CN103347594B - 控制在膜系统操作中的结垢的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于控制在膜系统操作中的结垢的方法。所述方法由在工厂的控制系统中的模型进行。所述方法包括选择与垢的一种或多种组分对应的一种或多种阻垢剂的步骤。这基于供水情况、膜材料、膜生垢状况和关于在所述阻垢剂与所述垢的组分之间的反应的动力学研究中的一项或多项。基于总结垢速率常数估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物。施用一种或多种阻垢剂的所述估计组合物的剂量。本发明还提供用于控制在膜系统操作中的结垢的系统。

Description

控制在膜系统操作中的结垢的方法和系统

发明领域

本发明涉及膜系统操作，且更具体地讲，涉及用于控制在膜系统操作中的结垢的方法和系统。

背景

膜技术包括借助于渗透膜用于在两部分之间输送物质的所有工艺工程措施。其在包括膜工艺的膜系统操作中获得实际应用，诸如但不限于反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)等。

未净化的海水含有微溶的盐，诸如碳酸盐垢、硫酸盐垢、生物垢等，它们具有极低的溶解度，由此构成膜系统操作中使用的渗透膜的膜表面上结垢的极高特定潜在性。这些盐在废水中的浓度随产物水除去的程度而增加。高浓度的低溶解度盐导致盐在膜表面上沉淀和结晶。该现象被称为膜垢形成。类似地，在供水中的有机盐和微生物也沉积在膜表面上和间隔物上，且该现象被称为膜生垢。膜生垢(fouling)/结垢(scaling)引起较高能源使用和膜的较短寿命，这是因为需要更经常地清洁。

不溶于水的诸如碳酸钙、硫酸钡等的无机盐可变得过饱和且导致它们沉淀。因此，用结垢控制化学品处理送往膜工艺的供水以避免这些盐在膜表面上沉淀。这些结垢控制化学品被称作阻垢剂。阻垢剂吸附到垢的生长位置且防止垢进一步生长、结晶和沉淀。所选择的阻垢剂的类型控制着在垢与阻垢剂之间的扩散动力学反应的程度。并且，为了避免有机内含物沉积在膜表面上，用作为阻垢剂的碱性溶液处理供水。因此，阻垢剂的选择及其剂量在膜的结垢/生垢控制以便膜更好地起作用和操作方面非常重要。

目前，所使用的阻垢剂的类型及其剂量基于来自膜生产商、化学品供应商、顾问和供水品质的提议。沉积在膜中的垢根据供水品质可主要为碳酸盐垢、硫酸盐垢、生物垢等。在工业应用中，阻垢剂基于主要存在于供水中的组分的类型而给出建议。例如，对于硫酸盐垢和有机垢建议氢氧化钠，对于碳酸盐垢等建议盐酸。所提议的阻垢剂将仅溶解特定的组分，而可能不会溶解在垢中存在的所有组分。因此，可能需要使用具有特定组成的阻垢剂的混合物，以溶解并除去存在于垢中的所有组分。

阻垢剂与供水一起投配以保持其在废料流中的浓度处于特定值。因为一些阻垢剂无法通过市场上可得到的传感器测量，所以投配固定过量的阻垢剂以防止膜结垢和随后的损伤。该技术基于经验法则且具有一些缺点，如过量使用阻垢剂，这是高度浪费的，其并不考虑膜的当前情况或状况来估计溶解在膜表面上的现有垢沉淀物和晶体所需要的阻垢剂的量。必须注意到，虽然在实践中，投配固定过量的阻垢剂，但在产物水和废料流中存在的阻垢剂的量应该在如由世界卫生组织(WHO)所提议的容许极限内，使得不需要任何后处理操作来除去这些阻垢化学品。

