反滲透海水淡化轉子式壓力交換器運行特性研究

張金鑫，王　越*，楊勇君，程百花，徐世昌，王世昌

(1.天津大學化工學院，天津 300072；2.天津大學化工學院化學工程研究所，天津300072；3.天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津 300072)

隨著反滲透膜、能量回收裝置及系統工藝的不斷發展，反滲透海水淡化成本顯著降低，市場份額不斷擴大[1-4]。其中，能量回收裝置的快速發展和廣泛運用使得反滲透海水淡化系統的產水比能耗已降至2.0～2.5 kWh/m3[5-6]。目前市場上普遍使用的能量回收裝置主要采用正位移原理，包括轉子式壓力交換器和閥控式功交換器2種產品類型。該類裝置通過“壓力能-壓力能”一步轉化方式，將反滲透膜組件中排放出的高壓鹽水的余壓能直接傳遞給原料海水，能量回收效率高達95%以上，成為國內外研究開發的重點[7]。

轉子式壓力交換器具有操作簡單、運行平穩及高效率等特點，國外已有系列商用產品上市，并積累了較好的工程業績[8-11]。我國對轉子式壓力交換器的研究起步較晚，至今仍處于技術完善和產品初期開發階段[12]。本研究在課題組已有的工作基礎上，設計開發了具有新型端盤結構的轉子式壓力交換器，結合裝置在反滲透系統中的工藝特點搭建了實驗平臺，并對裝置在工程實用壓力(6.0 MPa)及較大單機負荷條件下的流體力學特性及其運行穩定性進行了測試和評價分析。

1　工作原理及實驗裝置

圖1給出了轉子式壓力交換器工作原理圖。該裝置主要由左端盤、轉子和右端盤3部分組成。左端盤與右端盤內側面上分別對稱設置有鹽水集液槽和海水集液槽(圖2)，并通過端盤集液槽之間密封平面將轉子的軸向貫穿孔道區分割為高壓區、密封區和低壓區。裝置運行過程中，轉子上的一組孔道首先進入高壓區，此時高壓鹽水通過左端盤進入轉子孔道，將孔道內已充注的低壓海水進行增壓，并推動增壓后的海水從右端盤上的增壓海水口排出，此為增壓過程。與此同時，轉子上的另一組流道進入低壓區，低壓海水通過右端盤進入轉子孔道，并推動泄壓后的鹽水從左端盤上的鹽水口排出，此為泄壓過程。增壓區和泄壓區通過端盤上的密封區隔離，隨著轉子的轉動，轉子孔道循環經過高壓區、密封區、低壓區，完成流體的連續增壓和泄壓過程，從而實現裝置的壓力交換功能。

圖1　轉子式壓力交換器工作原理示意圖Fig.1　Principle diagram of the rotary pressure exchanger

圖2給出了本研究設計的新型端盤結構，低壓海水和泄壓鹽水通過對應端盤圓周方向的2個側孔供給和排出，而高壓鹽水和增壓海水則通過對應端盤上的兩個軸向直通孔供給和排出。端盤上對稱設置的高壓集液槽和低壓集液槽，能夠最大限度地保障裝置高速運行時的穩定性。帶有多個扇形直通孔道的轉子(圖3)由外置電機驅動，并在轉子套筒內做連續旋轉運動。

圖2　新型端盤結構Fig.2　Structure of the novel end plate

圖3　轉子的結構Fig.3　Structure of the rotor

圖4是轉子式壓力交換器試驗工藝流程圖。該工藝由“高壓泵、壓力交換器和高壓閥門”組成的高壓回路及“離心泵、壓力交換器和低壓閥門”組成的低壓回路構成。每臺泵的入口處均設置有保安過濾器，工藝回路中對應流體的入口和出口管道上分別設置了流量變送器和壓力變送器。圖5為本裝置的試驗測試現場。

圖4　轉子式壓力交換器試驗工藝流程圖Fig.4　Experimental diagram for performance test of the rotary pressure exchanger

圖5　轉子式壓力交換器樣機試驗現場Fig.5　Prototype of rotary pressure exchanger

2　結果與討論

2.1　高壓鹽水和增壓海水的壓力變化特性

圖6是在轉速500 r/min時，進出壓力交換器的高壓鹽水Pbi和增壓海水Pso的壓力變化曲線。從圖6中可以看出，高壓鹽水和增壓海水的壓力整體上比較穩定，高壓鹽水壓力的平均值約為6.0 MPa，增壓海水壓力的平均值也高達5.9 MPa。這一方面說明多孔道的轉子在高速旋轉的條件下，完全能夠實現壓力交換器增壓過程和泄壓過程的“無縫隙”銜接，保證了壓力交換的連續性和裝置運行的平穩性；另一方面證明了所設計的壓力交換器能達到實際反滲透海水淡化系統中所需的操作壓力指標。高壓鹽水與增壓海水的壓力差約為0.1 MPa，說明裝置在高壓區域的流動阻力較小，能夠保障裝置增壓過程的高效率特性。

