[发明专利]一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法

摘要

本发明公开了一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，建立考虑脱硼的反渗透传递机理的精确模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化；建立了反渗透系统的超结构模型，考虑了系统内物料、盐和pH值平衡，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，加入操作条件约束保证系统安全运行，将海水中二氧化碳脱除后降低结垢倾向，一级和二级反渗透均可提高pH值以提高硼截留率，采用联立求解技术对优化问题进行求解；与传统优化设计方案相比，应用本发明得到的优化方案制水成本和能耗有较大幅度下降，回收率有一定的提高；该方法也可为其中试及工业化应用提供理论基础和技术参考，具有非常好的应用前景。

主权项

1.一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：建立的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；根据反渗透过程机理，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿其轴向变化，将有限差分方法微分方程离散化，得到如下方程：σ＝0.997‑4.98×10‑5T   (3)σTB，l＝α0，lσboric+α1，lσborate   (5)pKa，l＝2291.90/T+0.01756T‑3.3850‑0.32051(Cch，mw，l/1.80655)1/3   (6)Vw，lρp＝Jw，l+Js，l   (8)Cch，p，l＝Js，l/Vw，l   (9)Kl＝0.97KTB，l   (14)Qch，b，l+1＝Qch，b，l‑3600Vw，lSl   (16)Qch，b，l+1Cch，b，l+1‑Qch，b，lCch，b，l＝‑3600Vw，lSlCch，p，l   (17)Qch，b，l+1CTB，ch，b，l+1‑Qcb，b，lCTB，ch，b，l＝‑3600Vw，lSlCTB，ch，p，l   (18)Qf，n＝Qb，n+Qp，n   (22)Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n   (23)Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n   (24)其中A、B、BTB分别为纯水、盐和硼透过常数，P、C、π分别为盐度、压力、渗透压，ρp和Vw分别为淡水的密度和流速，Jw和Js分别为纯水和盐透过通量，Vw为渗透流速，T为温度，K为传质系数，de为进料流道当量直径，Sl为膜元件的微分单元面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件面积，Lpv和Lm分别为压力容器和单支膜元件长度，nm为压力容器膜元件个数，L和Δz分别为微分单元节点、总的微分单元节点数和积分步长，Re为雷诺准数(Re＝ρVde/μ)，其中μ为动力粘度，Sc为施密特准数(Sc＝μ/ρDs)，Ds为盐的扩散系数，Q为流量，V为进料流速，(V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Qp，n为总的产水通量，Cp，n为平均产水盐度，σ为反射系数，α0和α1分别为硼酸和硼酸盐离子的分率，pKa为硼酸一级电离常数，Kλ为摩擦系数，FFd为污染系数，e为膜的活化能(T≤298K时，e＝25,000J/mol‑1，T＞298K时，e＝22,000J/mol‑1)，R是气体常数，Bin为每年盐透过增加率，Nmlp为膜的平均寿命，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b、f、p分别为浓盐水、进料海水和产水，mw为膜表面，TB为总硼，boric和borate分别为硼酸和硼酸盐，ref为T0在298K时没有污染时膜的参数，n表示第n个压力容器；有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，CTB＝CTB，in，C＝Cch P＝Pin；盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds可由下列拟合公式计算：π＝4.54047(103C/Msρ)0.987   (25)μ＝(1.4757×10‑3+2.4817×10‑6C+9.3287×10‑9C2)exp(‑0.02008T)   (26)Ds＝6.725×10‑6exp(0.1546×10‑3C‑2513/(T+273.15))   (27)其中Ms为溶质的摩尔质量；步骤2.