• / 5
  • 下载费用:1 下载币  

CO_2水合物法淡化海水影响因素的实验研究

关 键 词:
CO_2 水合物 淡化 海水 影响 因素 实验 研究
资源描述:
志广,祁影霞,姬利明,邢艳青,刘业凤( 上海理工大学 , 上海 200093)摘要 : 实验探究了 在模拟海水的盐水溶液中进行水合物反应 , 分解后测出溶液前后盐度的变化 , 分析了压力 、温度以及溶液的盐度等因素对淡化效果的影响 。由结果分析可知 , 水合物分解后的水溶液盐度有一定降低 , 采用 温度越低 , 压力越高 , 淡化效果越好 , ~5 合适温度 2 ~3 ℃, 可以逐级对海水盐溶液进行水合淡化 , 以达到要求的淡化效果 , 用合理的淡化流程来达到好的淡化效益 。关键词 : 海水淡化 ; 水合物法 ; 盐度中图分类号 : 献标志码 : B 文章编号 : 10072013) 0110. 3969/j. 10072013. 01. 00500093, in of s of of to of of ~5 ~3 ℃. it to a ey 当今海水淡化传统技术方法存在着能耗大 、成本高和结垢严重等缺点 , 需要开发更加经济环保的方法[ 1水合物法海水淡化是利用较易生成水合物的小分子物质与海水中的水分子生成笼状水合物晶体 , 固液分离后 , 固体水合物分解即可得到淡水 。水合物法海水淡化技术的最大优点[ 2能耗低 、设备简单 、紧凑 、价廉易得 。水合物法海水淡化技术是研究最早 、授予专利较多的水合物技术[ 5]。20 世纪 40 年代 , 就利用水合物技术从海水中得到淡水 , 但是这一技术直到进入 21 世纪后才被人们重视[ 2, 6]。使用 用 拉曼测试了盐水中生成的水合物成分 , 说明水合物具有很好的析盐能力 , 显示了水合物法海水淡化的良好应用前景[ 7相关的国内研究比较滞后 , 龙臻等[ 3]提出一种新型水合物法海水淡化流程 , 并基于该流程对系统进行了以乙烷为水合工质的模拟计算 , 得出改善水合物生成条件以及选择适合的水合工质可以提高淡水产率 , 进而降低生产成本的结论 。李栋梁第 31 卷第 1 期 低 温 与 特 气 31, 12013 年 2 月 2013* 收稿日期 : 2012 上海市重点学科建设项目 ( ;上海市教育委员会科研创新项目 ( 11[ 4]研制了一套海水淡化的实验装置 , 并以该装置筛选了水合工质 , 认为乙烷为最好的水合工质 ;然而乙烷 、甲烷等气体的价格相对较高 , 易燃且有爆炸隐患 , 并有很强的温室效应 , 且此装置对生成的水合物比重大于水的水合工质不适用 , 即无法使用 不同气体充当水合工质时的性质差别非常巨大 , 选取合适的水合工质对于研究水合物法海水淡化技术十分重要 。虽然 但因其具有无毒 、不可燃 、安全经济等优势 , 仍是一种较有潜力的水合工质 。国内目前对于 分离等技术方面有一定的研究 ,但对 不利于促进该技术方面的发展 。本文以 设计海水淡化试验系统装置和实验过程 , 研究压力 、温度及盐度等因素对淡化效果的影响 , 选出合适的淡化条件 , 为水合物法海水淡化的研究和应用奠定基础 。1. 反应釜 ; 2. 搅拌叶片 ; 3. 磁力搅拌器 ; 4. 温度传感器 ; 5. 压力传感器 ; 6. 数据采集仪 ; 7. 恒温水浴 ;8. 9. 压力调节阀 ; 10. 真空表 ; 11. 真空泵 ;12. 排液口 ; 13. 排气口 ; 14. 阀门 。图 1 海水淡化实验装置系统1 验装置如图 1, 实验装置系统 : 高压反应釜 , 耐压 15有效容积 552 温度传感器 , 铂热电阻精度 ±0. 1 ℃; 压力传感器 , 压力范围 0 ~10 精度等级 3%; 恒温水浴 , 温度范围为-20 ~ +100 ℃, 波动度为 ±0. 05 ℃; 盐度计 , 量程为 ( 1. 0 ~50. 0) 0. 1% ~5. 00% 两档 , 分辨率分别为 0. 1 0. 01%, 使用温度 -10. 0 ~110. 0 ℃, 精度 ( 满刻度的 ) ± 1%; 天平型号2, 精度 0. 01 g; 真空泵 , 工作真空范围为 - 0. 