低温多效海水淡化蒸发器的管道分程与传热模拟分析

郭晓俊，刘 燕，袁俊生

（河北工业大学 海水利用中心，天津 300130）

0 引言

低温多效 （low temperature multi-effect distillation）海水淡化是在第一效蒸发温度低于70℃的情况下，将几个蒸发器串连进行蒸发操作，是一种可以节省热量的蒸馏淡化方法，又称LT-MED.LT-MED通常与蒸汽热泵（thermal vapor compression）相结合，形成LT-MED-TVC的工业应用模式[1-2].LT-MED-TVC具有水质好和可利用工厂余热或低品位热源的优点，成为当前发展较快的主流海水淡化技术之一.低温多效海水淡化产品水可提供锅炉给水和工艺纯水，适合于有低品位蒸汽或余热可利用的沿海电力、石化、钢铁等企业[3-5].

随着海水淡化装置的兴建，LT-MED-TVC系统模拟计算方法也备受关注，沈胜强等建立了LT-MED-TVC计算模型，对串流、并流和并叉流3种工艺流程进行了计算和分析[6].解利昕等对四效平流LT-MED-TVC装置进行了系统模拟计算，结果与实际运行指标十分接近[7].郝冬青等采用了Aspen Plus软件对LT-MED-TVC系统进行了模拟[8].

LT-MED-TVC效间温差小，所需换热面积很大，而换热管一般采用耐腐蚀的铜镍管，设备造价十分昂贵.因此，合理设计蒸发器结构，使有限的换热面积发挥最大的换热效率是热法海水淡化的关键技术.目前，各个海水淡化工厂的LT-MED-TVC设计形式有所差异，但其本质仍是通过一定的方式连接起来的水平管降膜蒸发器.

笔者了解过多家LT-MED-TVC的蒸发器结构，同时也参与设计过日产千吨级LT-MED-TVC蒸发器.实际运行中的蒸发结构有单管程、双管程和三管程等多种形式.为详细了解管程对换热面积的影响，本文结合某LT-MED-TVC海水淡化工厂蒸发器的双管程结构和运行参数，将其中单效蒸发器中换热管通过简单分隔，划分为单管程、双管程或三管程3种形式.采用ASPENPLUS7.0化工模拟系统和HTRI5.0换热模拟软件对以上设计方案进行模拟计算和分析，评价了相同蒸发量情况下，单效蒸发器的管程划分对换热面积的影响.本文还计算和分析蒸发器的传热阻力及其分布，为进一步提高蒸发器传热效率提供理论依据.

1 模拟计算

1.1 物性选择

物性方法的选择是流程模拟计算结果准确程度的关键.MED-TVC主要工艺过程为海水的蒸发和水蒸气的冷凝.海水的物性计算采用了Chen等人提出的电解质NRTL模型计算海水的活度系数、焓和吉布斯能[9]，此模型在ASPEN PLUS中有专用的数据包[10].为了简化计算，海水电解质仅加入了一定浓度Na+和Cl+离子.水蒸气的冷凝采用ASPENPLUS中有专用的蒸汽表.水和蒸汽的液相和气相粘度采用“水蒸汽性质的国际协会”开发的IAPS模型.

1.2 计算模型

采用ASPEN PLUS7.0中的HeatX、Flash等模块进行流程模拟计算，计算结果导入HTRI5.0软件进行换热计算.水平降膜蒸发器模型选用NXN形式.管内、外热阻采用某实际运行海水淡化装置数据.为简化计算，所有换热管采用了同一规格的合金管.

2 设计方案与计算模型的建立

某海水淡化装置的某效进料状况如下：蒸汽流量93 252 kg/h，温度为68.4℃，压力0.288 bar；进入蒸发器的气化分率均为1，出蒸发器的气化分率均为0.005 4，即蒸汽流量为503 kg/h.海水流量512 444 kg/h，温度66.33℃，含盐量4%（盐以NaCl代替）.下文涉及物料流量及管侧、壳侧热阻均来自该海水淡化装置.

该效蒸发器双管程管道划分比例如表1所示.三管程蒸发器的管束划分通过试差法确定，目标使3个管程内蒸汽流速保持一定，划分结果见表1.

利用ASPEN PLUS7.0流程模拟软件进行模拟计算，HTRI5.0进行换热计算.

图1为单管程方案，（以下叙述中蒸汽以G、海水以S、产品水以W开头表示）.GGG1进入换热器的管程进行冷凝，未冷却的 GGG3流出管程.SSSW 1从蒸发器上部进入，成膜状穿过换热器的壳程.生成的GGG2进入下一效，SSSW 2从下部流出蒸发器.图2为流程模拟的计算模型，只是在换热器后增加了相平衡计算，从而得到冷凝水的量和二次蒸汽的量.

