（环境科学专业论文）石化行业用水网络系统分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e rp i n c ht e c h n o l o g y ( w e t ) 船av e r ye f f e c t i v eo p t i m i z a t i o nt o o lo fa n a l y s i s a n dd e s i g nf o rt h ew a t e rn e t w o r k , d e v e l o p e df r o m1 9 9 0 s t h ef l u xa n dt h ek e yf a c t o r o fw a t e rr e u s e nb ef o u n db ym a n dt h e nt h em i n i m i z a t i o no fw a t e ru s ec a l lb e r e a l i z e dt h r o u g hd e s i g nt h ew a t e rn e t w o r ka c c o r d i n gt ow p t 、mc a nb eu s e dn o t o n l yi nt h er e c o n s t r u c t i o nb u ta l s oi nt h ed e s i g no fn e we q u i p m e n t o no v e r s e a s ，l o t s o fk e y sw e r er e p o r t e do nt h ea p p l i c a t i o no fw p ti nt h ep r o c e s si n d u s t r y , b u tt h e t r a d i t i o n a lw a t e rc c o n o m i z a t i o nt e c h n o l o g i e sw e r es t i l lu s e di nc h i n a l a r g ea m o u n t s o ff r e s hw a t e rw e r ec o n s u m e db yp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ；s i m u l t a n e o u s l yg r e a td e a l s o fw a s t e w a t e rw e r ed i s c h a r g e d 5t o6t i m e sm o r ef r e s hw a t e rw a su s e dt h a ni nt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e sf o rp r o c e s se v e r yt o nc r u d eo i li nc h i n a , s oi t sn e c e s s a r yt o a m e l i o r a t et h ep r e s e n te q u i p m e n t a sap a r to f t h ep r o j e c t “r e s e a r c ho f t e s ta n da p p l i c a t i o no fe c o i n d u s t f yi nt h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi ns h a n g h a i ”，t h eo p t i m i z a t i o no fw a t e rn e t w o r ko fs o m e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yw a sr e s e a r c h e db yw p t a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fw p l “d e c i s i o nt r e e ”am o r e a p p r o p r i a t e m e t h o df o rm u l t i - c o n t a m i n a n t sa n d m u l t i - o p e r a t i o n sw a t e rn e t w o r k , w a sb r o u g h tf o r w a r d a tt h e s a m et i m e ，t h e c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a mw a sw r i t t e nb yt h em a t l a bl a n g u a g et os a v e m a n p o w e r i np r a c t i c e ，f i