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(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)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(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)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(duì)模型進(jìn)行分析．用法國SIDEM公司的四效低溫多效海水淡化系統(tǒng)，對(duì)建立模擬系統(tǒng)的可信性進(jìn)行驗(yàn)證．

低溫多效蒸發(fā)；海水淡化；Aspen Plus；模擬計(jì)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(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，特別是世界人口急劇增加，導(dǎo)致淡水資源的日益匱乏．2009年，瑞士達(dá)沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇年會(huì)曾發(fā)布報(bào)告，全球正面臨“水破產(chǎn)”危機(jī)，并預(yù)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(duì)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(gè)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(dāng)今世界各國的共識(shí)．

海水淡化技術(shù)起源于 20世紀(jì)中葉，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已遍及全世界一百多個(gè)國家．其中，多級(jí)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(shí)現(xiàn)大型化、運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn)，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(diǎn)就是可以降低能耗，而節(jié)能降耗正是當(dāng)前全球最為熱點(diǎn)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(duì)工藝流程進(jìn)行模擬求解，得到流程的詳細(xì)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(xué)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(duì)大規(guī)模海水淡化生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)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(píng)價(jià)已有裝置的優(yōu)化操作和新建、改建裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)．

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(diǎn)，并多次利用蒸汽，降低能量消耗的一項(xiàng)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(jìn)入首效蒸發(fā)器作為熱源與海水進(jìn)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(shí)，傳統(tǒng)的建模方法會(huì)妨礙對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(fù)雜多變的熱力系統(tǒng)看作由少數(shù)幾個(gè)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(duì)不同工藝流程進(jìn)行模擬．對(duì)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jì)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(fù)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(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)的基礎(chǔ)，恰當(dāng)?shù)倪x取對(duì)流程模擬的準(zhǔn)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(jī)電解質(zhì)體系，選擇ELECNRTL物性方法．

Aspen Plus流程模擬中，對(duì)于有循環(huán)回流和設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(diǎn)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(diǎn)要高于水的沸點(diǎn)；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(diǎn)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(duì)于海水而言，沸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)升高的串聯(lián)流程，帶沸點(diǎn)升高和閃蒸罐的流程，研究沸點(diǎn)升高和閃蒸罐對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(shí)的加熱蒸汽量，并計(jì)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(diǎn)升高、閃蒸罐閃蒸等因素對(duì)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(diǎn)升高和閃蒸罐．

表3 模擬計(jì)算結(jié)果Tab.3 Simulated results

3 模型的驗(yàn)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(shí)際生產(chǎn)相同的條件下，進(jìn)行模擬運(yùn)算．模擬計(jì)算所得結(jié)果與 SIDEM 公司所示數(shù)據(jù)對(duì)比見表 4．模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)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(shí)際生產(chǎn)數(shù)值是設(shè)備多次運(yùn)行后的平均值，實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)也會(huì)有一定的波動(dòng)，可以認(rèn)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(shí)際生產(chǎn)值與模擬計(jì)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(yùn)用軟件的靈敏度分析功能對(duì)多種模型進(jìn)行了分析，得知體系的沸點(diǎn)升高和閃蒸罐對(duì)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(jìn)行可信性驗(yàn)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.