CO2水合物法海水淡化裝置的?及能耗分析

楊亞彬，謝應(yīng)明，耿時江，馬瑞，莊雅琪，王喜

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

CO2水合物法海水淡化裝置的?及能耗分析

楊亞彬*，謝應(yīng)明，耿時江，馬瑞，莊雅琪，王喜

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

淡水資源是本世紀(jì)重要但緊缺的戰(zhàn)略資源，海水淡化是獲取淡水的有效途徑。本文提出了壓縮式制冷循環(huán)的CO2水合物海水淡化裝置。實驗選用濃度為25‰的海水，并在4組不同充注壓力下進(jìn)行。實驗結(jié)果表明：節(jié)流裝置的?損失達(dá)到15 kJ/kg，其余部件?損失為(3～8) kJ/kg。

水合物；制冷循環(huán)；?損失

0 前言

本世紀(jì)淡水資源面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，海水淡化技術(shù)被認(rèn)為是有效的解決方案。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)包括熱方法、溶液萃取法、膜方法、化學(xué)方法等[1]。20世紀(jì)40年代PARKER等[2]首次提出了利用水合物技術(shù)從海水中分離出淡水的技術(shù)。水合物法具有設(shè)備簡單、運行成本低、不易結(jié)垢等優(yōu)點[3]。KANG等[4]運用海水進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)CO2適合做水合劑。

竇斌等[5]發(fā)明了一套可以連續(xù)制備淡水的裝置，利用兩個反應(yīng)釜分別生成和分解水合物，從而得到淡水。多級海水淡化可以提高淡化水的純度，任宏波等[6]探索了多級海水淡化并對經(jīng)濟性進(jìn)行分析，得出三級海水淡化流程的淡化產(chǎn)量較高，是比較理想的淡化流程。龍臻等[7]分析CO2對海水淡化裝置系統(tǒng)的作用，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)水合物生成的動力學(xué)方式，可以加快淡水產(chǎn)率。李棟梁等[8]發(fā)明了一套利用LNG冷量進(jìn)行海水淡化裝置，原理是先利用LNG冷量對反應(yīng)槽內(nèi)部降溫使其達(dá)到水合物生成的溫度，再向反應(yīng)槽中通入高壓的CO2氣體形成水合物，然后使水合物分解從而得到淡水。司春強等[9]對CO2跨臨界循環(huán)進(jìn)行了?分析，得出提高蒸發(fā)溫度或者降低冷卻器出口溫度有利于提高循環(huán)?效率，此外壓力、過冷度也會影響?損失[10-12]。楊俊蘭等[13]對帶節(jié)流閥和膨脹機的CO2跨臨界循環(huán)進(jìn)行?分析，發(fā)現(xiàn)用膨脹機代替節(jié)流閥可以降低系統(tǒng)的?損失，提高系統(tǒng)的?效率。

本實驗裝置是以傳統(tǒng)CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，用反應(yīng)釜替代蒸發(fā)器，使得CO2在反應(yīng)釜內(nèi)和水直接接觸換熱并且參與水和反應(yīng)生成水合物，本

式中：

I12內(nèi)——冷凝器內(nèi)部?損失，kJ/kg；

h2、h3——冷凝器進(jìn)、出口的焓值，kJ/kg；

s2、s3——冷凝器進(jìn)、出口的熵，kJ/(kg·K)；

T1——冷凝器內(nèi)部溫度，K。

外部?損失（離開系統(tǒng)的?）是指熱能散失到空氣中造成?損失，則：

式中：

Eq——冷凝器外部?損失，kJ/kg；

q——散失到空氣中的熱量，kJ/kg。

圖2 CO2水合物海水淡化系統(tǒng)壓焓圖

3）回?zé)崞鞯?損失

假設(shè)回?zé)崞鳠o熱量散失，以回?zé)崞髯鳛檎w。

式中：I13——回?zé)崞鞯?損失，kJ/kg；h3,、h3、h1,、h1——高低壓側(cè)回?zé)崞鬟M(jìn)出口的焓值，kJ/kg；s3,、s3、s1,、s1——高低壓側(cè)回?zé)崞鬟M(jìn)出口的熵，kJ/(kg·K)。