03 ~ 0. 08 数 据 采 集 系 统 , 据采集仪 。实验材料 : 纯度99. 99%; 蒸馏水 ( 自制 ) ; 人工海水盐 , 主要组分是氯化钠 。2 实验方法实验方法如下 : 首先用蒸馏水配制一定盐度的盐水溶液 , 再用蒸馏水清洗反应釜 , 晾干之后注入一定量配制好的盐水溶液 , 并密封紧固 , 装好温度 、压力传感器和磁力搅拌电机 。调整相应阀门 ,充入 打开真空泵对系统进行抽真空 , 然后缓慢充入 将反应釜放入实验要求的恒温水浴中进行实验 , 并打开数据采集仪记录实验数据 。实验完成后 , 快速分离生成的固体水合物 。待水合物分解完全后 , 用盐度计分别测定未反应溶液的盐度和水合物分解后溶液的盐度 , 并记录数据 ; 最后处理和分析实验数据 。3 实验结果及讨论实验中 , 每组实验的初始充气条件都是在温度为 22 ℃的恒温水浴中向反应釜内缓慢充入 直至实验要求的压力 , 并启动磁力搅拌器 , 转速为 270 r /加速溶解及传热[ 9], 等压力稳定后停止充气 , 然后放入实验要求温度下的恒温水浴中进行实验 。3. 1 温度对海水淡化效果的影响本组实验 : 每次注入盐度 3% 的溶液 250 . 5 要求的实验温度依次为 2、2. 5、3、3. 5 和 4 ℃。温度是影响水合物合成的重要因素 。本组各次实验的温度 、压力变化曲线如图 2 所示 。由图 2 可知 , 温度跃变点基本上都出现在诱导时间 20 ~ 60水合物合成是放热反应 , 大量的合成热致使反应温度上升 , 可见此时水合物合成速度相对很快 , 反应进行 5 h 后基本完成了 ; 另外 , 实验温度4 ℃时的温度跃变点是在诱导时间长达约 10 h 才出现 ( 图中仅显示前 5 h 时间内的变化曲线 ) , 诱导时间很长 。从图 2 中各次实验的温度 —压力曲线趋22低温与特气 第 31 卷势对比还可以看出 , 当温度基本稳定时 , 且温度越低 , 压力下降量越明显 。所以 , 压力的下降量不只是由于温度下降的原因 , 水合反应是最主要的影响 。这正说明过冷度大小是影响 所以 , 实验温度的降低即意味着水合物合成的过冷度增大 , 更有利于水合物的快速大量合成 。图 2 不同实验温度下 压力 —时间曲线2 各次实验的盐水溶液前后盐度变化如表 1 所示 。从表 1 分析可知 , ( 1) 溶液盐度前后发生了很大变化 , 可见有一定的淡化效果 , 但水合物分解后的溶液仍有一定的盐度 , 未彻底淡化 。我们知道 , 由于 结合了水分子 , 把盐分子留在了未反应溶液中 , 盐度增大 , 成了浓溶液 ; 而水合物分解时 , 又把水分释放出来 , 成为淡水 , 这就是水合物法淡化的排盐机理 ; 理论上 , 水合物法可以完全实现淡化 , 但由于分离时水合物固体缝隙及表面会残留一些盐水溶液 , 使水合物分解后的淡水溶液仍有一定的盐度 。 ( 2) 随着实验温度的降低 , 水合物分解后的溶液盐度也依次降低 。综上 , 实验温度太高则 且淡化量和淡化效果都比较低 , 相对成本也增加了 , 而温度过低又需更多的能耗 , 也即增加了淡化成本 , 故淡化温度不能过低或过高 。从本组实验可以得出 , 淡化温度在 2 ~3 ℃是比较合适的范围 。3. 2 压力对海水淡化效果的影响本组实验 : 每次注入盐度 3% 的溶液 250 、3. 5、4、4. 5 和 5 要求的实验温度都为 2 ℃。表 1 不同实验温度下盐水溶液前后的盐度变化 of ℃ 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0初始盐度 /% 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00未反应溶液盐度 /% 3. 90 3. 83 3. 77 3. 64 3. 51盐度浓缩率 /% 30. 00 27. 67 25. 67 21. 33 17. 00分解后溶液盐度 /% 2. 03 2. 17 2. 29 2. 36 2. 41盐度淡化率 /% 32. 33 27. 67 23. 67 21. 33 19. 