CN105198025B - 一种余热驱动热泵的含盐废水蒸发结晶系统集成设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种余热驱动热泵的含盐废水蒸发结晶系统集成设计方法。根据水系统的最小传质推动力构建水系统的负荷‑浓度图，确定蒸发‑结晶系统的含盐废水最小排放量量及其无机盐组成，进而确定蒸发负荷、蒸发的目标温度和结晶量。采用换热网络集成技术确定系统的最大热回收量及余热分布。在总复合曲线上根据最小含盐废水量和浓度作出其浓度蒸发至饱和浓度过程的结晶过程线，综合考虑余热和蒸发结晶过程，确定余热驱动热泵的位置和类型，建立整个余热驱动热泵的化工含盐废水蒸发结晶集成系统。
Description
技术领域
本发明属于过程系统集成技术，特别涉及一种余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶系统集成设计方法。
背景技术
化工生产工艺过程中产生大量含盐废水。对于含盐废水，一般可利用过程系统集成技术对整个化工工艺系统的水网络系统进行集成和优化，使得水网络系统产生的废水量减至最小，或减小水网络系统的新鲜水用量，同时减少水网络系统的废水排放，但是水网络系统仍存在部分含盐废水需经处理后排放的情况。
对于排放前的含盐废水，可采用蒸发浓缩-冷却结晶过程进行处理，在回收淡水的同时减少含盐废水的排放。该过程通过蒸发将含盐废水提浓至无机盐的饱和结晶浓度，或对含无机盐的浓缩液进行冷却，使含盐废水中可溶性盐结晶析出，回收淡水资源，以达到盐水分离、减排含盐废水目的。蒸发浓缩-冷却结晶过程多采用蒸汽提供热源，需要消耗大量热量，具有能耗和成本较高的特点。
目前，在采用蒸发浓缩-冷却结晶过程处理化工生产工艺过程产生的含盐废水时，通常采用蒸汽作为蒸发浓缩过程的热源，采用电驱动热泵作为补充热源，所处理的含盐废水并非是水网络系统外排含盐废水的最小量，虽然可使排放的含盐废水达到盐水分离，但未能有效地降低含盐废水的处理能耗和处理成本。
发明内容
基于此，本发明公开了一种余热驱动热泵的含盐废水蒸发结晶系统集成设计方法，所述方法包括以下步骤：
S100、基于化工生产工艺中水网络系统集成确定蒸发-结晶系统的工艺参数；
S200、基于化工生产工艺中的能量系统集成确定能量系统的总复合曲线、最小余热量及温位；
S300、基于步骤S100和步骤S200确定余热驱动热泵的类型、工质及操作参数，继而建立余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发-结晶系统。
附图说明
图1是本发明一个实施例中利用总复合曲线确定热泵蒸发操作参数的示意图；
图2是本发明一个实施例中余热驱动热泵的含盐废水蒸发-结晶集成系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进一步说明。
在一个实施例中，本发明公开了一种余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶集成系统及其设计方法，所述方法包括以下步骤：
S100、基于化工生产工艺中水网络系统集成确定蒸发-结晶系统的工艺参数；
S200、基于化工生产工艺中的能量系统集成确定能量系统的总复合曲线、最小余热量及温位；
S300、基于步骤S100和步骤S200确定余热驱动热泵的类型、工质及操作参数，继而建立余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发-结晶系统。
在本实施例中，根据化工生产过程中的用水需求、水回用和废水排放特点，构建水网络系统，优化供水和用水过程之间的匹配，在满足生产工艺要求情况下，确定水网络系统的最小含盐废水排放量。在水网络系统优化后，化工生产工艺过程所排放的含盐废水采用蒸发-结晶系统进行浓缩处理，根据含盐废水的无机盐浓度和废水处理要求，确定蒸发结晶的操作参数。
根据化工生产工艺过程中能量系统的特性，构建换热网络，综合考虑需要加热和需要冷却的流股，通过换热网络夹点分析法确定能量系统的最大热回收量，并确定能量系统的最小余热量及其温位分布。
综合考虑化工生产工艺的余热温位分布、待处理的含盐废水以及余热驱动热泵的蒸发和结晶过程，采用总复合曲线确定热泵的合理位置及操作参数。通过热泵蒸发-结晶系统使水网络系统的废水排放最小化，同时实现能量系统余热的高效利用，从而有效地降低化工生产工艺系统的整体能耗和废水排放。
在一个实施例中，所述步骤S100具体包括以下步骤：
S1001、提取所述水网络系统中水源和水阱的相关参数；
S1002、基于步骤S1001和水网络系统最小传质推动力方法，构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图，确定水网络系统的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度；
S1003、基于步骤S1002中的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度，确定蒸发-结晶系统的工艺参数。