r s t l y , i n v e s t i g a t i o na n dc o l l e c t i o nd a t af o rt h ew a t e ra n d d i s c h a r g eo f t h eo i lr e f i n i n gd e p a r t m e n to f t h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r yw e r ec a r r i e do u t a n dt h e nt h ef e a s i b i l i t ya n dl i m i t i n gc o n d i t i o n so f e q u i p m e n t sw e r ed i s c u s s e d f i n a l l y , d e c i s i o nt r e e ”t e c h n o l o g yw u t i l i z e dt od e t e r m i n et h em i n i m u mo f f r e s hw a t e r , t h e f l u xa n dc o n c e n t r a t i o no f r e u s ew a t e ra n dt h ed e s i g n e dw a t e rn e t w o r kw a so p t i m i z e d t h r o u g hw p to p t i m i z a t i o n , 2 0 f r e s hw a t e rw a s s a v e da n dt h ec o s to f r e c o n s t r u c t i o n w a sr e d u c e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t d e c i s i o nt r e e ”t e c h n o l o g yc a nb eu s e dt ot h ed e s i g n a n dr e c o n s t r u c t i o no ft h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r yw a t e rn e t w o r k , a tt h es a m et i m e ，i t p r o v i d e dp r o f i t a b l es u g g e s t i o nf o ro t h e ri n d u s t r i e s k e yw o r d s ：p e t r o c h e m i c a l ；w a t e rp i n c h ；d e c h i o nt r e e ；o i lr e f i n i n gw a s t e w a t e r ； w a t e rn e t w o r k , o p t i m i z a t i o n ；e c o - i n d u s t r y 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：7 糸拢b签名：泵轨( 9 - 切名年彦月2 ，；日 凳章；l 窘 第 章孽 言 1 1 我丽石纯众堑用承排水现状 陵蓑貔墨工簸戆发震粒人蠢豹矮搬，窳资滚匿熬紧缺，互监莲承豹萤缝墨不 仅是节约成本的阔题，而最成为可持续发蔗的重要前提之一废水摊放对环境的 污染同榉也已成必制约我灏可持续发展的糕硬。近每来，我图环境缳护工 筝敬褥 丁很大的成绩，不论在生森建设、环境治溅、立法臀理、科学研究，教育宣传、 公众意识篝方面均取得较大的进步但是，在经济赢速发展蚋同时，资源过波湾 耗，生态惫捌破坏，部分流域、地区、行鼗污染严整，环境闯题目赫严峻我国 疑济的衙速发展主要是依靠高投入、高消耗、高污染的粗放型经济方式来获取的， 掰蓠我箧万元g d p 能耗爨氆赛平均永平静3 a 蔷，是蠢本鹃9 7 话，3 3 种童要 产品的单位能耗比国际水平高出4 6 【1 】砸对严峻的环保问题，人们不得不思索 魏蠡麸繇屡次考虑，莠获壤本主辩获经济发袭与生；器环境乏溺熬矛_ | 簧 过稷正业，特别是石化企业悬用水大户，也是排污大户，消耗水量约占全国 王霆曩承总耋的2 8 7 ，撩藏污承蕊耋砉全冒z 鼗壤隶案敖憨置熬3 e , 5 0 印，这 个比例高于石化工业产值所占的比例，而且与国外先进石化企业相比差距很大 因晦吨原濑掘工获怒求重爨欧美嚣发达国家戆s 镶，褒瘩掺数量是霹外豹1 0 罄 硼这种现状不仅淹成水资源浪费。污染环境，而鼠严重影响企业经济效益的提 离，影响我国加入w t o 聪石化企业的屋麟竞争力，因此，蕊水，域污，增效是 关系到石化企业能否生存并实现可持续发展的当务乏急 目前，人们对于水资源的节约期回用，旱已由过去的末端治理转移到垂在污 染预防静优化精承瘸络设计上，勰落纪9 。年代束教换热弼络含成技术上发鼹超 洙的水必点技术燕这方面的最新搜术。