67本组各次实验的温度 、压力变化曲线如图 3 所示 。从图 3 中可以看出 , 当实验压力分别为 3. 5、4、4. 5 和 5 , 温度跃变点时间都在 20 ~80而当初始压力 3 , 诱导 10 h 都无温度跃变点出现 ,且打开反应釜后未发现水合物固体 。说明压力是水合物合成的另一驱动力 , 在同样的过冷度下 , 整体趋势上诱导时间越短 , 压力下降越多 ; 而若 则水合物合成驱动力很小 , 在一定时间内 , 水合物合成量很少或有可能无法合成 , 即不能达到淡化的目的 。分离出的 各次实验的盐水溶液前后盐度变化如表 2 所示 。从表 2 中分析可以得知 : 随着 未反应溶液的盐度逐次增加 , 分解后的溶液盐度依次降低 ;即压力越大 , 水合物合成的驱动力就越大 , 更利于溶液中的水分子与 合成量增加 ,使淡化效果更好 。并且 , 随着实验压力的增加 , 较高的压力会使生成的固体水合物更加密实 , 水合物固体间隙更小 , 水合物中残留盐分更少 , 且更易分离 , 利于淡化效果的提高 。综上 , 淡化效果越好 ; 考32第1 期 喻志广,等: 造成反应系统成本大幅增加 , 所以 , 由本组实验获得的合适压力范围为 4 ~5 3 不同实验压力下 压力 —时间曲线3 3 盐度对海水淡化效果的影响本组实验 : 每次注入盐度一定的溶液 250 要求的实验温度都为 2 ℃; 实验要求配制溶液的盐度依次为4%、3%、2%、1% 和纯水 。盐度是海水淡化中评价淡化效果关键的因素之一 。本组各次实验的温度 、压力变化曲线如图 4 所示 。从图 4 中可以看出 , 首先 , 在相同的实验压力和温度下 , 各盐度的溶液合成实验均出现了温度跃变点 , 且诱导时间相对较短 ; 其中 , 纯水实验所需诱导时间最短 , 盐度 3% 的溶液实验所需诱导时间最长 , 而 1% 与 4% 的溶液实验诱导时间相当 。我们知道 , 高盐度对水合物形成有抑制作用 , 但不能就此组实验认为某一定的更高盐度反而可以缩短诱导时间 , 这是因为不同浓度不同离子的影响有一定差异 , 并且在一定程度上水合物形成有很大的随机性 。再者 , 从各次实验的压力曲线趋势对比来看 ,盐度越高 , 最终的 水合物合成量越少 ; 即盐度对水合物的合成有一定的抑制作用 , 影响最终水合物的合成量 。表 2 不同实验压力下盐水溶液前后的盐度变化 of . 0 3. 5 4. 0 4. 5 5. 0初始盐度 /% 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00未反应溶液盐度 /% 3. 00 3. 30 3. 61 3. 90 4. 02盐度浓缩率 /% 0 10. 00 20. 33 30. 00 34. 00分解后溶液盐度 /% - 2. 42 2. 33 2. 03 1. 95盐度淡化率 /% - 19. 33 22. 33 32. 33 35. 00图 4 不同实验溶液盐度下 压力 —时间曲线4 各次实验的盐水溶液前后盐度变化如表 3 所示 。从表 3 中可知 , ( 1) 未反应溶液的盐度增大 , 水合物分解后的溶液盐度降低 , 说明有淡化效果 。 ( 2) 随着各次实验溶液盐度的降低 , 淡化后的溶液盐度也依次降低 。由此可以考虑多次利用 且至少进行 3 次淡化 , 最终实现淡化目的 。 ( 3) 相比于其他各次实验淡化结果 , 溶液盐度 4%的实验淡化效果最差 。从本组实验可以得到 , 可以逐级使用水合物法进行淡化海水 , 并控制每一级剩余溶液的盐度最好不超过 4%。3. 4 实验讨论观察讨论三组实验 : 首先 , 当 经过一段时间的诱导 , 先形成部分晶核 , 然后在合适的压力和温度条件下会突然大量形成 , 特别是气水界面处 , 此时放出大量热量导致釜内温度一定的上升 ,从温度跃变曲线可以看出 , 跃变区域很大 , 温度变42低温与特气 第 31 卷化很剧烈且时间比较长 ; 另外 , 每组实验在 150右时 , 每次实验的温度曲线基本上都出现了上升波动 , 且同时 这表明 也说明在本实验条件下 , h, 才更有利于淡化效果 ; 再者 , 随着温度的上升和气体压力的下降 , 水溶液盐度增加 ,水合物合成驱动力减弱 , 抑制作用增强 , 合成条件受到影响 , 合成速度也开始下降 , 进而影响合成量 ; 最后 , 本实验分离 是利用反应釜中气体余压把剩余的浓盐水溶液从底部排液口排出 , 未对分离出的水合物固体进行进一步挤压和洗涤 , 从水合物分解后溶液的盐度来看 , 盐分残留量很大 。