真空冷冻海水中冰晶生长速度的研究

¹ 真空冷冻海水中冰晶生长速度的研究 徐立冲　陆　柱　蔡玲玲 (华东理工大学环境工程系, 上海 200237) 摘　要　研究了真空冷冻条件下人工海水中冰晶的生长速度,讨论了停留时间、过冷度、 搅拌速度、压力、盐度等对冰晶生长速度的影响及作用机理。结果明生长速度主要受停留时 间、过冷度、搅拌速度、盐度影响,而压力的影响较小,并且生长速度与过冷度间呈线性关系(过 冷度> 0. 35℃时) ,而搅拌速度、盐度的影响则有峰值出现。 关键词: 冰晶生长速度,海水,真空冷冻 冷冻法海水淡化技术中,控制冰晶生长速度是保证产品质量和正常操作运行的关键因素 之一。国外, 自 60年代始, 随着冷冻法海水淡化技术的不断深入研究,人们对冰晶生长速度的 研究也愈趋活跃。Fernandez和 Barduhn[ 1]最早研究了流动态过冷水中片状冰晶的生长速度, 随后, V lahakis和 Barduhn[ 2]又研究了低流速( 0. 04～1cm/ s)和高流速( > 46cm / s)下冰晶的 生长速度以及在 0. 5%～1%NaCl溶液中的冰晶生长速度, Kallungal和 Barduhn [ 3]研究了静 态和低流速下过冷水中冰晶生长速度,至 80年代, Huang 和 Barduhn [ 4, 5]又研究了不同浓度的 稀盐溶液中的冰晶生长速度。从上述研究内容看, 其研究对象主要是纯水和稀的 NaCl盐溶 液,考虑因素仅局限于过冷度和流速,而真空冷冻海水淡化方法中,海水控制在三相点附近,冰 晶生长速度受更多因素影响,如:过冷度、真空度、搅拌速度、盐度、停留时间等。本文在真空冷 冻- 汽相冷凝海水淡化方法的研究基础上 [ 6] ,以人工海水为研究对象, 研究了上述各因素对冰 晶生长速度的影响。 1　实验部分 1. 1　冰晶生长速度测试方法 冰晶生长速度以单位时间单位面积内冰晶的增重来计算, 根据海水淡化前后总物料平衡 和盐度平衡原理(见图 1)可得出: S = V + B + I S õX S = V õX V + B õX B + I õX I 式中: S :淡化前海水的质量, B: 淡化后浓缩海水的质量, I :冰晶质量, V :蒸汽量, X S :淡化 前海水的盐度, X B :淡化后浓缩海水的盐度, X I :冰晶中盐的含量, X V: 蒸汽中盐的含量 由于冰晶生长时,盐分被排除在冰晶晶格之外,冰晶是纯净的, 故 X I = 0, 同样,蒸汽中盐 含量极少可忽略,即X V= 0, X S 和X B 可用硝酸银法滴定分析得到,故由上述两式可计算得到: 第 23 卷　第 5 期 1997年 10 月 　　　　 　　　　　　水处理技术　　　　 TECHNOLOGY OF WATER TREATM ENT 　　　　Vol. 23 No . 5 Oct . , 1997 ¹ 收稿日期: 1996- 10- 03 图 1　物料平衡示意图 I = S - V - S õX S X B ( g ) 故冰晶生长速度: G= I t·A ( g/ m in·dm 2 ) 式中: G: 冰晶生长速度( g/ m in·dm2 ) 　　　t :停留时间( min) 　　　A : 结晶器截面积( dm2 ) 1. 2　实验装置 实验装置见参考文献[ 6] , 结晶器容积 1000mL, 内径 1dm ,实验采用人工配制海水,盐度为 35‰。 2　结果与讨论 2. 1　停留时间对冰晶生长速度的影响 停留时间原指海水流经结晶器的时间, 本文中特指结晶时间, 以海水开始结晶成核,达到 最大过冷度时为零点。研究冰晶生长速度随时间的关系,结果如图 2,图 3所示。 图 2　冰晶含量随时间的关系 (过冷度△T= 0. 60℃) 图 3　冰晶生长速度与时间的关系 (过冷度△T = 0. 60℃) 　　图 2、3表明,结晶器中冰晶含量随时间增长而增大, 但冰晶生长速度随时间延长反而下 降。这是由于初结冰时,冰晶生长的推动力- 过冷度较大,随后,温度趋于恒定值,而冰晶量增 多,海水盐度增大。