水系统集成方法分析.pdf

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1、主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 91 水系统集成方法分析 白洁，冯霄（西安交通大学化工系，西安 710049）摘 要：水系统集成技术把企业的整个用水系统作为一个有机的整体来考虑水在系统中的优化分配，能够取得显著的节水效果。本文分析了近年来发展的过程水系统集成方法，主要包括水夹点技术，数学规划法和中间水道技术，指出了这三种水网络优化技术的特点及优缺点，并通过一个例子对这三种方法进行了比较。最后对水系统集成方法的发展作出展望。关键词：水系统；水夹点；数学规划；中间水道 0 引言 水是过程工业不可或缺的重要资源。近年来，随着水资源的日

2、益短缺和环境污染的逐渐加剧，社会对环境保护日趋重视，这就促使过程工业不断去最小化新鲜水的消耗量和废水的排放量。我国是一个水资源匮乏的国家，人均水资源占有率仅为世界平均水平的 1/4 左右。而同时，国内企业新鲜水单耗、废水单排与工业发达国家相比仍然存在着很大的差距。因此，在我国，水危机比能源危机更为严峻，节水减污的工作刻不容缓。常规的节水策略主要是通过直观定性分析，通常着眼于单个单元操作或局部用水系统，只能达到一定的节水目的，不能保证整个用水系统的新鲜水使用量和废水产生量达到最小。而水系统集成技术把企业的整个用水系统作为一个有机的整体来对待，考虑如何合理分配各用水单元的水量和水质，以使系统水的重

3、复利用率达到最大，同时废水的排放量达到最小。水系统集成技术能取得最大的节水效果，因此成为当前研究的热点。水系统集成的研究任务包括水系统的分析，综合和改造。水系统的分析是指获得用水系统的最小新鲜水用量和最小废水流量目标；水系统的综合是指设计用水网络，通过水的回用、再生和循环等达到上述目标；水系统的改造是指通过改变现有的用水网络，达到最大限度的水回用和最小程度产生废水。1 水系统集成方法介绍 11 水夹点优化技术 夹点技术在上世纪 70 年代起源于英国的 UMIST，起初它作为一种设计换热网络的工具来解决当时的能源问题。随后，到上世纪 90 年代，夹点思想有了新的突破，不再局限于热力学问题，而更加

4、广泛地延伸到水系统的优化设计中,用以解决目前所面临的水资源危机（Wang and Smith,1994）。水夹点技术是工业水回用、废水量最小化和废水处理系统设计的一种重要方法，在国外已经成功地应用于一些炼油化工企业中，节水率达 20-30。英国 Monsonto 公司 1995 年对7 套生产装置进行了水夹点分析与应用，取得了节水 30，减少污水处理量 75，减少投资费用 1150 万美元的效果（Mann and Liu,1999）。主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 92 一般来说，从一个用水单元出来的废水如果在杂质浓度，腐蚀性等

5、方面满足另一个单元的进口要求，则可为其所用，从而达到节约新鲜水的目的。这种废水的重复利用是节水工作的主要着眼点。下面以单组分系统为例，介绍水夹点技术的基本原理。典型的用水单元如图 1 所示。在该单元中，物料与水直接接触，物料中的杂质在传质推动力的作用下进入水中，产生一定浓度的废水。物料传递过程的质量平衡关系可由式(1)描述：InOutCFMC+=(1)式中：F 水的流率，t/h；M 杂质负荷，g/h；InC 水的进口杂质浓度，ppm；OutC 水的出口杂质浓度，ppm。这个过程也可以用图 2 所示的浓度-负荷图来表示。横坐标 M 代表污染物负荷，纵坐标C 代表污染物浓度。浓度最高的为物料线，较

