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反渗透海水淡化系统能量分析及优化 s t u d y o ns y s t e me n e r g y a n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no fs w r o 学科专业：环境工程 研究生：王崇武 指导教师：邢国平副教授 天津大学环境科学与工程学院 2 0 0 8 年5 月 中文摘要 发展海水淡化技术是解决全球水资源短缺的重要途径。反渗透海水淡化技术 由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近十年来发展速度很 快，未来将成为海水淡化的主导技术。从理论上讲，它是最节能的海水淡化方法。 但目前，对于反渗透海水淡化，其技术经济指标和社会的期盼值之间，还存在一 定的距离，淡化水成本仍偏高。而系统能耗是成本最主要的组成部分，能耗过高 也就成为制约制水成本的最主要因素。这说明当前的反渗透海水淡化工艺、工程 设计以及系统操作等方面仍有很多值得改进的地方。因此，本课题分析了系统中 各操作参数对系统能耗的影响，并以降低能耗为目标，对反渗透膜系统进行了优 化设计。 应用海德能公司的反渗透设计软件i m s d e s i g n ，结合工程实例，考察系统能 耗随给水温度、系统回收率、给水含盐量、能量回收效率等操作参数的变化特点。 发现其有随给水温度的升高持续下降，随系统回收率的升高基本呈负指数规律下 降，随能量回收效率的提高呈线性比例下降，随给水含盐量的升高呈线性比例上 升的规律。 对传统建立系统费用模型的寻优方法进行了转换，得出以单位产品水系统能 耗最低为优化目标的数学模型。以元件特征方程和系统特征方程为基础建立约 束，结合膜生产厂家的技术手册要求的各种限值约束一起，构成系统完整的约束 条件。膜品种、膜数量、膜排列作为优化变量，整个模型是一个混合整数非线性 规划( m i n l p ) 。 结合工程实例，将优化模型运用m a t l a b 优化工具箱实现求解以实现工艺优化 和操作优化。并与实际设计模式紧密联系，使用陶氏公司的反渗透设计软件 r o s a 6 1 对优化结果进行验证，其误差在可以接受的范围内。对一级一段工艺 和一级两段工艺选用相同的膜元件，不同的膜元件排列方式。比较之后可以看出 对所选实例来说，单位产品水系统能耗可以达到2 9 7 k w h m 3 ，低于文献报道的 3 3 1k w h m 3 的能耗值。可见，利用本文的方法选择的工艺和设计参数效果更好。 关键词：反渗透海水淡化能耗操作参数优化模型优化变量 a b s t r a c t d e v e l o p i n gs e a w a t e rd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ho fs o l v i n g t h ep r o b l e mo fs c a r c i t yo fw a t e r s e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ( s w r o ) d e s a l i n a t i o n t e c h n o l o g yh a sa nr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n tt e ny e a r s ，a n di tw i l lb e c o m et h e p r i m a r yd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r eb e c a u s eo fi t sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s l e s se q u i p m e n ti n v e s t m e n t ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n ds h o r t e rc o n s t r u c t i o np e r i o d t h a no t h e rd e s a l i n a t i o nm e t h o d s t h e o r e t i c a l l y , i ti st h em o s te n e r g y - s a v i n gs e a w a t e r d e s a l i n a t i o nm e t h o d h o w e v e r , a tp r e s e n tt h et e c h n i c a le c o n o m i c a li n d i c a t o r so f s w r od o n tr e a c ht h ep u b l i ce x p e c t e dv a l u e ，a n dt h ec o s to fd e s a l i n a t i o ni so nt h e h i g ns i d e