表 3 不同实验溶液盐度下盐水溶液前后的盐度变化 of % 4. 00 3. 00 2. 00 1. 00 0未反应溶液盐度 /% 4. 60 3. 61 2. 57 1. 34 0盐度浓缩率 /% 15. 00 20. 33 28. 50 34. 00 -分解后溶液盐度 /% 3. 45 2. 33 1. 30 0. 77 0盐度淡化率 /% 13. 75 22. 33 35. 00 23. 00 -所以 ,( 1) 淡化过程中搅拌的作用不可忽略 , 釜内的搅拌既加大水气接触面积又强化散热 , 在一定程度上缩短了水合物诱导时间和合成完成时间 ; ( 2) 若能持续补充 始终维持在合适的压力范围内 , 不但利于缩短水合物合成时间 , 也能提高合成量 ;( 3) 分离出的 因此 , 除了加大 水合物分离技术也是不可忽视的一个因素 。所以 , 成熟的分离技术和合理的分离流程 , 是达到较小的盐分残留率 、实现余压余气的循环利用 、提高淡化效果和实现淡化量产的关键环节 , 需要进一步改善 。4 结 论本实验考察了温度 、压力以及盐度等对二氧化碳水合物法海水淡化效果的影响因素 , 得出的结论如下 : ( 1) 在一定条件下采用 压力越高 , 温度越低 , 淡化效果越好 ; ( 2) ~5 合适的温度范围为 2 ~3℃, 并可以逐级对海水进行水合物法淡化来达到要求的淡化目的 ; ( 3) 盐度对水合物形成有一定的抑制作用 , 盐度过高不利于水合物的合成 , 应控制每一级淡化环节浓缩后的溶液盐度最好不要超过4%; ( 4) 在选择淡化条件时 , 需要综合考虑淡化系统设备 、淡化流程 、分离技术及成本经济效益等因素 , 考虑余热余压余气的循环利用 , 以达到更合理的淡化效益 。参考文献 :[ 1] 朱玉兰 . 海水淡化技术的研究进展 [ J] . 能源研究与信息 , 2010, 2 ( 26) : 72 2] 任宏波 , 相凤奎 , 张磊 , 等 . 水合物法海水淡化技术应用进展 [ J] . 海洋地质前沿 , 2011, 27 ( 6) : 74 3] 龙臻 , 李栋梁 , 梁德青 . 一种新型水合物法海水淡化系统能耗及经济性分析 [ J] . 水处理技术 , 2010, 36( 8) : 67 4] 李栋梁 , 龙臻 , 梁德青 . 水合冷冻法海水淡化研究[ J] . 水处理技术 , 2010, 36 ( 6) : 65 5] 宋琦 , 王树立 , 武雪红 , 等 . 水合物技术应用与展望[ J] . 油气储运 , 2009, 28 ( 9) : 5 6] 汤成伟 , 刘 道 平 , 李 刚 . 水合物法海水淡化技术[ C] / /中国工程热物理学会 . 中国工程热物理学会2008 多相流学术会议论文集 . 青岛 : 中国工程热物理学会 , 2008.[ 7] W, A, H, of J] ., 2006, 930: 1 8] 吕秋楠 , 陈朝阳 , 李小森 . 气体水合物快速生成强化技术与方法研究进展 [ J] . 化工进展 , 2011 , 30( 1) : 74者简介 :喻志广 , 男 , 研究生 , 主要研究方向为水合物技术 ;联系作者 : 祁影霞 ( 1964) , 女 , 副教授 , 主要从事水合物方面的研究 。52第1 期 喻志广,等:
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:CO_2水合物法淡化海水影响因素的实验研究
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-53129.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开