（环境科学与工程专业论文）石化企业用水网络的分析与设计.pdf

石化企业用水两络的分析与设计 a b s t r a c t s w a t e r p i n c ht e c l a n o l o g y ( w p t xd e v e l o p e d f r o m1 9 9 0 s ，i sau s e f u lt 0 0 1o n a n a l y s i sa n d d e s i g no f t h en e t w o r k so fw a t e ru s e w p to f f e ra l lm e t h o dt h a tg i v e st h et a r g e to fw a t e r r e u s e t h e nt h ee n g i n e e r sc a nf i n dt h ek e yf a c t o ri nw a t e rr e u s ev i aw p tt h a th e l pt h e mt o d e s i g nt h ew a t e rn e t w o r k dt og e tt h ew a t e r - u s em i n i m i z a t i o n w p tc a nb eu s e di nt h e r e c o n s t r u c t i o na sw e l la st h ed e s i g no f n e ws e t t h e r ea r el o t so f r e p o r t so nt h ea p p l i c a t i o no fw p t i nt h ep r o c e s s p l a l a so v e r s e a b u t n o n ei nt h ed o m e s t i c w es t i l lu s et h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y i nt h e p a p e r , i t i e st h ew p ti n t w ot y p i c a lp l a n t , ap e t r i f a c t i o np l a n ta n dar e f i n i n gp l a n t ，b a s e do nt h er e s e a r c h t h e t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yi sa d d e di nt h es e c o n dp l a n tb e s i d e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g nv i a 、p ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r eo f p l a n t t h ep a p e r a l s od i s c u s st h ec o m p u t e r l a n g u a g eu s e d i n w p t k e y w o r d s ：w a t e rp i n c h t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o n n e t w o r k so fw a t e ru s e 至些垒些旦垄堕些塑坌煎兰堡生 一一 1 。前言 随着工业的发展和水资源的日益紧缺，工业用水的节约远远不仅是节约成本的 问题，已经成为持续发展的重要前提之一。废水排放对环境的污染同样也已经成为 锘4 约可持续发展的一个重大课题。石化企业是用水大户，也是排污大户，消耗水量 约占全国工业用水总量的2 7 8 ，污水排放总量占全国工业废水排放总量的3 8 5 ， 这个比例高于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。国内 加工吨原油耗水量是国外的5 倍，排水量是国外的l o 倍。不仅浪费水资源，污染环 境，而且严重影响企业经济效益的提高，影响我国加入w t o 后石化企业参与国际市 场竞争的能力。因此，节水、减污、增效是关系到石化企业能否生存并实现可持续 发展的当务之急。 人们对于水资源的节约和回用，早已经由过去的终端治理转移到重在管理的优 化用水网络设计上。在换热网络合成技术上发展起来的水夹点技术是这方面的最新 技术。 “水夹点”指的是水中某关键杂质的浓度。所含杂质在夹点水平之上的流股不 需要用新鲜水，而可以回用过程中其他现有水流股。