4）節(jié)流閥的?損失

節(jié)流裝置的節(jié)流過程為等焓的過程。

式中：

I34——節(jié)流閥的?損失，kJ/kg；

s4、s3——節(jié)流閥進(jìn)出口的熵，kJ/(kg·K)。

5）反應(yīng)釜的?損失

式中：

I41——反應(yīng)釜的?損失，kJ/kg；

T2——反應(yīng)釜內(nèi)溫度，K；

s1,、s4——反應(yīng)釜進(jìn)出口的熵，kJ/(kg·K)。

h1,、h4——反應(yīng)釜進(jìn)出口的焓值，kJ/kg；

因此，整套系統(tǒng)的?損失I為：

管路的流阻壓降引起的?損失，已經(jīng)加到相應(yīng)的部件?損失中。

2.2 實驗結(jié)果和討論

本文有以下假設(shè)：1）本實驗計算焓值都是以純CO2為基準(zhǔn)（除反應(yīng)釜計算的時候已經(jīng)根據(jù)公式2換算為水合物的）；2）節(jié)流過程是等焓過程，包括工質(zhì)從節(jié)流裝置入口到反應(yīng)釜入口；3）不考慮壓縮機本身吸熱升溫這一階段的?損失。

在進(jìn)行各部件?損失計算時，可以通過采集的數(shù)據(jù)確定圖3中狀態(tài)點在某一時刻的狀態(tài)參數(shù)，從而計算出各狀態(tài)參數(shù)下的焓值和熵值。

圖3 充注壓力3.6 MPa、鹽度25‰時制冷系統(tǒng)各部件?損失

從圖3中分析可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)流閥的?損失比較大，其余部件之間的?損失差別不大，未出現(xiàn)水合物大量生成時?損失曲線波動幅度較大的情況，說明水合物大量生成時不會出現(xiàn)較大的?損失。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在不同實驗條件下系統(tǒng)中各部件本身的平均?損失差別不大。但是節(jié)流裝置的平均?損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部件。本實驗裝置中節(jié)流損失是工質(zhì)從節(jié)流閥進(jìn)口開始到反應(yīng)釜的進(jìn)口這一段來計算的，且為防止意外造成釜內(nèi)水進(jìn)入壓縮機，實驗臺在這一段有U型的彎管，這也造成了部分的?損失，反映出了本實驗臺的設(shè)計不足之處。這也說明?分析對優(yōu)化工藝流程起到指導(dǎo)作用。

表1 系統(tǒng)各部件?損失平均值/(kJ/kg)

2.3 系統(tǒng)的壓縮機耗功

CO2水合物海水淡化系統(tǒng)中，消耗的能量為電能，壓縮機的耗電量基本上等于整個系統(tǒng)的耗電量。用壓縮機單位流量功率與瞬時流量乘積得到。

從圖4可以看出，充注壓力的提高，該系統(tǒng)的能耗下降非常明顯，可由1,000 kJ左右下降到500 kJ左右，下降率達(dá)到50%。隨著充注壓力的增加，反應(yīng)的預(yù)冷時間變短，水合物生成時間短，縮短壓縮機的工作時間也就變短，從而使壓縮機的耗電量減小。

圖4 水合物海水淡化壓縮機功耗

3 結(jié)語

實驗系統(tǒng)中各部件?損失基本維持在一定的范圍，節(jié)流裝置的?損失相比其他部件要高很多。由于本實驗裝置還有一些可改善的地方，改善和優(yōu)化實驗工藝流程，可以降低系統(tǒng)能量損失，降低壓縮機的功耗，為水合物海水淡化廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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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

*楊亞彬（1989-），男，碩士研究生。研究方向：氣體水合物。聯(lián)系地址：上海市軍工路516號上海理工大學(xué)，郵編：200093。聯(lián)系電話：18738386687。E-mail：1016560100@qq.com。

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.50806050），上海市教委科研創(chuàng)新項目（No.14YZ097）。