本发明的目的在于选择恰当的阻垢剂及其最佳剂量。膜清洁化学及其动力学在判断阻垢剂的恰当选择方面极其重要，而阻垢剂的剂量基于膜生垢状况来估计。

本发明的目标

本发明的一个目标在于提供控制结垢的方法，其中适当地选择膜系统操作所需要的阻垢剂。

本发明的另一目标在于提供控制结垢的方法，其中适当地估计膜系统操作所需要的阻垢剂的组合物。

本发明的一个目标还在于提供控制结垢的方法，其中确定膜系统操作所需要的阻垢剂的估计组合物的最佳剂量。

本发明的又一目标在于提供用于在膜系统操作中进行根据本发明的控制结垢的方法的系统。

发明概述

因此，本发明提供控制在膜系统操作中的结垢的方法。所述方法由在工厂的控制系统中的模型进行。所述方法包括选择与垢的一种或多种组分对应的一种或多种阻垢剂的步骤。这基于供水情况、膜材料、膜生垢状况和关于在阻垢剂与垢的组分之间的反应的动力学研究中的一项或多项。估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物基于总结垢速率常数。施用所述估计的一种或多种阻垢剂的组合物的剂量。

因此，本发明还提供根据本发明的方法控制在膜系统操作中的结垢的系统。所述系统具有控制系统，所述控制系统具有模型，且包括一个或多个用以获得工厂数据的传感器。在本发明的系统中，提供阻垢剂选择单元以选择与垢的一种或多种组分对应的一种或多种阻垢剂。提供阻垢剂估计单元以估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物。提供阻垢剂剂量控制单元以施用和/或控制所述估计的一种或多种阻垢剂的组合物的剂量。所述控制系统对应于分布式控制系统、可编程逻辑控制器或任何其他基于微处理机的嵌入系统。所述系统的模型迎合(catersto)阻垢剂选择单元、阻垢剂估计单元和阻垢剂剂量控制单元中的一个或多个。

附图简述

参考附图，其中：

图1示出了控制在膜系统操作中的结垢的系统。

发明详述

参考非穷举的示例性实施方案，其中图1描绘控制在膜系统操作中的结垢的系统。本发明的方法结合本发明的系统共同深入地描述。

系统(100)具有控制系统且这类控制系统对应于分布式控制系统、可编程逻辑控制器或任何其他基于微处理机的嵌入系统。所述控制系统具有用于执行用于控制在膜系统操作中的结垢的方法的模型。首先，本发明的方法和系统的目的在于经由阻垢剂的恰当选择、所选择的阻垢剂的适当组合物且经由施用最佳剂量的阻垢剂进行结垢控制。

系统(100)具有至少一个用于获得相关工厂数据的传感器。在本文中提到的工厂数据包括进料流速、进料压力、进料浓度、废料流速、废料压力、产物流速、产物浓度等中的一个或多个。所述系统还具有阻垢剂选择单元、阻垢剂估计单元和阻垢剂剂量控制单元。

提供阻垢剂选择单元(101)以选择一种或多种阻垢剂。所述阻垢剂从由膜生产商提供的阻垢剂列表确定，且与垢中存在的组分对应。所述选择不是基于经验法则进行。确切地讲，一种或多种阻垢剂的选择因此基于动力学研究。所述动力学研究涉及在阻垢剂与垢的组分之间的反应。

显然，关于上文中提到的动力学研究，在阻垢剂与在供水中的垢沉积物之间的反应的反应速率(R_c)及其动力学基于缩核模型(shrinkingcoremodel)得出。本文中的缩核模型考虑了化学反应控制和固体粒子质量传递扩散控制。

其中，

R_c为反应速率，kg/m²s;

