CO2水合物法海水淡化装置的㶲及能耗分析

杨亚彬，谢应明，耿时江，马瑞，庄雅琪，王喜

（上海理工大学，上海 200093）

CO2水合物法海水淡化装置的㶲及能耗分析

杨亚彬*，谢应明，耿时江，马瑞，庄雅琪，王喜

（上海理工大学，上海 200093）

淡水资源是本世纪重要但紧缺的战略资源，海水淡化是获取淡水的有效途径。本文提出了压缩式制冷循环的CO2水合物海水淡化装置。实验选用浓度为25‰的海水，并在4组不同充注压力下进行。实验结果表明：节流装置的㶲损失达到15 kJ/kg，其余部件㶲损失为(3～8) kJ/kg。

水合物；制冷循环；㶲损失

0 前言

本世纪淡水资源面临严重的挑战，海水淡化技术被认为是有效的解决方案。传统的海水淡化技术包括热方法、溶液萃取法、膜方法、化学方法等[1]。20世纪40年代PARKER等[2]首次提出了利用水合物技术从海水中分离出淡水的技术。水合物法具有设备简单、运行成本低、不易结垢等优点[3]。KANG等[4]运用海水进行实验，发现CO2适合做水合剂。

窦斌等[5]发明了一套可以连续制备淡水的装置，利用两个反应釜分别生成和分解水合物，从而得到淡水。多级海水淡化可以提高淡化水的纯度，任宏波等[6]探索了多级海水淡化并对经济性进行分析，得出三级海水淡化流程的淡化产量较高，是比较理想的淡化流程。龙臻等[7]分析CO2对海水淡化装置系统的作用，发现改进水合物生成的动力学方式，可以加快淡水产率。李栋梁等[8]发明了一套利用LNG冷量进行海水淡化装置，原理是先利用LNG冷量对反应槽内部降温使其达到水合物生成的温度，再向反应槽中通入高压的CO2气体形成水合物，然后使水合物分解从而得到淡水。司春强等[9]对CO2跨临界循环进行了㶲分析，得出提高蒸发温度或者降低冷却器出口温度有利于提高循环㶲效率，此外压力、过冷度也会影响㶲损失[10-12]。杨俊兰等[13]对带节流阀和膨胀机的CO2跨临界循环进行㶲分析，发现用膨胀机代替节流阀可以降低系统的㶲损失，提高系统的㶲效率。

本实验装置是以传统CO2跨临界循环系统为基础，用反应釜替代蒸发器，使得CO2在反应釜内和水直接接触换热并且参与水和反应生成水合物，本

式中：

I12内——冷凝器内部㶲损失，kJ/kg；

h2、h3——冷凝器进、出口的焓值，kJ/kg；

s2、s3——冷凝器进、出口的熵，kJ/(kg·K)；

T1——冷凝器内部温度，K。

外部㶲损失（离开系统的㶲）是指热能散失到空气中造成㶲损失，则：

式中：

Eq——冷凝器外部㶲损失，kJ/kg；

q——散失到空气中的热量，kJ/kg。

图2 CO2水合物海水淡化系统压焓图

3）回热器的㶲损失

假设回热器无热量散失，以回热器作为整体。

式中：I13——回热器的㶲损失，kJ/kg；h3,、h3、h1,、h1——高低压侧回热器进出口的焓值，kJ/kg；s3,、s3、s1,、s1——高低压侧回热器进出口的熵，kJ/(kg·K)。

4）节流阀的㶲损失

节流装置的节流过程为等焓的过程。

式中：

I34——节流阀的㶲损失，kJ/kg；

s4、s3——节流阀进出口的熵，kJ/(kg·K)。

5）反应釜的㶲损失

式中：

I41——反应釜的㶲损失，kJ/kg；

T2——反应釜内温度，K；

s1,、s4——反应釜进出口的熵，kJ/(kg·K)。

h1,、h4——反应釜进出口的焓值，kJ/kg；

因此，整套系统的㶲损失I为：

管路的流阻压降引起的㶲损失，已经加到相应的部件㶲损失中。

2.2 实验结果和讨论

本文有以下假设：1）本实验计算焓值都是以纯CO2为基准（除反应釜计算的时候已经根据公式2换算为水合物的）；2）节流过程是等焓过程，包括工质从节流装置入口到反应釜入口；3）不考虑压缩机本身吸热升温这一阶段的㶲损失。

在进行各部件㶲损失计算时，可以通过采集的数据确定图3中状态点在某一时刻的状态参数，从而计算出各状态参数下的焓值和熵值。

图3 充注压力3.6 MPa、盐度25‰时制冷系统各部件㶲损失

从图3中分析可以发现，节流阀的㶲损失比较大，其余部件之间的㶲损失差别不大，未出现水合物大量生成时㶲损失曲线波动幅度较大的情况，说明水合物大量生成时不会出现较大的㶲损失。从表1中可以发现，在不同实验条件下系统中各部件本身的平均㶲损失差别不大。但是节流装置的平均㶲损失远远高于其他部件。本实验装置中节流损失是工质从节流阀进口开始到反应釜的进口这一段来计算的，且为防止意外造成釜内水进入压缩机，实验台在这一段有U型的弯管，这也造成了部分的㶲损失，反映出了本实验台的设计不足之处。这也说明㶲分析对优化工艺流程起到指导作用。