表1 换热器管束的划分Tab.1 Partition of tube bundle of exchanger

图1 蒸发器为单管程Fig.1 Evaporimeterwith one tube side

图2 单管程蒸发器计算模型Fig.2 Calculationmodelof one tubesideevaporimeter

图3 蒸发器为双管程Fig.3 Evaporimeterwith double tube side

图3 为双管程换热器，前端GG1进入换热器2-1，WW 1和水蒸汽分离.分离的水蒸气进入换热器2-2继续冷凝，得到WW 2和GG3在水箱分离.SSW 1从蒸发器上部进入，首先与2-2换热蒸发，未蒸发的浓缩海水继续成膜状下降，与2-1换热蒸发，SSW 2从下部流出蒸发器.2-1和2-2壳侧海水蒸发的水蒸气汇合形成二次气GG2.

图4为双管程换热器串联设计方案的计算模型，主要在两次蒸汽GG1和GG1-G冷凝后增加相平衡计算.在入料海水SSW 1在2-2和2-1蒸发后也增加了相平衡计算，从而准确计算出2-1壳侧浓缩海水的流量.

图5为三管程换热器，物流原理与一、二管程相似，在此不一一叙述.

图4 双管程换热器的计算模型Fig.4 Calculationmodelof double tube sideevaporimeter

图5 蒸发器为三管程Fig.5 Evaporimeterw ith three tube side

图6 为单效蒸发器三管程换热器设计方案的计算模型.流程原理与图5相同.

3 结果与讨论

3.1 流程模拟计算结果

流程模拟计算结果如表2所示.从表2的计算结果可知，3种方案的热负荷一致.在此基础上，通过HTRI5.0软件对额定换热面积进行了计算.

3.2 3种方案换热面积的核算

壳体采用NXN型卧式换热器模型，蒸汽在管程.换热管为6 000 mm长、外径24 mm、壁厚1.25 mm的合金管，正30°排列，管心距31mm.根据以上条件，对3种方案换热器的面积和传热系数进行核算.

图6 三管程换热器计算模型Fig.6 Calculationmodelof exchangerw ith three tube side

表2 流程模拟计算结果Tab.2 Resultsof process simulation calculation

表3 换热器的计算结果Tab.3 Resultsof theexchanger simulation calculation

换热器的计算结果如表3所示，方案1显示面积裕量为 9.13%，30 650根换热管远未达到要求，还需要补充2 798根换热管才能满足换热要求.方案2由双管程换热器组成，2-1换热器面积裕量为 3.69%，在26052根管的基础上，还需增加961根管就可以满足要求.2-2的裕量为8.59%，比需要的换热管还多出395根.总之，方案2经过管束调整，只需补充566根换热管即可.

方案3为三管程蒸发器组成，3-1，3-2和3-3的面积裕量为17.07%、34.77%和38.51%，比需要的换热管多出4 541、1 204和225根，即减少5 970根换热管也能满足设计要求.

可见，不同的方案对换热面积的要求有较大差别，采用三管程换热器的形式有利于提高传热效率，从而降低投资成本.

3.3 蒸发器传热分析

蒸发器属于间壁式传热，影响传热效率的因素有管程内蒸汽冷凝热阻（tube）、总污垢热阻（fouling）、换热管管壁热阻（metal）和壳侧海水蒸发传热阻力（shell）.对以上换热器传热阻力的分布进行分析，结果如图7所示.

3种方案中涉及的6个换热器有相同的规律，即壳侧热阻所占权重最大，平均接近60%.可见，欲提高低温多效海水淡化蒸发器的传热效率，重点是降低壳侧的传热阻力，或者说提高壳侧对流传热系数.壳侧海水在换热管外的分布状态是制约蒸发器传热效率的瓶颈.本文中的污垢热阻为估计值，精准的污垢热阻值有利于保证传热效率的情况下控制设备投资.管侧对流传热系数和的比重约为15%，也占不小的比重.换热管选用的金属材质的热阻对总传热效率影响很小.

图7 3种方案中换热器的热阻分布Fig.7 Thermal resistance distribution of three kindsof exchanger

3.4 3种方案单效蒸发器管道压力降的核算

3种方案单效蒸发器管道压力降的核算如表4所示.

表4 3种方案管程压力降和总压力降Tab.4 Tube side pressure drop and totalpressure drop of three kindsof tube side

LT-MED-TVC各效间温差、压差较小，多个换热器串联必然增大管程的流体阻力，因此对管道阻力降的分析也十分必要.

单管程总压力降最低，仅为15 Pa.双管程和三管程的总压力降分别为33 Pa和59 Pa，三管程约是单管程的4倍.因此，采用多管程换热器的形式，在一定程度上增大传热效率.然而，过多的管程也会增加效间压力降.

4 结论

1）MED-TVC蒸发器换热面积相同、管程设计结构不同，其换热效率存在差异.对于相同的蒸发量，蒸发器为单管程换热器时，所需换热面积最大；合理划分为多个管程有利于提高传热效率.然而过多的分割会造成阻力降的升高.

2）MED-TVC蒸发器的传热阻力集中在壳侧，提高换热管外海水成膜的分布状态是目前提高蒸发效率的关键环节.换热管金属材质对总换热效率影响很小.

3）各效蒸发器之间的阻力降分布是设计需要注意的，降低附属设备的阻力降也是发掘海水淡化装置造水潜力的一个重要途径.

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