化工学报 ›› 2022, Vol. 73 ›› Issue (2): 759-769.DOI: 10.11949/0438-1157.20211022
收稿日期:2021-07-21
修回日期:2021-09-09
出版日期:2022-02-05
发布日期:2022-02-18
通讯作者:
罗雄麟
作者简介:王天媛(1996—),女,硕士研究生,基金资助:
Tianyuan WANG(
),Chunbo CHEN,Lin SUN,Xionglin LUO(
)
Received:2021-07-21
Revised:2021-09-09
Online:2022-02-05
Published:2022-02-18
Contact:
Xionglin LUO
摘要:
多效蒸发(MED)是最主要的海水淡化方法之一,作为典型的慢时变系统,该系统在长期运行的过程中,往往会由于结垢导致蒸发器传热效率降低,造成减产甚至停工。为避免出现这种问题,工艺设计者会采取冗余设计,增大传热面积,这会导致设备投资的显著增加。为保证MED系统能够全周期运行,且尽可能减少总传热面积,提出了一种全周期优化设计方法。该方法以总传热面积最小为目标,对决策变量在整个周期内进行分段优化,同时考虑结垢过程、工艺变化以及控制方面的需求,对各效传热面积进行裕量设计,通过一步优化求解得到最优操作条件与最小传热面积,实现对慢时变系统的优化设计。最后,以八效MED海水淡化装置为例,同时用等面积法、等温差法、稳态优化设计方法以及全周期优化设计方法对系统进行设计。结果表明,全周期优化设计方法能够最大限度减少传热面积,大大降低了系统的设备投资,是一种有着良好应用前景的多效蒸发海水淡化系统优化设计方法。
中图分类号:
王天媛, 陈春波, 孙琳, 罗雄麟. 基于全周期缓慢结垢的多效蒸发海水淡化慢时变系统优化设计[J]. 化工学报, 2022, 73(2): 759-769.
Tianyuan WANG, Chunbo CHEN, Lin SUN, Xionglin LUO. Optimal design of slow-time-varying system for multi-effect distillation desalination based on full-cycle slow fouling[J]. CIESC Journal, 2022, 73(2): 759-769.
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 物性参数 | |
| 外来加热蒸汽压力/MPa | 0.5 |
| 外来加热蒸汽温度/℃ | 151.8 |
| 进料海水温度/℃ | 35 |
| 进料海水盐分质量含量/% | 3.0 |
| 浓盐水顶温/℃ | <70 |
| 换热管参数 | |
| 长度/m | 6 |
| 外径/m | 0.024 |
| 厚度/m | 0.0007 |
表1 MED-TVC系统基本物性参数及设备尺寸
Table 1 Basic physical parameters and equipment size of MED-TVC system
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 物性参数 | |
| 外来加热蒸汽压力/MPa | 0.5 |
| 外来加热蒸汽温度/℃ | 151.8 |
| 进料海水温度/℃ | 35 |
| 进料海水盐分质量含量/% | 3.0 |
| 浓盐水顶温/℃ | <70 |
| 换热管参数 | |
| 长度/m | 6 |
| 外径/m | 0.024 |
| 厚度/m | 0.0007 |
| 效序数 | 单效进料海水流量/(kg/s) | 蒸发器内部压力/kPa | 蒸发温度/℃ | 预热器预热温差/℃ | 引射蒸汽流量/(kg/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 31.59 | 27.342 | 67 | 4 | 4.4 |
| 2 | 31.59 | 23.917 | 64 | 4 | |
| 3 | 31.59 | 20.864 | 61 | 4 | |
| 4 | 31.59 | 18.148 | 58 | 4 | |
| 5 | 31.59 | 15.738 | 55 | 4 | |
| 6 | 31.59 | 13.607 | 52 | 4 | |
| 7 | 31.59 | 11.727 | 49 | 4 | |
| 8 | 31.59 | 10.074 | 46 | — |
表2 MED-TVC系统操作条件
Table 2 MED-TVC system operating conditions
| 效序数 | 单效进料海水流量/(kg/s) | 蒸发器内部压力/kPa | 蒸发温度/℃ | 预热器预热温差/℃ | 引射蒸汽流量/(kg/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 31.59 | 27.342 | 67 | 4 | 4.4 |
| 2 | 31.59 | 23.917 | 64 | 4 | |
| 3 | 31.59 | 20.864 | 61 | 4 | |
| 4 | 31.59 | 18.148 | 58 | 4 | |
| 5 | 31.59 | 15.738 | 55 | 4 | |
| 6 | 31.59 | 13.607 | 52 | 4 | |
| 7 | 31.59 | 11.727 | 49 | 4 | |
| 8 | 31.59 | 10.074 | 46 | — |
| 效序数 | 蒸发温度/℃ | 海水进料流量/(kg/s) | 预热器预热温差/℃ | 引射蒸汽流量/(kg/s) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
等温 差法 | 等面 积法 | 稳态优化 | 等温差法 | 等面积法 | 稳态优化 | 等温 差法 | 等面 积法 | 稳态 优化 | 等温 差法 | 等面 积法 | 稳态 优化 | |
| 1 | 67 | 67 | 68.57 | 31.59 | 31.59 | 48.53 | 3 | 4 | 3 | 4.4 | 4.4 | 4.1 |