a n ds y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nc o s ti st h em a i nc o m p o n e n to ft h et o t a l c o s t ，t h e r e f o r e ，e x c e s s i v ee n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r o fc o n s t r a i n i n gt h em a k i n gw a t e rc o s t i ts h o w st h a tt h ec u r r e n ts w r o s y s t e mc a nb e i m p r o v e di ns o m ea s p e c t s ，s u c ha st h es w r ot e c h n o l o g y , t h ee n g i n e e r i n gd e s i g n ，a n d t h es y s t e mo p e r a t i o ne t c f o rt h i sr e a s o n ，t h ed e s s e r t a t i o nh a sa na n a l y s i so fo p e r a t i n g p a r a m e t e r st ot h es y s t e m si m p a c to ne n e r g yc o n s u m p t i o n a n di tc a r r i e so u to p t i m a l d e s i g nt ot h er om e m b r a n es y s t e mw i t hc u t t i n gt h es y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o na s t h eg o a l t h i sp a p e ru s e sh y d r a n a u t i c sc o m p a n y sr os y s t e md e s i g ns o f t w a r ei m s d e s i g n i n s p e c t e dt h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nw i t ht h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r s ，s u c ha sf e e dw a t e rt e m p e r a t u r e ，s y s t e mr e c o v e r y , f e e dw a t e rs a li n i t y ， e n e r g yr e c o v e r ye f f i c i e n c ye t c t h e r ei sar u l et h a ts y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nw i l l d e c l i n ec o n t i n u o u s l yw i t ht h er i s i n go ff e e dw a t e rt e m p e r a t u r e ，w i l ls h o wan e g a t i v e e x p o n e n to fd e c l i n ew i t ht h er i s i n go fs y s t e mr e c o v e r y , w i l ls h o wal i n e a rd e c l i n ei n t h ep r o p o r t i o nw i t ht h er i s i n go fe n e r g yr e c o v e r ye f f i c i e n c y , w i l ls h o wal i n e a r i n c r e a s ei nt h ep r o p o r t i o nw i t ht h er i s i n go ff e e dw a t e rs a l i n i t y t h i sp a p e rh a sac o n v e r s i o no ft r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o do fm a k i n gs y s t e m c o s tm o d e l ，a n di tc r e a t e sam a t h e m a t i c a lm o d e lw h o s e o b j e c t i v ef u n c t i o ni st or e a l i s e t h em i n i m u mo ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fu n i tp r o d u c