低溫多效海水淡化系統(tǒng)的Aspen Plus模擬

郝冬青，沙作良，王彥飛，舒 暢

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

低溫多效海水淡化系統(tǒng)的Aspen Plus模擬

郝冬青，沙作良，王彥飛，舒 暢

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

應(yīng)用 Aspen Plus軟件，模擬低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的操作單元，建立完整的系統(tǒng)模型，并對模型進行分析．用法國SIDEM公司的四效低溫多效海水淡化系統(tǒng)，對建立模擬系統(tǒng)的可信性進行驗證．

低溫多效蒸發(fā)；海水淡化；Aspen Plus；模擬計算

Abstract：Simulation models of operation unit of low-temperature multi-effect distillation(LT-MED)seawater distillation were built with Aspen Plus software，then LT-MED system was simulated and analysed. Finally，the four-effect LT-MED seawater desalination system of SIDEM corporation France was used as an example for evaluating dependability basing on the simulation model.

Keywords：LT-MED；seawater distillation；Aspen Plus；simulation calculation

隨著人類社會的進步和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，特別是世界人口急劇增加，導致淡水資源的日益匱乏．2009年，瑞士達沃斯世界經(jīng)濟論壇年會曾發(fā)布報告，全球正面臨“水破產(chǎn)”危機，并預測在今后20年內(nèi)，人類爭奪水資源的競爭將愈演愈烈．各國能源生產(chǎn)領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等對水資源的需求量將大增，水資源今后可能比石油還昂貴．中國人均水資源僅為世界人均量的 1/4，是全球最缺水的 13個國家之一[1]．發(fā)展海水淡化技術(shù)，向大海要淡水已經(jīng)成為當今世界各國的共識．

海水淡化技術(shù)起源于 20世紀中葉，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已遍及全世界一百多個國家．其中，多級閃蒸(MSF)、低溫多效(LT-MED)和反滲透(RO)已成為海水淡化領(lǐng)域的三大主流技術(shù)，而低溫多效海水淡化技術(shù)以其易實現(xiàn)大型化、運行維護成本低等特點，成為海水淡化技術(shù)的主要研究方向[2]．近年來隨著海濱電廠的興建，水電聯(lián)產(chǎn)成為海水淡化工程建設(shè)的主要模式．

水電聯(lián)產(chǎn)模式最大的優(yōu)點就是可以降低能耗，而節(jié)能降耗正是當前全球最為熱點的話題，尤其是利用工程軟件模擬系統(tǒng)來改善工藝降低能耗，更是倍受關(guān)注．美國 Aspen Tech公司所開發(fā)的Aspen Plus軟件具有完備的物性數(shù)據(jù)庫，可通過已經(jīng)建立或者用戶自行建立的單元操作模型，對工藝流程進行模擬求解，得到流程的詳細信息，以尋找合理的工藝條件．西班牙的 Bruno等[3]使用 Aspen Plus軟件模擬過以太陽能為能源的反滲透淡化系統(tǒng)；美國佛吉尼亞學院的Al-Shayji等[4]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和 Aspen Plus建立的反滲透淡化模型分別對大規(guī)模海水淡化生產(chǎn)進行預測，但尚未應(yīng)用于低溫多效蒸發(fā)海水淡化領(lǐng)域．應(yīng)用該軟件建立海水淡化系統(tǒng)的模型，可以評價已有裝置的優(yōu)化操作和新建、改建裝置的優(yōu)化設(shè)計．

1 低溫多效海水淡化技術(shù)

低溫多效海水淡化技術(shù)是使用真空技術(shù)降低海水的沸點，并多次利用蒸汽，降低能量消耗的一項海水淡化技術(shù)．一般來講，低溫多效蒸發(fā)海水淡化過程中濃鹽水的最高蒸發(fā)溫度低于 70,℃．其特征是將一系列的蒸發(fā)器串聯(lián)起來，一定量的低溫蒸汽(一般為65～75,℃)進入首效蒸發(fā)器作為熱源與海水進行換熱后冷凝，而作為冷源的海水則蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，作為下一效的加熱蒸汽，并在下次換熱后冷凝為淡水，如此逐效多次蒸發(fā)和冷凝[5]．