采用这种原则，可实现节约用 水和废水减量的目的，并可使工业用水回用最大化。水夹点技术是2 0 世纪9 0 年代 中期开发出来的，是进行工业水回用、废水量最小化和废水处理系统设计的一种新 方法，是在设计和操作之前，进行用水过程分析，以及设计之后的新鲜水消耗量和 废水产生量最小化的工具。特别是水夹点技术提供了确定以下几个方面的系统分析 工具： 新鲜水消耗的最小流量目标 废水产生的最小流量目标 用水网络和废水处理系统的设计的指导原则 应用水夹点技术能够有的组织大幅度节约水资源，提高水回用的比例。对一个 现有用水操作，水夹点技术能预测一个最小的新鲜水用量，并且在用水网络设计和 改造中，提供切实可行的指导以达到新鲜水里流量最小的目标。 论文中对两个企业，一个是化工企业，一个是炼油企业，进行了用水网络优化 的分析，并结合传统的节水方法并提出了可行方案。 互垡垒些旦垄塑塑堕坌堑兰塑盐 一一 2 用水网络优化的分析与设计的研究进展 2 1 水夹点技术 2 1 1 发展经历 夹点技术最先应用于解决换热网络系统中的瓶颈问题一温度夹点问题“1 ，是过 程集成技术早期的一个重要进展。过程集成是定位于系统角度，基于热力学方法以 及集成的方法用于过程装置的分析。夹点技术后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。 水夹点技术是过程集成工程设计领域在环境保护方面的突破。过程集成技术在 2 0 世纪9 0 年代得到了极大的发展1 9 9 4 年英国曼彻斯特理工学院( u m i s t ) 的y e w a n g 和r o b i ns m i t h 发表了两篇文章 “正式提出了水夹点技术( w a t e rp i n c h t e c h n o l o g y ，w p t ) 的概念，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1 9 - 1 0 1 。从概念上讲，水夹点技术是质量交换集成技术在用水操作上的应用。 水夹点技术的核心思想是使水的回用量和出水中污染物的浓度达到最大，并应 用于确定设计问题中的瓶颈，预测出优于设计流量的最少用水量。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 包括悬浮的固体颗粒，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。所不同的是水夹点是基于某关键 杂质的浓度，面不是温度；所含杂质水平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。 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，以便让工程师们设计用水网络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。 2 1 2 水夹点技术的基本概念 1 杂质传质及模型 在水夹点技术中，我们定义用水操作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，应用一个通用的模型富杂质过程 流股模型，代表一种富杂质过程流股和一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漉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 表示 在水夹点分析中将操作过程描述为如图2 1 所示的传质过程“”。 富杂质过程流股 水流 一一 i 杂质质量传递i 图2 1 n 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。如冷却系统， 并没有真正的杂质传质，杂质浓度的增加是因为冷却过程的蒸发汽化引起的。 图2 ，1 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( p p m 或m 酣) ，横坐标m 代表杂质传质负荷( k g h ) 。 图2 1 b 杂质浓度与杂质传质负荷 曲线的斜率代表了流量，斜率越大流量越小。 q = 脚c = c t g a ( 2 11 ) 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 ! ：； ( 2 ) 最大允许出口浓度c 盘 ( 3 ) 杂质的总传质负荷锄。 水极限流量就是在先给定的入流限制c 盘和出流限制q l 。i r a 条件下，为达到杂质 传质符合棚。所需的水流量。