tw a t e r t h em o d e lf i n di t s c o n s t r a i n t sf r o mt h em e m b r a n ec h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o na n ds y s t e mc h a r a c t e r i s t i c e q u a t i o n ，t o g e t h e rw i t hn u m e r i c a lc o n s t r a i n t sa st h er e q u i r e m e n t so fm e m b r a n e m a n u f a c t u r e r s t e c h n i c a lm a n u a l ，w h i c hm a k eu ps y s t e m sc o m p l e t ec o n s t r a i n t s w i t h m e m b r a n es p e c i e s ，m e m b r a n en u m b e r s ，m e m b r a n es e q u e n c ea so p t i m a lv a r i a b l e s t h e m o d e li sam i x e di n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ( m i n l p ) l i n k i n gt op r o j e c te x a m p l e ，t h eo p t i m a ls o l u t i o no ft h em o d e li s o b t a i n e dw i t h m a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o l b o xt or e a l i s ep r o c e s so p t i m i z a t i o na n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n l i n k i n gw i t ht h ea c t u a ld e s i g np a t t e r n sc l o s e l y ，t h i sp a p e ru s e s t h e d o w c o m p a n y sr os y s t e md e s i g ns o f t w a r er o s a 6 1t ov e r i f yt h eo p t i m a lr e s u l t s a n dt h ee r r o ri si na na c c e p t a b l er a n g e w ec h o o s et h es a m em e m b r a n es p e c i e sa n d d i f f e r e n tm e m b r a n es e q u e n c ef o rt h eo n e s t a g eo n e p a s sp r o c e s sa n do n e 。s t a g e t w o p a s sp r o c e s s a f t e rc o m p a r i n gw i t ht h et w op r o c e s s e s ，w ef i n dt h a tt h ep r o j e c t e x a m p l e ss y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o no fu n i tp r o d u c tw a t e rc a nb ea c h i e v e d2 9 7 k w h m 3 w h i c hi sl o w e rt h a nm e3 31k w h m 3r e p o r t e di nl i t e r a t u r e c l e a r l y , u s i n g t h em e t h o di nt h i sp a p e rt oc h o o s ep r o c e s sa n dp a r a m e t e r sh a sab e t t e rr e s u l t k e yw o r d s ：s w r o ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r , o p t i m a lm o d e l ， o p t i m a lv a r i a b l e s 符号说明和单位转换 符号说明和单位转换 第二章 咖一透过膜的水通量，l ( m 2 h ) ；, i s 一透过膜的盐通量，m g ( m z h ) ； q p 一透水量，l h ；q 一透盐量，r a g h ： 彳一膜的水透过因子，l ( m 2 - h p a ) ；b 一膜的盐透过因子，l ( m 2 h ) ； s 一膜面积，m 2 ； c 。