯合形成二次氣GG2.

圖4為雙管程換熱器串聯(lián)設計方案的計算模型，主要在兩次蒸汽GG1和GG1-G冷凝后增加相平衡計算.在入料海水SSW 1在2-2和2-1蒸發(fā)后也增加了相平衡計算，從而準確計算出2-1殼側(cè)濃縮海水的流量.

圖5為三管程換熱器，物流原理與一、二管程相似，在此不一一敘述.

圖4 雙管程換熱器的計算模型Fig.4 Calculationmodelof double tube sideevaporimeter

圖5 蒸發(fā)器為三管程Fig.5 Evaporimeterw ith three tube side

圖6 為單效蒸發(fā)器三管程換熱器設計方案的計算模型.流程原理與圖5相同.

3 結(jié)果與討論

3.1 流程模擬計算結(jié)果

流程模擬計算結(jié)果如表2所示.從表2的計算結(jié)果可知，3種方案的熱負荷一致.在此基礎上，通過HTRI5.0軟件對額定換熱面積進行了計算.

3.2 3種方案換熱面積的核算

殼體采用NXN型臥式換熱器模型，蒸汽在管程.換熱管為6 000 mm長、外徑24 mm、壁厚1.25 mm的合金管，正30°排列，管心距31mm.根據(jù)以上條件，對3種方案換熱器的面積和傳熱系數(shù)進行核算.

圖6 三管程換熱器計算模型Fig.6 Calculationmodelof exchangerw ith three tube side

表2 流程模擬計算結(jié)果Tab.2 Resultsof process simulation calculation

表3 換熱器的計算結(jié)果Tab.3 Resultsof theexchanger simulation calculation

換熱器的計算結(jié)果如表3所示，方案1顯示面積裕量為 9.13%，30 650根換熱管遠未達到要求，還需要補充2 798根換熱管才能滿足換熱要求.方案2由雙管程換熱器組成，2-1換熱器面積裕量為 3.69%，在26052根管的基礎上，還需增加961根管就可以滿足要求.2-2的裕量為8.59%，比需要的換熱管還多出395根.總之，方案2經(jīng)過管束調(diào)整，只需補充566根換熱管即可.

方案3為三管程蒸發(fā)器組成，3-1，3-2和3-3的面積裕量為17.07%、34.77%和38.51%，比需要的換熱管多出4 541、1 204和225根，即減少5 970根換熱管也能滿足設計要求.

可見，不同的方案對換熱面積的要求有較大差別，采用三管程換熱器的形式有利于提高傳熱效率，從而降低投資成本.

3.3 蒸發(fā)器傳熱分析

蒸發(fā)器屬于間壁式傳熱，影響傳熱效率的因素有管程內(nèi)蒸汽冷凝熱阻（tube）、總污垢熱阻（fouling）、換熱管管壁熱阻（metal）和殼側(cè)海水蒸發(fā)傳熱阻力（shell）.對以上換熱器傳熱阻力的分布進行分析，結(jié)果如圖7所示.

3種方案中涉及的6個換熱器有相同的規(guī)律，即殼側(cè)熱阻所占權重最大，平均接近60%.可見，欲提高低溫多效海水淡化蒸發(fā)器的傳熱效率，重點是降低殼側(cè)的傳熱阻力，或者說提高殼側(cè)對流傳熱系數(shù).殼側(cè)海水在換熱管外的分布狀態(tài)是制約蒸發(fā)器傳熱效率的瓶頸.本文中的污垢熱阻為估計值，精準的污垢熱阻值有利于保證傳熱效率的情況下控制設備投資.管側(cè)對流傳熱系數(shù)和的比重約為15%，也占不小的比重.換熱管選用的金屬材質(zhì)的熱阻對總傳熱效率影響很小.

圖7 3種方案中換熱器的熱阻分布Fig.7 Thermal resistance distribution of three kindsof exchanger

3.4 3種方案單效蒸發(fā)器管道壓力降的核算

3種方案單效蒸發(fā)器管道壓力降的核算如表4所示.

表4 3種方案管程壓力降和總壓力降Tab.4 Tube side pressure drop and totalpressure drop of three kindsof tube side

LT-MED-TVC各效間溫差、壓差較小，多個換熱器串聯(lián)必然增大管程的流體阻力，因此對管道阻力降的分析也十分必要.

單管程總壓力降最低，僅為15 Pa.雙管程和三管程的總壓力降分別為33 Pa和59 Pa，三管程約是單管程的4倍.因此，采用多管程換熱器的形式，在一定程度上增大傳熱效率.然而，過多的管程也會增加效間壓力降.

4 結(jié)論

1）MED-TVC蒸發(fā)器換熱面積相同、管程設計結(jié)構(gòu)不同，其換熱效率存在差異.對于相同的蒸發(fā)量，蒸發(fā)器為單管程換熱器時，所需換熱面積最大；合理劃分為多個管程有利于提高傳熱效率.然而過多的分割會造成阻力降的升高.

2）MED-TVC蒸發(fā)器的傳熱阻力集中在殼側(cè)，提高換熱管外海水成膜的分布狀態(tài)是目前提高蒸發(fā)效率的關鍵環(huán)節(jié).換熱管金屬材質(zhì)對總換熱效率影響很小.

3）各效蒸發(fā)器之間的阻力降分布是設計需要注意的，降低附屬設備的阻力降也是發(fā)掘海水淡化裝置造水潛力的一個重要途徑.

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