在本实施例中，针对化工系统中的各个供水单元(水源)和用水单元(水阱)，利用现有技术提取水源和水阱的相关参数，例如提取水源流股的流量、无机盐种类和无机盐浓度；提取水阱所需要水流股的流量、无机盐种类，无机盐浓度等数据。
本实施例所述的水网络系统的含盐废水即为蒸发-结晶系统的进料，根据其排放量及含盐废水无机盐浓度，来确定蒸发-结晶系统的工艺参数。
本实施例根据“冯霄，水系统集成优化-节水减排的系统综合方法[M]第二版，化学工业出版社，2012”中记载的水网络系统最小传质推动力方法来完成步骤S1002中构建构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图的。
在一个实施例中，所述步骤S1001具体包括，提取水源流股的流量、无机盐种类及无机盐浓度；提取水阱流股的流量、无机盐种类及无机盐极限浓度。
本实施例中采用现有的技术来提取水源或者水阱的相关参数，利用这些参数获得水网络系统的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度。
在一个实施例中，所述步骤S1002中的构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图具体包括：
将水源和水阱的无机盐浓度由大到小划分浓度区间，在各浓度区间内，由下式确定水网络系统中以第k种无机盐为关键组分的无机盐脱除负荷，采用水夹点分析法确定水网络系统的含盐废水最小排放量及其无机盐浓度，构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图；
式中，Y为无机盐脱除负荷；F为水源或水阱的流量；C为无机盐的浓度；下标i表示水源，j表示水阱；k表示无机盐种类，Fi为水源i的流量，Fj为水阱j的流量，Ci，k为水源i的无机盐k的浓度，Cj，k为水阱j的无机盐k的浓度，Yk为无机盐k的脱除负荷，M为水网络系统的水源总数，N为水网络系统的水阱总数。
在本实施例中，同样可以采用数学规划法确定水网络系统的含盐废水最小排放量及其无机盐浓度。
在一个实施例中，所述步骤S1003中的蒸发-结晶系统的工艺参数包括蒸发-结晶系统的蒸发负荷和无机盐结晶量。
本实施例所述的蒸发-结晶系统的工艺参数是根据水网络系统的废水最小排放量及废水的无机盐组成确定的。
在一个实施例中所述步骤S200具体包括以下步骤：
S2001、提取化工生产工艺过程中能量系统的热流股和冷流股的温度、流量和热容流率；
S2002、确定冷流股、热流股换热的最小传热温差，基于步骤S2001中得到的热流股和冷流股的温度、流量和热容流率，采用换热网络夹点分析法确定能量系统的总复合曲线；
S2003、根据能量系统的总复合曲线确定能量系统的最小余热量及余热温位。
本实施例同样可以根据热源和热阱的进、出口温度划分温区，对于每个温区，由下式确定各温区的热负荷，利用换热网络的集成技术确定能量系统的总复合曲线。根据总复合曲线可确定系统的最小余热量和相应的余热温位，该余热用以驱动热泵。
式中，ΔHp为第p温区的热负荷；CPq为第q流股的热容流率；Tp为第p温区的温度；Tp+1为第p+1温区的温度；Q为第p温区的流股数。
另外，本实施例还可以利用数学规划法来确定能量系统的总复合曲线。
本实施例根据“冯霄，化工节能-原理与技术[M]第二版，化学工业出版社，2003”中介绍的方法来确定步骤S2002中所述的冷流股、热流股换热的最小传热温差，同样步骤S2002中还利用了该书中记载的“换热网络夹点分析法”来确定能量系统的总复合曲线。
在一个实施例中，所述步骤S300具体包括以下步骤：
S3001、在步骤S2002中所述的总复合曲线上，根据水网络系统的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度，确定蒸发-结晶系统的蒸发负荷和无机盐结晶量，继而构建含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线；
S3002、根据能量系统的总复合曲线、最小余热量及余热温位确定发生中介蒸汽的数量和温位，并作出中介蒸汽温焓线；
S3003、当含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线位于中介蒸汽温焓线的下方，采用中介蒸汽直接作为废水蒸发结晶的热源；
当含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线部分或全部位于中介蒸汽温焓线的上方，根据中介蒸汽的数量和温位，选取吸收式热泵或机械压缩式热泵，确定余热驱动热泵的类型、工质及操作参数，采用中介蒸汽驱动热泵，为蒸发结晶系统提供热源，据此建立余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶集成系统。
在一个实施例中，本发明公开了一种余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶集成系统及其设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1、基于水网络系统集成，确定蒸发-结晶系统工艺参数；