2 模型的建立

在系統(tǒng)龐大時，傳統(tǒng)的建模方法會妨礙對系統(tǒng)進行深入的分析和研究[6]，模塊化建模則不同，其基本思想是將復雜多變的熱力系統(tǒng)看作由少數(shù)幾個典型種類的部件或模塊組成．根據(jù)這些模塊的特性及系統(tǒng)的質(zhì)量守恒和能量守恒建立模型．

2.1 基礎(chǔ)模型的建立

Aspen Plus軟件含有幾乎全部的單元操作模型，使用不同的基礎(chǔ)模型，依據(jù)熱量和物料平衡基本原理，可對不同工藝流程進行模擬．對于低溫多效海水淡化工藝流程而言，其主要操作單元為蒸發(fā)．在Aspen Plus軟件的基礎(chǔ)模型中，并沒有十分適合的單個單元模型可直接用來模擬海水淡化過程．為模擬海水淡化系統(tǒng)，本文在模擬中采用 Heater、Flash2和Mixer模型的不同組合，模擬淡化工藝中的蒸發(fā)器、閃蒸罐等操作單元．

2.1.1 蒸發(fā)器模型的建立

本文蒸發(fā)器模型的建立選用 Aspen Plus軟件中的換熱器模型Heater和分離器模型Flash2．

如圖 1所示，模擬中冷、熱物流的換熱通過兩個換熱器(Heater)，并在兩者之間建立熱流(Heat Stream)來完成．熱物流(HOT-IN)通過模塊 B2，降溫、冷凝釋放出的顯熱和潛熱通過熱流HEAT傳遞給冷物流(COLD-IN)，冷物流接受熱量后蒸發(fā)，并在模塊 B3(Flash2)中進行氣液分離獲得二次蒸汽和濃鹽水．

2.1.2 閃蒸罐模型的建立

低溫多效海水淡化系統(tǒng)模擬中，閃蒸罐采用Aspen Plus軟件的 Flash2．在規(guī)定出口條件的情況下，完成氣液平衡的計算，見圖2．

圖1 蒸發(fā)器模型Fig.1 Simulation model of evaporator

圖2 閃蒸罐模型Fig.2 Simulation model of flash tank

2.2 系統(tǒng)的定義

2.2.1 組分的定義

海水組成復雜，本模擬以海水鹽度為基礎(chǔ)，采用與其等鹽度的氯化鈉水溶液．由于水(H2O)和氯化鈉(NaCl)是以電解質(zhì)溶液的形式存在的，使用 Aspen Plus軟件的 Electrolyte Wizard(電解質(zhì)智能工具)定義各種存在的組分，見表1．

表1 定義組分Tab.1 Define components

2.2.2 物性方法的選擇

物性方法的選擇是 Aspen Plus用來計算熱力學性質(zhì)和傳遞性質(zhì)的基礎(chǔ)，恰當?shù)倪x取對流程模擬的準確性和可靠性具有至關(guān)重要的作用．本文的模擬體系屬于無機電解質(zhì)體系，選擇ELECNRTL物性方法．

Aspen Plus流程模擬中，對于有循環(huán)回流和設(shè)計規(guī)定的流程必須迭代收斂．海水淡化工藝流程后的濃鹽水的綜合利用對鹽水的濃度有一定的要求[7]，本研究采用Wegstein收斂方法建立模型[6]．

求解方程組X＝g(X)的Wegstein迭代公式為[8]

式中：

Wegstein方法是一種松弛迭代法，其松弛因子為q．在流程模擬中，對于一維流程模擬方程 Wegstein法是一種重要的收斂方法．

2.3 低溫多效海水淡化模型分析

2.3.1 沸點升高

圖 3表示溶液的蒸汽壓和水的蒸汽壓隨溫度的變化關(guān)系．圖中曲線AB表示水，CD表示溶液．由圖中可看出，溶液的蒸汽壓比水的蒸汽壓低．即在同一壓力下，溶液的沸點要高于水的沸點；溶液的濃度愈大，曲線CD的位置愈靠下．這種現(xiàn)象被稱之為溶液沸點升高，或被稱為溶液的蒸汽壓下降[9]．

