【摘要】： 水是生命的源泉,是人類寶貴的、不可替代的自然資源。水資源危機(jī)已經(jīng)成為繼石油危機(jī)、電力危機(jī)之外又一制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,發(fā)展淡化技術(shù),從海洋獲取淡水是解決水資源短缺的重要途徑。反滲透膜法海水淡化技術(shù)由于其能耗低,系統(tǒng)安裝維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單,目前已得到了廣泛的應(yīng)用。但其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與社會(huì)的期盼值之間,還存在一定的距離,淡化水的成本偏高。這說(shuō)明當(dāng)前的反滲透工藝、工程設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)操作等方面仍有很多值得改進(jìn)的地方。根據(jù)反滲透技術(shù)的特點(diǎn),以及它在水資源開發(fā)和保護(hù)中的作用,本文對(duì)反滲透淡化過(guò)程進(jìn)行了分析,采用最優(yōu)化方法對(duì)反滲透淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。在綜合考慮了多種水源合理配置和有效利用的基礎(chǔ)上,提出了同時(shí)考慮多水質(zhì)輸入、多水質(zhì)輸出的反滲透淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。該系統(tǒng)不僅可以將海水轉(zhuǎn)變成淡水,而且也可以同時(shí)用來(lái)處理苦咸水和工業(yè)廢水,提高了水的利用率。同時(shí)根據(jù)不同的用途,輸出多種水質(zhì),實(shí)現(xiàn)了一水多用,重復(fù)利用,充分發(fā)揮了水資源的多種功能。本文主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn): 1.對(duì)反滲透海水淡化過(guò)程進(jìn)行了模擬和設(shè)計(jì)研究,首先對(duì)過(guò)程的每個(gè)單元給出了單元操作模型和相關(guān)的經(jīng)濟(jì)模型。通過(guò)一定的變量將這些模型相互關(guān)聯(lián),組成系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型主要考慮了一級(jí)流程,一級(jí)兩段流程和二級(jí)流程。以年費(fèi)用最小為目標(biāo),對(duì)反滲透海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),將設(shè)計(jì)問(wèn)題表達(dá)為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃。將膜組件分為高脫鹽膜,高通量膜,普通膜,低脫鹽膜四種類型。當(dāng)產(chǎn)品水的設(shè)計(jì)要求不同,進(jìn)料水濃度不同時(shí),采用本文的設(shè)計(jì)方法分別得出了不同的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。當(dāng)進(jìn)料水濃度逐漸降低時(shí),所用膜的類型逐漸由高脫鹽膜轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄磕?低脫鹽膜,這些膜的脫鹽率降低,水通量增大,這說(shuō)明了進(jìn)料水濃度高時(shí),脫鹽是主要矛盾,進(jìn)料水濃度低時(shí),水通量是主要矛盾。 當(dāng)進(jìn)料水濃度較高,反滲透系統(tǒng)需要較高的操作壓力,能量消耗大,因此換能器效率對(duì)年費(fèi)用影響較大。如能量回收效率較高時(shí),采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一級(jí)流程;進(jìn)料水濃度低時(shí),能量費(fèi)用在年費(fèi)用中占的比例小,投資費(fèi)用對(duì)年費(fèi)用的影響較大,采用水回收率高,膜組件的選用合理的二級(jí)流程。這個(gè)方法可用于海水、苦咸水淡化的工程設(shè)計(jì),也可用于高濃度含鹽廢水的脫鹽工藝設(shè)計(jì)。本文對(duì)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行了設(shè)計(jì),得到的噸水費(fèi)用,能耗低于文獻(xiàn)報(bào)道值,結(jié)果合理,表明這種方法是有效的。 2.本文對(duì)在不同進(jìn)料水水質(zhì)條件下,不同產(chǎn)品水需求時(shí),反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。提出了一種系統(tǒng)化的、集成化的方法對(duì)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先,采用狀態(tài)空間法給出一個(gè)網(wǎng)狀的超結(jié)構(gòu)描述,這個(gè)超結(jié)構(gòu)包括了所有可行的設(shè)計(jì)方案。它和其它結(jié)構(gòu)相比,不同之處在于:1).假定反滲透網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)進(jìn)料水入口,進(jìn)料水從第一個(gè)反滲透級(jí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。2).將物流分布集合簡(jiǎn)化為物流混合節(jié)點(diǎn)。淡水、鹽水物流在增壓級(jí)進(jìn)行混合,在反滲透級(jí)進(jìn)行分離。3).