总体上，提取化工生产工艺系统中水网络系统的水源、水阱、各流股水的流量和各股水的无机盐浓度，采用水夹点法进行水网络系统的集成，根据水网络系统最小传质推动力法，构建水网络系统的负荷-浓度图，确定水网络系统的水回收量、最小含盐废水排放量及其浓度。水网络系统的最小含盐废水排放量即为蒸发-结晶系统需要处理的含盐废水量；根据含盐废水的流量和浓度，可确定蒸发负荷和无机盐的结晶量。
具体的：
1)水网络系统的水源和水阱数据提取
利用化工生产工艺过程中各用水单元构成水网络系统。对于供水流股(水源)提取各流股的流量、无机盐种类和无机盐浓度；对于用水单元(水阱)提取所需水的流量、无机盐种类、无机盐浓度和无机盐的极限浓度。
2)水网络系统的集成和蒸发结晶系统工艺参数的确定
根据水源和水阱的数据提取，按水源和水阱的无机盐浓度由大到小划分浓度区间，在各浓度区间，构建水网络系统的负荷-浓度图，由式(1)确定水网络系统中以第k种无机盐为关键组分的无机盐脱除负荷，采用水夹点分析法或者数学规划法确定水网络系统的水回收量、含盐废水最小排放量Fmin及其无机盐浓度CR。含盐废水最小排放量Fmin即为蒸发-结晶系统需要处理的含盐废水量；根据该含盐废水的最小排放量和无机盐浓度，确定蒸发负荷和无机盐的结晶量。
式中，Y为无机盐脱除负荷；F为水源或水阱的流量；C为无机盐的浓度；下标i表示水源，j表示水阱；k表示无机盐种类，Fi为水源i的流量，Fj为水阱j的流量，Ci，k为水源i的无机盐k的浓度，Cj，k为水阱j的无机盐k的浓度，Yk为无机盐k的脱除负荷，M为水网络系统的水源总数，N为水网络系统的水阱总数。
S2、基于能量系统集成确定驱动热泵的余热量及其温位
提取化工生产工艺过程中能量系统的需要冷却的流股(热流股)和需要加热的流股(冷流股)的温度、流量和热容流率，确定冷、热流股换热的最小传热温差，采用换热网络夹点分析法或者数学规划法确定能量系统的总复合曲线，利用总复合曲线确定能量系统的最小余热量及其温位，该最小余热量及余热温位在本发明中作为蒸发-结晶系统的热源以驱动热泵。
根据冷、热流股的进口和出口温度划分为P个温区，对于任一温区p，由式(2)确定该温区的热负荷，根据该热负荷可利用夹点分析方法确定能量系统的总复合曲线，根据总复合曲线可确定能量系统的最小余热量Qc min及其温位TR，该余热用以驱动热泵。
式中，ΔHp为第p温区的热负荷；CPq为第q流股的热容流率；Tp为第p温区的温度；Tp+1为第p+1温区的温度；Q为第p温区的流股数。
S3、建立余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发-结晶集成系统
总体上，基于步骤S1确定的需要处理的含盐废水最小排放量和无机盐浓度以及蒸发负荷和无机盐的结晶量，基于步骤S2确定的能量系统的余热量及其温位，可确定余热驱动热泵的类型、工质及操作参数，从而建立整个余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发-结晶集成系统。
具体的：
在总复合曲线上，如附图1所示，根据水网络系统的含盐废水最小排放量及其所对应的无机盐浓度做出该含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线，确定发生中介蒸汽的数量和温位，综合考虑余热、中介蒸汽和蒸发-结晶过程，根据以下原则确定热泵的位置、类型和工质：
1)根据总复合曲线，确定中介蒸汽的数量和温位，做出中介蒸汽温焓线；
2)当蒸发过程的温焓线全部位于中介蒸汽温焓线的下方，采用中介蒸汽直接作为含盐废水蒸发结晶的热源；
3)当蒸发过程的温焓线全部或部分位于中介蒸汽温焓线上方，利用步骤2确定的能量系统余热驱动热泵提高中介蒸汽的温位作为废水蒸发结晶的热源；
4)对于上述第3)条中的热泵，需根据中介蒸汽温位和实际蒸发工艺，选取吸收式热泵或机械压缩式热泵，所采用的工质需与热泵类型、温位和操作参数相适应和匹配，并满足实际热泵制造和运行的要求。
如图2所示：在确定热泵的类型、工质和操作参数后，可建立整个余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶集成系统。针对化工生产工艺过程的水网络系统，该集成系统采用水夹点法确定含盐废水的最小排放量及其无机盐浓度，针对化工生产工艺过程的能量系统，采用夹点分析法确定最小余热量及其温位，在总复合曲线上确定中介蒸汽的数量和温位，当蒸发过程的温焓线全部位于中介蒸汽温焓线的下方，采用中介蒸汽直接作为含盐废水蒸发结晶的热源为蒸发结晶系统提供热量；当蒸发过程的温焓线全部或部分位于中介蒸汽温焓线上方，利用余热驱动热泵以提高中介蒸汽的温位，作为废水蒸发结晶的热源为蒸发结晶系统提供热量，蒸发系统排出的冷凝蒸汽可作为化工生产工艺过程的补充水。
本发明的目的在于提供一种余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶集成系统设计方法，基于化工生产工艺过程的水网络系统集成和能量系统集成，使得含盐化工废水蒸发结晶系统的废水处理负荷和处理能耗同步降低，不仅可减少含盐废水的排放量，而且还使能量系统的余热得到充分利用，从而克服现有技术的缺点。