| 2 | 64 | 64 | 63.47 | 48.80 | 3 | |||||||
| 3 | 61 | 61 | 60.28 | 45.34 | 3 | |||||||
| 4 | 58 | 58 | 57.25 | 41.36 | 4 | |||||||
| 5 | 55 | 55 | 54.35 | 34.01 | 5 | |||||||
| 6 | 52 | 52 | 51.23 | 27.62 | 7 | |||||||
| 7 | 49 | 49 | 48.45 | 25.32 | 7 | |||||||
| 8 | 46 | 46 | 45.76 | 22.10 | - | |||||||
表3 操作条件设计结果
Table 3 Operating condition results
| 效序数 | 蒸发温度/℃ | 海水进料流量/(kg/s) | 预热器预热温差/℃ | 引射蒸汽流量/(kg/s) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
等温 差法 | 等面 积法 | 稳态优化 | 等温差法 | 等面积法 | 稳态优化 | 等温 差法 | 等面 积法 | 稳态 优化 | 等温 差法 | 等面 积法 | 稳态 优化 | |
| 1 | 67 | 67 | 68.57 | 31.59 | 31.59 | 48.53 | 3 | 4 | 3 | 4.4 | 4.4 | 4.1 |
| 2 | 64 | 64 | 63.47 | 48.80 | 3 | |||||||
| 3 | 61 | 61 | 60.28 | 45.34 | 3 | |||||||
| 4 | 58 | 58 | 57.25 | 41.36 | 4 | |||||||
| 5 | 55 | 55 | 54.35 | 34.01 | 5 | |||||||
| 6 | 52 | 52 | 51.23 | 27.62 | 7 | |||||||
| 7 | 49 | 49 | 48.45 | 25.32 | 7 | |||||||
| 8 | 46 | 46 | 45.76 | 22.10 | - | |||||||
| 效序数 | 操作裕量/% | 结垢裕量/% | 控制裕量/% | 总设计裕量/% | 总传热面积/m2 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
稳态 优化 | 稳态 优化 | 稳态 优化 | 等面 积法 | 等温 差法 | 稳态 优化 | 等面 积法 | 等温 差法 | 稳态 优化 | |
| 1 | 0.1 | 13.7 | 2.0 | 20.0 | 20.0 | 15.8 | 29202.66 | 22848.80 | 21197.64 |
| 2 | 1.6 | 13.3 | 16.9 | ||||||
| 3 | 0.9 | 14.6 | 17.5 | ||||||
| 4 | 2.2 | 16.3 | 20.5 | ||||||
| 5 | 8.0 | 19.7 | 29.7 | ||||||
| 6 | 13.4 | 23.1 | 38.5 | ||||||
| 7 | 20.7 | 21.3 | 44.0 | ||||||
| 8 | 34.4 | 19.8 | 56.2 | ||||||
表4 各效裕量及总传热面积设计结果
Table 4 Design results of each effect margin and heat transfer area
| 效序数 | 操作裕量/% | 结垢裕量/% | 控制裕量/% | 总设计裕量/% | 总传热面积/m2 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
稳态 优化 | 稳态 优化 | 稳态 优化 | 等面 积法 | 等温 差法 | 稳态 优化 | 等面 积法 | 等温 差法 | 稳态 优化 | |
| 1 | 0.1 | 13.7 | 2.0 | 20.0 | 20.0 | 15.8 | 29202.66 | 22848.80 | 21197.64 |
| 2 | 1.6 | 13.3 | 16.9 | ||||||
| 3 | 0.9 | 14.6 | 17.5 | ||||||
| 4 | 2.2 | 16.3 | 20.5 | ||||||
| 5 | 8.0 | 19.7 | 29.7 | ||||||
| 6 | 13.4 | 23.1 | 38.5 | ||||||
| 7 | 20.7 | 21.3 | 44.0 | ||||||
| 8 | 34.4 | 19.8 | 56.2 | ||||||
| 效序数 | 总设计裕量/% | 总传热面积/m2 |
|---|---|---|
| 1 | 6.87 | 18387.08 |
| 2 | 29.63 | |
| 3 | 22.31 | |
| 4 | 13.87 | |
| 5 | 11.26 | |
| 6 | 11.38 | |
| 7 | 12.58 | |
| 8 | 33.29 |
表5 全周期优化设计换热面积裕量值
Table 5 The values of full-cycle optimization design margin
| 效序数 | 总设计裕量/% | 总传热面积/m2 |
|---|---|---|
| 1 | 6.87 | 18387.08 |
| 2 | 29.63 | |
| 3 | 22.31 | |
| 4 | 13.87 | |
| 5 | 11.26 | |
| 6 | 11.38 | |
| 7 | 12.58 | |
| 8 | 33.29 |
图10 四种设计方法下总传热面积与总驱动蒸汽量全周期运行结果对比A—全周期优化设计;B—稳态优化设计;C—等温差法设计;D—等面积法设计
Fig.10 Comparison of the total heat transfer area and the total motive steam flow rate under the four design methods for full cycle operation results
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