6、低的为供水线。供水线斜率越大，流率越小。为了确定从别的单元来的废水能被本单元再利用的可能性,需要指定本单元最大允许进口浓度(MaxInC,)，称为极限进口浓度；同时，为了确定所需水的最小流率，需要指定本单元最大出口浓度(MaxOutC,)，称为极限出口浓度。这样就得到了该单元用水的极限曲线(图 2 中物料线下的实线)。可以看出，位于极限曲线下方的供水线均可满足要求。为了达到用水网络的全局最优化，必须从整体上来考虑整个系统的用水情况。所以，需要将所有用水单元的极限曲线复合起来进行分析。图 3 给出了如何将 4 个用水单元的极限曲线复合为极限复合曲线的方法。质量传递 图 1 用水单元模型 InC

7、InPC 用水单元 OutPC OutC富杂质过程流股 水 M C OutPC 极限曲线 图 2 负荷-浓度图 InPC MaxOutC,MaxInC,C M 图 3 构造极限复合曲线 M C 主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 93 位于极限复合曲线下方的供水线均可满足系统的用水要求。假定新鲜水供水线入口浓度为 0，要使新鲜水用量达到最小,应该尽可能增大其出口浓度,即增大供水线的斜率。当供水线的斜率增大到在某点与极限复合曲线相碰时,传质推动力达到最小，出口浓度达到最大,新鲜水用量达到最小。这个相碰点就是所谓的“水夹点”，如图 4

8、所示。水夹点对于用水网络的设计具有重要的指导意义。水夹点上方用水单元的极限进口浓度高于夹点浓度，不应使用新鲜水；水夹点下方用水单元的极限出口浓度低于夹点浓度，不应排放废水。利用水夹点技术不但可以确定系统的最小新鲜水目标值，而且可以进一步在此基础上设计达到该目标值的水网络。设计的方法主要有两种：最大传质推动力法与最小匹配数法。最大传质推动力法充分利用极限复合曲线与供水线之间的浓度差，在最终的设计中使传质推动力达到最大。而最小匹配数法则通过旁流和混合使各单元与水的匹配数达到最少。虽然设计目标不同，但它们都可以使系统的新鲜水用量达到最小。按照上述方法得到的水网络中可能存在回路，所以还需要进一步打破回

9、路以简化网络。以上关于夹点技术法的描述都是针对直接回用的情况，若想进一步减少新鲜水用量，还可以采用再生回用或再生循环，分析的步骤也可以在夹点图上进行。夹点技术简单，直观，在解决单污染物小规模系统时具有很好的效果。但是，它也有一些缺陷。一方面，在处理大规模系统时，用打破回路来简化用水网络这种方法将会因为网络非常复杂而变得十分困难，更多时候是凭借设计者的经验而非理论来指导设计工作，所以结果并不可靠；另一方面，用复合极限曲线来处理多组分系统，已经失去了夹点技术法简单，直观的意义，而且难以操作。所以，针对多污染物大规模复杂用水系统，水系统优化集成的另一种方法数学规划法就呈现出极大的优越性。12 数学规

10、划法优化技术 基于超结构的数学规划法可以利用计算机进行辅助设计，求解迅速、可靠，是另一种设计用水网络的方法。121 超结构 水系统的超结构是指每一个用水单元都可以使用新鲜水或从其它单元来的水，从每一个用水单元出来的水都可以进入其它用水单元再利用或直接排放，如图 5 所示。这一物理模型包含任何一种可能存在的用水网络。以新鲜水用量最少为优化目标，用数学规划的方法描述这个超结构并求解，便可构造出新鲜水用量最少的水网络。M C 夹点 图 4 夹点图 主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 94 图 5 超结构 122 数学规划（1）数学模型 根

11、据所建立的水网络的超结构（图 5），可以列出如下的数学模型：目标函数：Wjj PF (2)等式约束：a.单元 j 的水量衡算：,WDji jjj ki Pk PijkjFFFFjP+=+(3)b.单元 j 入口混合节点污染物平衡：,()()OutWIni ji sji jj si Pi PijijFCFFC=+,jP sC (4)c.单元 j 污染物质量衡算：,()()WInWOutji jj sj sji jj si Pi PijijFFCMFFC+=+,jP sC (5)不等式约束：d.单元 j 进口浓度要求：,0 InIn Maxj sj sCCjP,sC (6)e.单元 j 出口浓度要

