[发明专利]一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法

摘要

本发明公开了一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法，该方法采用反渗透脱硼海水淡化传递机理精确模型以及反渗透系统超结构模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，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，得到以制水成本、能耗和环境影响(二氧化碳排放量)为目标函数的多目标优化问题，采用ε‑约束算法进行求解，由模糊排序法筛选得到不同目标函数权值的最优解。应用本发明得到系统优化方案有效降低海水淡化的制水成本、能耗和温室气体二氧化碳排放，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准，对节能减排具有重要意义，具有非常好的应用前景。

主权项

1.一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法，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‑Qch，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＝CchP＝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；反渗透系统包括反渗透膜组、泵、功交换器(pressure exchanger，PX)、物流混合器及分离器等，反渗透超结构包含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              (35)公式(28)‑(31)表示物流分配器，公式(32)‑(34)表示物流混合器，公式(35)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                                        (36)Qps，1Cps，1＝QhppChpp+QpxlinCpxlin                             (37)Qps，1CTB，ps，1＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin                       (38)QRO，1＝Qhpp+Qpxhout                                       (39)QRO，1CRO，1＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout                           (40)QRO，1CTB，RO，1＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout                     (41)Qpxhout＝Qpxlin                                          (42)Qpxhin＝Qpxlout                                          (43)LpxQpxhin/100＝Qpxhin‑Qpxhout                              (44)Lpx[％]＝0.3924+0.01238Ppxhin                          (45)Cpxhout＝Mix(Cpxhin‑Cpxlin)+Cpxlin                          (46)CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin‑CTB，pxlin)+CTB，pxlin                  (47)Mix＝6.0057‑0.3559OF+0.0084OF2                       (48)OF[％]＝100×(Qpxhin，‑Qpxhout)/Qpxhin                     (49)CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin‑QpxhoutCpxhout            (50)CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin‑QpxhoutCBT，pxhout    (51)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          (53)二元变量yj，k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(53)限制了膜元件允许的最大进水压力，U是一个充分大的数，Kt是反渗透膜元件的种类集合；整个反渗透系统满足如下物料平衡关系，以及产品水需求约束：Qf＝Qb+Qp                (55)QfCf＝QbCb+QpCp             (56)QfCTB，f＝QbCTB，b+QpCTB，p                 (57)Qp≥Qp，lo             (64)Cp≤Cp，up             (65)CTB，p≤CTB，p，up         (66)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，acid和base为调节pH值所需的酸和碱用量；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，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值范围为2～11；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(70)和公式(72)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(71)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              (73)CChpp＝52(ΔPhppQhpp)          (74)CCbp＝52(ΔPbpQpxhin)                 (75)CCpx＝3134.7Qhpp0.58                    (76)TCC＝1.411(CCSWIP+CChpp+CCpx+CCbp+CCm)             (78)OCm＝0.2Cm               (79)OCinsrce＝0.005TCC                                           (81)OClabor＝Qp·24·365·fc·0.01                               (82)OCch＝Qf·24·365·fc·0.0225                               (83)OCmaint＝Qp·24·365·fc·0.01                               (84)OCacid＝acid·0.5·0.98·ρ·Costacid·24·365·fc·1.28       (85)OCbase＝base·0.03·2·ρ·Costbase·24·365·fc·1.28         (86)OCO&M＝COinsrce+COlabor+COch+COmaint+COacid+CObase                   (87)AOC＝OCm+OCe+OCO&M                                           (88)公式(73)至公式(78)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(79)至公式(87)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和调节pH值所需碱及后处理需要酸的费用OC_acid和OC_base组成，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，年操作费用由公式(88)计算，淡水成本由公式(90)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：反渗透装置的环境影响；反渗透装置的环境影响SEI量化为吨水温室气体CO2排放量，其中LCIEl、LCIpump、LCIPX、LCIPV、LCIm、LCIacid、LCIbace分别表示电能、泵、能量回收装置、压力容器、膜和酸、碱试剂等造成的CO2排放，M为重量，thick为膜的厚度，ω为单位CO2排放量，下标EL、mem，base、acid、steel分别为电能、膜、碱、酸、钢材；SEI＝(LCIEL+LCIpump+LCIPX+LCIPV+LCImem+LCIbase+LCIbase)/Qp       (92)LCIpump＝ωsteel·(MSWIP+Mhpp+Mbp)           (94)LCIPX＝(Qpxhin/50)·MPX·ωPX          (95)LCIPV＝∑nj·MPV·ωPV        (96)LCIacid＝acid·0.5·0.98·ρ·nLT·24·365·fc·ωHCl          (98)LCIbase＝base·0.03·2·ρ·nLT·24·365·fc·ωNaOH           (99)步骤7.对得到的系统多目标优化命题进行求解；反渗透系统的优化设计问题可表达为一个混合整数非线性规划，以总的年费用最小为目标函数、满足过程热力学、单元操作、设计要求等约束；多目标优化的目的是得到决策函数，由两个同时最小化的目标函数(吨水成本和系统能耗)组成，最优化结果满足：当减小一个目标函数时总会引起另外一个目标函数增加的情况，即非劣解，约束条件：反渗透传质模型，反渗透超结构模型，以及系统流量及整数约束公式，为了避免在求解过程中得到较弱的有效解，采用一种增强型ε‑约束方法以一个目标方程作为约束条件来优化另一个目标函数，Min f1＝TAC+eps·surf2‑sur＝θθ∈{θLO，θ1，θ2，...，θq，...，θN‑1，θUP}           (101)其中eps是一个很小的数值(10‑3)，冗余变量sur把不等式约束条件转化为等式约束条件，在得到一系列非劣解后采用线性隶属度函数来描述各个目标函数，第i个非支配解中的第j个目标函数对应的隶属度函数定义为式中：f_i^r为第r个Pareto解中第i个目标函数值；f_i^max和f_i^min分别为第i个目标函数在Pareto解集中的最大值和最小值；描述了第r个支配解中目标i与Pareto解集中目标i的最优解之间的偏移程度，其取值范围为0～1，值越靠近1则该解中目标i越优；每一个Pareto解的总的隶属度函数由和每一个目标函数相对重要性(权值w_i)计算，最优折中解选择θ^r最大的Pareto解供决策人员参考。