一膜产水侧的盐浓度，m g l ； 一膜产水侧水体压力，p a ； c b 一膜浓水侧的盐浓度，m g l ； 忍一膜浓水侧水体压力，p a ；死一膜浓水侧水体渗透压，p a ； 7 。一膜产水侧水体渗透压，p a ； r 一回收率， s p 一透盐率，s r 一脱盐率， c f 一浓缩因子c p f 一浓差极化因子。 第四章 毛。一单位体积产水能耗，k w h m 3 ；只一系统进水工作压力，p s i ； r 一系统回收率； 机一高压泵电机效率； 绦一高压泵效率；q 。一系统产品水流量，g p d ； 。一选用膜元件的数量，支；& 一单只膜元件面积，秤； 1 一系统进水浓水平均渗透压，p s i ；a ( x ) 一水力渗透系数，g f d p s i ； t c f 一膜产水温度校正系数： 只一产品水压力，p s i ； f f 一膜污染后通量保留系数( 三年为0 8 5 ，四年为0 8 ) ； 皈一进水和浓水间系统平均压差，p s i ； ，一预处理后的给水渗透压，p s i ； c 尼一进水和浓水间系统平均浓度，p p mc r 一系统进水浓度，p p m ； c p f 一系统平均浓差极化系数； s r 一系统平均脱盐率； q p p 矿一每支压力容器产品水流量，g p m ； 厂一膜元件的平均系统水通量，g f d ； 机：一第二段压力容器数量；一第一段和第二段压力容器数量比。 坠每支压力容器中安装膜元件数量，大型系统通常取6 ，7 ，8 ； 鼍乒一每支压力容器进水和浓水的算数平均流量，g p m ； li n = 0 0 2 5 4 m 1f t 2 = o 0 9 2 9 m 2 lg a l l o n = 3 7 8 5 l lg p m = 0 2 2 7 m h lg f d = 1 7 0 l ( m 2 h 1 lp s i = 0 0 6 9 b a r = 0 0 0 6 9 m p a ig p d = 0 0 0 37 8 5 m 3 d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢多崇式黼期：冽扩年f 月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：渺扩年 导师签名： 撕t 司午 签字日期：彩年月争日荻日 崇 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 全球淡水资源现状及水问题出路 淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，是一切生命之源。地球表 面积约为5 1 1 0 s m 2 ，其中海洋面积占7 0 8 ，总水量约为1 4 1 0 9 k r n 3 。从总水 量来看，水资源是十分丰富的，人类似乎不应有缺水之虞。然而，由于含盐量太 高的海水占总水量的9 7 以上，淡水仅占不到3 。并且淡水分布极不均衡，其 中7 5 被冻结在地球的两极和高寒地带的冰川中，其余从分布看，地下水也比地 表水多得多。如此算来，存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水已不 足总量的0 3 6 i 。 更为严重的是，随着世界人口骤增和现代工业的飞速发展，一方面对淡水的 需求量急剧增大；另一方面，由于废弃物的大量排放，使得大量河流、湖泊等原 来洁净的水体受到严重污染，从而进一步加剧了人类淡水供求的矛盾。某些国家 为争抢淡水资源甚至引发了冲突和战争。因此，淡水的供应问题已成为人们必须 考虑的根本问题之一。 目前世界上常用的淡水取用方式有地下取水、远程调水和海水( 苦咸水) 淡 化等三种。开采地下水具有工程量小、成本低的优点，但受开采地水资源条件影 响很大。而且许多地区由于多年过度开采地下水，己形成地下漏斗造成房屋倾斜， 甚至导致海水倒灌等环境危害，地下水的开采已经受到严重制约【2 】。远程调水， 目前并没有把工程投资费用以及被引水地区的间接经济损失计算在内，仅以日常 运行费用、管理费计算其成本，这与真正成本相差很大。其实引水工程，除了巨 额的投资之外，还要占用大量耕地，还存在被引水地区的环境危害等问题。而生 态环境的破坏在经济上是难以估量的。随着海水淡化技术的不断进步，向大海索 取淡水，缓解日趋严重的世界性水危机，不仅已在全球科技界形成共识，也已成为 各临海国家的政府主张与开发新水源的对策1 3 墙】。 1 2 海水淡化方法 海水淡化是将海水中盐与水分离，从而降低海水含盐量，得到可利用的淡水 第一章绪论 的一种过程。从2 0 世纪5 0 年代开始，各国纷纷投巨资开发海水淡化技术，相继 出现了多种海水淡化方法。按分离过程分类，海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、 结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中蒸馏法是最早投入工业化应用的淡化 技术，与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可以用电厂和其他工厂的低品位热、 对原料海水水质要求低、装置的生产能力大等优点，是当前海水淡化的主流技术 之一。