冰点下降, 其过冷度减小,因而冰晶生长速度迅速下降。为了考察海水中最 大冰晶生长速度, 并且鉴于实验室操作方便可行,后面有关冰晶生长速度的测定均取停留时间 为 2m in。 2. 2　 过冷度对冰晶生长速度的影响 过冷度是影响冰晶成核和生长的最重要因素之一,在真空条件下,海水中冰晶生长速度受 过冷度的影响见图4。很明显,随过冷度增大,冰晶生长速度增大,且当过冷度△T > 0. 35℃时, 281第 23 卷　第 5期　徐立冲等, 真空冷冻海水中冰晶生长速度的研究 冰晶生长速度与过冷度之间基本上呈线性关系。这结果与常压下过冷水 [ 1]和NaCl溶液 [ 2]中冰 晶生长速度与过冷度之间的关系不同。原因可能是真空条件下,海水蒸发剧烈,局部区域呈沸 腾状,使冰晶生长速度不受自然对流传热控制, 而大部分受传质控制。 图 4　过冷度对冰晶生长速度的影响 (压力: 3. 20mmHg, 搅拌速度: 280r/ min) 图 5　搅拌速度对冰晶生长速度的影响 (压力: 3. 20mmHg ,过冷度: △T= 0. 60℃) 2. 3　搅拌速度对冰晶生长速度的影响 液体流速也是影响冰晶生长速度的一个重要因素, 在实验中通过改变搅拌速度来控制液 体流速,其结果见图 5。 图 5表明,冰晶生长速度随搅拌速度增大而增大,但搅拌速度增至 280r/ min 时,冰晶生长 速度最大, 随后反而下降。这表明, 搅拌速度增加,至少有两方面相反的因素影响着冰晶的生 长。一方面,搅拌速度增加, 有利于传热和传质, 使冰晶生长速度加快,但另一方面,搅拌速度过 快,会加剧冰晶间的碰撞,使原先已长大的晶体破碎,甚至融化,因而, 总的冰晶生长速度反而 减小。 2. 4　压力对冰晶生长速度的影响 在真空冷冻海水淡化技术中,为维持海水蒸发与结冰同时进行,结晶器内压力需维持在海 水三相点以下 [ 6]。那么,压力对海水中结晶生长速度会产生什么影响呢? 结果见表 1。 表 1　压力对冰晶生长速度的影响 压力( mmHg ) 1. 96 2. 50 3. 00 3. 50 3. 90 过冷度(℃) 0. 50 0. 50 0. 14 0. 14 0. 14 冰晶生长速度( g/ min·dm2) 7. 25 6. 47 3. 92 3. 49 3. 15 　　由表 1可知, 在相同过冷度下,冰晶生长速度随压力降低而升高,表明压力降低,蒸发速度 加快,有利于传热和传质过程的进行。因而冰晶生长速度也随之增大,但与过冷度和搅拌速度 相比较,压力对冰晶生长速度的影响就显得较小,其变化趋势较缓。因此,真空冷冻条件下,海 水中冰晶生长速度主要受过冷度和搅拌速度控制,而压力的影响较小。 282 水处理技术 第 23卷　第 5期　　 2. 5　盐度对冰晶生长速度的影响 在真空冷冻海水淡化过程中,海水随蒸发、结冰的进行,其盐度会逐渐增大而使冰点下降, 影响冰晶生长速度。另外, 真空冷冻海水淡化技术也适用于其它盐度的盐水,如苦咸水等。因 此,我们还研究了其它盐度的盐水中冰晶生长速度, 结果列于表 2。表 2中数据可分为两部分, 当盐度大于 10‰时, 过冷度为 0. 60℃, 盐水中冰晶生长速度随盐度增大而减小;当盐度小于 10‰时,过冷度为 1. 30℃, 盐水中冰晶生长速度随盐度增大而增大。这表明, 盐水在盐度为 10‰附近处,冰晶生长速度有一峰值, 这结果与 Bar duhn 和 Huang[ 4, 5]在 NaCl溶液中常压条 件下观察到的结果一致,即 NaCl溶液在其浓度1%附近处,冰晶生长速度也有一最大值。原因 可能是盐水中冰晶是伴随着盐分被不断排除在冰晶晶格之外而生长的。晶体表面的盐分浓度 将高于盐水主体浓度, 故盐分的扩散速度将直接影响冰晶的生长。因此, 盐度越大,冰晶生长速 度受扩散的影响而变得越小。而在盐度较低时( < 10‰) ,盐度增大,溶液中可作为晶核的各种 物质颗粒增多, 其相互碰撞机会增多,故其成核及晶体生长速度增大, 上述两种相反的作用最 终导致盐度为 10‰附近时,冰晶生长速度最大。 表 2　盐度对冰晶生长速度的影响(压力 3. 