浓盐水在中高温环境下喷雾蒸发析盐过程的热动力学特性研究

Brine spray evaporation technology coupled with low temperature muti-effect distillation (LT-MED) not only can minimize the environmental impact of sea brine disposal, but also make the comprehensive utilization of seawater chemical resources feasible. Crust formation commences when the moisture content falls below a critical value at the surface of the droplet. Under this case, the research about effects of spreading behaviour and microstructure of the solid shell on the thermodynamic characteristics of the droplet is very significant. In addition, the heat and mass transfer at gas-liquid-soild interfaces during spray evaporation needs further investigation. The project focuses on the visualization experimental study and theoretical model of the single saline droplet evaporation and crystallization to investigate its microscopic mechanisms of heat and mass transfer. The performance of the saline water spray evaporation under different operating conditions will be numerically and experimentally carried out to investigate the relationship between the macroscopical performance parameters and microscopic mechanisms. Exergy Utilization Diagram (EUD) analysis will be made for the integrated system of the spray evaporation and LT-MED, based on the performance calculated from the process simulation of the integrated system. The current project is expected to enrich the theory of multiphase heat and mass transfer, provide technical support for the optimal design in the industry related with spray evaporation and promote the sustainable development of the sea water desalination.

利用喷雾蒸发技术处理低温多效蒸馏系统副产的浓盐水既可缓解传统海水淡化技术的浓盐水排放难题，又可实现海水淡化和海水化学资源的综合利用。盐水液滴蒸发达到饱和浓度后，液滴表面盐分结晶的析出及演化规律、盐壳层微细多孔结构对液滴热动力特性的影响机制以及对流环境中气、液、固三相的界面传热传质机理等问题还需进一步研究。本项目将借助先进的可视化实验测试技术揭示盐水液滴蒸发析盐的微观热质传递机理，建立考虑实际盐壳层孔隙结构的盐水液滴蒸发析盐模型；基于大规模数值模拟和喷雾蒸发实验进一步分析宏观性能参数与微观热质传递机理的相关性，确定蒸发析盐过程的热动力学特性与操作参数之间的定量关系；通过工艺流程模拟和图像火用分析法探索喷雾蒸发与低温多效蒸馏的结构性匹配及能量梯级利用原则。本研究将丰富多相流传热传质的理论体系，可为喷雾蒸发相关的工业设备和热力系统的优化设计、技术开发提供理论支撑，促进海水淡化产业的可持续发展。

当前海水淡化装置的应用在解决淡水资源危机的同时，均伴随着严重的副产浓盐水的排放处理问题。利用喷雾蒸发技术处理多效蒸馏副产的浓盐水既可以缓解传统海水淡化的浓盐水排放难题，又可实现海水资源的综合利用。为此本项目提出了一种新型的喷雾蒸发-多效蒸馏（SE-MED）集成海水淡化系统，通过理论建模、数值模拟以及实验研究相结合的方法，对耦合海水淡化系统工艺流程的能量物料匹配规律以及喷雾蒸发室内盐水液滴的蒸发热动力学特性开展了一系列的基础科学问题研究。主要有：1）完成了SE-MED系统的工艺流程设计及相应的热力学模型建立，开展了各种因素影响下的热动力学特性研究。结果表明：效间温差为4.5˚C、热源温度为500˚C的三效SE-MED海水淡化系统在能量利用、制造成本等方面具有较优的综合性能。㶲分析表明该系统的最大㶲损发生在喷雾蒸发室，占系统总㶲损的67.76%。2）建立了运动液滴在高温大空间环境下非稳态蒸发的热动力学模型，计算了不同工况下液滴蒸发过程的粒径变化和运动轨迹，根据液滴运动的水平和垂直位移，确定了喷雾蒸发室的几何尺寸。以纯水喷雾蒸发为研究对象，利用Fluent软件对群液滴在喷雾蒸发室内的蒸发和运动过程进行三维数值模拟，分析了气液顺流以及逆流等不同气流组织方式下的蒸发室温度场以及湿度场，获得了各工况下的蒸发效率、粒子分布以及粒子停留时间等参数，为喷雾蒸发室的优化设计提供了参考依据。3）对NaCl溶液进行了单液滴蒸发实验研究，获得了液滴温度、质量以及粒径在蒸发过程中的演化规律，依据实验数据建立了NaCl溶液的REA半经验模型，通过编译用户自定义函数（UDF）将REA模型嵌入Fluent完成了多组分NaCl液滴的喷雾蒸发数值模拟，证明了该方法应用于盐水喷雾蒸发的可行性。结果表明：在蒸发初期盐水液滴的蒸发速率高于纯水液滴，之后受析出晶体的影响，盐水液滴蒸发速率变缓，其蒸发总时长大于纯水液滴。相同操作条件下，盐水液滴在蒸发室内的停留时间小于纯水，盐水喷雾蒸发对蒸发室轴向尺寸要求更大。