“水灾点”攒的是水巾关键杂质的浓度， 掰禽杂袋在夹熹永平之上豹流羧苓器妥雳凝鲜永，剪懿霞瑁_ 进程孛箕它现有豹承 流股【田通过这种方法，可实现节约用水和废水减嚣的目的，并可实现工业用水 嚣焉最太纯。 1 2 谍题来源鞠研究蠢容 本漂繇寒滚予上海枣戮委科磅诗瓢顼羁上海蠢傀行鼗声业生怒试验与痰惩 研究，篡主要强务是利用夹点理论及其它数学规划法对莱石化炼油企业的用水 网络系缀进行优化，达到新鲜水节约使用秘废水减鐾排放的释的该石化公镯是 第1 章引言 我国第一个跨行业、跨部门的特大型企业，也是我国华东地区石油化工生产的重 要基地。因此如何运用清洁生产技术，依据循环经济理念和产业生态学原理，使 该石化公司水资源得到最有效的利用，最大限度地减少废水的排放，是该研究的 基本出发点 本研究的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 明确该石化公司炼油事业部现有工艺流程及备用水单元的分布连接情况 2 ) 明确各用水单元的主要污染物质及处理情况 3 ) 用水夹点分析法和其它数学规划法等方法相结合确定系统最小用水量 4 ) 创建用水系统网络优化模型 通过对该石化公司生产工艺流程以及炼油事业部各反应阶段所排放的“三 废”物质的调研，探索出一条用夹点法优化该企业水网络系统的有效途径，加强 废水排放的资源化、减量化和无害化，实现经济与环境双赢，提高上海石化行业 的国际竞争力，促进上海经济的可持续，快速，健康发展，并为我国其它石化企 业的清洁生产提供一定的借鉴 2 第2 章某石化炼油企业供、捧水现状分析 第2 章某石化炼油企业供、排水现状分析 2 1 某石化炼油事业部供排水情况 炼油事业部作为该石化公司一个主要的摹业部，拥有炼油能力1 1 3 0 万吨， 年，同时，它也是用水和排污大户据统计，炼油事业部总共排放污水量为2 2 3 4 4 m 柏，其中c o o 大于5 0 0 0m g l 的2 5 6 e m 3 d ，占1 1 5 ；c o o 在1 0 0 0 - 5 0 ( x ) n 叫l 范围内的4 8 0 耐d 。占2 1 5 * o ；c o o 在5 0 0 - 1 0 0 0 m o j l 范围内的9 4 0 8m 3 1 d ，占 4 2 1 ；c o o 在1 0 0 m o j l 以下的9 6 m = d ，占4 3 0 ，尚有4 6 0 8 州( 2 0 6 ) 的污水d 未知，具体数据见表2 1 袭z 1 炼油事业部c o d 总量捧放情况 炼油事业部的用水主要来源于黄浦江水和自来水。然后根据工艺对用水水质 要求的不同，分鄹对新鲜水进行过滤、絮凝、离子交换等处理措施，将所得的去 离子水、除氧水等按需求通往各装置；废水则主要有如下几股： ( 1 ) 禽油废水：这是炼油事业部水量最大的一种废水，主要含油，还有少 量的有机溶剂和催化剂等，如酚，丙酮。芳烃，硅酸铝等 含油废水大部分来源于各种装置中的油品和油汽冷凝水，油汽洗涤水，以及 油罐切水和洗涤水，机泵填料冷却水，地面冲洗水等这种废水的水温较高，具 有石油臭味，废水混浊度也较大在废水中石油以浮油，乳化油及溶解油三种状 态出现。 ( 2 ) 含硫废水：这种废水的水量一般比含油废水为小，除含有大量硫化氢 和硫化物外，含酚量也较高，还含有油 含硫废水主要来源于装置中分馏塔顶分离器排水。富气水洗水，迭合汽油水 洗水合加氢精制这种废水具有强烈的恶臭，腐蚀性很大，与空气接触容易生成 单体硫。硫化氢在水中的溶解度与水温有很大的关系，如增高水的温度，可以去 除废水中的大部分硫化氢 3 第2 章某石化炼油企业供、捧水现状分析 含硫废水中的含酚量也较高，一般可达l o - 5 0 m 叽。有的可高达3 0 0 m g l 图2 3 炼油事业部各车间废水流向图 ( 3 ) 含碱废水：主要含有氢氧化钠，在排出时还经常夹带大量的油，少量 的酚和硫，其p h 值达1 1 - 1 4 含碱废水主要来源于汽油和柴油碱洗后的水洗水 炼油事业部的汽油，柴油碱洗后的碱液还产生大量的碱渣，碱渣中含有大量 表2 2 ( a ) 炼油事业部各装置含油废水水质状况 4 第2 章某石化炼油企业供，排水现状分析 烷基化装置 15 0 2 0 0 磷产品精制装置 85 02 0 0 0 捌硫磺装置 z 7 4 4 08 0 0 谷气体分馏装置 0 弱1 0 0 1 0 0 2 # 酸性水装置 1 0 1 5 0 0 3 # 催化装置 22 0 0 2 0 0 0 1 彝石蜡加氢装置 1 0 1 5 0 1 0 0 择石蜡加氧装置 0 5 0 1 0 0 c 6 分离装置 o - 7 航j 蒹加氢装置0 6 9 2 0 0 4 0 0 # 1 ，# 2 白土精制 1 4 1 0 05 0 0 1 # 酚精制装置 7 7 3 1 0 08 0 0 5 0 雒丙烷装置 3 0 3 0 0 硝酚耩制装置 1 1 9 7 1 0 0 8 0 0 5 0 糠醛精制装置 篮 5 0 1 0 0 01 0 润滑油加氢装置 1 9 2 1 02 0 0 8 0 01 01 5 1 # 酮苯脱蜡装置 2 23 侣8 0 0 2 # 酮苯脱蜡装置3 1 68 0 0 3 # 酮苯脱蜡装置 3 5 9 0 6 8 0 0 发汗 2 1 95 0 5 0 0 1 砌常顶气体回收 8 1 5 0 1 0 0 0 1 带常减压蒸馏装置5 7 2 0 01 0 0 0 石蜡糟制装置 0 6 洗涤脱硫醇装置 蒸馏石蜡成型装置 2 3 5 01 0 0 垫壑型些鏊曼!