00 mmHg ) 盐度(‰) 3. 50 5. 31 7. 20 10. 63 14. 32 20. 61 35. 21 过冷度(℃) 1. 30 1. 30 1. 30 0. 60 0. 60 0. 60 0. 60 生长速度( g/ min·dm2) 12. 04 14. 60 22。56 15. 99 13. 31 11. 67 6. 48 3　结　论 真空冷冻条件下, 冰晶生长速度受停留时间、过冷度、搅拌速度、压力以及盐度等因素影 响。其中,冰晶生长速度随停留时间延长而减小。过冷度大于 0. 35℃时,冰晶生长速度随过冷 度增大而呈线性增加。搅拌速度和盐度的变化会对冰晶生长速度产生两方面相反的作用,分别 在搅拌速度为 280r / min左右和盐度为 10‰左右时生长速度最大。压力降低会加快冰晶生长 速度,但与其它因素比较,其影响较小。 参 考 文 献 1　Femandez R and Barduhn A J, Desalination, 1967, 3: 330- 342 2　Vlahakis J G, Barduhn A J, AIChE J, 1974, 20( 3) : 581- 591 3　Kallungal J P , Barduhn A J, A IChE J, 1977, 23( 3) : 294- 303 4　Huang J S, Barduhn A J, AIChE J, 1985, 31( 5) : 747- 751 5　Barduhn A J, Huang J S, Desalinat ion, 1987, 67: 99- 106 6　徐立冲,陆柱, 水处理技术, 1996, 22( 1) : 29- 34 283第 23 卷　第 5期　徐立冲等, 真空冷冻海水中冰晶生长速度的研究 ICE CRYSTAL GROWTH RATE IN SEA WATER UNDER VACUUM FREEZING Xu Lichong , Lu Zhu and Cai Lingling (Department of Env ir onmental E ngineering, East China Univ er sity of Science and Technology , Shanghai 200237) Abstract: The ice crystal grow th rate in art if icial sea w ater under f reezig w as studied, and the effects and act mechanism of some factors, such as residue time, subcool ing drg ree, st irring rate, pressur e and sal inity, etc. w ere discussed. T he results show ed the ice cry stal grow th rate w as af fected mainly residue t ime, subcooling degree, st irring rate, and salinity, w hite the ef fect of pressur e w as lit t ile. When the subcoo ling deg ree w as g reater than 0. 35℃, the ice crystal gr ow th rate w as l inear w ith subcoo ling deg ree, but the ef fect of st irr ing rate and salinity on the ice cry stal g row th rate had the peak value. Key word: ice cry stal grow th rate, sea w ater, vacuum freezing 284 水处理技术 第 23卷　第 5期