喷雾蒸发—低温蒸馏集成海水淡化设备研究

论文摘要

喷雾蒸发-低温蒸馏海水淡化技术是一种集成的海水和苦咸水淡化技术,它利用喷雾蒸发尾气为低温蒸馏提供加热蒸汽,同时喷雾蒸发可以对低温蒸馏浓盐水进行二次浓缩,以提高过程的产水量和回收率。本文设计了以管壳式降膜蒸发器为基础的低温蒸馏设备,建立了无／有折流挡板强化冷凝的两套集成海水淡化设备,并建立了相应的数据采集系统,分别完成了集成淡化基本流程与操作参数相关性实验。研究表明,喷雾浓盐水量、加热空气流量以及蒸馏柱进料量对过程的影响规律类似：随着它们的增加蒸馏柱淡水产率呈现先增后减的趋势；随着加热空气温度和蒸馏柱真空度的提高,蒸馏柱的淡水产率增加。有折流挡板设备同无折流挡板设备的不同点在于随着加热空气流量增加,其蒸馏柱产水率增加。在本文的实验操作区间内,喷雾浓盐水量、加热空气流量以及蒸馏柱进料量均存在一个适宜的区间,对无折流板系统而言分别为0.3-0.4 kg h-1、15-20 m3 h-1与0.8-1.4kgh-1,对于有折流板系统而言分别是0.6-0.8kgh-1、20-25 m3 h-1与1.8-2.2kgh-1；同时在条件允许的情况下,宜选用较高的加热空气温度和蒸馏柱真空度,对本文试验设备而言为190-210℃和0.01MPa。试验还证明折流挡板可以有效提高集成系统性能,无折流板设备蒸馏柱淡水产率、总产水量以及造水比分别可达3.5kgh-1m-2、0.8 kg h-1及1.0；而有折流板设备蒸馏柱淡水产率、总产水量以及造水比分别可以达到4 kg h-1m-2、1.4kg h-1及1.7。结构优化研究表明,折流挡板强化冷凝蒸馏柱的换热管适宜的长径比为100。在盐水浓度为10,000mg/L的进料条件下,喷雾尾气冷凝产水含盐量为200-350 mg/L之间,同时蒸馏柱二次蒸汽产水含盐量为30-60mg/L,与传统蒸馏法的淡化水质相当。实验建立了倾斜管状流道,使用人工海水研究了铜管在海水中的结垢情况。研究表明,结垢需经一个诱导期后产生,同时在较高温度和较慢海水流速下铜管更易结垢；对结垢成分的研究表明,在高温情况下碳酸钙易结垢,低温时硫酸钙则为结垢的主要成分。静态结垢进一步证明了结垢存在诱导期,同时表明在结垢过程中碳酸钙首先析出。通过对晶体结晶诱导期的检测研究了碳酸钙和硫酸钙在不同温度和流体状态下的晶体结晶动力学参数。结果表明,使用可见光-紫外光分光光度仪可以准确地测量出晶体结晶的诱导期；随着温度、过饱和度和溶液湍动程度的提高,硫酸钙结晶诱导期缩短。然而,对于碳酸钙晶体未发现溶液搅拌速率对结晶诱导期存在明显影响。针对晶体结晶参数的研究表明,硫酸钙和碳酸钙晶体成核自由能随溶液温度的增加而降低,同时并未发现两种晶体的固液界面张力与操作条件有直接联系。建立了碳酸钙和硫酸钙晶体结晶诱导期的预测函数,结果证明预测结果和实验数据吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 综述
• 1.1 海水淡化技术综述
• 1.1.1 水资源问题与海水淡化发展
• 1.1.2 主要海水淡化技术
• 1.2 海水淡化技术的发展
• 1.2.1 总体发展趋势
• 1.2.2 蒸馏技术与反渗透技术发展趋势
• 1.2.3 可再生能源和回收能源在蒸馏淡化中的应用
• 1.2.4 集成淡化技术的发展
• 1.2.5 新型淡化技术的发展
• 1.3 喷雾蒸发淡化技术
• 1.3.1 基本原理
• 1.3.2 喷雾蒸发技术的研究现状
• 1.4 喷雾蒸发与其他淡化技术的集成
• 1.5 淡化设备结垢与晶体成核分析
• 1.5.1 海水淡化结垢
• 1.5.2 诱导期与初级成核理论
• 1.6 本文工作意义和主要研究内容
• 2 实验装置与数据采集系统
• 2.1 集成淡化设备实验装置
• 2.1.1 喷雾蒸发设备
• 2.1.2 低温蒸馏设备
• 2.2 淡化实验流程与实验方法
• 2.2.1 实验流程
• 2.2.2 实验方法与步骤
• 2.2.3 集成设备的性能表征
• 2.3 设备结垢、结晶实验方法
• 2.3.1 铜片结垢分析
• 2.3.2 结晶动力学分析
• 2.4 本章小结
• 3 集成淡化过程影响因素研究
• 3.1 集成淡化过程的考察因素
• 3.2 蒸馏柱进料量对过程的影响
• 3.3 加热空气温度对过程的影响
• 3.4 加热空气流量对过程的影响
• 3.5 喷雾浓盐水量对过程的影响
• 3.6 蒸馏柱管程压力对过程的影响
• 3.7 本章小结
• 4 强化冷凝的集成淡化设备的实验研究
• 4.1 操作条件对过程的影响及同设备Ⅰ的比较
• 4.1.1 蒸馏柱进料量的影响
• 4.1.2 加热空气温度对过程的影响
• 4.1.3 加热空气流量对过程的影响
• 4.1.4 喷雾浓盐水量对过程的影响
• 4.1.5 集成系统总产水量和热效率的比较
• 4.1.6 适宜操作条件的比较
• 4.2 蒸馏柱Ⅱ结构优化
• 4.3 集成淡化工艺的产品水盐度
• 4.3.1 产水Ⅰ水质分析
• 4.3.2 产水Ⅱ水质分析
• 4.4 本章小结
• 5 蒸馏柱结垢研究
• 5.1 铜管结垢研究
• 5.1.1 结垢随时间变化情况分析
• 5.1.2 结垢量随操作条件的变化
• 5.1.3 结垢成分分析
• 5.1.4 静态结垢实验分析
• 5.2 晶体结垢主要成分结晶机理研究
• 5.2.1 硫酸钙结晶机理研究
• 5.2.2 碳酸钙结晶机理研究
• 5.3 本章小结
• 6. 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历及发表论文情况