塑 ! ! ! 塑一 一一 表2 2 ( b ) 炼油事业部各装置含硫废水水质状况 流量( t ) 硫( 呲) 油( 呲) c o d ( 吼) 酚( 咻) 氨氮( 艰) 鳞蒸馏装置 2 0 1 0 01 5 0 2 5 0 08 06 0 0 延迟焦化装置 3 , 5 3 2 6 04 0 1 2 3 7 2 03 3 22 0 5 8 群加氢装置 75 0 5 02 0 0 0 万吨，年连续重整 2 2 0 0 02 0 05 0 0 0 蝴口氢装置 7 5 05 02 0 0 0 1 堋l 化裂化装置 1 02 0 0 0 2 0 02 0 0 0 洲邕化裂化装置 2 5 5 2 0 0 02 0 02 0 0 0 1 # 硫磺回收装置 11 0 0 0 4 08 0 0 2 0 0 0 1 带气体分馏装置 1 旭体脱硫装置 z 4 5 7 5 d5 0 2 6 0 0 0 1 耀性水汽提装置 2 5 41 5 0 0 5 4 堡董堡茎!一 5 第2 章莱石化炼油企业供、排水现状分析 1 擗骞剂再生装置 猢产品精制装置 粼 磺装置 甜气体分馏装置 2 # 酸性水装置 3 # 催化装置 1 柘蜡加氢装置 矧石蜡加氢装置 c 6 分离装置 航煤加氢装置 # 1 、# 2 白土精制 1 # 酚精制装置 硝丙烷装置 咎酚精制装置 糠醛精制装置 润滑油加氢装置 1 # 酮苯脱蜡装置 2 # 酮苯脱蜡装置 3 # 酮苯脱蜡装置 发汗 1 砌常顶气体回收 1 脯减压蒸馏装置 石蜡槽制装置 洗涤脱硫醇装置 蒸馏石蜡成型装置 加氢裂化装置 1 3 0 挖8 3 0 明 n 4 1 1 0 0 04 0 2 0 2 0 0 02 0 0 5 5 3 0 7 21 7 5 0 0t 1 5 1 81 0 0 0 0 8 0 0 1 5 0 07 0 2 0 0 0 1 0 0 1 0 0 8 0 0 8 0 0 1 0 0 0 2 7 5 0 0 的氢氧化钠，硫化物，酚，环烷酸盐，不饱和烃类等物质 ( 4 ) 含酸废水：主要含有硫酸和硫酸钙等盐类，来源于水处理装置，化学 药剂罐区，加压泵房等 炼油事业部的汽油，柴油酸洗罐还产生酸渣，酸渣中含有大量的酸硫化物， 氧，氮，不饱和烃类等物质 ( 5 ) 含盐废水：含盐量较高，同时还含有原油，来源于电解脱盐水罐。 ( 6 ) 循环系统排污水( 清静下水) ；这种水是从冷却装置排出的，敬水温 较高，在3 5 - 4 0 之间，污染程度较小 污染物的浓度根据各装置生产流程的不同而异各装置产生的废水根据水质 和各车间所处的位置分别送到僻、雒和勰三个污水厂进行处理，其中清净下水 基本作为达标水直接排放。表2 2 和图2 1 分别描述了各车间废水的水质状况和 废水流向 6 第2 章某石化炼油企业供、捧水现状分析 2 2 某石化炼油事业部与国内外炼油企业供排水情况对照分析 石化行业不仅是用水大户，而且也是废水排放大户特别是炼油废水回用率 很低，仅为废水处理量的3 4 0 9 6 罔。目前我国一般炼油厂平均加工l t 原油的废水 排放量在0 9 3 5 t 左右，有的炼油厂高达4 t 。这与国外同类炼油厂0 0 2 o 5 t 的水平相差甚远嗍造成如此巨大差距有2 方面的原因：其一，发达国家凭借其 资金与技术优势，广泛采用了低污染和无污染生产工艺，削减了污染物的总量和 污水总量；其二，在捧水管理上采用了“清污分流、污污分流”的污水分类治理 策略，在用水系统中采用了“中水道技术”l t - 日i ，即通过利用挣化低污染水获得 的中水，取代新鲜水使用，逐步扩大企业内部水的循环利用率，从而降低新鲜水 的需求量，减少废水排放量在国内的炼化企业当中也不乏“节水减排”的模范 企业，据陈长顺1 1 q 报道，沧州炼油厂已实现了废水的零排放沧州炼油厂地处 华北干旱地区，水资源极度匮乏该厂早在1 9 9 1 年就投入大量资金对废水处理设 施进行大规模的改扩建。2 0 0 2 年与北京石油化工科学研究院合作，开展了外排污 水直接回用于循环水的研究，并于2 0 0 2 年1 2 月投入运行2 0 0 4 年设备大修期间， 该厂又对污水处理装置浮选工艺改造、消毒尺增设变频和自动控制以及循环水旁 滤系统的完善等项目的实施。