12、求：,0 OutOut Maxj sj sCCjP,sC (7)式中：WjF 单元 j 的新鲜水用量,t/h；DjF 单元 j 排放的废水量,t/h；,i jF 单元 i 到单元 j 的水流率,t/h；,j kF 单元 j 到单元 k 的水流率,t/h；,Inj sC 单元 j 中组分 s 的进口浓度,ppm；,Outj sC 单元 j 中组分 s 的出口浓度,ppm；,In Maxj sC 单元 j 中组分 s 的极限进口浓度,ppm；,Out Maxj sC 单元 j 中组分 s 的极限出口浓度,ppm；,j sM 单元 j 中组分 s 的质量负荷,g/h；单元 j 送往其它单元 废水 新

13、鲜水 从其它单元来的水 WjF DjF,i jF,j kF 主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 95 P 用水单元集合；C 污染物集合。（2）求解 不难看出，上述数学模型属于非线性规划。求解非线性规划，初值的选定非常重要。恰当的初值不仅可以减少迭代次数，更重要的是可以避免局部最优解覆盖全局最优解。此外，在求解过程中，迭代方向与步长的选定也直接影响着解的好坏。当前在求解数学规划时，一般使用商用软件 GAMS 或 LINGO，这些软件专门用于求解各类数学规划。使用LINGO 时，在不给出各变量初值的情况下，一般也能够得到较好的最优解，因

14、为软件会自动分析所给模型的性质，并确定求解算法。当然，如果能够为软件提供合适的变量初值，将可能大大缩短求解时间，并增加最优解的可靠性。后面提到的数学规划求解，都是利用此软件进行的。上述的数学模型是以新鲜水用量为优化目标，在实际应用中，根据需要也可以将总费用，网络连接数等作为优化目标来建立数学模型。通过数学模型的求解，可以同时得到系统的最优目标值和达到该目标值的相应的水网络。基于超结构的数学规划法适用范围广，求解方便，已成为水网络优化设计的主要研究趋势。13 中间水道的水网络优化技术 2000 年，冯霄教授和 Warren D Seider 教授提出了在用水网络中设置中间水道的新的水回用模式（X

15、iao Feng and Warren D Seider,2001）。常规用水网络中考虑水的回用时各用水单元之间直接由管道连接。对于小规模系统，这样的网络比较简单，而且节水效果好。但对于用水单元多的大规模系统，这种结构却存在网络过于复杂、不便于运行和控制的缺点。此外，当生产中一个用水单元的水量、水质状况发生变化时，将影响其它用水单元的运行，若用新鲜水加以调节，又使节水效果下降，即网络柔性不足。中间水道技术克服了这些缺点，在用水网络中设置中间水道，具有简化网络的设计、运行和控制的优点，显著增加了网络的柔性。一般工厂都有外部水道，包括新鲜水道和废水道。所谓的中间水道是指水中污染物浓度介于新鲜水和排

16、放废水之间的水道，它源于一些用水单元的具有较低浓度的废水排放，又可用于另一些可用较高浓度的供水的单元。基于中间水道的水网络结构，就是在水系统中设置一个或多个中间水道，所有的用水单元都同新鲜水道、中间水道、废水道中的一些水道相连，从其中一些取水，向其中一些排水，如图 6 所示。为了避免系统过于复杂，中水道一般设置一级，最多两级。其实常规水网络相当于有很多中间水道，这种新的水网络结构只推荐采用一至二级中间新鲜水道 第一级 中间水道 废水道 第二级 中间水道 过程 1 过程 4 过程 5 过程 2 过程 3 过程 7 过程 6 过程 8 图 6 具有中间水道的水网络示意图 主题三：主题三：PSE 和