C为阻垢剂浓度，kg/m³；

C_init为新鲜阻垢剂化学品的入口浓度，kg/m³；

k_c为化学反应速度常数；

k_m为固体粒子质量传递扩散控制速率常数，m/s；

u为阻垢剂的错流速度，m/s；

μ为阻垢剂化学品的粘度，kg/(m.s)；

ρ为阻垢剂化学品的密度，kg/m³；

D_m为分子扩散系数，m²/s；

a为反应级数，(-)；

T为温度，℃；

d_p为粒子的当量直径，m。

使用诸如水质、阻垢剂流速及其浓度的脱机工厂测量结果，计算总速度常数(k”)。阻垢剂选择单元(101)在选择阻垢剂的过程中利用该总速度常数的值(k”)。

选择阻垢剂以使得其给出高总速度常数值k”。k”的值指示在阻垢剂与垢材料之间发生的反应的程度。k”值越高，所选择的阻垢剂恰当的机会越高。如果对于特定阻垢剂k”值小于某一阈值(k”_thresh)，则不选择该特定阻垢剂。例如，如在图1中所示，由膜生产商建议的阻垢剂列表为AS₁、AS₂和AS₃。如果阻垢剂AS₁和AS₂的k”值大于k”_thresh且阻垢剂AS₃的k”值小于k”_thresh，则从该列表中选择阻垢剂AS₁和AS₂。

根据垢的组分如此选择的阻垢剂需要以适当的分数混合以形成恰当的阻垢剂组合物。这是因为某些阻垢剂仅可溶解垢中的某些组分或其对应的组分。因此，需要所述阻垢剂混合物迎合垢中的其相关或对应组分。适当的阻垢剂混合物具有恰当的组成至关重要。

提供阻垢剂估计单元(102)以估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物，从而形成适当且需要的阻垢剂混合物。在此，估计如先前描述的所选择的阻垢剂组的混合分数。例如，如先前陈述选择阻垢剂AS₁和AS₂且需要确定需要混合的AS₁和AS₂的百分数。阻垢剂估计单元(102)利用总速度常数值(k”)来估计混合分数。将k”的估计值与k”的理论值相比较且选择混合分数以使得在k”的估计值与理论值之间的误差减至最小。对于所考虑的实施例，该单元估计AS₁的X₁%和AS₂的X₂%。k”使用脱机工厂测量结果估计，且k”的理论值对应于垢材料完全去除时的速率。

另外，需要将估计的阻垢剂组合物施用于膜系统操作。这包括确定估计的阻垢剂组合物的最佳剂量。提供阻垢剂剂量控制单元(103)以施用和/或控制估计的一种或多种阻垢剂组合物的剂量。这基于膜生垢状况的值进行。膜生垢状况使用膜分离工艺的首要原理模型估计。该模型估计膜输送参数，诸如水力渗透率(A)和溶质渗透率(B)。膜输送参数仅受膜生垢影响。这些膜输送参数通过使用诸如进料流速、进料压力、进料浓度、废料流速、废料压力、产物流速、产物浓度等工厂数据估计。

对于不同的阻垢剂流速，水力渗透率随时间的变化由以下给出：

其中

A₀为由膜性能溶液获得的初始水力渗透率；

k为结垢速率常数，其可由水力渗透率和阻垢剂流速数据的过去历程获得；

F_in为阻垢剂的流速，m³/hr。

调节估计的阻垢剂组合物的流速以使得当前值与对于如在方程式6中给出的膜生垢状况的所需值(水力渗透率值)之间的误差减至最小。在该控制策略下，将膜生垢状况送到膜性能控制器(MIC)，其继而测定流量控制器(FIC)对于剂量化学品、即对于投配估计的阻垢剂组合物的设定点。

估计的所选择阻垢剂的组合物及其剂量通过写成如下给出的目标函数来确定：

其中：

A为由膜性能溶液获得的当前水力渗透率；

_req为由用户/消费者提供的所需要的水力渗透率；

C_c为每千克阻垢剂的成本；

k”_est为得自脱机测量数据的总速率常数的估计值，m²/s；

k”_theo为对应于垢材料的完全去除的总速率常数的理论值，m²/s；

x_i为估计的阻垢剂%混合组合物；

受以下限制：

其中：

F_in,min和F_in,max是最小的阻垢剂允许流速和最大的阻垢剂允许流速，m³/hr。

在该目标函数中的第一项涉及估计所选择的阻垢剂的组合物，即估计所选择的阻垢剂的混合物。在该目标函数中的第二项使阻垢剂的成本减至最小且第三项选择如在施用或控制估计的阻垢剂组合物的剂量中所描述的阻垢剂的流速。