到目前已基本实现了外排水全部回用于循环水的目 标 但像沧州炼油厂这样的企业目前在我国还是风毛膦角，为数不多表2 3 列 出了国内几家大型炼油企业的用水情况【1 q ： 表2 3 石化系统炼油企业用水情况 从上表可以看出，我国几家大型炼化企业加工吨原油所耗新鲜水量在0 9 到 2 吨之问，该石化公司目前生产吨油所需新鲜水用量为0 9 7 吨，虽然在国内同行 业中做得较好，但同发达国家炼化企业的0 0 2 0 5 t 相比还有很大的差距，究 其原因，主要有以下三点： 该石化公司地处车水区，用水方便而形成的节水意识不强，用水大手大脚的 7 第2 章某石化炼油企业供、捧水现状分析 老观念仍然存在 公司废水产量大部分装置产生的废水污染物浓度高，难处理炼油事业部 现有污水处理设施基本能满足污水处理要求，但有些设备老化，如果将废水 处理至回用水标准，还需对其进行维修和扩容改造 历史遗留的排水和用水都采用合流和一次性用水设施问题仍未解决，废水直 捧现象仍然存在 因此，该石化公司在节水方面还有相当大的改进空间 2 3 某石化炼油事业部废水处理和中水回用存在的问题及对策研究 该石化公司近年来通过各部门的共同努力，采取有效措施，运用新技术、新 产品，降低了生产工艺中水资源的消耗。通过对一次用水改为循环用水或多级串 联用水，增加循环水设施，实旄清污分流，减轻终端废水处理负荷；对用水量大 的冷换设备进行监控，在满足生产工艺要求的情况下，控制换热温度，减少冷却 水的使用量；对生产用水无控制状态，制定用水指标等问题的改进，收到了年节 水近千万吨的效果，炼油加工吨原油消耗新鲜水从2 0 0 0 年的4 0 6 吨，下降到2 0 0 3 年的1 吨，进入行业先进行列：化工万元产值排水量从2 0 0 0 年1 5 1 0 1 吨，下降 到2 0 0 3 年的6 1 7 4 吨，排水量是2 0 年的加8 8 但是，通过对该石化炼油事业部供摔水状况的调查，发现目前存在下述问题： 1 ) 清净下水直排 清净下水指的是循环系统排污水，基本来自各装置的蒸汽冷凝水，目前该石 化炼油事业部的清净下水都是直接排往污水厂处理或直接外捧掉根据沧州炼油 厂的经验【1 q ，炼油废水在进水c o o c r ：1 0 0 昕_ 日，l ，氨氮 4 0 m g l ，油 5 0 0 m g l ， 硫化物s 1 0m g l ，p h 6 - 9 的情况下，经废水处理系统处理后的出水通过过滤后 即可直接作为循环水的补充水，其主要指标能够达到中石化公司循环水的要求 目前该石化炼油事业部的清诤下水虽然浓度没有统计，但是根据污水的来源，浓 度应该接近或低于上述标准，因此将这样一股水直接外排实属可惜，因此建议将 清净下水作为循环水补充【1 2 - 1 3 1 ，即将少了废水排放量，又增加了经济效益另 外。厂区绿化对回用水的水质要求较低，因此，还可将剩余的清净下水简单处理 后做为绿化用水”4 】 2 ) 出水集中处理 目前，该石化炼油事业部各装置出水基本是按照水中主要杂质的不同对废 水进行分股处理，但是根据表2 1 所显示的数据，中低浓度的废水 ( c o d s l 0 0 0 r n g l ) 占了废水总量的5 0 以上高浓度炼油废水处理难度大，费 8 第2 章莱石化炼油企业供，排水现状分析 用高，耗时久，因此建议将炼油事业部各装置出水按杂质种类和浓度进行分级处 理，这样既减少了处理水的难度，又可以增加回用水的量对于中低浓度的炼油 废水，谢文玉、陈建军等圈研究表明：采用“b a ft 艺+ 过滤工艺”处理炼油厂 轻污染废水，取得了较好的效果经b a f 1 - 艺处理后，出水c o d 和油平均浓度 分别为9 s t r 吲l 和0 2 4 仃聊。再经过滤工艺进一步除去b a f 工艺出水中的s s 后，出水s s 平均浓度为3 8 m g l ，系统出水完全可以达到工业回用水水质标准 而且该工艺具有占地面积小、停留时间短、处理效率高、反冲洗周期长，操作简 单等优点，因此具有一定的实用价值 9 第3 章水夹点技术及其应用 第3 章水夹点技术及其应用 3 1 水夹点技术的起源及发展 夹点技术最先应用于解决换热网络系统中的瓶颈问题，是过程集成技术早期 的一个重要进展【1 珥之后，夹点技术被扩展应用于污染防治的质量集成中，如 资源回收，废物减量等方面【1 6 1 水夹点技术( w a t e rr n c ht e c h n o l o g y ，w p t ) 是过程集成工程设计领域在环 境保护方面的突破，它最早由英国曼彻斯特理工学院( u m i s t ) 的y r w a n g 和 r o b i ns m i t h 提出【1 ”从概念上讲，水夹点技术将过程集成技术应用于废水量最 小化和废水处理系统设计之中，是质量交换集成技术在用水操作上的应用 水夹点技术提供了一种方法：首先判别水回用流量的目标，然后找出关键的 水回用机会，以便在设计用水网络时尽可能的接近最小流量目标水夹点技术不 仅可以用于新装置的设计，也可用于现有装置的改造【咽 3 2 水夹点技术的基本原理 水夹点技术的核心思想【1 q 是使水的回用量和出水中污染物的浓度达到最 大，并找出设计问题中的瓶颈，预测出设计中的最小用水量水夹点技术将用水 操作简化为一个从富含杂质的过程流股到水流股之间的质量传递过程这里杂质 包括悬浮固体颗粒、化学需氧量，以及其它约束水回用的水质因子如同换热网 络设计一样，水回用过程集成确定一个水夹点，但二者的不同之处【2 。i 在于水夹 点是基于某关键杂质的浓度，而不是温度；所含杂质浓度在夹点浓度之上的流股 不需要用新鲜水，而是利用过程中其它现有水流。 