圖3 溶液的蒸汽壓示意圖Fig.3 Schematic diagram of the vapor pressure of the solution

對于海水而言，沸點的升高值與海水的溫度和濃度有關(guān)．具體數(shù)值可由海水物性參數(shù)表查取，一般在多效蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用的溫度和濃度范圍內(nèi)，海水的沸點升高值取為 0.9,℃[10]．

2.3.2 模擬的條件

在確定模擬條件的情況下，應(yīng)用Aspen Plus分別建立簡單串聯(lián)流程，帶沸點升高的串聯(lián)流程，帶沸點升高和閃蒸罐的流程，研究沸點升高和閃蒸罐對模擬結(jié)果的影響．模擬條件見表2．

表2 模擬的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the simulation

2.3.3 不同流程的模型

圖 4—圖 6分別為不同工藝流程的海水淡化模型模擬圖．

圖4 四效串聯(lián)流程Fig.4 Simulation model of the four-effect of serial flow

圖5 考慮沸點升高的串聯(lián)流程Fig.5 Simulation model of the four-effect of serial flow Fig.5 with the boiling point elevation

圖6 帶有沸點升高和閃蒸罐的流程Fig.6 Simulation model of the four-effect of serial flow with Fig.6 the boiling point elevation and flashing box

2.3.4 結(jié)果分析

在限定出口條件的情況下，應(yīng)用Aspen Plus軟件的靈敏度分析，將系統(tǒng)的最終淡水累積量設(shè)定為被采集流程變量，控制流程變量選擇加熱蒸汽量，計算在不同加熱蒸汽量的情況下，淡水累積量的值，得到滿足要求的出口條件時的加熱蒸汽量，并計算造水比和單位蒸餾產(chǎn)物熱消耗，見表3．由表3可知，在原有簡單串聯(lián)流程模型的基礎(chǔ)上考慮沸點升高、閃蒸罐閃蒸等因素對系統(tǒng)的模擬結(jié)果影響并不顯著，加熱蒸汽的需求量、造水比以及單位蒸餾產(chǎn)物的熱消耗等在不同工藝流程下的模擬結(jié)果很接近．為了確保模型的可信性，在模型的建立過程中加入沸點升高和閃蒸罐．

表3 模擬計算結(jié)果Tab.3 Simulated results

3 模型的驗證

以全球著名的海水淡化公司法國 SIDEM 公司[7]典型的四效裝置為例，根據(jù)該公司提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立模型，模型入口輸入與實際生產(chǎn)相同的條件下，進行模擬運算．模擬計算所得結(jié)果與 SIDEM 公司所示數(shù)據(jù)對比見表 4．模型計算的結(jié)果與實際生產(chǎn)中的測定值基本吻合．考慮到 SIDEM 公司給出的系統(tǒng)實際生產(chǎn)數(shù)值是設(shè)備多次運行后的平均值，實際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)也會有一定的波動，可以認為本研究建立的低溫多效蒸發(fā)海水淡化模型是可信的．

表4 實際生產(chǎn)值與模擬計算結(jié)果的比較Tab.4 Contrast of the actual production data and simulated results

4 結(jié) 語

本文通過應(yīng)用Aspen Plus軟件的Heater、Flash2和Mixer模塊建立低溫多效海水淡化系統(tǒng)的模型，并運用軟件的靈敏度分析功能對多種模型進行了分析，得知體系的沸點升高和閃蒸罐對系統(tǒng)模型建立的影響．并用法國 SIDEM 公司四效低溫多效海水淡化裝置進行可信性驗證，證明采用Aspen Plus軟件建立的低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的模型是可信的．

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Simunlation of Low Temperature Multi-Effect Distillation Seawater Desalination with Aspen Plus

HAO Dong-qing，SHA Zuo-liang，WANG Yan-fei，SHU Chang
(Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

P747

A

1672-6510(2011)01-0047-04

2010–10–21；

2010–11–18

郝冬青（1985—），男，山東人，碩士研究生；通信作者：沙作良，教授，zsha@tust.edu.cn.