【摘要】： 水是生命的源泉,是人類寶貴的、不可替代的自然資源。水資源危機已經成為繼石油危機、電力危機之外又一制約中國經濟發(fā)展的瓶頸。長遠來看,發(fā)展淡化技術,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由于其能耗低,系統(tǒng)安裝維護相對簡單,目前已得到了廣泛的應用。但其技術經濟指標與社會的期盼值之間,還存在一定的距離,淡化水的成本偏高。這說明當前的反滲透工藝、工程設計以及系統(tǒng)操作等方面仍有很多值得改進的地方。根據反滲透技術的特點,以及它在水資源開發(fā)和保護中的作用,本文對反滲透淡化過程進行了分析,采用最優(yōu)化方法對反滲透淡化系統(tǒng)的設計進行了研究。在綜合考慮了多種水源合理配置和有效利用的基礎上,提出了同時考慮多水質輸入、多水質輸出的反滲透淡化系統(tǒng)的設計問題。該系統(tǒng)不僅可以將海水轉變成淡水,而且也可以同時用來處理苦咸水和工業(yè)廢水,提高了水的利用率。同時根據不同的用途,輸出多種水質,實現了一水多用,重復利用,充分發(fā)揮了水資源的多種功能。本文主要內容有以下幾點: 1.對反滲透海水淡化過程進行了模擬和設計研究,首先對過程的每個單元給出了單元操作模型和相關的經濟模型。通過一定的變量將這些模型相互關聯,組成系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型主要考慮了一級流程,一級兩段流程和二級流程。以年費用最小為目標,對反滲透海水淡化系統(tǒng)進行設計,將設計問題表達為一個混合整數非線性規(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。當產品水的設計要求不同,進料水濃度不同時,采用本文的設計方法分別得出了不同的最優(yōu)設計方案。當進料水濃度逐漸降低時,所用膜的類型逐漸由高脫鹽膜轉變?yōu)楦咄磕?低脫鹽膜,這些膜的脫鹽率降低,水通量增大,這說明了進料水濃度高時,脫鹽是主要矛盾,進料水濃度低時,水通量是主要矛盾。 當進料水濃度較高,反滲透系統(tǒng)需要較高的操作壓力,能量消耗大,因此換能器效率對年費用影響較大。如能量回收效率較高時,采用結構簡單的一級流程;進料水濃度低時,能量費用在年費用中占的比例小,投資費用對年費用的影響較大,采用水回收率高,膜組件的選用合理的二級流程。這個方法可用于海水、苦咸水淡化的工程設計,也可用于高濃度含鹽廢水的脫鹽工藝設計。本文對一個實例進行了設計,得到的噸水費用,能耗低于文獻報道值,結果合理,表明這種方法是有效的。 2.本文對在不同進料水水質條件下,不同產品水需求時,反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設計進行了研究。提出了一種系統(tǒng)化的、集成化的方法對反滲透系統(tǒng)進行設計。首先,采用狀態(tài)空間法給出一個網狀的超結構描述,這個超結構包括了所有可行的設計方案。它和其它結構相比,不同之處在于:1).假定反滲透網絡只有一個進料水入口,進料水從第一個反滲透級進入網絡。2).將物流分布集合簡化為物流混合節(jié)點。淡水、鹽水物流在增壓級進行混合,在反滲透級進行分離。3).超結構數學模型中采用了物流分率,等壓混合約束等技術手段,簡化了模型中物流混合、分離的數學描述。4).反滲透網狀超結構的描述中以功壓交換器作為能量回收裝置。 這個超結構數學模型中采用了物流分率,等壓混合約束等技術手段,減少了整數變量的數目和算法的搜索空間,使得模型的求解更容易。當進料水水質發(fā)生變化時,可通過改變多級反滲透系統(tǒng)的結構,選擇恰當的操作條件和膜組件的型號,獲得具有最大經濟效益的產品水。 本文同時給出改進的卷式膜組件模型。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)中膜組件的設計和整個反滲透系統(tǒng)的設計結合起來,同時進行優(yōu)化。設計的結果可以確定最優(yōu)的壓力容器排布方式,每個壓力容器中膜元件的個數以及元件的選型。反滲透網絡的優(yōu)化設計問題最終可表達為一個混合整數非線性規(guī)劃(MINLP),它以反滲透系統(tǒng)年費用最小為目標,滿足過程熱力學、單元操作、設計要求的約束。提出的系統(tǒng)化的反滲透網絡優(yōu)化設計方法被應用到海水、苦咸水淡化實例中。結果表明,采用最優(yōu)化設計方案可以明顯地降低單位產品水的費用,同時這種設計方法可以加深對整個反滲透系統(tǒng)的了解,適合應用于實際的反滲透淡化工程設計中。 3.在綜合考慮了多種水源合理配置和有效利用的基礎上,根據反滲透淡化技術的特點,提出了同時考慮多水質輸入、多水質輸出的反滲透淡化系統(tǒng)的設計問題。該系統(tǒng)不僅可以將海水轉變成淡水,而且也可以同時用來處理苦咸水和工業(yè)廢水,提高了水的利用率。同時根據不同的用途,輸出多種水質,充分發(fā)揮了水資源的多種功能。本文采用過程綜合優(yōu)化的方法,對多水質輸入、多水質輸出的反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設計進行了研究。首先,在前面提出的網狀超結構的基礎上,給出這個問題的超結構描述。