反滲透海水淡化系統優化設計的研究

時間：2007-03-02 來源：中國海洋大學 作者：盧彥越

摘 要：發展海水淡化技術是解決水資源短缺的重要途徑。反滲透海水淡化技術由于其設備投資省、能量消耗低、建造周期短等諸多優點，近10年來發展速度很快，在未來將成為海水淡化的主導技術。根據熱力學計算，常溫下用反滲透法淡化海水的最低能耗僅為0.7KWH/m3左右。從理論上講，它是最節能的海水淡化方法。但目前，對于反滲透海水淡化，其技術經濟指標與社會的期盼值之間，還存在一定的距離，淡化水的成本提高。這說明當前的反滲透工藝、工程設計以及系統操作等方面仍有很多值得改進的地方。反滲透海水淡化系統優化設計的研究起步較晚，近十幾年來一些學者對此開展了研究，提出了一些觀點和方法，如超結構法等，然而由于問題本身的復雜性，所提的方法尚存不足之處，如高效率換能器的出現，產生了新的工藝，需要有新的模型來描述，另外他們對膜組件清洗和更換問題考慮也不夠全面。本論文從系統工程角度，對反滲透海水淡化過程進行了分析，采用最優化方法對反滲透海水淡化系統的設計進行研究，提出了一套優化設計的方法，主要內容有以下幾點：

對反滲透淡化過程的工藝設計進行了研究。首先對過程的每個單元給出了單元操作模型和相關的經濟模型。通過一定的變量將這些模型相互關聯，組成系統模型。系統模型主要考慮了一級一段流程和一級兩流程。將膜組件分為高脫鹽膜、高通量膜、普通膜、低脫鹽膜四種類型，以年費用最小為目標，在滿足過程熱力學、設備選型、設計要求等約束的條件下，系統的設計問題可表達為一個混合整數非線性規劃（MINLP）。當產品水的設計要求不同，給水濃度不同時，采用本文的設計方法分別得出了不同的最優設計方案。這個方法可用于海水、苦咸水淡化的工程設計，也可用于高濃度含鹽廢水的脫鹽工藝設計。對兩個實例進行了設計，得到的噸水費用，能耗低于文獻報道值，表明這種方法是有效的。

膜污染是反滲透海水淡化法遇到的一個問題，對膜組件的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一，在保證產水量的情況下，選擇恰當的清洗策略和清洗時機可使用權所需的清洗次數最合理，清洗費用最低。本文在反滲透海水淡化過程工藝設計研究基礎上進一步對一級一段反滲透系統的清洗時機問題進行了研究。以規劃期內總操作費用最小為目標，提出了新的污染模型，給出了清洗的判據，將清洗策略問題表達為一個混合整數非線性規則（MINLP）。對一個實例進行計算，給出了該例中的反滲透系統在五年規劃期內的最優清洗策略和清洗時機。結果證明這種數學規劃方法對于壽命為3-5年的膜組件的清洗維護是有效的。

在工藝優化和操作優化的基礎上，進一步對反滲透系統的優化設計進行研究。在設計過程中同時考慮了五年規劃期內膜組件的清洗和更換情況，采取了以下步驟對反滲透過程進行設計：1）給出過程單元數學模型，用這些模型模擬反滲透過程，預測不同條件下操作參數對過程的影響；2）建立系統模型對反滲透結構進行描述；3）建立描述膜組件污染的數學模型，提出膜組件清洗和更換的判據，給出規劃期內膜組件的最優清洗和更換策略。4）給出相關的經濟模型，將投資費用、操作費用和設計變量相關聯。5）在前四步的基礎上用數學規劃法對反滲透過程進行優化設計。采取以上方法對兩個反滲海水淡化工程進行了設計，得到的噸水費用，能耗低于文獻報道值，表明這種方法是有效的。

關鍵詞：反滲透；海水淡化；優化設計；膜污染；清洗和更換策略

下載