建立反渗透超结构模型；反渗透系统包括海水取水和前处理、产水后处理、反渗透膜组、泵、功交换器(pressure exchanger，PX)、物流混合器及分离器等，由于海水中存在碳酸根离子，在反渗透操作过程中易形成沉淀，将海水加强酸后调节pH值到4.0，然后通过风机将海水中游离的CO2脱除，得到的脱碳海水可有效降低结垢倾向，因此将其pH值通过强碱提高至碱性可有效提高硼截留率，反渗透超结构中包含NPS个增压级和NRO个反渗透级构成，总共有NPS+2个物流节点，2是指最终离开反渗透系统的盐水和淡水，NPS个物流节点中的每一个节点表示有一股物流经过高压泵增压后(或不经高压泵不增压)直接进入1个反渗透单元，每一个反渗透级由多个并联压力容器构成，每个压力容器由2～8个膜元件串联且在相同条件下运行，离开反渗透级的每一股盐水和淡水都可以进入NPS+2个物流节点，每一个物流表示为流量、盐度、硼浓度和压力的函数，在物流分配箱中每一个进料MIN经过等压混合可分为MOUT个物流，则物流分配箱表示为：Cin，out＝Cin out＝1，...MOUT   (29)CTB，in，out＝CTB，in out＝1，...MOUT   (30)Pin，out＝Pin out＝1，...MOUT   (31)0＝(Pin‑Pout)Qin，out in＝1，...MIN   (36)公式(28)‑(31)表示物流分配器，公式(32)‑(35)表示物流混合器，其中公式(35)为pH值平衡，公式(36)表示等压混合约束，允许反渗透级的产水与系统最终产水、反渗透级的高压浓盐水泄压后与系统进料混合；在功交换器中高压盐水和海水的接触会导致物流之间的混合，在其出口经过压力交换的海水盐度会有一定程度的升高，高压泵与功交换器的物料平衡方程为：Qps，1＝Qhpp+Qpxlin   (37)Qps，1Cps，1＝QhppChpp+QpxlinCpxlin   (38)Qps，1CTB，ps，1＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin   (39)QRO，1＝Qhpp+Qpxhout   (40)QRO，1CRO，1＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout   (41)QRO，1CTB，RO，1＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout   (42)Qpxhout＝Qpxlin   (43)Qpxhin＝Qpxlout   (44)LpxQpxhin/100＝Qpxhin‑Qpxhout   (45)Lpx[％]＝0.3924+0.01238Ppxhin   (46)Cpxhout＝Mix(Cpxhin‑Cpxlin)+Cpxlin   (47)CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin‑CTB，pxlin)+CTB，pxlin   (48)Mix＝6.0057‑0.3559OF+0.0084OF2   (49)OF[％]＝100×(Qpxhin，‑Qpxhout)/Qpxhin   (50)CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin‑QpxhoutCpxhout   (51)CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin‑QpxhoutCBT，pxhout   (52)其中LPX为泄漏率，Mix为体积混合率，OF(‑10％≤OF≤15％)为润滑流量，下标hpp、pxhin、pxlin、pxhout和pxhin分别表示高压泵、进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水；离开第i个增压级的物流直接进入第j个反渗透级，假定同一级反渗透压力容器内的采用相同种类的膜元件，其特性如纯水透过常数、溶质透过常数，硼反射系数、膜面积、进料隔网厚度和价格等保持不变，可由如下公式确定第j级反渗透内压力容器采用的膜元件型号k：Pj‑Pk，max≤U(1‑yj，k)j＝1，2，...，NRO，k＝1，2，...，Kt   (54)引入二元变量yj，k，当它取1时表示在第j级反渗透选取第k种类型的膜元件，否则取0；公式(54)限定了膜元件允许的最大进水压力，U是一个足够大的数，Kt是反渗透膜元件的种类集合；随着水透过膜，其浓盐水和产水的pH值也会发生变化，采用下列公式对其进行描述，需要注意的是由于缓冲性能较差，因此反渗透级产水的pH值设定与其进料相同；pHp，j＝pHj，j∈ROstage   (58)其中pHj为第j级的进料pH值，pHB，j为第j级的浓盐水pH值，pHB，j为第j级的产水pH值，下标stage和pass分别表示反渗透段和反渗透级；一般海水的pH值为8.2，为了有效的去除海水中的CO2，使用(Qacid，0+Qacid，1)的强酸将海水调节到pH值为4.0，然后通过吹扫塔将海水中的CO2脱除，之后加入(Qbase，0+Qbase，1)的强碱将海水pH值提高以增加硼脱除率，(Qf+Qacid，0)10‑7+Qacid，1·Cacid＝(Qf+Qacid，0+Qacid，1)10‑4   (60)(Qf+Qacid，0+Qacid，1)10‑4＝Qbase，0Cbase   (61)其中公式(62)计算提高反渗透级进料pH值所需的强碱量；整个反渗透网络满足如下物料平衡关系，以及产品水需求约束：Qf＝Qb+Qp   (63)QfCf＝QbCb+QpCp   (64)QfCTB，f＝QbCTB，b+QpCTB，p   (65)Qp≥Qp，lo   (72)Cp≤Cp，up   (73)CTB，p≤CTB，p，up   (74)式中Qb、Cb和CTB，b分别表示离开反渗透网络的盐水流量、盐度和硼浓度，Qp、Cp和CTB，p分别表示产品水的流量、盐度和硼浓度，下标lo和up分别表示最低需求值和最大允许值；步骤3.系统流量和操作条件约束；为保障反渗透系统安全运行，在模型中设定以下约束：浓差极化因子是膜表面盐浓度Cch.mw.l与主体溶液盐度Cch，b.l的比值，脱碳海水一级反渗透浓差极化因子极限值为1.22，传统海水进料一级反渗透浓差极化因子极限值为1.2，二级反渗透由于其进水含盐量已经显著降低，浓差极化因子最大为1.4；单支压力容器最大压力损失为0.35MPa，第一级和第二级平均产水通量最大值分别为20L/(m2·h)和40L/(m2·h)，第一级和第二级首支膜元件最大产水通量分别为35L/(m2·h)和48L/(m2·h)，第一级和第二级压力容器内最小浓盐水流量分别为3.6m3/h和2.4m3/h，浓盐水浓度小于90kg/m3，反渗透进料pH值最高为9.5，反渗透级进料pH值最高为11.0；步骤4.压力容器和膜元件个数整数约束；以下公式可将膜元件的数量nm，j和第j个反渗透级的压力容器个数npv，j转换成二元变量：其中Nb，j和Npv，j指需要的最小二元变量的个数，nm，j，up、nm，j，lo、npv，j，up和npv，j，lo分别代表压力容器中最大或最小允许放置的膜元件个数和第j个反渗透级最大或最小允许放置的压力容器个数；需要指出的是公式(77)和公式(79)只是用来计算Nb和Nn的值，不作为模型的约束条件；为了避免当反渗透级不存在而引起的不可行解，在公式(78)中引入了松弛变量sv和svb，并将其作为目标函数的附加项，通常这两个松弛变量权重取值很小，本文中取0.001；步骤5.反渗透系统制水成本和能耗；反渗透总的年费用TAC包含年投资费用CC和年操作费用OC两部分：CCSWIP＝996(Qf24)0.8   (80)CChpp＝52(ΔPhppQhpp)   (81)CCbp＝52(ΔPbpQpxhin)   (82)CCpx＝3134.7Qhpp0.58   (83)TCC＝1.411(CCSWIP+CChpp+CCpx+CCbp+CCm)   (85)OCm＝0.2Cm   (86)OCinsrce＝0.005TCC   (88)OClabor＝Qp·24·365·fc·0.01   (89)OCch＝Qf·24·365·fc·0.0225   (90)OCmaint＝Qp·24·365·fc·0.01   (91)OCacid＝(∑Qacid)·0.5·0.98·ρ·COSTacid·24·365·fc·1.28   (92)OCbase＝(∑Qbase)·0.03·2·ρ·COSTbase·24·365·fc·1.28   (93)OCDegasifcation＝0.027Ce·fc·24·365·Qf   (94)OCbrinedisposal＝0.055·fc·24·365·Qb   (95)OCO&M＝COinsrce+COlabor+COch+COmaint+COacid+CObase+COdegasifcation+CObrinedisposal   (96)AOC＝OCm+OCe+OCO&M   (97)公式(80)至公式(85)表示投资费用，CC_SWIP、CC_hpp、CC_bp和CC_px分别表示海水取水系统和前期预处理、高压泵、增压泵和功交换器的投资费用，C_m表示总的膜元件费用，C_k为第k种类型膜元件的价格，C_pv为单支压力容器的价格，n_j表示第j级反渗透引入的压力容器个数，ΔP为压差，公式(86)至公式(96)为操作及维护费用OC_o&m的计算公式，由人力费用OC_labor、化学试剂费用OC_ch、维护费用OC_maint、保险OC_insrce、调节pH值所需碱及后处理需要酸的费用OC_acid和OC_base，以及海水脱碳所需费用OC_{degasification}、浓盐水排放费用组成OC_{brinedisposal}，操作费用AOC包括膜元件更换费用OC_m、能耗费用OC_e和操作与维护费用OC_o&m，η_hpp、η_SWIP、η_bp、η_motor、η_px分别表示取水泵、高压泵、增压泵、电机和功交换器的效率，f_c为载荷系数，C_e为电价，P_SWIP为取水泵出口压力，总的年费用由公式(99)计算，淡水成本由公式(100)计算，其中资本回收因子为n_LT为反渗透淡化厂运行周期；步骤6.对形成的系统优化命题进行求解；优化目标为总的年费用TAC，约束条件为：反渗透过程模型，反渗透超结构模型，系统流量和操作条件约束，压力容器和膜元件个数整数约束；采用数学规划软件求解以上混合整数非线性规划问题，通过给变量赋不同的初值，从多个初始点出发进行迭代，可获得系统优化的流程和操作条件。