表1 系统各部件㶲损失平均值/(kJ/kg)

2.3 系统的压缩机耗功

CO2水合物海水淡化系统中，消耗的能量为电能，压缩机的耗电量基本上等于整个系统的耗电量。用压缩机单位流量功率与瞬时流量乘积得到。

从图4可以看出，充注压力的提高，该系统的能耗下降非常明显，可由1,000 kJ左右下降到500 kJ左右，下降率达到50%。随着充注压力的增加，反应的预冷时间变短，水合物生成时间短，缩短压缩机的工作时间也就变短，从而使压缩机的耗电量减小。

图4 水合物海水淡化压缩机功耗

3 结语

实验系统中各部件㶲损失基本维持在一定的范围，节流装置的㶲损失相比其他部件要高很多。由于本实验装置还有一些可改善的地方，改善和优化实验工艺流程，可以降低系统能量损失，降低压缩机的功耗，为水合物海水淡化广泛应用打下基础。

[1] 郑智颖, 李凤臣, 李倩, 等. 海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 科学通报, 2016(21): 2344-2370.

[2] PARKER A. Potable water from sea-water[J]. Nature, 1942, 149(3778): 357-357.

[3] 杨梦, 杨亮, 刘道平, 等. 气体水合物分解与生成技术应用研究进展[J]. 制冷学报, 2016, 37(2): 78-86.

[4] KANG K, LINGA P, PARK K, et al. Seawater desalination by gas hydrate process and removal characteristics of dissolved ions (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, B3+, Cl−, SO42−)[J]. Desalination, 2014, 353: 84-90.

[5] 窦斌, 蒋国盛, 吴翔, 等. 双作用气体水合物海水淡化方法: 中国, CN102259944B[P]. 2010-11-30.

[6] 任宏波, 刘昌岭, 孟庆国, 等. CO2水合物海水淡化流程实验研究[J]. 海洋技术学报, 2014, 33(3): 74-79.

[7] 龙臻, 李栋梁, 梁德青. 一种新型水合物法海水淡化系统能耗及经济性分析[J]. 水处理技术, 2010, 36(8): 67-70.

[8] 李国栋, 梁德青, 等. 一种利用LNG冷能进行海水淡化的方法: 中国, CN101746840B[P]. 2010-06-23.

[9] 司春强, 刘小朋, 林楚桂, 等. 跨临界CO2制冷循环㶲分析[J]. 节能技术, 2012, 30(5): 455-457.

[10] 龚毅, 侯峰, 梁志礼, 等. 跨临界 CO2循环制冷系统的实验研究[J]. 制冷技术, 2012, 32(1): 21-25.

[11] 邓帅, 王如竹, 代彦军. 二氧化碳跨临界制冷循环过冷却过程热力学分析[J]. 制冷技术, 2013, 33(3): 1-6.

[12] 喻志广, 祁影霞, 刘业凤, 等. HCFC-141b水合物海水淡化试验研究[J]. 制冷技术, 2012, 32(1):46-48.

[13] 杨俊兰, 马一太, 李敏霞, 等. CO2跨临界制冷循环系统性能评价及(㶲)分析[J]. 流体机械, 2004, 32(3): 34-38.

[14] 谢振兴, 谢应明, 周兴法, 等. 充注压力对压缩式制冷循环连续制备CO2水合物的影响[J]. 化工学报, 2014, 65(6): 2301-2307.

[15] HU J, SARI O, MAHMED C, et al. Experimental study on flow behaviors of CO2hydrate slurry[C]. Sofia, Bulgaria: International Institute of Refrigeration, 2010: 110-118.

Analysis on Exergy and Energy Consumption of Seawater Desalination Device with CO2Hydrate

YANG Yabin*, XIE Yingming, GENG Shijiang, MA Rui, ZHUANG Yaqi, WANG Xi
(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The fresh water resource is the most important but shortage strategic resource in this century, and the desalination is an efficient way to get fresh water. A new apparatus of CO2hydrate seawater desalination based on refrigeration cycle was proposed. The experiment was carried out under 25‰ seawater salinity and 4 kinds of filling pressure. The experimental result shows that, the exergy loss of the throttle device reaches up to about 15 kJ/kg, and the exergy losses of other components are within (3～8) kJ/kg.

Hydrate; Refrigeration; Exergy loss

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.105

*杨亚彬（1989-），男，硕士研究生。研究方向：气体水合物。联系地址：上海市军工路516号上海理工大学，邮编：200093。联系电话：18738386687。E-mail：1016560100@qq.com。

国家自然科学基金资助项目（No.50806050），上海市教委科研创新项目（No.14YZ097）。