超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型中采用了物流分率,等壓混合約束等技術(shù)手段,簡(jiǎn)化了模型中物流混合、分離的數(shù)學(xué)描述。4).反滲透網(wǎng)狀超結(jié)構(gòu)的描述中以功壓交換器作為能量回收裝置。 這個(gè)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型中采用了物流分率,等壓混合約束等技術(shù)手段,減少了整數(shù)變量的數(shù)目和算法的搜索空間,使得模型的求解更容易。當(dāng)進(jìn)料水水質(zhì)發(fā)生變化時(shí),可通過(guò)改變多級(jí)反滲透系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),選擇恰當(dāng)?shù)牟僮鳁l件和膜組件的型號(hào),獲得具有最大經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品水。 本文同時(shí)給出改進(jìn)的卷式膜組件模型。該模型考慮了膜元件中的壓降和濃差極化,可以近似地描述膜分離單元中壓力容器的行為。由此就可以將系統(tǒng)中膜組件的設(shè)計(jì)和整個(gè)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)的結(jié)果可以確定最優(yōu)的壓力容器排布方式,每個(gè)壓力容器中膜元件的個(gè)數(shù)以及元件的選型。反滲透網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題最終可表達(dá)為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP),它以反滲透系統(tǒng)年費(fèi)用最小為目標(biāo),滿足過(guò)程熱力學(xué)、單元操作、設(shè)計(jì)要求的約束。提出的系統(tǒng)化的反滲透網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法被應(yīng)用到海水、苦咸水淡化實(shí)例中。結(jié)果表明,采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以明顯地降低單位產(chǎn)品水的費(fèi)用,同時(shí)這種設(shè)計(jì)方法可以加深對(duì)整個(gè)反滲透系統(tǒng)的了解,適合應(yīng)用于實(shí)際的反滲透淡化工程設(shè)計(jì)中。 3.在綜合考慮了多種水源合理配置和有效利用的基礎(chǔ)上,根據(jù)反滲透淡化技術(shù)的特點(diǎn),提出了同時(shí)考慮多水質(zhì)輸入、多水質(zhì)輸出的反滲透淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。該系統(tǒng)不僅可以將海水轉(zhuǎn)變成淡水,而且也可以同時(shí)用來(lái)處理苦咸水和工業(yè)廢水,提高了水的利用率。同時(shí)根據(jù)不同的用途,輸出多種水質(zhì),充分發(fā)揮了水資源的多種功能。本文采用過(guò)程綜合優(yōu)化的方法,對(duì)多水質(zhì)輸入、多水質(zhì)輸出的反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先,在前面提出的網(wǎng)狀超結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,給出這個(gè)問(wèn)題的超結(jié)構(gòu)描述。改進(jìn)之處在于:該反滲透網(wǎng)絡(luò)由Nps個(gè)增壓級(jí)和NRO個(gè)反滲透級(jí)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中有四套物流節(jié)點(diǎn),分別是Nw個(gè)進(jìn)料物流節(jié)點(diǎn);Nps個(gè)物流混合節(jié)點(diǎn);NRO個(gè)反滲透單元節(jié)點(diǎn);Np個(gè)產(chǎn)品水節(jié)點(diǎn)。這個(gè)結(jié)構(gòu)描述簡(jiǎn)單,易于表達(dá)。在它的數(shù)學(xué)模型表達(dá)中采用了物流分率,物流混合邏輯表達(dá)等技術(shù)手段,減少了整數(shù)變量的數(shù)目和算法的搜索空間,使得模型的求解更容易。 這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的膜分離單元也采用了上一章給出的卷式膜組件模型,在系統(tǒng)優(yōu)化的同時(shí)也對(duì)膜組件的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)的結(jié)果可以確定最優(yōu)的壓力容器排布方式,每個(gè)壓力容器中膜元件的個(gè)數(shù)以及元件的選型。 反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題最終表達(dá)為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)。當(dāng)輸入的水源發(fā)生變化或輸出的水質(zhì)需求不同時(shí),可通過(guò)改變多級(jí)反滲透系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),選擇恰當(dāng)?shù)牟僮鳁l件和膜組件的型號(hào),恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)料水源搭配,進(jìn)料的位置,獲得具有最大經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品水。