对于第i 个操作有一下关系式 flira砑酒山nttot ( 2 1 2 ) 石化企业用水用络的分折与设计 2 限制曲线 由c 裟和盘可做出一条限制曲线1 1 3 - 1 4 1 限制曲线以下任何一条供水线都能满 足用水操作的要求。在设计过程中，采用限制曲线而不直接采用过程曲线。因为对 于不同的过程，传质机理差别较大( 如脱盐和汽提) ，由于传质推动力和腐蚀等引起 的浓度限制也干变万化，在研究问题时，我们需要有一个比较固定的基准，并且限 制曲线提供了设计所需的数据。 图2 2 显示了用水操作的限制曲线及供水线的一般关系。如果允许新鲜水中的杂 质浓度达到最大允许水平( c = c ) ，便可得到最小水流量。 c - 。 o m i t 。t m 图2 2 限制曲线和供水线的关系 在分析设计过程中，我们假定m 和c 成线性关系( 大多数的实际过程中是可行 的) ，如果m 和c 明显的不是线性关系，则分成几个区域，在每个区域可近似认为是 线性的。 2 1 3 无回用时的新鲜水最小化 举例2l 说明水夹点分析，数据见表21 。 表2 1 例2 1 极限过程数据 操作 她，。( k g ，l - ) c 盘( p p m ) ( 嚣( p p m )：“。( t ，h ) i37 507 55 0 2l0 05 0 1 0 02 0 310 07 5 1 2 52 0 石化企业用水网络的分析与设计 在没有任何水回用情况下可以采用限制曲线确定每个用水操作的最小新鲜水流 量。图2 3 给出了例2 1 中3 个用水操作的限制曲线( 实线1 ) 和最优供水线( 虚线 2 ) 。限制曲线和供水线之间的垂直距离代表了杂质在用水系统的传质推动力。最有 供水线( 代表了最小新鲜水流量) 与限制曲线在极限出口浓度处相交。而着相交并 不意味着传质推动力为0 ，只说明传质推动力是在约束条件下的最小值。 c 7 5 操作1操作2 c 1 2 5 7 5 图2 3 每个用水操作的限制曲线和最优供水线 表2 2 列出了每个用回操作的最小新鲜水需求量，同时也列出了每股水流的出口 浓度( c = c ) 。 表2 - 2 无水回用时例21 中各用水操作的最小新鲜水需求 操作最小新鲜水流量( f f h ) 出口浓度( p p m ) l5 0 0 0 7 50 0 21 00 0 1 0 0 0 0 3& 0 0 1 2 50 0 总计6 8 0 08 45 6 找到了每个用水操作的最小新鲜水流量，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。 ：n m ：a m 。t , t o t 、 ( 2 1 3 ) l 7 ia 整个系统水流的总出口杂质浓度按流量加权平均： 。q l ，l 。m c 2 , ，= _ 一( 2 1 4 ) 石化企业用水阿络的分析与设计 2 1 4 具有水回用的集成系统的水夹点分析1 8 1 首先要得到给定系统的浓度组合曲线浓度间隔图表( c i d ) 最后一步便是用水 夹点来确定最小新鲜水流量。因为夹点之上系统不需要新鲜水，而可以利用系统中 其它现有水流。因此，具有水回用时的新鲜水最小流量即为达到新鲜。水夹点时的 新鲜水流量。主要有两种方法：图形方法和表格方法。 1 图形方法：浓度组合曲线 构健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划出所有的用水操作。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2 4 a 给出了例2 t 的绘制过程。 2 ) 在每个用水操作的极限进口和出口浓度处将y 轴划分为不同的浓度间隔，如 图2 4 a 虚线所示。这些水平线即为间隔的边界，标记为c ：( k = - i ，2 ，3 ) 。 c m 图2 4 a 例21 浓度组合曲线的图形方法构造 3 ) 对每个浓度间隔内的所有用水操作的质量负荷进行加和，根据加和的总量再 在浓度间隔内重新做一曲线。图2 4 b 画出了移j2 1 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的总和，做出 最终的浓度组分曲线。图2 5 c 显示了例2 1 的最终浓度组分曲线。 6 石化企业用水嗣络的分析与设计 1 5 0 1 2 5 c 1 0 0 7 5 5 0 2 5 0 c 勿 璁l 畦蛆【g h k ! 2 蟛h m i l 7 5 k g h a - 毒5 7 5 k g h i , = 2 5 k g k i ，i 。 