反渗透海水淡化网络系统的优化研究.pdf

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1、反渗透海水淡化网络系统的优化研究StudiesontheOptimizationofReverseOsmosisNetworksforSeawaterDesalination一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工程研究生：杜亚威指导教师：王宇新教授天津大学化工学院二零一一年五月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，也不包含为获得天津大学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。学

2、位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学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：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要反渗透技术广泛应用于海水和苦咸水淡化当中。相对于其他海水淡化技术，它的主要优势在于无相变、能耗低、模块化，因此近年来发展较快，市场占有率高。但目前反渗透工程设计仍主要采用基于工程经验的传统的设计

3、方法，在技术可行的基础上并不能保证最优结果。因此进行反渗透系统优化研究是十分必要的。本文系研究反渗透海水及苦咸水淡化系统的优化问题，以降低吨水成本和能耗为目标开展以下工作。首先针对采用功（压力）交换器的反渗透系统，建立了基于有限差分传质的反渗透系统超结构模型。该模型考虑了功（压力）交换器内盐水混合状况，得到的混合整数非线性规划（MINLP）采用外部逼近法求解。加入限制条件使得优化结果中压力容器以及压力容器内膜元件的个数为整数解。利用该模型对不同盐度进料海水的反渗透系统进行优化研究，产水水质小于500mg/L，结果表明：进料海水盐度升高，吨水成本升高，反渗透系统工艺也随之变化。当进料海

4、水盐度在32000mg/L以上，最优化的反渗透方案为一段反渗透工艺。当进料水盐度低于28000mg/L时，反渗透系统采用带段间增压泵的两段式工艺，当进料盐度不同时采用的膜元件型号也不同。随着产水水质含盐量需求下降，吨水成本呈上升趋势。对于进料海水盐度为35000mg/L、产水水质要求在300~500mg/L范围时，单级反渗透系统可以满足产水水质的需求。当产水水质要求在50~100mg/L范围时，选用两级反渗透工艺。其次，采用ε-限制算法对基于有限差分传质模型的反渗透系统进行多目标优化，吨水成本和吨水能耗同时优化得到非劣解（Pareto最优集），决策者可以根据不同的设计要求选择合适的反

5、渗透配置工艺。以吨水成本和能耗分别为优化目标，对有无能量回收的反渗透系统进行单目标优化，无能量回收装置与采用透平的反渗透系统均采用带段间增压泵的两段式反渗透工艺，而以PX型作为能量回收装置的反渗透系统采用单段式工艺。以无能量回收装置来比较，采用透平式的反渗透方案其吨水成本下降不大；而采用PX型的反渗透方案，吨水成本最低。对采用PX型的反渗透系统，进行多目标优化设计，优化得到3的反渗透方案的吨水成本在US$0.52—$0.69/m之间，吨水能耗在2.30—32.79kWh/m之间，吨水成本与吨水能耗的变化趋势相反，一级反渗透方案能同I时满足较低的制水成本和吨水能耗。当进料海水盐度升高时

6、，多目标最优化设计的非劣解曲线向右上方平移，最低吨水成本和最低吨水能耗均有上升。最后，采用广义析取模型对反渗透系统进行优化。用传质模型来描述压力容器内膜元件传质过程，对于超结构内不存在的膜元件则视为单纯的输入输出操作而没有传质过程，反渗透级做同样处理，得到的广义析取模型采用逻辑外部逼近法求解。相对于混合整数非线性规划，广义析取模型可以避免在计算过程中超结构中不存在的反渗透级以及物流为零的变量引起的不可行解，使得非线性规划子问题能更快收敛。利用该模型研究了电价、膜元件价格和海水温度等因素对海水淡化设计结果的影响。电价的变化对反渗透系统吨水成本影响较大。当电价升高时，可以通过降低系统的操

7、作压力或增加膜面积来降低海水淡化的成本。相对于电价，膜元件价格的变化对反渗透系统吨水成本影响处于第二位。当进料海水温度升高时，所需要的操作压力逐渐减小，所需的膜面积减少，反渗透的吨水成本呈下降趋势。本文开展了反渗透系统优化研究，考虑了由于系统内功（压力）交换器盐水混合引起的盐度升高，加入限制条件使得压力容器的个数以及压力容器内膜元件的个数为整数解。优化研究表明本文的结果可用于对实际的反渗透工程设计或系统评估。关键词：海水淡化反渗透优化设计多目标优化广义析取