圖6　高壓鹽水和增壓海水的壓力變化曲線Fig.6　Pressure variations of HP brine stream and HP seawater stream with time

2.2　低壓海水和泄壓鹽水的壓力變化特性

圖7是在轉速為500 r/min、操作壓力為6.0 MPa時，進出壓力交換器的低壓海水Psi和泄壓鹽水Pbo的壓力變化曲線。從圖7中可以看出，低壓海水的壓力穩定在0.11 MPa左右，泄壓鹽水壓力保持在0.07 MPa左右。由于轉子孔道間存在物理的隔離厚度，不可避免地導致低壓海水和泄壓鹽水產生輕微的壓力波動，但對壓力交換器的運行穩定性幾乎無影響。這種波動可通過提高轉子的轉速和優化端盤的集液槽結構進一步減小。

圖7　低壓海水和泄壓鹽水的壓力變化曲線Fig.7　Pressure variations of LP seawater stream and LP brine stream with time

2.3　低壓海水和高壓鹽水的流量變化特性

圖8是在轉速為500 r/min、操作壓力6.0 MPa時，進入壓力交換器的高壓鹽水Qbi和低壓海水Qsi的流量變化曲線。

圖8　低壓海水和高壓鹽水的流量變化曲線Fig.8　Flow rate variations of LP seawater stream and HP brine stream with time

從圖8中可以看出，高壓鹽水的流量曲線基本為一條直線，穩定在8.3 m3/h左右，低壓海水的流量曲線較高壓鹽水略有波動，其流量的平均值約為8.4 m3/h。說明2股流體的流量具有較好的匹配性，保證了裝置進流的連續性和穩定性。

圖8中高壓鹽水的流通平穩性略優于低壓海水，這有利于更好地保障壓力交換裝置實際應用工程中反滲透膜的脫鹽穩定性。

2.4　裝置的壓力交換效率

能量回收效率是評價壓力交換器性能的重要指標之一。其效率可以通過公式(1)計算得出[6]：

(1)

其中Psi是低壓海水的壓力，Pbi是高壓鹽水的壓力，Pso增壓海水的壓力，Pbo是泄壓鹽水的壓力，Qsi是低壓海水的流量，Qbi高壓鹽水的流量，Qbo是泄壓鹽水的流量，Qso是增壓海水的流量。

在忽略裝置內部滲漏的情況下，即：Qsi=Qbo和Qbi=Qso，裝置的能量回收效率公式可轉化為：

(2)

圖9給出了壓力交換器在轉速為500 r/min、處理量為8.3 m3/h、操作壓力為6.0 MPa時，按公式(2)計算得到的裝置能量回收效率變化曲線。

圖9　裝置的效率變化曲線Fig.9　Efficiency variations of the device with time

結果表明，該裝置的能量回收效率始終保持在95.8%～97.7%，與國外同類型產品(PX型裝置)相當[11]，具有較好的工程實用價值。

2.5　裝置的動平衡性能

壓力交換器的動平衡性能可通過裝置在高速旋轉時驅動扭矩的變化規律來評價，轉動扭矩的波動幅度越小，裝置的動平衡性能越好;反之，裝置的動平衡性能就越差。表1給出了操作壓力為6.0 MPa、處理量為8.3 m3/h時，壓力交換器在不同轉速下的驅動扭矩變化規律。從表1中可以看出，在轉速一定的條件下，裝置的驅動扭矩整體上比較穩定，波動微小；隨著轉速的增加，扭矩值逐漸減小。這一方面由于采用了集液槽對稱布置的端盤結構，較好地保障了裝置受力的平衡性；另一方面由于轉速越高，轉子與端盤之間及轉子和轉子套筒之間的水潤滑越充分，并可能形成了水潤滑液膜，較大地減小了裝置的旋轉阻力。當裝置轉速達到額定轉速500 r/min時，所需的驅動扭矩值最小，約為17～18 N·m。

表1　不同轉速下壓力交換器的驅動扭矩值

3　結論

設計開發了具有新型端盤結構的轉子式壓力交換器，并對其流體力學性能和運行穩定性進行了研究。結果表明：裝置的單機處理負荷和運行壓力分別達到8.3 m3/h和6.0 MPa；裝置的連續運行特性穩定，能量回收效率達到95.8%～97.7%；裝置具有良好的動平衡性能，且轉速越高，裝置的驅動扭矩越小。

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