m 图2 4 b 例2 1 各浓度间隔的累积操作 f 嬲撒 一jj - 一7 5 k g h m 图2 4 c 例2 1 的浓度组合曲线 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，杂质浓度的起始浓度为零，即供水线必然通过坐标原点； 2 ) 根据方程2 1 1 ，水流量越小，供水线斜率越大，但为了保证一定的船只推 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迭。 3 ) 以原点为中心旋转供水线，当与组合曲线相交时即为最优供水线，交点即为 夹点。图2 4 d 做出了例2 1 的供水线。最小新鲜水流量可按下式计算： 厶。：等丝 【，m ( 2 ，1 5 ) 石化企业用水网络的分析与设计 c m 图2 4 d 例2 1 的浓度组合曲线和最佳供水线 2 表格方法：浓度间隔图表 作图一般都比较复杂，特别是图表更适于计算机编程，所以大多数单一杂质问 题用表格方式更有效。浓度间隔图表( c i d ) “”可以提供创建一个用水网络所必需的 所有信息，但避免了作浓度组合曲线。 表格方法也利用极限过程数据( 如表2 1 ) 中的极限进出口浓度确定的浓度间隔 边界。确定了浓度间隔后就可以按下述步骤进行： 1 ) 对一个给定的浓度间隔k ，计算在此间隔内每个用水操作i 的杂质传质负荷 m n 。由方程2 1 2 可以用下式计算操作i 在间隔k 内的传质负荷m 。 m “= 工“虹：+ 。一c 爿 ( 2 1 6 ) 式中，q + 。和c ：分别为间隔的上下边界，z 为操作i 的极限流量。在间隔k 内总的质量负荷肌i 即为在此间隔内各操作i 的传质质量珊。的总和，可按下式计算： m 。= k 圹a 芝z “ ( 2 1 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，将每个问隔的传质 m 。进行加和，按下式： a m = m t ( 2 1 8 ) 3 ) 浓度间隔图表是以上数据的表格表达。对于含有i 个用水操作的体系，第1 列位浓度间隔边界的升序排列，第2 列到第i + l 列表达了体系中的每个操作，第i + 2 石化企业用水网络的分析与设计 列给出了每个问隔的杂质传质负荷，第i + 3 列为累积质量负荷。 表2 3 为例2 1 的浓度间隔图表。第一列对第六列作图即可得图2 4 e 中的浓度组 合曲线。 表2 3 例2 1 的浓度间隔图表 浓度操作l操作2操作3质量负荷 累积质量负荷流量 ( p p m ) ( s o t h ) ( 2 0 t h ) ( 2 0 t h ) c k g h )( 1 g ，h ) ( t h ) t25 0 5 0l2 5 05 0 0 0 l 。 1 7 5 7 5 l 42 5 5 6 6 7 l0 0 1 0 052 55 25 0 o 5 0 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： 五= 等 ) 5 ) 在浓度间隔图表中增加流量列为最后一列。供水流量最大处即为新鲜水夹点 之所在。表23 为例2 1 的浓度间隔图表，同样的到最小流量为5 6 6 7 1 1 3 ，小于没有 水回用时所需的6 8 t h ，节水1 6 7 。 2 1 5 多杂质系统的分析“8 1 1 浓度转移 在多杂质系统要考虑与关键杂质传递相关联的其他杂质的传递，在水夹点分析 中用有等比例质量传递假设： ! ! ：坐二鱼：墨苎：鱼：! ：! 二鱼：! 塑 ( 2 1 1 0 ) c ，_ 删一e 抽c 嚣，删r c l $ ，矾 与传统的确定多杂质问题所需的最小新鲜水流量不同，分析中转移每个操作的 杂质浓度水平，以便确保所有杂质不约束某一浓度间隔的水回用至下一浓度间隔。 为此，就某一参考操作和参考组分做限制曲线时，转移每个操作的杂质浓度水平， 以确保所有杂质不约束某一浓度间隔的水回用至下一浓度闻隔，这一方法被称为浓 度转移”，并且引入了参考浓度的概念口( 操作i 的参考浓度) 。 浓度转移中遵循以下的原则： 1 ) 浓度转移前后水流量不变： 石化企业用永两络的分析与设计 2 ) 基于真实的浓度进行有关的所有计算； 3 ) 出口浓度转移时分别设杂质为制约杂质，得到多个转移浓度，转移时总是转 移用水操作至较小的参考浓度。 2 最小新鲜水流量 定3 l o , 。为在浓度间隔n 进入操作i 的实际流量名与操作i 的极限流量z 陆之比： ， q ，。；等( 2 1 1 1 ) j - 在浓度间隔n 满足操作i 的用水需求由三个流股组成：首选从前一浓度间隔离开 操作i ，流量为。的水，浓度为q ，。；第二个选择是回用流量为g 札。，来自操作】 的水，该水流已在浓度间隔边界m ( m n ) 终止，浓度为c f i 。：最后的选择是流 量为巧。