它又可分为多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发( m e d ) 和压汽蒸馏( v c ) 等 方法。膜法作为一种新型的分离技术，半个多世纪来取得了长足的进展。海水淡 化是膜分离技术主要应用领域之一。与蒸馏法相比，膜法具有分离效率高、设备 简单、操作方便、能耗低等优点。它包含了反渗透法( r o ) 和电渗析法( e d ) ， 其中反渗透法占据了越来越广大的海水淡化市场 9 a o 。结晶法则由冷冻法和水合 物法构成。虽然淡化方法有许多种，但多年的实践表明真正实用的海水淡化技术 只有m s f ，m e ，v c 和r o 等几种方法，l2 1 。但海水淡化技术仍在不断发展和创新。 一些新的技术如冷冻法、吸附法、碳气溶胶法等，以及采用新能源、新工艺的新 研究成果都在不断出删1 3 ，1 4 j 。 几种方式的能耗比较见表1 1 。 表1 - 1 海水淡化方式的能耗比较1 5 】 与其他方法相比，反渗透海水淡化过程不发生相变化，所以它是最节能的海 水淡化方法。 1 3 国内外海水淡化工程建设 由于各种海水淡化技术的快速发展，国内外建设了很多淡化工程，如表1 2 和1 3 所示。 第一章绪论 表1 2 部分国际大型反渗透海水淡化工程6 1 表1 _ 3 国内建成投运的海水淡化工程1 7 1 1 4 国内外反渗透海水淡化技术发展历程及现状 1 4 1 国外反渗透海水淡化技术发展 早在上世纪5 0 年代，美国为解决“水危机”从1 9 5 2 年起专设盐水局，不断 推进水资源和脱盐的技术进步。19 5 3 年提出反渗透法海水淡化( s w r o ) ，自2 0 世纪7 0 年代进入海水淡化市场后，发展十分迅速。近年来，r o 用膜和膜组件不 第一章绪论 断发展和更新，技术已相当成熟，组件脱盐率可高达9 9 8 以上。工艺工程也逐 渐成熟。反渗透膜技术与膜工艺主要沿着加强分离功能、提高工艺能力与克服膜 体污染三条主线向前发展l l6 | 。而以反渗透工艺为核心衍生出了一系列相关技术与 工艺，其中主要包括能量回收、超微滤预处理、膜生物反应器、系统浓水利用、 压力容器制造等多项工艺技术。相关技术的进步提高了系统运行效率，降低了成 本，促进反渗透工艺的快速发展。尤其功交换器和压力交换器的成功开发使能量 回收效率高达9 0 以上，从而使s w r o 的本体能耗在3 k w h m 3 以下，成为从海 水制取饮用水最廉价的方法。1 9 7 6 年，反渗透淡化装置生产的淡水仅占世界淡 水产量的5 左右，到1 9 8 4 年上升到2 0 。近几年来，在国际海水淡化招标中， s w r o 以投资最低，能耗最省，建造周期短等优势而屡屡中标。目前，世界的淡 化水产量约为3 4 x 1 0 6m 3 d ，反渗透占了约4 4 t 1 8 j 1 4 2 国内反渗透海水淡化技术发展 1 9 6 5 年开始反渗透膜的实验室研究，1 9 6 7 1 9 6 9 年全国海水淡化会战为醋 酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下基础，上世纪7 0 年代进行了中空纤维和卷 式r o 元件的研究开发，上世纪8 0 年代逐步产业化并推广应用。上世纪8 0 年代 进行复合反渗透膜的研究开发，并中试放大成功，但还不能规模化生产。近年来 结合国外引进，进行复合反渗透膜的规模化生产，性能达到海水淡化要求。综合 来说，我国在反渗透膜、组件、海水预处理和后处理方面已基本实现或正在实现 国产化。但与淡化装置配套的余压能量回收装置仍全赖进口，且价格昂贵。由于 能量回收装置是反渗透海水淡化系统中的关键设备，能量回收装置急待研制和开 发。 1 9 9 7 年我国第一套日产5 0 0 吨淡水的反渗透海水淡化示范工程在浙江舟山 嵊山岛建成，它的淡化水达到了饮用水的标准，造水成本为7 7 8 元吨9 1 。最近 几年，大连长海、河北沧州、山东长岛等地相继建成了多个反渗透海水及苦咸水 淡化厂，系统能耗及造水成本进一步降低。从1 9 9 7 年至今已建成1 0 多处s w r o 淡化工程，能耗约为4 k w h m 3 ，总产淡水约3 万m 3 d 。目前我国已经具备了万吨 级海水淡化的工程能力，在建规模超过1 5 万m 3 d ，吨水成本已经由1 0 年前的7 元左右降至现在的5 元左右，技术经济指标具有同等容量的世界先进水平。随着 装置规模的扩大、各种技术的进步和集成，制水成本仍有下降空间【1 8 】。随着缺水 问题的严重，我国沿海各城市建立反渗透海水淡化厂的热潮正在兴起。 第一章绪论 1 5 反渗透海水淡化法设计研究现状 一些大的膜公司都有各自的一整套软件，供工程设计用。要求既保证产水的 水量和质量，又保证浓水有一定流速和浓度范围，以减少污染和结垢，实现长期 安全、经济的运行。 设计的目的是给定系统参数，它将产生最有效的成本设计和经济操作。通常 是在尽可能高的回收率下，生产所需的水质和水量。 常规的设计步骤如下【2 0 】： 第一步：考虑进水水质、产水水量和产水水质； 第二步：选择膜元件类型，计算所需元件的数量； 肫= 罴 ( 1 - ) 式中肫一元件数目； g 一产水量； 厂一膜元件水通量： 鞋一单只膜元件面积。 