3 2 1 水夹点技术的基本概念 1 杂质传质模型【1 珂 在水夹点技术中，我们定义用水操作为一个需要水的杂质源。在考虑最小新 鲜水需求量和多种用水操作的水回用的时候，应用个通用的模型一富杂质过 程流股模型，代表一种富杂质过程流股和种贫杂质过程流股的逆流接触操作 在富杂质过程流股模型中，杂质从用水操作传递到水流中的质量负荷等价于在一 定时间间隔杂质从高浓度过程流股传递到低浓度水流的质量负荷，一般用k g ，h 第3 章水夹点技术及其应用 表示在水夹点分析中将操作过程描述为如图3 1 a 所示的传质过程。 图3 1 a 以富杂质过程流股模型描述的用水操作 在一些情况下，用水操作并非贫杂质过程流股和富杂质过程流股的逆流接 触，可以用“表观”的或“虚拟”的过程流股来反映水回用的浓度约束比如在 冷却系统当中，并没有真正的杂质传递，杂质浓度的增加是因为冷却过程的蒸发 气化引起的。 图3 i b 表示用水操作中杂质的传质模型图中纵坐标c 代表杂质浓度( m g l 或m 胡) ，横坐标m 表示杂质传质负荷( k g m ) 。 曲线斜率的倒数代表了流量，斜率越大流量越小，二者成反比关系。 ( 卜m c( 3 2 1 ) c ( m g 仰 图3 1 b 杂质浓度与杂质传质负荷 在对用水操作过程分析时，还必须确定操作过程中的约束，并确定基于该约 束条件下的用水限制流量。对于第i 个操作，基本约束有： ( 1 ) 最大允许入口浓度c 兰； ( 2 ) 最大允许出口浓度c 兰； ( 3 ) 杂质总的传质负荷觋。 水极限流量就是在先给定的入口极限浓度c 絮和出口极限浓度c 条件 下，为达到杂质负荷m 沮所需的水流量，此时传质推动力在入口处不为零， 第3 章水夹点技术及其应用 在这种情况下，传质推动力达到了所允许的最小值，对于第i 个操作有以下关系 式： 。胤赫若器姐0 3 2 2 极限水侧形图f 嘲 极限水侧形图是对应子给定的水回用约束条件下的杂质浓度与质量负荷关 系图，又叫c - m 图。由c 盘、c 篇和am i 馘可作出一条限制曲线，限制曲线以 下任何一条供水线都能满足用水操作的要求。图3 2 显示了用水操作的限制曲线 与供水线的一般关系，如果允许新鲜水中的杂质浓度达到最大，便可得到最小水 流量。 图3 2 极限水侧形图和供水线的关系 c 盘 3 2 2 单杂质系统无回用水情况下的新鲜水总流量 要对现有的生产过程开发最优的水回用系统，第一步是在没有任何水回用情 况下对系统进行分析，以确定每个用水操作的最小新鲜水用量。一旦找到了每个 用水操作的最小新鲜水用量，对于没有水回用的单一杂质系统，总的最小新鲜水 流量即为每个操作所要求的最小新鲜水流量的简单加和。 缸= 军篙圳3 2 整个系统的水流总出口的杂质浓度为各操作的流量加权平均： “( f ，0 ，p m ) c ：( p p m ) 2 上函矿 q 2 4 如某工业系统1 含有3 个独立的用水操作，操作i 、操作2 和操作3 ，为简 第3 章水夹点技术及其应用 化起见，该系统只含一种杂质，表3 1 列出了该系统的极限过程数据。 表3 1 莱系统的极限过程数据 在没有任何水回用情况下我们可以采用极限水侧形图来确定每个用水操作 的最小新鲜水流量图3 3 ( a ) 给出了该系统中3 个用水操作的极限水侧形图和新 鲜水的任意供水线。对于一个给定的操作，极限水侧形图和供水线之间的垂直距 离代表了杂质在用水操作系统中的传质浓度推动力图3 3 ( b ) 显示了新鲜水的情 况，供水线的起始点杂质浓度为0 ，终点为用水操作的极限出口浓度，与极限水 薯7 5 ； 甏 操作1 操作2操作3 暑 i 爱 i 3 7 51 l 舯 质量负荷( k 咖) 质量负荷( k 咖)质量负荷( 蛔m ) 图3 3 ( a ) 每个用水操作的新鲜水极限水侧形图( 实线1 ) 和任意供水线( 虚线2 ) 营7 5 ； 爱 操作1操作2操作3 3 7 5 质量负荷( k 曲) 誊 i 爱 l i 质量负荷( 虹血) 1 2 5 营 i 麓 ： 、： | ， 1 质量负着( t 4 r h ) 图3 3 ( b ) 每个用水操作的新鲜水极限水侧形图( 实线1 ) 和最优供永线( 虚线3 ) 侧形图相交。但是，二者相交并不意味着传质推动力为0 ，只说明传质推动力是 在平衡约束或其它约束条件下的最小值。根据公式3 2 2 、3 2 3 和3 。2 4 可以得到 哪1譬v曩 第3 章水夹点技术及其应用 每个操作的最小新鲜水流量和出口浓度，如表3 2 所示： 表3 2 无水回用时某系统中各用水操作的最小新鲜水需求 3 2 3 具有水回用的集成系统的水夹点分析 如果将所有用水操作同时处理并最大限度的进行水回用而不是在每个阶段 都使用新鲜水，例如操作l 的杂质出口浓度仍然小于操作2 的极限进口浓度，则 操作l 的废水可以直接被2 利用。通过这种方式，新鲜水的用量和废水的体积流 量将会大大减少，但杂质的传质质量负荷并没有改变采用这种方式的关键步骤 是在一个图表上分别表达每个用水操作，并确定总系统的最小废水流量。在这里 有两种方法【哪：图形法。