17、过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 96 水道，故节水效果一般不如常规水网络。因此只适用于大型复杂水网络。2 不同优化技术的比较 以上三种水系统优化集成的方法从不同的角度出发，达到了对水网络进行分析、综合和改造的目的。它们各具优缺点，如表 1 所示 表 1 不同优化技术的比较 技术 优点 缺点 水夹点 技术 物理概念强，易于理解；求解结果使用图表，简洁直观；对单组分系统而言，可以求得全局最优解。一般不用于多组分系统；用此方法仅能直接给出新鲜水目标值，构造相应水网络时，需要人为经验参与进行网络调优。数学 规划法 既可用于单组分系统，又可用于多组分系统；求解模型

18、可直接得到新鲜水目标值和一个达到最小目标要求的水分配网络；可以在数学模型中加入其它约束，以使得网络结构具有弹性。由于是黑箱模型，使用者无法了解模型求解过程；由于数学模型的非线性性质和对初值的强烈依赖性，使得求解结果不能保证全局最优；即使能够求得全局最优解，通常也存在多个最优解，虽然新鲜水用量均达到最小，但其工程性能各不相同，例如经济性，可操作性等各不相同。中水道 技术 设计、运行、控制简便；显著增加网络柔性。新鲜水用量略高于常规水网络。考虑到这三种水网络优化技术的不同特点，在实际应用中，可以根据不同的设计要求选用不同的设计方法。另外，也常常考虑将这些方法结合起来使用，发挥它们各自的优点。比如说

19、，可以将水夹点技术法和数学规划法结合起来，充分发挥水夹点分析确定新鲜水用量的简洁直观性和数学模型寻求最佳回用结构的优点。3 实例分析 这是一个包括四个用水单元的单污染物用水系统，表 2 是各用水单元的极限水数据。在没有优化之前，各用水单元都直接使用新鲜水，系统所需的新鲜水总量是 93.75t/h。下面分别使用上述三种水系统集成方法对该用水系统进行优化设计。表 2 各用水单元的极限水数据 用水 单元 极限进口 浓度/ppm 极限出口 浓度/ppm 污染物负荷/gh-1 1 0 100 2000 2 50 100 5000 3 50 800 15000 4 400 800 4000 31 夹点技术

20、法 根据表 2 中的数据作出该用水系统的极限复合曲线和极限供水线，如图 7 所示。从图 7中可以看出，系统的夹点位于 100ppm 处，最小新鲜水用量为 80t/h，比优化之前的 93.75t/h减少了 13.75t/h。采用最大传质推动力法可以构造出达到该目标值的水网络，如图 8 所示。主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 97 图 7 系统的极限复合曲线和极限供水线 图 8 最大传质推动力法的优化结果 32 数学规划法 把表 2 中的极限水数据代入到前面的数学规划模型中，忽略各单元内部的水损失，用非线性规划求解软件 Lingo 进

21、行求解，可以得到系统的最小新鲜水用量为 80t/h，相应的水网络如图 9 所示。图 9 数学规划法的优化结果 33 中间水道技术 若在该系统中设置一级中间水道，系统的水分配方式则如图 10 所示。80t/h 17.78t/h 66.67t/h 新鲜水 80t/h 48.89t/h 62.22t/h 0，25 25，100 25，100 100，325 100，325 1 2 4 3 3 60t/h 80t/h 20t/h 66.67t/h 新鲜水 80t/h 13.33t/h 0，25 25，100 50，800 275，325 1 2 4 20t/h 6.67t/h 3 主题三：主题三：PS