這種過(guò)程綜合優(yōu)化的方法可以用較低的成本,實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和有效利用,充分發(fā)揮了水資源的多種功能。 4.膜組件的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一。本文在反滲透海水淡化過(guò)程的模擬和工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)一級(jí)反滲透系統(tǒng)的清洗時(shí)機(jī)問(wèn)題進(jìn)行了研究。本文以規(guī)劃期內(nèi)總操作費(fèi)用最小為目標(biāo),提出了新的污染模型,給出了清洗的判據(jù),建立了清洗規(guī)劃模型,將清洗策略問(wèn)題表達(dá)為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)。用這種方法對(duì)一個(gè)一級(jí)反滲透系統(tǒng)的操作、清洗維護(hù)進(jìn)行優(yōu)化,計(jì)算結(jié)果給出了該系統(tǒng)在五年規(guī)劃期內(nèi)的最優(yōu)操作和清洗策略,最優(yōu)單元數(shù)為兩個(gè)單元。在不同的反滲透系統(tǒng)中,最優(yōu)單元數(shù)依賴于清洗的固定費(fèi)用,每個(gè)膜組件的清洗費(fèi)用,以及整個(gè)反滲透系統(tǒng)膜組件的數(shù)量。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明,這種策略對(duì)于優(yōu)化壽命為3-5年的膜組件的清洗維護(hù)是有效的。 5.在工藝優(yōu)化和操作優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對(duì)考慮膜組件清洗及更換的反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。由于影響一個(gè)反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素是膜污染,它引起的操作壓力上升、水質(zhì)惡化,從而使操作費(fèi)用大增。本文在設(shè)計(jì)階段考慮了膜組件的清洗和更換對(duì)整個(gè)反滲透系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作的影響,采取了以下步驟對(duì)反滲透過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì):1)給出過(guò)程單元數(shù)學(xué)模型,用這些模型模擬反滲透過(guò)程,預(yù)測(cè)不同條件下操作參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響;2)建立系統(tǒng)模型對(duì)反滲透結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述;3)建立描述膜組件污染的數(shù)學(xué)模型,提出膜組件清洗和更換的判據(jù),給出規(guī)劃期內(nèi)膜組件的最優(yōu)清洗和更換策略。4)給出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)模型,將投資費(fèi)用、操作費(fèi)用和設(shè)計(jì)變量相關(guān)聯(lián)。5)在前四步的基礎(chǔ)上以年費(fèi)用最小為目標(biāo),將設(shè)計(jì)問(wèn)題表達(dá)為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)。在GAMS集成開發(fā)環(huán)境中求解以上混合整數(shù)非線性規(guī)劃,可得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)工藝及操作策略。 按照本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,它假設(shè)系統(tǒng)的單元數(shù)是個(gè)變量,每個(gè)單元所包含的膜組件數(shù)目也是個(gè)變量,反滲透系統(tǒng)中不同單元可根據(jù)自身受污染的情況,操作上可進(jìn)行相互補(bǔ)償,以滿足最終產(chǎn)水量,產(chǎn)水水質(zhì)的要求。這種設(shè)計(jì)使得反滲透系統(tǒng)的操作更靈活,消耗的費(fèi)用更低。對(duì)三個(gè)實(shí)例進(jìn)行了設(shè)計(jì),分別為在設(shè)計(jì)階段只考慮膜清洗情況的例子,膜組件使用五年后統(tǒng)一更換。及在設(shè)計(jì)階段同時(shí)考慮膜清洗和更換的例子。從設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看,得到的噸水費(fèi)用,能耗低于文獻(xiàn)報(bào)道值,表明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是有效的。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：P747.5
【圖文】：

膜分離過(guò)程

圖5-1時(shí)間變量之間的關(guān)系

反滲透海水淡化過(guò)程

【引證文獻(xiàn)】

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2 王春;馮賓春;張金接;符平;莫為澤;;變負(fù)荷反滲透海水淡化技術(shù)研究[J];水處理技術(shù);2012年08期

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本文編號(hào)：2767919