即浓度组合曲线；表格法，即浓度间隔图表( c i d ) 1 图形方法：浓度组合曲线 构建一个浓度组合曲线图有以下四个步骤： 1 ) 首先，在同一个杂质浓度与质量负荷图上画出所有的用水操作。每个操 作必须首尾相连，使代表杂质浓度的y 轴是绝对的，而代表杂质负荷的x 轴是相 对的图3 4 a 给出了某操作系统的绘制过程。 2 ) 在每个用水操作的极限进出口浓度处将y 轴划分为不同的浓度间隔，如 图3 4 a 虚线所示。这些水平线即为间隔的边界，标记为( k = 1 ，2 ，3 ) c 图3 4 a 某操作系统浓度组合曲线的图形方法构造 1 4 m 第3 章水夹点技术及其应用 3 ) 对每个浓度间隔内的所有用水操作的质量负荷进行叠加，根据加和的总 量再在浓度间隔内重做一条曲线图3 4 b 画出了在某操作系统中该过程的结果 4 ) 消去原始的用水操作线，只留下在每个浓度间隔内的质量负荷总和，做 出最终的浓度组分曲线。图3 5 c 显示了该操作系统的最终浓度组分曲线。 当确定了系统的浓度组合曲线后。做出相应的供水线求出最小新鲜水流量。 1 ) 对于新鲜水，杂质的起始浓度为零，供水线必通过坐标原点； 2 ) 根据方程3 2 1 ，供水线斜率越大，水流量越小，但为了保证一定的传质 推动力，供水线必须总是处于浓度组合曲线的下方或和浓度组合曲线重叠。 3 ) 以原点为中心旋转供水线，当与浓度组合曲线相交时即为最优供水线， 交点即为夹点。图3 4 d 给出了某操作系统的供水线。最小新鲜水流量可按下式 计算： c c 图3 4 b 某操作系统中各浓度间隔的累积操作 图3 4 c 菜操作系统的浓度组合曲线 m m 第3 章水夹点技术及其应用 c ，；鳖 “ 图3 4 d 某操作系统的浓度组合曲线和最佳供水线 m ( 3 2 5 ) 2 表格方法：浓度间隔图表 作图法比较直观，但是表格法更加简单，更适用于计算机编程。表格法也利 用极限过程数据中的极限进出口浓度确定的浓度间隔边界。浓度间隔确定后可按 下述步骤进行： 1 ) 对一个给定的浓度间隔k ，此间隔内每个用水操作i 的杂质传质负荷m i 上 可由下式计算。 j = z 铀【c 一c = 】 ( 3 2 6 ) 式中， q 。和q 分别为问隔的上下边界，矿为操作i 的极限流量。在间 隔k 内总的质量负荷m k 即为在此间隔内各操作i 的传质质量码。的总和，可按 下式计算： = 【+ l - q 】z 跏 ( 3 2 7 ) i 2 ) 按间隔升序，依次计算每个间隔结束时的累积质量负荷， 传质嘲。进行加和，按下式： a m k = i 将每个间隔的 3 ) 根据上述所求得的数据列表，即为浓度间隔表。如表2 3 。 4 ) 根据累积质量负荷和间隔边界浓度计算每个间隔边界处的流量： 1 6 ( 3 2 8 ) 第3 章水夹点技术及其应用 石。等 z m 5 ) 在浓度间隔图表最后一列中，供水流量最大处即为新鲜水夹点之所在。 表3 3 为上述操作系统的浓度间隔图表，从表中可得最小流量为5 6 6 7 t h ，小于 无水回用时的流量6 8 t h ，节水1 6 7 。 表3 3 某操作系统的浓度间隔图表 浓度操作1 操作2操作3质量负荷累积质量负 流量 ( m e l ) ( 5 0 t h ) ( 2 0 t h ) ( 2 0 t h ) ( k g h )荷( k g h ) ( t h ) 墨i 0 o o0 0 0 2 5 0 l 2 5 05 0 0 0 1 7 5 l 4 2 1 , 0 0 5 6 6 7 ： i5 2 55 2 5 0 l 0 5 0 i 5 7 54 6 0 0 3 2 4 多杂质系统的水夹点分析与综合 1 比例质量传递假设1 1 9 j 在处理多杂质系统用水操作时，般要考虑与关键杂质传递相关联的其它杂 质的传递，因此，w a n g 和s m i t h 提出了比例质量传递假设，即假设杂质a 的传 递与杂质b 的传递成比例。也就是说，如果某一用水操作中杂质b 总质量的9 0 传递到水中，则其它杂质总质量负荷的9 0 也传递到该水流中，公式表示如下： 一 一f 、 ，、 一f 、 = ! ：坐2 型生= = ! ：生墨业 ( 3 2 1 0 ) c 一“一c f - 础州一g 。 2 最小新鲜水流量 在浓度间隔边界n 有三种类型的操作存在，操作可能开始于，中止于或穿过 浓度间隔边界由图2 5 可以看出，从前一浓度间隔离开操作i ，流量为t 。的 水，浓度为c i 。；第二个是回用流量为q h 舯，来自操作l 的水，该流股已在浓度 间隔边界m 终止，浓度为c l i ，m 龟；最后是流量为f i 。的新鲜水。 为了最大限度的回用水，我们必须首先估计在浓度间隔边界n 每个操作的流 量需求。如果进入操作的水浓度为极限浓度，则我们供给这个操作以极限流量z 当进入这个操作的所有杂质的浓度均低于极限值时，较低的流量便可以完成该质 量传递任务。定义在浓度间隔边界n 进入操作i 的实际流量f 与操作i 的极限流 1 7 第3 章水夹点技术及其应用 量z 的比为岛，则 ”手 那么，操作i 需求的水流量为： r l 。= e i 。