第三步：确定压力容器数，根据回收率等，确定排列方式； ， n e a v = 刀 ( 1 2 ) 式中矿一压力容器数目； n 一每个容器中元件数。 第四步：检验进水和最后浓水是否符合最高进水和最低排水量的要求。 而运用设计软件进行系统设计时的计算模式为：根据设计依据中的特定进水 水质参数及系统产水流量参数，由设计者设定系统膜品种、膜数量、膜排列及回 收率等设计方案，运用软件提供的膜系统运行模型与算法，模拟计算设定方案下 的产水水质等系统运行参数。当模拟出的运行参数不理想时，需要修正进水水质 参数或设定方案，再次模拟计算。 它是一种“试算”的设计模式，主要存在下述两个问题： ( 1 ) 由于设定方案过程中存在的随意性，无法保证各设定方案参数的合理 性，更无法保证产水水质等模拟运行参数的可行性。因此，设定的系统设计方案 需要一个从不合理向合理、由不可行向可行的修正过程。 ( 2 ) 同样由于设定方案的随意性，无法保证可行方案的目标最优性。因此， 第一章绪论 设定的系统方案还需要一个从可行到最优的修正过程。 1 6 反渗透法海水淡化优化设计研究现状 为了得到反渗透法的最优设计方案，以实现最低制水成本，国内外众多专家 学者对膜的传质模型和反渗透系统优化设计做了大量研烈2 卜2 1 7 1 。 e 1 h a l w a g i ，z h u 2 8 , 2 9 提出了一个用状态空间法来描述的反渗透网络超结构， 这个超结构采用了4 个框图( 加压减压物流分布框图、加压减压物流匹配框 图、反渗透物流分布框图和反渗透物流匹配框图) 。通过这种结构描述，可以将 所有可能的反渗透工艺流程用数学方法表达出来。最终将设计问题表达成混合整 数非线性规划问题( m i n l p ) ，通过求解该规划问题获得最佳流程和设备参数、 操作状态。v o r o s 3 0 , 3 1 】对e 1 h a l w a g i l 拘l 超结构描述方法进行了简化，将框图简化为 物流连接节点。同时不考虑设备的选型，将设计问题表达为一个简单的非线性规 划问题( n l p ) ，降低了计算难度。a m a l e k t 3 2 1 将成熟的理论模型和膜实验数据结 合推导出半经验数学模型，用这个数学模型模拟了传质过程并给出了可靠的操作 预测，提出了投资和操作费用的经济模型，对反渗透海水淡化进行了经济评价。 h j s e e ，v s v a s s i l i a d i s i 驯在m m e 1 h a l w a g i ，n g v o r o s ，a m a l e k 等人对反渗透系 统进行设计研究的基础上，对考虑膜污染的反渗透系统设计和膜组件清洗策略问 题进行了研究，提出了膜污染的数学模型。m a r kw i l f i 3 4 3 5 讨论了回收率，操作 压力，进料海水的温度、浓度等参数对产水费用的影响。并指出过程、结构和操 作参数的优化会减少能耗，降低制水成本。s a a v l o n i t i s 3 6 】对不同品种的膜和多 个反渗透工厂运行参数进行调查后，提出了一个统一的数学模型，并以此为基础 开发了一种软件可对任何类型的膜在各位置的运行情况进行预测。f r a n c o i s v i n c e 3 7 】提出一种灵活的超结构，可以实现工艺布局和操作参数的多目标同时优 化，是一个混合整数非线性规划( m i n l p ) 。 卢彦越p 驯以年费用最小为优化目标，得出了海水淡化反渗透( s w r o ) 系统 的经济模型，并将其表达为一个混合整数非线性规划( m i n l p ) ： r a i n ：t a c = c c + e - t - o c m + l c ( 1 3 ) 式中勘c 一总的年费用： c c 一每年资本支出，包括海水采水和预处理的投资费用，高压泵和增 压泵的投资和操作费用，以及膜组件的投资费用； e 一能耗费用，包括海水采水系统的操作费用，高压泵和增压泵的操作 费用； 第一章绪论 o c m 一膜组件的维护费用； l c 一人工和化学药剂等其他费用。 以过程热力学、设备选型、设计要求为约束条件。用l i n g o 软件包对问题进 行求解，得出了所需设备参数的最优值，即每级膜面积，高压泵的数量、功率， 能量回收装置的类型、数量、功率；操作参数的最优值，即总进料流量，高压泵 进料流量，换能器进料流量，每一级的操作压力，水回收率。 反渗透法设计的实质就是优化设计。靖大为等【3 9 舢1 经过对膜系统优化设计的 分析，提出系统优化设计的原始数学模型。以投资费用、运行费用和耗水费用最 低为优化目标，以系统约束和设计约束等众多关系为模型约束条件。是一个典型 的多目标、多变量、非线性、混合整数规划模型。关系复杂，不容易求解。经过 对优化目标和约束条件以及设计变量的简化或转化处理后，系统设计的原始数学 模型可简化为经典数学模型。模型表述如下： 优化目标：系统回收率最高、系统能耗率最低 膜元件透水量与元件平均驱动压成正比 膜元件透盐量与膜两侧平均盐浓度差成正比 系统约束：前支( 段) 元件给水流量为前支( 段) 元件产水流量与后支( 段) 元件给水流员之和前支( 段) 元件给水含盐量为前支( 段) 元件 产水含盐量与后支( 段) 元件给水含盐量之和 回收率约束：浓差极化度上限、难溶盐饱和度上限、段通量比上限 设计约束：设计透盐率、设计产水流量 参数约束：给水温度、给水含盐量、给水难溶盐 优化变量：膜数量、膜品种、膜排列、段间加压、回流量、回收率 上述目标的寻优过程分为前后两个阶段，每阶段仅为单一目标。