CO2水合物法海水淡化裝置的?及能耗分析

楊亞彬，謝應明，耿時江，馬瑞，莊雅琪，王喜

（上海理工大學，上海 200093）

CO2水合物法海水淡化裝置的?及能耗分析

楊亞彬*，謝應明，耿時江，馬瑞，莊雅琪，王喜

（上海理工大學，上海 200093）

淡水資源是本世紀重要但緊缺的戰略資源，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行。實驗結果表明：節流裝置的?損失達到15 kJ/kg，其余部件?損失為(3～8) kJ/kg。

水合物；制冷循環；?損失

0 前言

本世紀淡水資源面臨嚴重的挑戰，海水淡化技術被認為是有效的解決方案。傳統的海水淡化技術包括熱方法、溶液萃取法、膜方法、化學方法等[1]。20世紀40年代PARKER等[2]首次提出了利用水合物技術從海水中分離出淡水的技術。水合物法具有設備簡單、運行成本低、不易結垢等優點[3]。KANG等[4]運用海水進行實驗，發現CO2適合做水合劑。

竇斌等[5]發明了一套可以連續制備淡水的裝置，利用兩個反應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濟性進行分析，得出三級海水淡化流程的淡化產量較高，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的作用，發現改進水合物生成的動力學方式，可以加快淡水產率。李棟梁等[8]發明了一套利用LNG冷量進行海水淡化裝置，原理是先利用LNG冷量對反應槽內部降溫使其達到水合物生成的溫度，再向反應槽中通入高壓的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跨臨界循環進行了?分析，得出提高蒸發溫度或者降低冷卻器出口溫度有利于提高循環?效率，此外壓力、過冷度也會影響?損失[10-12]。楊俊蘭等[13]對帶節流閥和膨脹機的CO2跨臨界循環進行?分析，發現用膨脹機代替節流閥可以降低系統的?損失，提高系統的?效率。

本實驗裝置是以傳統CO2跨臨界循環系統為基礎，用反應釜替代蒸發器，使得CO2在反應釜內和水直接接觸換熱并且參與水和反應生成水合物，本

式中：

I12內——冷凝器內部?損失，kJ/kg；

h2、h3——冷凝器進、出口的焓值，kJ/kg；

s2、s3——冷凝器進、出口的熵，kJ/(kg·K)；

T1——冷凝器內部溫度，K。

外部?損失（離開系統的?）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壓焓圖

3）回熱器的?損失

假設回熱器無熱量散失，以回熱器作為整體。

式中：I13——回熱器的?損失，kJ/kg；h3,、h3、h1,、h1——高低壓側回熱器進出口的焓值，kJ/kg；s3,、s3、s1,、s1——高低壓側回熱器進出口的熵，kJ/(kg·K)。

4）節流閥的?損失

節流裝置的節流過程為等焓的過程。

式中：

I34——節流閥的?損失，kJ/kg；

s4、s3——節流閥進出口的熵，kJ/(kg·K)。

5）反應釜的?損失

式中：

I41——反應釜的?損失，kJ/kg；

T2——反應釜內溫度，K；

s1,、s4——反應釜進出口的熵，kJ/(kg·K)。

h1,、h4——反應釜進出口的焓值，kJ/kg；

因此，整套系統的?損失I為：

管路的流阻壓降引起的?損失，已經加到相應的部件?損失中。

2.2 實驗結果和討論

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

在進行各部件?損失計算時，可以通過采集的數據確定圖3中狀態點在某一時刻的狀態參數，從而計算出各狀態參數下的焓值和熵值。

圖3 充注壓力3.6 MPa、鹽度25‰時制冷系統各部件?損失

從圖3中分析可以發現，節流閥的?損失比較大，其余部件之間的?損失差別不大，未出現水合物大量生成時?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較大的?損失。從表1中可以發現，在不同實驗條件下系統中各部件本身的平均?損失差別不大。但是節流裝置的平均?損失遠遠高于其他部件。本實驗裝置中節流損失是工質從節流閥進口開始到反應釜的進口這一段來計算的，且為防止意外造成釜內水進入壓縮機，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計不足之處。這也說明?分析對優化工藝流程起到指導作用。

表1 系統各部件?損失平均值/(kJ/kg)

2.3 系統的壓縮機耗功

CO2水合物海水淡化系統中，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，下降率達到50%。隨著充注壓力的增加，反應的預冷時間變短，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 結語

實驗系統中各部件?損失基本維持在一定的范圍，節流裝置的?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，改善和優化實驗工藝流程，可以降低系統能量損失，降低壓縮機的功耗，為水合物海水淡化廣泛應用打下基礎。

[1] 鄭智穎, 李鳳臣, 李倩, 等. 海水淡化技術應用研究及發展現狀[J]. 科學通報, 2016(21): 2344-2370.

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

[3] 楊夢, 楊亮, 劉道平, 等. 氣體水合物分解與生成技術應用研究進展[J]. 制冷學報, 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] 竇斌, 蔣國盛, 吳翔, 等. 雙作用氣體水合物海水淡化方法: 中國, CN102259944B[P]. 2010-11-30.

[6] 任宏波, 劉昌嶺, 孟慶國, 等. CO2水合物海水淡化流程實驗研究[J]. 海洋技術學報, 2014, 33(3): 74-79.

[7] 龍臻, 李棟梁, 梁德青. 一種新型水合物法海水淡化系統能耗及經濟性分析[J]. 水處理技術, 2010, 36(8): 67-70.

[8] 李國棟, 梁德青, 等. 一種利用LNG冷能進行海水淡化的方法: 中國, CN101746840B[P]. 2010-06-23.

[9] 司春強, 劉小朋, 林楚桂, 等. 跨臨界CO2制冷循環?分析[J]. 節能技術, 2012, 30(5): 455-457.

[10] 龔毅, 侯峰, 梁志禮, 等. 跨臨界 CO2循環制冷系統的實驗研究[J]. 制冷技術, 2012, 32(1): 21-25.

[11] 鄧帥, 王如竹, 代彥軍. 二氧化碳跨臨界制冷循環過冷卻過程熱力學分析[J]. 制冷技術, 2013, 33(3): 1-6.

[12] 喻志廣, 祁影霞, 劉業鳳, 等. HCFC-141b水合物海水淡化試驗研究[J]. 制冷技術, 2012, 32(1):46-48.

[13] 楊俊蘭, 馬一太, 李敏霞, 等. CO2跨臨界制冷循環系統性能評價及(?)分析[J]. 流體機械, 2004, 32(3): 34-38.

[14] 謝振興, 謝應明, 周興法, 等. 充注壓力對壓縮式制冷循環連續制備CO2水合物的影響[J]. 化工學報, 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

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

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