改進之處在于:該反滲透網絡由Nps個增壓級和NRO個反滲透級構成。網絡中有四套物流節(jié)點,分別是Nw個進料物流節(jié)點;Nps個物流混合節(jié)點;NRO個反滲透單元節(jié)點;Np個產品水節(jié)點。這個結構描述簡單,易于表達。在它的數學模型表達中采用了物流分率,物流混合邏輯表達等技術手段,減少了整數變量的數目和算法的搜索空間,使得模型的求解更容易。 這個系統(tǒng)結構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)化的同時也對膜組件的設計進行優(yōu)化,設計的結果可以確定最優(yōu)的壓力容器排布方式,每個壓力容器中膜元件的個數以及元件的選型。 反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題最終表達為一個混合整數非線性規(guī)劃(MINLP)。當輸入的水源發(fā)生變化或輸出的水質需求不同時,可通過改變多級反滲透系統(tǒng)的結構,選擇恰當的操作條件和膜組件的型號,恰當的進料水源搭配,進料的位置,獲得具有最大經濟效益的產品水。這種過程綜合優(yōu)化的方法可以用較低的成本,實現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程的模擬和工藝設計基礎上,進一步對一級反滲透系統(tǒng)的清洗時機問題進行了研究。本文以規(guī)劃期內總操作費用最小為目標,提出了新的污染模型,給出了清洗的判據,建立了清洗規(guī)劃模型,將清洗策略問題表達為一個混合整數非線性規(guī)劃(MINLP)。用這種方法對一個一級反滲透系統(tǒng)的操作、清洗維護進行優(yōu)化,計算結果給出了該系統(tǒng)在五年規(guī)劃期內的最優(yōu)操作和清洗策略,最優(yōu)單元數為兩個單元。在不同的反滲透系統(tǒng)中,最優(yōu)單元數依賴于清洗的固定費用,每個膜組件的清洗費用,以及整個反滲透系統(tǒng)膜組件的數量。實例計算結果表明,這種策略對于優(yōu)化壽命為3-5年的膜組件的清洗維護是有效的。 5.在工藝優(yōu)化和操作優(yōu)化的基礎上,對考慮膜組件清洗及更換的反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設計進行了研究。由于影響一個反滲透系統(tǒng)正常運行的主要因素是膜污染,它引起的操作壓力上升、水質惡化,從而使操作費用大增。本文在設計階段考慮了膜組件的清洗和更換對整個反滲透系統(tǒng)的工藝設計和運行操作的影響,采取了以下步驟對反滲透過程進行設計:1)給出過程單元數學模型,用這些模型模擬反滲透過程,預測不同條件下操作參數對過程的影響;2)建立系統(tǒng)模型對反滲透結構進行描述;3)建立描述膜組件污染的數學模型,提出膜組件清洗和更換的判據,給出規(guī)劃期內膜組件的最優(yōu)清洗和更換策略。4)給出相關的經濟模型,將投資費用、操作費用和設計變量相關聯。5)在前四步的基礎上以年費用最小為目標,將設計問題表達為一個混合整數非線性規(guī)劃(MINLP)。在GAMS集成開發(fā)環(huán)境中求解以上混合整數非線性規(guī)劃,可得出最優(yōu)的設計工藝及操作策略。 按照本文提出的優(yōu)化設計模型,它假設系統(tǒng)的單元數是個變量,每個單元所包含的膜組件數目也是個變量,反滲透系統(tǒng)中不同單元可根據自身受污染的情況,操作上可進行相互補償,以滿足最終產水量,產水水質的要求。這種設計使得反滲透系統(tǒng)的操作更靈活,消耗的費用更低。對三個實例進行了設計,分別為在設計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。及在設計階段同時考慮膜清洗和更換的例子。從設計結果來看,得到的噸水費用,能耗低于文獻報道值,表明這種優(yōu)化設計方法是有效的。
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：P747.5
【圖文】：

膜分離過程

圖5-1時間變量之間的關系

反滲透海水淡化過程

【引證文獻】

相關期刊論文 前2條

1 伍聯營;高從X&;胡仰棟;;海水淡化集成系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化[J];計算機與應用化學;2010年10期

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

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1 羅從雙;祖厲河流域水—土鹽化及苦咸水淡化研究[D];蘭州大學;2010年

2 何珊;海洋深層水對代謝綜合征預防作用的初步研究[D];中國海洋大學;2012年

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1 �？炜�;高濃度含氯工業(yè)廢水脫氯處理工藝研究[D];昆明理工大學;2009年

2 黃海蘇;熱敏染料廢水處理技術研究[D];華東理工大學;2012年

3 商鳳英;超濾水處理系統(tǒng)優(yōu)化設計的研究[D];中國海洋大學;2012年

本文編號：2767919