能提高系统 回收率阶段的优化目标是提高系统回收率，不能再提高回收率阶段的优化目标是 降低系统能耗。所以该模型属于( 类) 单目标、多变量、非线性、混合整数的数 学规划模型。 同时，针对应用设计软件和经典模型两种方法各自存在的缺点和不足，提出 种列表法的系统优化设计方法，给设计工作者提供了较为有效的设计方案的速 查表格工具。 1 7 课题研究内容和方法 反渗透海水淡化( s w r o ) 的能耗受许多因素的影响，如回收率、温度、海 水含盐量、能量回收、操作压力等均影响到耗电量。成本和投资费用过高，一直 第一章绪论 被视为是海水淡化面临的主要问题，而能耗又是决定其成本的关键。一直以来降 低能耗、节省能源、减少制水成本已成为行业的共识。多年来随着技术的提高， 在有能量回收装置的前提下，海水淡化的能耗指标已下降到目前的3 - 4 k w h m 3 左 右。但与海水淡化的理论耗能量相比，仍有较大的潜力可以挖掘。本文旨在探寻 各具体参数对能耗的影响，以及用优化设计的方法取得最低能耗值，以实现制水 成本最低。具体内容和方法如下： ( 1 ) 应用海德能设计软件分析具体参数对能耗的影响； ( 2 ) 以系统能耗为目标函数建立起反渗透海水淡化系统的优化数学模型； ( 3 ) 反渗透系统的设计要求在一定的进水水质条件下满足出水水质和淡化 水产量，且各参数均有一定的范围限制，结合手册要求和第一步分析结果，建立 相应约束条件； ( 4 ) 采用m a t l a b 优化工具箱实现优化模型求解，并以实例对模型效果进行 分析。 1 8 课题研究意义和目的 现在在实际工程中通常应用膜生产厂家提供的设计软件，进行反渗透海水淡 化( s w r o ) 系统的设计，不能保证实现工艺方案和运行参数的最佳。本课题研 究中主要考虑在达到要求的产水水质和水量的前提下，采用科学合理、简单可操 作的数学模型对反渗透海水淡化( s w r o ) 系统进行优化设计，使其得到最低的 能耗和制水费用。这为设计人员实现优化设计，减轻其工作量，降低实际系统运 行费用具有十分重要的意义。 第二章反渗透海水淡化( s w r o ) 系统 第二章反渗透海水淡化( s w r o ) 系统 2 1 反渗透基本原理 能够让溶液中一种或几种组分通过而其他组分不能通过的这种选择性膜叫 半透膜。当用半透膜隔开纯溶剂和溶液( 或不同浓度的溶液) 的时候，纯溶剂通 过膜向溶液相( 或从低浓度溶液向高浓度溶液) 有一个自发的流动，这一现象叫 渗透。若在溶液一侧( 或浓溶液一侧) 加一外压力来来阻碍溶剂流动，则渗透速 度将下降，当压力增加到使渗透完全停止，渗透的趋向被所加的压力平衡，这一 平衡压力称为渗透压。若在溶液一侧进一步增加压力，引起溶剂反向渗透流动， 这一现象习惯上叫“反渗透”或“逆渗透”。渗透是自发过程，而反渗透是非自 发过程。如图2 1 所示。 外加压力 ( a ) 渗透( b ) 渗透平衡 ( c ) 反渗透 图2 1 反渗透原理 2 0 世纪5 0 年代以来，随着醋酸纤维素膜淡化盐水研究的进展，先后提出了 多种反渗透脱盐理论。主要包括：优先吸附一毛细孔流动模型；溶解扩散模 型；形成氢键模型； d o n n a n 平衡模型；脱盐中心模型；表面力一孔留 模型等。其中优先吸附一毛细孔流理论和溶解一扩散理论影响最大，也是争论最 激烈持久的两种脱盐机理，在反渗透术语中称为“有孔”和“无孔之争5 1 。 2 2 反渗透过程基本方程式 反渗透的简单流程见图2 2 。给水通过压力泵升至一定压力，不断送至反渗 透装置的进口，生产出的产品水和浓水不断地被引走。溶解固形物由反渗透膜截 第二章反渗透海水淡化( s 、r o ) 系统 留在浓水中，含盐量很低的产品水则有各种用途。 e 浓水q 6 c 6 乞 图2 - 2 反渗透简单流程图 ( 1 ) 渗透压渗透压万随溶质种类、溶液浓度和温度而变。对稀溶液渗透 压可按下式进行测算，即 万= 尺7 q ( 2 1 ) 式中尺一常数，取0 0 0 8 0 3 9 m p a l ( m o i k ) ； 丁一热力学温度，k ； yq 一各离子浓度总和，m o l l 。 对较浓溶液，上式要乘上一等渗参数，该系数可由溶液的蒸汽压或溶液的冰 点降低值加以估算【4 5 1 。就实用而言，苦咸水可采用上述公式，海水可采用由海盐 溶液获得的经验渗透压值。渗透压是选择操作压力和设计反渗透的重要依据。由 式( 2 1 ) 可算出，3 5 n a c i 的盐水渗透压约为2 8m p a 。 ( 2 ) 水通量，。与元件平均驱动压成正比 j w = 彳( 卸一a z r ) 透水量gg ：l s ：彳s ( 曼尝一。一互鱼+ ) 式中 咖一透过膜的水通量，l ( m 2 - h ) ； q 。一透水量，l h ； a 一膜的水透过因子，l ( m 2 h p a ) ； s 一膜面积，m 2 ； 只一膜产水侧水体压力，p a ； e 一膜浓水侧水体压力，p a ； 丌。一膜产水侧水体渗透压，p a ； 死一膜浓水侧水体渗透压，p a 。 