本发明不受在本文中的描述中描述的优选实施方案的限制。应当注意，本发明通过示例性实施方案解释且其既非穷举性的，也不是限制性的。本领域的技术人员能够透彻地理解在本文的描述中没有详细描述的本发明的某些方面。并且，无论在何处应用，在本文的描述中使用的关于单数形式的术语也包括其复数形式，反之亦然，在本说明书中没有具体描述的任何相关改进或变型事实上将被解释为完全在本发明的范围内。

Claims (12)

1.通过在工厂的控制系统中的缩核模型控制在膜系统操作中的结垢的方法，其中所述方法包括以下步骤：

基于供水情况、膜材料、膜生垢状况和关于在阻垢剂与垢的一种或多种组分之间的反应的动力学研究中的一项或多项选择与所述垢的所述组分对应的一种或多种阻垢剂；

基于总结垢速率常数和目标函数估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物；

施用所述估计的一种或多种阻垢剂的组合物的剂量来控制在膜系统操作中的结垢；

其中涉及在所述阻垢剂与所述垢的组分之间的反应的动力学研究使用包括化学反应控制和固体粒子质量传递扩散控制的缩核模型得出，并且其中所述目标函数包括估计所选择的阻垢剂组合物的第一项，使阻垢剂的成本减至最小的第二项，以及选择在施用所述估计的阻垢剂组合物的剂量的阻垢剂流速的第三项。

2.根据权利要求1所述的方法，其中从由膜生产商提供的阻垢剂列表选择一种或多种阻垢剂。

3.根据权利要求1所述的方法，其中基于关于在所述阻垢剂与垢的所述组分之间的反应的动力学研究选择一种或多种阻垢剂包括基于化学反应控制、薄膜扩散和固体粒子质量传递扩散控制中的一项或多项确定动力学参数的值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物包括使用选自水质、阻垢剂流速、阻垢剂浓度的脱机工厂测量结果计算总结垢速率常数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中施用所述估计的一种或多种阻垢剂的组合物的剂量基于所述膜生垢状况。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其中所述膜生垢状况基于诸如膜的水力渗透率、溶质渗透率和膜的反射系数的膜随时间变化的物理参数的估计确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述膜随时间变化的物理参数通过使用选自进料流速、进料压力、进料浓度、废料流速、废料压力、产物流速、产物浓度的工厂数据估计。

8.用于根据前述权利要求中任一项的方法控制在膜系统操作中的结垢的系统，所述系统具有控制系统，所述控制系统具有模型，且包括：

一个或多个用以获得工厂数据的传感器；且其中

提供阻垢剂选择单元以选择与所述垢的一种或多种组分对应的一种或多种阻垢剂；

提供阻垢剂估计单元以估计一种或多种所选择的阻垢剂的组合物；且

提供阻垢剂剂量控制单元以施用和/或控制所述估计的一种或多种阻垢剂的组合物的剂量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制系统对应于分布式控制系统、可编程逻辑控制器或任何其他基于微处理机的嵌入系统。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其中所述模型迎合阻垢剂选择单元、阻垢剂估计单元和阻垢剂剂量控制单元中的一个或多个。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述工厂数据包括进料流速、进料压力、进料浓度、废料流速、废料压力、产物流速、产物浓度中的一个或多个。

12.根据权利要求8所述的系统，其中所述阻垢剂剂量控制单元包括流量指示器控制器、膜性能指示器控制器、膜和监测膜的工具。