的新鲜水。 - = l ，。+ ，；。+ 一，= 口。，f “( 2 1 1 2 ) 比率只，。由浓度间隔和下一个浓度间隔每个杂质的真实浓度确定： ”中等老， 眨s ， 式中啄，。是上面三个水源的流量加权平均浓度： 一 正，一。+ 吼一一 删2 1 了鑫= 面：_ 2 川4 ) 在最低浓度间隔边界， ( 2 1 1 2 ) ( 21 1 3 ) 简化为： z j = f ，。= 只。；“ 必须用新鲜水满足用水操作的最小流量需求，因此方程 钆2 甲净 用下式计算离开操作i 而进入下一间隔的水的浓度和流量： - 嗄。+ 掣 ( 2 1 1 5 ) ( 2 1 1 6 ) ( 2 1 1 7 ) 石化企业用水网络的分析与设计 乃。= e 。+ 正，+ z q ，。 ( 2 1 1 8 ) 有时候还要考虑已达夹点间隔边界的水回用至再前面间隔的其它操作的可能 性。则操作i 在间隔n ( n p i n c h = , 总流量为： z k m = 7 ：。删+ 饥“。+ e 。脚+ h 。心= 只，矿 ( 2 1 1 9 ) 方程( 2 1 1 4 ) 就变为： 一 z ，删。雕一+ g 机。+ 。脚，。 “删2 瓦= 忑赢i 蘑= 0 瓦= 一 q 1 。2 式中x 。加曲是夹点间隔边界操作l 回用至位于第n 个浓度间隔边界( n p i n c h ) 操作i 的流量。 在夹点处不使用新鲜水，因此有： z ，m = 正。砷d + q t a 砷d = q ，胂d z 陆 ( 2 1 2 1 ) ”甲旨 q 地2 ) 一 正。，+ g n 胂，。 2 百走_ q 1 2 3 循环位于夹点间隔边界、杂质x ( 夹点下方浓度间隔边界的制约组分) 的浓度较 低的任何流股，直到另一杂质j 成为制约组分或总流量达到操作i 的极限流量。 脚2 鼍老= 瓦c o o u 瓦, c s - c o , , ，丢髟 “，厶湍z 彰一 、 i ( 杂质 ) 图2 6 操作2 出1 ：3 转移前及转移后的限制曲线图 基于图2 6 b 中转移浓度坐标( c ) 估算最小表观流量为6 0 0 t h ，夹点浓度为 1 0 0 p p m 。 在浓度转移的基础上计算没一操作的新鲜水需求的步骤： 1 ) 用方程( 2 1 1 5 ) ( 2 1 1 6 ) 计算开始于第一个浓度间隔边界( n = 1 ) 的每一操 作的新鲜水需求，出口浓度和流量。 q r ma】芦婴垫婴，20ppm-oppm=max1，1】：125 “ ppm 2 0 p p m 巧1 = 五2 = l x 3 0 t h = 3 0 t h 由方程( 21 1 7 ) 确定在第二个浓度间隔边界可回用水的浓度： = 。删+ 3 0 t h 2 面5 p p 万m - 一o p p m = 2 5 朋 彬印= 。脚+ 3 0 t h 2 丽o p p 万m - 一o p p m = 2 0 p p m 2 ) 计算在下一浓度问隔边界美一操作的新鲜水需求，求出口浓度和出口流量， 求解方程( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) ( 2 1 1 4 ) ；终止于这一浓度间隔边界的任何操作的水， 石化企业用水网络的分析与设计 并且适合回用于这一浓度问翮内的其他操作，确定这些操作的流量q l i 。m ；n 和浓度 c q 扣n 。 对于例2 2 在浓度间隔n = 1 没有终止于这个间隔的流股，因此不考虑啪。n 。 3 0 t l h + e 2 = 鼠。2 x 3 0 t h 鼠，；maxi_looppm-25ppm，80ppm-20ppmi “。 l o o p p m 一既2 8 0 p p m c 2 1 霹。：3 0 t h 。2 5 p p m m 一 3 0 ， + f ， ：= 器 j 殳解得： 度 度： 鼻2 = o t h 只2 = 1 m = 2 5 p p m n = 2 0 p p m 依据方程( 2 1 1 7 ) 2 i 1 8 ) 求解操作1 在第三浓度间隔边界可回用水的流量和浓 = 3 0 t h 啊 = l o o p p m 彬口3 = 8 0 p p m 方程( 2 ，1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) 计算操作2 在浓度间隔n = 2 的新鲜水需求： ：max【塑趔业，墅丝二兰旦蟹翌l：maxto矾78】：078loo 。p p m o p p m 9 0 p p m - o p p m 3。 。 e 2 = 0 7 8 x 4 0 t h = 3 1 1 t l h 依据方程( 2 1 1 7 ) ( 2 1 1 8 )