氛 ( 3 2 1 1 ) ( 3 2 1 2 ) 量作i 的未回用至撮作i 在操作i 从问隔n 至n + l 回 舢_ 删用t _ ( 。删，、 w p i ( m 剖l ) 、，- ，_ t 、 - - - 一 在摄作i 内从间隔m - i 至n - 回用丑小 新鲜承 w “( m r l ) 操作1操作i 图2 5 夹点间隔边界下方一般的浓度间隔边界 我们的首选是从前一浓度间隔离开操作i ，流量为t i 。的水，浓度为c 讪：第 二个选择是回用流量为q l i 。m ，来自操作1 的水，该流股已在浓度间隔边界m ( 1 ”，n ) 终止，浓度为c 1 i n m ；最后的选择是流量为f i ，n 的新鲜水这三种水源使得操作i 的用水需求得到满足。 z ：= + 锄，。+ 只，= b 。z 帅 ( 3 2 1 3 ) 其中，口一由该浓度间隔和下一浓度间隔每个杂质的真实浓度确定： 铲甲唁羔静 。2 m ) 式中f ，一是上面三个水源的加权平均浓度： 一 五，+ g 怕“，“ 既删2 弋麓乞习f 。2 ” 第3 章水夹点技术及其应用 为了最大程度的水回用，我们优先使用杂质浓度低的水在最低的浓度间隔 边界，必须用新鲜水满足用水操作的最小流量需求，因此方程c 3 2 1 3 ) 和c 3 2 1 4 ) 简化为： 石= 只j = 包j 石陆 ( 3 2 1 6 ) ”呼睁 ( 3 2 1 7 ) 用下式计算离开操作i 进入下一间隔的水的浓度和流量： ；瓦+ 掣 ( 3 2 1 8 ) 霉川= + + 吼，自 c 3 2 1 9 ) 重复以上步骤直到计算出达到夹点间隔边界的每一操作的流量和浓度 3 2 5 用水网络的设计 对有水回用系统而言，用水网络的设计过程比较复杂，在这种情况下，我们 采用格子图为工具，用浓度间隔设计法设计一个能实现最小新鲜水流量和最小废 水产生量的初始用水网络在这里，前面所述的浓度组合曲线和新鲜水夹点是后 续设计步骤的基础。 1 格子图 格子图是描述系统的一种方法，比较适合有水回用系统的设计。图2 6 是上 述操作系统的格子图， 代表用术摄作的过程撬髓砖 m - 吨 新鲜才 6 8 f h o m a l 图2 5 某操作系统的格子图 1 9 卧 舭 一 盘illl二_lr 讪 第3 章水夹点技术及其应用 其中： 图中右边水平和垂直的粗安线代表水流。这些水流由下向上流动： 图左边垂直的粗实线代表的是用水操作的富杂质过程流股这些过程流股由 上向下流动，与水流方向相反； 图中水平的虚线将每一过程流股和其对应的水流连接起来，这些虚线上标注 着相应的杂质质量负荷( k g ，h ) 每一条虚线代表一个用水单元。 水流的出入口浓度标在每一条水平虚线和水流实线的交点处 2 浓度间隔设计法处理用水网络 在该方法中，我们根据用水操作的过程流股中杂质浓度把浓度组合曲线分解 成一系列的水平浓度间隔。间隔边界上的浓度值对应着不同极限的出入口浓度。 根据在间隔中杂质浓度变化与总的杂质浓度交化的比值，再乘上该操作总的杂质 传递负荷，可得到在该浓度间隔中用水操作每一过程流股传递的杂质质量负荷 为； m i , k ( k g h ) = a m l 删畴鞠 ( 3 2 ，2 0 ) o i 一o ， 式中q 、+ 。对应着间隔边界上的杂质浓度； c 篇、c 搦操作过程i 中杂质的极限入口浓度和极限出口浓度 。操作过程i 中所传递的杂质总质量负荷 m 。间隔k 中操作过程i 所传递的杂质质量负荷 对选定的浓度间隔中的每一个操作过程i ，可以计算出与间隔k 中操作i 杂 质质量负荷对应的水流量： 小仰= 藤器圳3 2 m ， 式中朋，。间隔k 中操作过程i 所传递的杂质质量负荷； c ：。间隔k + 1 边界上的杂质浓度，也即离开间隔的水流股中杂质浓度 c 二操作过程i 中进入间隔k 的水流股中杂质的平均浓度 对于水源的选取，一般采用以下顺序：优先选用同过程的上一间隔中的回用 水，其次选用其它过程中的回用水，最后选择新鲜水，这样可以确保利用最多的 回用水和消耗最少的新鲜水对每个操作任何间隔供给的水量应该保证能够让水 中的杂质浓度达到间隔的上限值，即乙m 第3 章水夹点技术及其应用 按照上述步骤可得到上述操作系统中初始用水网络完整的格子图，如图 3 6 a ，以及该系统对应的方框图。 此方法适用于单杂质和多杂质系统中。 5 0 肭 o i l 以 新蛘求 5 6 6 7 计l o m r , c 废术 靳6 7 愦i l m 柙 7 s m z ，l 7 5 m i l l o m 叽 1 3 3 3 柏2 0 , 0 0 “b 7 $ m s l 7 5 州儿 i n 州几 5 0 m i i c 哪 5 0 | a 蜘6 6 7 蚺l 新鲜未 伽a 叽 图3 6 a 某操作系统中初始用水网络完整的格子图 5 0 0 怖5 0 姗 1 6 6 7 咖 鲍o 州皿7 5 0 i l i 班7 5 o o m s l a - 1 2 5 m 以 c ：- i m 咖 q - 7 5 r n w l l 新鲜水夹点 c ：班 q - o m 叽, 7 1 1 = ：l7 i = = ：i 3 3 3 3 仉i 7 s o