超音波前処理による塩類の除去に基づく熱脱塩運転の熱伝達の改善

Improvements in heat transfer in thermal desalination operation based on removal of salts using ultrasound pretreatment.

• Vikram V Banakar
• Sarvesh S Sabnis
• Parag R Gogate
• Abhijit Raha
• Saurabh

抄録

スケーリングは熱脱塩運転の大きな問題であり、これは主にチューブ上に塩類が沈着して伝熱抵抗を増大させることに起因しています。伝熱面へのスケールの形成を低減または防止するためには、脱塩濃縮物を処理し、塩類を惜しみなく析出させることが有望な方法である。本研究では、塩類除去プロセスを強化し、スケール形成を回避して伝熱率を向上させることを目的として、海水淡水化フィードとして合成的に調製された海水に超音波前処理の効果を調査しました。実験室規模の二重管式熱交換器のセットアップを設計し、熱脱塩操作のシミュレーション条件で運転した。2000mlの総操作量は、5ml/sの固定流量ですべての実験に使用されました。スケーリングのプロセスを理解するために、合成海水をASTM D 1141-98に準拠して調製し、スケール沈着実験に使用した。未処理の合成海水を用いて行った実験では、脱イオン水と比較して、24時間運転後の熱伝達率が初期値776W/mKから603W/mK(約22%)まで低下し、大幅なスケーリングが確認された。また、SEM-EDX分析を行い、スケールの形態や主要成分を調べた。その後、合成海水を超音波処理し、スケーリングの原因となる塩類を除去した。その結果、前処理により塩類が結晶化し、結晶を分離した後、ろ過した溶液を熱交換器に通し、熱伝達率への影響を確認した。その結果、797W/mKと高い伝熱率が得られることが確認された。全体としては、固定周波数20kHzで30分間の照射で70%の振幅、50%のデューティサイクルでの照射がベスト条件として確立されており、超音波によるスケール形成成分の除去が有効であることが実証された。

Scaling is a major problem in the thermal desalination operation which is mainly attributed to the deposition of salts on the tube, thereby increasing the resistance to heat transfer. To reduce or prevent the formation of scale on heat transfer surfaces, treating desalination concentrates and precipitating sparingly soluble salts can be a promising method. In the present work, the effect of ultrasound pretreatment to the synthetically prepared sea water as desalination feed has been investigated with an objective of intensifying salt removal process and avoiding scale formation leading to better heat transfer rates. A lab scale double pipe heat exchanger setup was designed and operated under simulated conditions of the thermal desalination operation. Total operational volume of 2000 ml was used for all experiments with a fixed flow rate of 5 ml/s. To understand the process of scaling, synthetic seawater was prepared as per the ASTM D 1141-98 and was used for scale deposition experiments. The experiments conducted using untreated synthetic seawater confirmed substantial scaling and drop in the heat transfer coefficient from an initial value of 776 W/m K to 603 W/m K (about 22%) after 24 h operation as compared to deionized water. SEM-EDX analysis was performed to investigate the morphology and main components of the scale. Subsequently, synthetic seawater was treated with ultrasound under continuous flow condition for removal of salts responsible for scaling. It was demonstrated that pretreatment resulted into salt crystallization, after which, the crystals were separated and the filtered solution was passed through the heat exchanger to check the effects on heat transfer rate. It was confirmed that the heat transfer rate was found to be higher with a value of 797 W/m K. Overall an effective approach based on ultrasound to remove the scale forming components has been demonstrated with established best conditions as 70% amplitude for 30 min of irradiation at fixed frequency of 20 kHz and 50% duty cycle.

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