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 第二章反渗透海水淡化( s w r o ) 系统 ( 3 ) 盐通量以与膜两侧平均盐浓度差成正比 js = b k s 透盐量q q = 以s = 召s ( 生笋一勺) 式中 j s 一透过膜的盐通量，m g ( m 2 - h ) ； q 一透盐量，m g h ； b 一膜的盐透过因子，l ( m 2 h 1 ； s 一膜面积，m 2 ； ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) c p 一膜产水侧的盐浓度，m g l ： c b 一膜浓水侧的盐浓度，m g l 。 ( 4 ) 透水量绯与透盐量q 之比即为产出淡水的含盐量0 勺2 毒 ( 2 - 6 ) ( 5 ) 透盐率即 中空纤维膜组件的透盐率按下式计算 4 6 】 印：生1 0 0 ( 2 7 ) c f 卷式膜组件的透盐率按下式计算 艘：旦1 0 0 ： 1 0 0 ( 2 - 8 ) c f mc f + c b 2 式中 c p 一膜产水侧的盐浓度，m g l ； 乞一膜浓水侧的盐浓度，m g l ； c ，一膜进水侧的盐浓度，m r d l 。 ( 6 ) 脱盐率踩 ( 7 ) 回收率尺和流量平衡 艘= 1 妒 尺：堡x l o o q ， q r = q p + q b ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 第二章反渗透海水淡化( s w r o ) 系统 式中 绯一产品水流量，m g l , c 6 一膜浓水侧的盐浓度，m g , r l ； c r 一膜进水侧的盐浓度，m g l 。 ( 8 ) 浓缩因子c f c f ：上 l r ( 2 - 1 2 ) ( 9 ) 浓差极化因子c p f浓差极化因子为膜表面盐浓度值与给水区水体平 均盐浓度值之比，在系统各段末端该现象最为严重，其值控制上限为1 2 。用下 式表示 c p f ：垒 c f 式中 乞一膜表匦的盐浓度，m g l ； c l 一膜进水侧的盐浓度，m g l 。 2 3 反渗透法海水淡化( s w r o ) 系统 反渗透法海水淡化( s w r o ) 系统通常包括三部分： 统和后处理系统。典型的海水淡化工艺如下图所示。 混凝剂 p h 调节 海 ( 2 1 3 ) 预处理系统、反渗透系 添加剂 图2 3 反渗透法海水淡化系统的典型工艺流程 2 3 1 预处理系统 为了确保反渗透过程的正常进行，必须对海水进行预处理。预处理的目的通 常为： 除去悬浮固体，降低浊度； 抑制和控制微溶盐的沉淀； 调节和控制进水的温度和p h 值； 杀死和抑制微生物的生长； 第二章反渗透海水淡化( s w r o ) 系统 防止铁、锰等金属氧化物和二氧化硅的沉淀等。 也就是说，反渗透系统的效率和寿命与原水的预处理效果密切相关。预处理 就是要把进水对膜的污染、结垢、损伤降到最低，从而使反渗透系统的产水量、 脱盐率、回收率、运行成本达到最优。预处理是否合格可根据下表进行判断。 表2 - 1 预处理效果判断方法4 7 】 膜清洗频率 预处理是否合理或适度 3 个月或更长适度 l 3 个月可能需要加强预处理 1 个月超过1 次确实需要加强预处理 在反渗透系统中，用来衡量反渗透器进水水质的一个很有用的指标就是淤泥 密度指数s d i 。它是指在一定压力和标准间隔时间( 通常为1 5 r a i n ) 内，一定体 积的水样通过微孔滤膜( 0 4 5 9 m ) 的阻塞率。主要是检测水体中胶体和悬浮物等 微粒的多少。s d i 值与污染程度关系见表2 2 。 表2 - 2s d i 值与污染程度关系1 4 8 】 对中空纤维反渗透装置，要求进水的s d i 3 ；对卷式反渗透装置要求s d i 4 。 传统的加入化学药剂和二级过滤的预处理技术不一定能很好地去除海水中 的胶体类物质，导致处理表层海水的反渗透淡化系统的设计平均通量较低，一般 为1 2 1 4 l ( m 2 - h ) t 4 9 1 。同时也是导致淡化水回收率较低，仅为3 0 3 5 的原因之一。 有鉴于此，国内外从事反渗透行业的人不断致力于新型预处理工艺的研究开发。 新型微滤( m f ) 技术以连续微滤c m f r o 为代表【50 1 ，经c m f 过滤后s d i d , 于2 ， 颗粒粒径小于0 2 9 m ( 传统多介质过滤器为5 1 0 j j r n ) 。以u f 作为r o 的预处理可 构成u f r o 集成技术，新型的毛细管型u f 膜可以处理高度污染的表层海水，可 确保r o 在高通量和高截留率下操作。预处理能耗约为0 1 5 o 3k w h m 3 ，淡化水 成本约可降低1 0 【5 。沙特s w c c 以n f 作为r o 的预处理，以n f 透过液作为 s w r o 的进料，开发了n f r o 、及n f r o m s f 集成淡化技术。大幅度降低了后 续s w r o 或的结垢可能性，非常有利于膜法海水淡化。新型淡化系统的趋势是采 用集成膜i m s ，即将微滤m f 、超滤u f 、纳滤n f 和r o 组合起来。i m s 系统具有 可靠性高、对原水的水质变化相对不