22、E 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 98 图 10 中间水道技术的优化结果 综上所述可以看出，水夹点技术法和数学规划法的优化目标值相同，最小新鲜水用量都是 80t/h，但具体的最优水网络却不同。另外，由于该系统所含用水单元较少，中间水道技术的优化结果也是 80t/h，并且与前两种方法得到的水网络相比，含中水道的网络结构在控制性，柔性方面要更优一些。4 结论与展望 水夹点技术法和数学规划法是水系统优化集成的两种有效方法。水夹点技术基于对过程用水的理解，从理论的角度分析了过程用水的瓶颈；数学规划法则提供了同时获得新鲜水用量目标值和最优水分配网络的途径。它们

23、各具优缺点。而中水道技术是在综合权衡系统新鲜水用量和柔性的基础上对用水网络作出的一种优化选择。因为数学规划法既适用于单组分系统，又适用于多组分系统，能够通过数学模型的求解得到一个达到最优目标值的水网络，并且含中水道水网络的构造最终也可以归结为数学模型的建立和求解，所以基于数学规划法的考虑更多因素的新的超结构模型的建立，快速而有效的 NLP 或 MINLP 算法的开发，已成为当前水系统优化集成的研究热点。数学规划法的缺点主要表现在：一方面，非凸非线性规划的模型难以求解并且不能保证得到全局最优解；另一方面，求解结果中常常包含一些不合理解，比如循环结构的出现，流量太小或太大等。针对这些不足，可以考虑

24、从以下几个方面来改进数学规划法：第一，考虑将夹点技术法与数学规划法相结合，根据夹点分析的结果对数学模型进行简化，使数学模型降维；第二，对达到最优目标的水网络进行分析，总结出具有最佳水分配方式的用水网络的特点，将其用于数学模型的构造；第三，一般的用于水网络优化设计的数学模型的特点是：目标函数是线性函数，约束条件是线性函数或二次函数，如何获得这种特殊的非凸非线性规划的最优解或次优解，开发出适宜的算法，也是一个研究的重点。总的来说，夹点技术法已从基于对过程、系统了解的角度分析了单组分用水系统的特点，而多组分用水系统的理论分析和优化设计仍然是个难点。研究更快更有效的算法，采用数学规划法构造出达到一定目

25、标的多组分用水网络是一个方面，更重要的是从物理概念的角度去把握多组分用水系统的规律，各组分之间的关系，不同组分对过程用水的影响等，赋予数学模型求解结果一定的物理意义，这才是对多组分系统用水特点的真正的、全面的理解。主题三：主题三：PSE 和过程工业企业节约资源技术研究及应用和过程工业企业节约资源技术研究及应用 99 参考文献 1 Wang Y P,Smith R.Wastewater Minimization(J).Chem Eng Sci,1994,49(7):981-1006 2 Savelski M J,Bagajewicz M J.On the Use of Linear Models

26、 for the Design of Water Utilization Systems in Refineries and Process Plants(J).Annual AIChE 1999 Meeting,Dallas,1999 3 Huang C H,Chang C T,Ling H C,Chang C C.A Mathematical Programming Model for Water Usage and Treatment Network Design(J).Ind Eng Chem Res,1999,38:2666-2679 4 James G Mann,Liu Y A.(

27、刘裔安).工业用水节约与废水减量(M).中国石化出版社,2001 5 冯霄.化工节能原理与技术.化学工业出版社,2004 6 Smith R.Chemical Process Design.New York:McGraw-Hill,1995 7 Kuo J,Smith R.Designing for the Interactions between Water-use and Effluent Treatment(J).Trans IChem,1998,76 A:287-301 8 Xiao Feng,Warren D Seider.A new structure and design met

28、hodology for water networks.Ind Eng Chem Res,2001,40:6140-6146 9 Bin Wang,Xiao Feng,Zaoxiao Zhang.A Design Methodology for Multiple-Contaminants Water Networks with Single Internal Water Main.Comp Chem Eng,2003,27(7):903-911 10 Miguel Bagajewicz.A review of recent design procedures for water networks in refineries and process plants.Comp Chem Eng,2000,24:2093-2113