总体来看，为达到上述目的，本发明采用的技术方案具备如下特点：
根据化工生产工艺过程的用水需求、水回用和废水排放特点，构建水网络系统，优化供水和用水过程之间的匹配，在满足生产工艺要求情况下，确定水网络系统的最小含盐废水排放量。在水网络系统优化后，化工生产工艺过程所排放的含盐废水采用蒸发-结晶系统进行浓缩处理，根据含盐废水的无机盐浓度和废水处理要求，确定蒸发结晶的操作参数。
根据化工生产工艺过程中能量系统的特性，构建换热网络，综合考虑需要加热和需要冷却的流股，通过换热网络夹点分析法确定能量系统的最大热回收量，并确定能量系统的最小余热量及其温位分布，并采用余热驱动热泵补充中介蒸汽加热量，为蒸发结晶系统提供热源。
综合考虑化工生产工艺的余热温位分布、待处理的含盐废水以及余热驱动热泵的蒸发和结晶过程，采用总复合曲线确定热泵的合理位置及操作参数。通过热泵蒸发-结晶系统使水网络系统的废水排放最小化，同时实现能量系统余热的高效利用，从而有效地降低化工生产工艺系统的整体能耗和废水排放。
Claims (3)
1.一种余热驱动热泵的含盐废水蒸发结晶系统集成设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100、基于化工生产工艺中水网络系统集成确定蒸发-结晶系统的工艺参数：
S1001、提取所述水网络系统中水源流股的流量、无机盐种类及无机盐浓度；提取水阱流股的流量、无机盐种类、无机盐浓度及无机盐极限浓度；
S1002、基于步骤S1001中水源和水阱的相关参数，利用水网络系统最小传质推动力方法，构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图，确定水网络系统的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度；
S1003、基于步骤S1002中得到的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度，确定蒸发-结晶系统的工艺参数；
S200、基于化工生产工艺中的能量系统集成确定能量系统的总复合曲线、最小余热量及温位：
S2001、提取化工生产工艺过程中能量系统的热流股和冷流股的温度、流量和热容流率；
S2002、确定冷流股、热流股换热的最小传热温差，基于步骤S2001中得到的热流股和冷流股的温度、流量和热容流率，采用换热网络夹点分析法确定能量系统的总复合曲线；
S2003、根据能量系统的总复合曲线确定能量系统的最小余热量及余热温位；
S300、基于步骤S100和步骤S200确定余热驱动热泵的类型、工质及操作参数，继而建立余热驱动热泵的含盐废水蒸发-结晶系统：
S3001、在步骤S2002中所述的总复合曲线上，根据水网络系统的含盐废水最小排放量及含盐废水无机盐浓度，确定蒸发-结晶系统的蒸发负荷和无机盐结晶量，继而构建含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线；
S3002、根据能量系统的总复合曲线、最小余热量及余热温位确定中介蒸汽的数量和温位，并作出中介蒸汽温焓线；
S3003、当含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线位于中介蒸汽温焓线的下方，采用中介蒸汽直接作为废水蒸发结晶的热源；
当含盐废水的浓度蒸发至饱和浓度过程的温焓线部分或全部位于中介蒸汽温焓线的上方，根据中介蒸汽的数量和温位，选取吸收式热泵或机械压缩式热泵，确定余热驱动热泵的类型、工质及操作参数，采用中介蒸汽驱动热泵，为蒸发结晶系统提供热源，据此建立余热驱动热泵的含盐化工废水蒸发结晶集成系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1002中的构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图具体包括：
将水源和水阱的无机盐浓度由大到小划分浓度区间，在各浓度区间内，由下式确定水网络系统中以第k种无机盐为关键组分的无机盐脱除负荷，采用水夹点分析法确定水网络系统的含盐废水最小排放量及其无机盐浓度，构建水网络系统的无机盐脱除负荷-无机盐浓度图；
式中，Y为无机盐脱除负荷；F为水源或水阱的流量；C为无机盐的浓度；下标i表示水源，j表示水阱；k表示无机盐种类，Fi为水源i的流量，Fj为水阱j的流量，Ci，k为水源i的无机盐k的浓度，Cj，k为水阱j的无机盐k的浓度，Yk为无机盐k的脱除负荷，M为水网络系统的水源总数，N为水网络系统的水阱总数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S1003中的蒸发-结晶系统的工艺参数包括蒸发-结晶系统的蒸发负荷和无机盐结晶量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |