CN112597632B - 一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法 - Google Patents

一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112597632B
CN112597632B CN202011397194.5A CN202011397194A CN112597632B CN 112597632 B CN112597632 B CN 112597632B CN 202011397194 A CN202011397194 A CN 202011397194A CN 112597632 B CN112597632 B CN 112597632B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
reverse osmosis
flow
pressure vessel
salinity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011397194.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112597632A (zh
Inventor
杜亚威
谷浩冉
孙心语
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Technology
Original Assignee
Hebei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Technology filed Critical Hebei University of Technology
Priority to CN202011397194.5A priority Critical patent/CN112597632B/zh
Publication of CN112597632A publication Critical patent/CN112597632A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112597632B publication Critical patent/CN112597632B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/008—Control or steering systems not provided for elsewhere in subclass C02F
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/58—Treatment of water, waste water, or sewage by removing specified dissolved compounds
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/108—Boron compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法。根据海水淡化系统的反渗透机理、硼酸与多羟基络合物的反应平衡关系和整个流程的结构，建立了络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透过程数学模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，加入操作条件约束保证系统安全运行，采用联立求解技术对优化命题进行求解。本发明综合考虑了多种因素对海水淡化系统的影响，与传统二级调节pH值反渗透系统优化方案相比，络合强化脱硼反渗透系统仅需一级流程即可满足不同产水硼含量要求，且无需强酸、碱试剂添加，能耗得以大幅降低，具有非常好的应用前景。

Description

一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化 方法
技术领域
本发明属于海水、苦咸水的处理领域，具体涉及通过优化络合强化脱硼反渗透海水淡化系统，在保证脱硼率的基础上使得系统的制水成本最低。
背景技术
海水淡化技术是解决淡水资源短缺的有效途径之一，在我国得到了广泛的工程应用。在国内外海水淡化市场占主导地位。但淡化水中硼含量超标是制约其作为饮用水的瓶颈之一。海水中硼含量约为5mg/L，但某些海域其含量高达13mg/L。若长期过量摄入会造成硼在人体内的累积，引发神经、生殖和消化系统疾患。世界卫生组织建议人每天最大摄入安全值为13mg。我国现行实施的《生活饮用水卫生标准GB5479-2006》中规定硼含量需控制在0.5mg/L以下。不同农作物的灌溉水对硼含量有较高的要求。
在海水中硼主要以易透过反渗透膜的硼酸分子形式存在，目前商用膜元件虽然脱硼率不断提高，但单级RO系统并不能满足脱硼要求。工程上通常采用二级RO提高pH值至碱性，硼酸水解产物单硼酸盐与膜静电作用提高脱硼率，但高pH值下钙、镁易沉淀，膜耐受性降低。多级、级联式和硼离子交换耦合等方法需增加设备投资、运行成本和能耗，或存在频繁酸碱再生等问题。
络合强化脱硼反渗透系统利用硼酸与多羟基化合物的络合作用，增大其分子体积和电离程度，据报道适量添加N-甲基-D-葡糖胺可在pH6.5条件下达到90％的硼脱除率，从而减少酸碱试剂使用，增加膜元件使用寿命，降低结垢风险和制水成本。学者们通过小试实验考察了多种因素对硼酸与多种多羟基化合物的络合反应强化脱硼的影响，包括pH值、摩尔比等参数对强化脱硼的影响，建立了基于不可逆热力学模型的络合强化脱硼的数学模型，与实验结果吻合良好。但该方法在卷式膜元件系统优化方面还缺乏系统深入的研究。
中国专利CN 105740509A和CN 109214028A分别公开了一种考虑脱硼的分流部分二级卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法，以及考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法，但上述两种方法需要引入调节pH值至碱性的二级反渗透，增加了系统能耗并且需要添加强碱试剂；虽然应用中国专利CN 109214027A(一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法)中的方案可以降低系统能耗，但强酸、碱试剂的添加对于反渗透膜寿命和周边环境均有较大的影响。
由于反渗透系统是高能耗的过程，根据系统产水水质要求确定合适的流程和操作条件，本发明提出的无需强酸、碱试剂添加，选用食品添加剂D-甘露醇、山梨醇等多羟基化合物作为添加剂，添加量仅需0.028kg/m3以内，采用一级反渗透可满足标准海水和高硼海水的脱硼要求，有效降低系统能耗对于解决我国沿海地区淡水资源短缺、节能减排具有重要意义。
发明内容
本发明公开了一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法。根据海水淡化系统的反渗透机理、硼酸与多羟基络合物的反应平衡关系和整个流程的结构，建立了络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透过程的数学模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，加入操作条件约束保证系统安全运行，采用联立求解技术对优化命题进行求解。本发明综合考虑了多种因素对海水淡化系统的影响，力图进一步降低海水淡化系统的能耗，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准。与传统二级调节pH值反渗透系统优化方案相比，络合强化脱硼反渗透系统仅需一级流程即可满足不同产水硼含量要求，且无需强酸、碱试剂添加，能耗得以大幅降低，具有非常好的应用前景。
本发明包括以下步骤：
步骤1：建立络合强化脱硼反渗透过程过程模型
海水中硼与多羟基化合物的络合反应模型由下列公式表述：
Figure GSB0000197908130000021
Figure GSB0000197908130000022
Figure GSB0000197908130000023
Figure GSB0000197908130000024
Figure GSB0000197908130000025
Figure GSB0000197908130000026
其中Ka和kw为硼酸和水解离常数，β1和β2为一级和二级络合常数，
Figure GSB0000197908130000027
Figure GSB0000197908130000028
CR和CTB分别为硼酸、硼酸盐、多羟基化合物、水合氢离子、氢氧根、一级络合物、二级络合物、总的多羟基化合物和总硼的浓度；
采用不可逆热力学模型描述盐、硼酸、硼酸盐及其络合物在RO膜中的传质过程，
Figure GSB0000197908130000031
Js，l＝B(Cch，mw，l-Cch，p，l) (8)
Figure GSB0000197908130000032
Vw，l＝(Jw，l+Js，l)/ρp (10)
Cch，p，l＝Js，l/Vw，l (11)
Figure GSB0000197908130000033
Figure GSB0000197908130000034
Figure GSB0000197908130000035
Figure GSB0000197908130000036
Kso，l＝1.03Kl (16)
Figure GSB0000197908130000037
其中Jw，l和Js，l为压力容器内微分单元l的纯水通量和盐通量，A和B表示膜的纯水透过系数和标准盐透过系数，e为膜的活化能，当温度T≤25℃时，e取值25,000J/mol-1，当T＞25℃时，e取值22,000J/mol-1，Pl和Pl+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的压力，πch，mw，l和πch，p，l分别表示压力容器内微分单元l处的膜表面和产水测的渗透压，Cch，mw，l和Cch，p，l分别表示压力容器内微分单元l处的膜表面和产水测的盐度，Bso，l和σso，l分别表示在压力容器内微分单元l处的溶质透过常数和反射系数，pKa，l为压力容器内微分单元l处的硼酸一级电离常数，Vw，l表示在压力容器内微分单元l处的渗透流速，ρp和ρb表示产水和浓盐水密度，Cso，ch，mw，l、Cso，ch，p，l、Cso，ch，b，l分别表示压力容器内微分单元l处膜表面、产水流道和浓盐水流道的溶质浓度，Kso，l和Kl分别表示压力容器内微分单元l处溶质和盐的传质系数，de为进料流道的当量直径，Sl表示压力容器内膜元件一个微分单元l的膜面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件的面积，Lpv为压力容器的长度，nm为压力容器膜元件的个数，Lm为单支膜元件的长度，L为总的微分单元节点数，Rel和Rel+l分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的雷诺常数，Re＝ρVde/μ，μ为动力粘度，Scl表示压力容器内微分单元l的施密特常数，Sc＝μ/ρDs，Ds为盐的扩散系数，Vl和Vl+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的进料流速，Q为流量，进料流速V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Δz为积分步长，kλ表示膜元件内的摩擦系数，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b为浓盐水，f为进料海水，p为产水，mw为膜表面，l为微分单元节点；溶质so表示硼酸分子、硼酸盐离子、多羟基化合物、水合氢离子、氢氧根、一级络合物、二级络合物；
有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，Cso＝Cso，in，C＝Cin，P＝Pin； (18)
其中Vin、Qin、Cso，in、Cin、Pin为压力容器进口进料流速、流量、溶质浓度、盐度和压力；
步骤2：建立压力容器物料平衡数值模型
反渗透级包含n个平行的压力容器，压力容器内放置多个膜组件，由如下方程表示：
Qch，b，l+1＝Qch，b，l-3600Vw，lSl (19)
Qch，b，l+1Cch，b，l+1-Qch，b，lCch，b，l＝-3600Vw，lSlCch，p，l (20)
Qch，b，l+1CTB，ch，b，l+1-Qch，b，lCTB，ch，b，l＝-3600Vw，lSlCTB，ch，p，l (21)
Figure GSB0000197908130000041
Figure GSB0000197908130000042
Qf，n＝Qb，n+Qp，n (24)
Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n (25)
Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n (26)
其中下标n表示反渗透级中的第n个压力容器，Qch，b，l、Qch，b，l+1表示压力容器内微分单元l和l+1处的浓盐水流量，Cch，b，l、Cch，b，l+1表示压力容器内微分单元l和l+1处的盐度，CTB，ch，b，l+1表示压力容器内微分单元l的总硼浓度，Qp，n和Cp，n表示压力容器产水流量和产水盐度，CTB，p，n表示压力容器产水总硼浓度，Qf，n、Cf，n表示压力容器进口流量和盐度，Qb，n、Cb，n表示压力容器出口的浓盐水的流量和盐度，CTB，f，n、CTB，b，n表示压力容器进口和出口的总硼浓度；
盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds由下列拟合公式计算：
π＝4.54047(103C/58.5ρ)0.987 (27)
μ＝(1.4757×10-3+2.4817×10-6C+9.3287×10-9C2)exp(-0.02008T) (28)
Ds＝6.725×10-6exp(0.1546×10-3C-2513/(T+273.15)) (29)
步骤3：建立反渗透系统数学模型
反渗透系统包括反渗透级、泵、能量回收装置、物流混合器和物流分离器，每个物流为流量、盐度和压力的函数，物流混合器和物流分离器可表示为：
Figure GSB0000197908130000051
Cin，out＝Cin out＝1，...MOUT (31)
CTB，in，out＝CTB，in out＝1，...MOUT (32)
Pin，out＝Pin out＝1，...MOUT (33)
Figure GSB0000197908130000052
Figure GSB0000197908130000053
Figure GSB0000197908130000054
0＝(Pin-Pout)Qin，out in＝1，...MIN (37)
其中Qin、Cin、CTB，in和Pin分别表示物流分配器进口的流量、盐度、硼浓度和压力，Qin，out、Pin，out、Cin，out、CTB，in，out分别表示物流分配器出口流量、压力、盐度和总硼浓度，Qout、Pout、Cout、CTB，out分别表示物流混合器出口流量、压力、盐度和总硼浓度；
高压泵与功交换器的物料平衡方程为：
Qps，l＝Qhpp+Qpxlin (38)
Qps，lCps，l＝QhppChpp+QpxlinCpxlin (39)
Qps，lCTB，ps，l＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin (40)
QRO，l＝Qhpp+Qpxhout (41)
QRO，lCRO，l＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout (42)
QRO，lCTB，RO，l＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout (43)
Qpxhout＝Qpxlin (44)
Qpxhin＝Qpxlout (45)
(0.3924+0.01238Ppxhin)Qpxhin＝Qpxhin-Qpxhout (46)
Cpxhout＝Mix(Cpxhin-Cpxlin)+Cpxlin (47)
CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin-CTB，pxlin)+CTB，pxlin (48)
Mix＝6.0057-0.3559((Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin)+0.0084((Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin)2(49)
CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin-QpxhoutCpxhout (50)
CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin-QpxhoutCBT，pxhout (51)
其中Qps，l、Cps，l、CTB，ps，l分别表示第一个增压级的物流流量、盐度和总硼浓度，CRO，l、CRO，l、CTB，RO，l分别表示第一个反渗透级的物流流量、盐度和总硼浓度，Qhpp、Chpp、CTB，hpp表示进料海水进入到高压泵的流量、盐度和总硼浓度，Qpxhin、Qpxlin、Qpxhout和Qpxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的流量，Cpxhin、Cpxlin、Cpxhout和Cpxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的盐度，CTB，pxhin、CTB，pxlin、CTB，pxhout和CTB，pxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的总硼浓度，Ppxhin表示进入功交换器的高压浓盐水压力，Mix为体积混合率，下标ps，i表示第i个增压级；
第i个增压级的出口物流进入第j个反渗透级，整个系统满足如下物料平衡和产水需求约束：
Qf＝Qb+Qp (52)
QfCf＝QbCb+QpCp (53)
QfCTB，f＝QbCTB，b+QpCTB，p (54)
Figure GSB0000197908130000061
Figure GSB0000197908130000062
Figure GSB0000197908130000063
Figure GSB0000197908130000064
Figure GSB0000197908130000065
Figure GSB0000197908130000066
Qp≥Qp，lo (61)
Cp≤Cp，up (62)
CTB，p≤CTB，p，up (63)
式中Qf、Cf、CTB，f表示反渗透网络的进料流量和进料浓度，Qb、Cb和CTB，b分别表示离开反渗透网络的盐水流量、盐度和硼浓度，Qp、Cp和CTB，p分别表示产品水的流量、盐度和硼浓度，Qb，i，j、Cb，i，j、CTB，b，i，j分别表示离开j级反渗透级进入到i级增压级的浓盐水流量、盐度和总硼浓度，Qp，i，j、Cp，i，j、CTB，p，i，j分别表示离开j级反渗透级进入到i级增压级的产水流量、盐度和总硼浓度，下标lo和up分别表示最低需求值和最大允许值；一级和二级反渗透浓差极化因子(Cch.mw.l/Cch，b.l)极限值分别为1.2和1.4；单支压力容器最大压降为0.35MPa，第一级和第二级平均产水通量最大值分别为20L/(m2·h)和40L/(m2·h)，一级和二级最大产水通量分别为35L/(m2·h)和48L/(m2·h)，一级和二级最小浓盐水流量分别为3.6m3/h和2.4m3/h，浓盐水小于90kg/m3，进料pH值小于11；
步骤4：建立反渗透系统优化设计模型
反渗透系统的优化设计问题表达为一个混合整数非线性规划，以方程(64)能耗Ew为目标函数、满足公式(1)-(63)约束：
Figure GSB0000197908130000071
式中ΔPSWIP、ΔPhpp、ΔPbp和ΔPbppx表示海水取水泵、高压泵、增压泵和功交换器泵的压差，Qf、Qp、Qhpp、Qbp和Qbppx表示进料海水、反渗透产水、高压泵、增压泵和功交换器泵的流量；
步骤5：对形成的数值模型进行求解
采用上述方法将模型整理成混合整数非线性规划问题，采用数学规划软件求解，通过给变量赋不同的初值，从多个初始点出发进行迭代，获得系统最优的流程和操作条件。
本发明的有益效果：
本发明该方法根据海水淡化系统的反渗透机理、硼酸与多羟基络合物的反应平衡关系和整个流程的结构，建立了络合强化脱硼反渗透过程的数学模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，加入操作条件约束保证系统安全运行，采用联立求解技术对优化命题进行求解。本发明综合考虑了多种因素对海水淡化系统的影响，力图进一步降低海水淡化的能耗，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准。与传统二级调节pH值反渗透系统优化方案相比，络合强化脱硼反渗透系统仅需一级流程即可满足不同产水硼含量要求，且无需强酸、碱试剂添加，能耗得以大幅降低，具有非常好的应用前景。本发明给出的系统模型和求解方法具有很好的适用性。
附图说明
图1络合强化反渗透海水淡化系统示意图；
图2传统优化方案反渗透海水淡化系统示意图；
图3硼酸与D-甘露醇的反应示意图；
图4络合强化方案压力容器内浓盐水中各溶质浓度变化情况；
图5传统优化方案压力容器内浓盐水中各溶质浓度变化情况；
图6传统优化方案和络合强化方案压力容器内产水中各溶质浓度变化情况；
图7传统优化方案和络合强化方案压力容器内总硼截留率变化情况；
图8传统优化方案和络合强化方案压力容器内浓差极化因子变化情况；
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于该具体实施方式：
本发明包括以下步骤：
步骤1：建立络合强化脱硼反渗透过程过程模型
海水中硼与多羟基化合物的络合反应模型由下列公式表述：
Figure GSB0000197908130000081
Figure GSB0000197908130000082
Figure GSB0000197908130000083
Figure GSB0000197908130000084
Figure GSB0000197908130000085
Figure GSB0000197908130000086
其中Ka和kw为硼酸和水解离常数，β1和β2为一级和二级络合常数，
Figure GSB0000197908130000087
Figure GSB0000197908130000088
CR和CTB分别为硼酸、硼酸盐、多羟基化合物、水合氢离子、氢氧根、一级络合物、二级络合物、总的多羟基化合物和总硼的浓度；
采用不可逆热力学模型描述盐、硼酸、硼酸盐及其络合物在RO膜中的传质过程，
Figure GSB0000197908130000089
Js，l＝B(Cch，mw，l-Cch，p，l) (8)
Figure GSB00001979081300000810
Vw，l＝(Jw，l+Js，l)/ρp (10)
Cch，p，l＝Js，l/Vw，l (11)
Figure GSB0000197908130000091
Figure GSB0000197908130000092
Figure GSB0000197908130000093
Figure GSB0000197908130000094
Kso，l＝1.03Kl (16)
Figure GSB0000197908130000095
其中Jw，l和Js，l为压力容器内微分单元l的纯水通量和盐通量，A和B表示膜的纯水透过系数和标准盐透过系数，e为膜的活化能，当温度T≤25℃时，e取值25,000J/mol-1，当T＞25℃时，e取值22,000J/mol-1，Pl和Pl+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的压力，πch，mw，l和πch，p，l分别表示压力容器内微分单元l处的膜表面和产水测的渗透压，Cch，mw，l和Cch，p，l分别表示压力容器内微分单元l处的膜表面和产水测的盐度，Bso，l和σso，l分别表示在压力容器内微分单元l处的溶质透过常数和反射系数，pKa，l为压力容器内微分单元l处的硼酸一级电离常数，Vw，l表示在压力容器内微分单元l处的渗透流速，ρp和ρb表示产水和浓盐水密度，Cso，ch，mw，l、Cso，ch，p，l、Cso，ch，b，l分别表示压力容器内微分单元l处膜表面、产水流道和浓盐水流道的溶质浓度，Kso，l和Kl分别表示压力容器内微分单元l处溶质和盐的传质系数，de为进料流道的当量直径，Sl表示压力容器内膜元件一个微分单元l的膜面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件的面积，Lpv为压力容器的长度，nm为压力容器膜元件的个数，Lm为单支膜元件的长度，L为总的微分单元节点数，Rel和Rel+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的雷诺常数，Re＝ρVde/μ，μ为动力粘度，Scl表示压力容器内微分单元l的施密特常数，Sc＝μ/ρDs，Ds为盐的扩散系数，Vl和Vl+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的进料流速，Q为流量，进料流速V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Δz为积分步长，kλ表示膜元件内的摩擦系数，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b为浓盐水，f为进料海水，p为产水，mw为膜表面，l为微分单元节点；溶质so表示硼酸分子、硼酸盐离子、多羟基化合物、水合氢离子、氢氧根、一级络合物、二级络合物；
有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，Cso＝Cso，in，C＝Cin，P＝Pin； (18)
其中Vin、Qin、Cso，in、Cin、Pin为压力容器进口进料流速、流量、溶质浓度、盐度和压力；
步骤2：建立压力容器物料平衡数值模型
反渗透级包含n个平行的压力容器，压力容器内放置多个膜组件，由如下方程表示：
Qch，b，l+1＝Qch，b，l-3600Vw，lSl (19)
Qch，b，l+1Cch，b，l+1-Qch，b，lCch，b，l＝-3600Vw，lSlCch，p，l (20)
Qch，b，l+1CTB，ch，b，l+1-Qch，b，lCTB，ch，b，l＝-3600Vw，lSlCTB，ch，p，l (21)
Figure GSB0000197908130000101
Figure GSB0000197908130000102
Qf，n＝Qb，n+Qp，n (24)
Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n (25)
Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n (26)
其中下标n表示反渗透级中的第n个压力容器，Qch，b，l、Qch，b，l+1表示压力容器内微分单元l和l+1处的浓盐水流量，Cch，b，l、Cch，b，l+1表示压力容器内微分单元l和l+1处的盐度，CTB，ch，b，l+1表示压力容器内微分单元l的总硼浓度，Qp，n和Cp，n表示压力容器产水流量和产水盐度，CTB，p，n表示压力容器产水总硼浓度，Qf，n、Cf，n表示压力容器进口流量和盐度，Qb，n、Cb，n表示压力容器出口的浓盐水的流量和盐度，CTB，f，n、CTB，b，n表示压力容器进口和出口的总硼浓度；
盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds由下列拟合公式计算：
π＝4.54047(103C/58.5ρ)0.987 (27)
μ＝(1.4757×10-3+2.4817×10-6C+9.3287×10-9C2)exp(-0.02008T) (28)
Ds＝6.725×10-6exp(0.1546×10-3C-2513/(T+273.15)) (29)
步骤3：建立反渗透系统数学模型
反渗透系统包括反渗透级、泵、能量回收装置、物流混合器和物流分离器，每个物流为流量、盐度和压力的函数，物流混合器和物流分离器可表示为：
Figure GSB0000197908130000103
Cin，out＝Cin out＝1，...MOUT (31)
CTB，in，out＝CTB，in out＝1，...MOUT (32)
Pin，out＝Pin out＝1，...MOUT (33)
Figure GSB0000197908130000104
Figure GSB0000197908130000111
Figure GSB0000197908130000112
0＝(Pin-Pout)Qin，out in＝1，...MIN (37)
其中Qin、Cin、CTB，in和Pin分别表示物流分配器进口的流量、盐度、硼浓度和压力，Qin，out、Pin，out、Cin，out、CTB，in，out分别表示物流分配器出口流量、压力、盐度和总硼浓度，Qout、Pout、Cout、CTB，out分别表示物流混合器出口流量、压力、盐度和总硼浓度；
高压泵与功交换器的物料平衡方程为：
Qps，l＝Qhpp+Qpxlin (38)
Qps，lCps，l＝QhppChpp+QpxlinCpxlin (39)
Qps，lCTB，ps，l＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin (40)
QRO，l＝Qhpp+Qpxhout (41)
QRO，lCRO，l＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout (42)
QRO，lCTB，RO，l＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout (43)
Qpxhout＝Qpxlin (44)
Qpxhin＝Qpxlout (45)
(0.3924+0.01238Ppxhin)Qpxhin＝Qpxhin-Qpxhout (46)
Cpxhout＝Mix(Cpxhin-Cpxlin)+Cpxlin (47)
CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin-CTB，pxlin)+CTB，pxlin (48)
Mix＝6.0057-0.3559((Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin)+0.0084((Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin)2(49)
CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin-QpxhoutCpxhout (50)
CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin-QpxhoutCBT，pxhout (51)
其中Qps，l、Cps，l、CTB，ps，l分别表示第一个增压级的物流流量、盐度和总硼浓度，CRO，l、CRO，l、CTB，RO，l分别表示第一个反渗透级的物流流量、盐度和总硼浓度，Qhpp、Chpp、CTB，hpp表示进料海水进入到高压泵的流量、盐度和总硼浓度，Qpxhin、Qpxlin、Qpxhout和Qpxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的流量，Cpxhin、Cpxlin、Cpxhout和Cpxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的盐度，CTB，pxhin、CTB，pxlin、CTB，pxhout和CTB，pxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的总硼浓度，Ppxhin表示进入功交换器的高压浓盐水压力，Mix为体积混合率，下标ps，i表示第i个增压级；
第i个增压级的出口物流进入第j个反渗透级，整个系统满足如下物料平衡和产水需求约束：
Qf＝Qb+Qp (52)
QfCf＝QbCb+QpCp (53)
QfCTB，f＝QbCTB，b+QpCTB，p (54)
Figure GSB0000197908130000121
Figure GSB0000197908130000122
Figure GSB0000197908130000123
Figure GSB0000197908130000124
Figure GSB0000197908130000125
Figure GSB0000197908130000126
Qp≥Qp，lo (61)
Cp≤Cp，up (62)
CTB，p≤CTB，p，up (63)
式中Qf、Cf、CTB，f表示反渗透网络的进料流量和进料浓度，Qb、Cb和CTB，b分别表示离开反渗透网络的盐水流量、盐度和硼浓度，Qp、Cp和CTB，p分别表示产品水的流量、盐度和硼浓度，Qb，i，j、Cb，i，j、CTB，b，i，j分别表示离开j级反渗透级进入到i级增压级的浓盐水流量、盐度和总硼浓度，Qp，i，j、Cp，i，j、CTB，p，i，j分别表示离开j级反渗透级进入到i级增压级的产水流量、盐度和总硼浓度，下标lo和up分别表示最低需求值和最大允许值；一级和二级反渗透浓差极化因子(Cch.mw.l/Cch，b.l)极限值分别为1.2和1.4；单支压力容器最大压降为0.35MPa，第一级和第二级平均产水通量最大值分别为20L/(m2·h)和40L/(m2·h)，一级和二级最大产水通量分别为35L/(m2·h)和48L/(m2·h)，一级和二级最小浓盐水流量分别为3.6m3/h和2.4m3/h，浓盐水小于90kg/m3，进料pH值小于11；
步骤4：建立反渗透系统优化设计模型
反渗透系统的优化设计问题表达为一个混合整数非线性规划，以方程(64)能耗Ew为目标函数、满足公式(1)-(63)约束：
Figure GSB0000197908130000131
式中ΔPSWIP、ΔPhpp、ΔPbp和ΔPbppx表示海水取水泵、高压泵、增压泵和功交换器泵的压差，Qf、Qp、Qhpp、Qbp和Qbppx表示进料海水、反渗透产水、高压泵、增压泵和功交换器泵的流量；
步骤5：对形成的数值模型进行求解
采用上述方法将模型整理成混合整数非线性规划问题，采用数学规划软件求解，通过给变量赋不同的初值，从多个初始点出发进行迭代，获得系统最优的流程和操作条件。
下面结合实施例对本发明做具体实施描述：
本发明对某采用功交换器能量回收的二级反渗透系统进行实例研究，膜元件参数如表1所示，表2给出了优化模型相关参数。为求解本优化命题，将压力容器划分为30个有限差分节点。采用通用代数建模系统GAMS软件的DICOPT求解器求解以上混合整数非线性规划。采用D-甘露醇作为络合剂，D-甘露醇与硼酸的一级和二级络合常数β1和β2分别为616和155。
表1 反渗透膜元件参数
海水淡化膜 苦咸水淡化膜
有效膜面积[m<sup>2</sup>] 37.2 40.9
膜元件长度[m] 1.016 1.016
进水流道横截面积S<sub>fcs</sub>[m<sup>2</sup>] 0.0150 0.0165
进料隔网高度h[m] 7.112×10<sup>-4</sup> 7.112×10<sup>-4</sup>
隔网孔隙率ε<sub>sp</sub> 0.9 0.9
进水流道当量直径，d<sub>e</sub>[m] 8.126×10<sup>-4</sup> 8.126×10<sup>-4</sup>
进料流量范围[m<sup>3</sup>/h] 0.8-16 0.8-17
最大操作压力[Mpa] 8.3 4.1
pH范围 2-11 2-11
纯水透过常数(kg/m<sup>2</sup>·s·Pa) 3.5×10<sup>-9</sup> 1.128×10<sup>-8</sup>
盐透过常数(m/s) 3.2×10<sup>-8</sup> 4.421×10<sup>-8</sup>
硼酸分子透过常数(m/s)/反射系数 1.5×10<sup>-6</sup>/0.516 3.1×10<sup>-6</sup>/0.892
硼酸盐离子透过常数(m/s)/反射系数 1.8×10<sup>-8</sup>/0.9985 3.4×10<sup>-6</sup>/0.9977
D-甘露醇-硼酸盐单络合物透过常数(m/s)/反射系数 1.7×10<sup>-9</sup>/0.9995 2.2×10<sup>-9</sup>/0.9995
D-甘露醇-硼酸盐双络合物透过常数(m/s)/反射系数 1.4×10<sup>-9</sup>/0.9997 2.0×10<sup>-9</sup>/0.9995
表2 反渗透优化模型参数
数值
平均浓盐水密度ρ[kg/m<sup>3</sup>] 1020
SWIP出口压力P<sub>swip</sub>[MPa] 0.5
摩擦因子，K<sub>λ</sub> 2.4
水解离常数k<sub>w</sub> 10<sup>-14</sup>
实例1：对标准海水进行研究，其盐度和硼含量分别为35kg/m3和0.005kg/m3，产水量120m3/h；最大产水含盐量0.50kg/m3，最大产水含硼量0.0005kg/m3，计算结果如表3所示。
由表3可知，络合强化反渗透海水淡化系统优化方案仅需一级反渗透可满足产水脱硼要求，如附图1所示，进料海水1经取水泵2后由预处理3处理后，添加0.01kg/m3的D-甘露醇4作为络合剂后分为两股，一股经高压泵5提升压力至6.09MPa，另外一股进入功交换器6，与一级反渗透8的浓盐水交换压力后，通过增压泵7后压力提升至6.09MPa，高压泵5和增压泵7的出口海水混合后进入一级反渗透8(28个压力容器，每个压力容器内装填7支膜元件)，第一级反渗透的pH值为7.0，系统回收率为47.6％，其系统产水硼含量可降至0.0003kg/m3。第一级反渗透8的产水10为最终产水，功交换器6排放泄压浓盐水9。
传统优化方案采用两级流程，如附图2所示，进料海水11由取水泵12输送至预处理13，预处理的海水与二级反渗透20的浓盐水(通过减压阀21将其减压至常压)混合后分为两股，一股经高压泵14提升压力至6.45MPa，另一股进入功交换器15，与一级反渗透15的浓盐水交换压力后，通过增压泵16后压力提升至6.45MPa，高压泵14和增压泵16的出口海水混合进入一级反渗透17(29个压力容器，每个压力容器内装填7支海水淡化膜元件)。一级反渗透的产水分成两股，一股输送至产水22，一股添加强碱试剂18后进入经增压泵19提升压力至1.10MPa后进入二级反渗透20(10个压力容器，每个压力容器内装填8支苦咸水淡化膜元件)，二级反渗透20的产水输送至产水22，功交换器15排放泄压浓盐水23。第一级和第二级反渗透的pH值分别为7.6和10.25，系统回收率为49.3％，产水硼含量降至0.0005kg/m3。
经对比可以发现，络合强化方案仅需一级反渗透流程即可满足脱硼需求，能耗为2.74kW h/m3。与传统二级优化方案相比可节省能耗18.3％，无需强碱试剂添加和苦咸水淡化膜元件。
表3 标准海水反渗透系统优化结果
Figure GSB0000197908130000141
Figure GSB0000197908130000151
由附图3所示，D-甘露醇1和硼酸2反应生成一级络合物3，一级络合物3与D-甘露醇1生成二级络合物4，由络合反应平衡关系公式(1)-(6)计算压力容器内海水中各溶质的浓度。附图4、图5和图6为络合强化方案与传统优化方案中浓盐水与产水中硼酸分子(Cb_boric)、硼酸盐离子(Cb_borate)、一级络合物(Cb_BR1)、二级络合物(Cb_BR2)和D-甘露醇(Cb_ROH2)的浓度变化情况。如附图4可知，络合强化方案当pH＝7时浓盐水中二级络合物占比最大，其次是硼酸分子和一级络合物，硼酸盐离子占比最小。由表1可知，一级和二级络合物的透过常数远小于硼酸分子；如附图5，传统优化方案一级反渗透中浓盐水中的硼酸分子占比最大；如附图6所示络合强化方案产水中总硼含量很低，而传统优化方案一级反渗透产水中硼含量较高；如附图7所示，络合强化方案在较低pH时仍能达到90％以上的硼截留率；传统优化方案中一级反渗透硼截留率沿压力容器硼截留率显著下降，硼截留率仅在55％至83％之间。一级和二级反渗透浓差极化因子阈值需控制在1.2和1.4以下。如附图8所示，一级反渗透系统沿压力容器轴向CPF逐渐下降，二级反渗透逐渐增加，均保持在安全阈值以内。
考察多羟基化合物添加量对系统脱硼率的影响，在保持其他条件不变的基础上改变进料海水中D-甘露醇浓度，其结果如表4所示。
表4 进料海水中D-甘露醇浓度对标准海水反渗透系统产水硼含量的影响
D-甘露醇浓度(kg/m<sup>3</sup>) 产水硼浓度(kg/m<sup>3</sup>)
0.003 0.0010
0.005 0.0008
0.007 0.0007
0.008 0.0006
0.009 0.0005
0.01 0.0003
0.012 0.0002
如表4所示，随着进料海水中D-甘露醇浓度增加，产水中的硼浓度逐渐降低，对于标准海水，D-甘露醇浓度保持在0.003、0.009和0.01kg/m3时，产水硼含量可降低至0.001、0.0005和0.0003kg/m3，可满足不同产水硼含量需求。
实例2：对高硼海水进行研究，其盐度和硼含量分别为38kg/m3和0.013kg/m3，产水量120m3/h；最大产水含盐量0.50kg/m3，最大产水含硼量0.0005kg/m3。由计算结果表5可知，传统优化方案需要两级反渗透系统流程，第一级和第二级反渗透的pH值分别为7.6和10.35，系统回收率为50.2％；络合强化方案仅需一级反渗透流程可满足脱硼需求，其能耗为2.88kW h/m3。与传统二级反渗透优化方案相比节省能耗26.1％。
表5 高硼海水反渗透系统优化结果
流程 络合强化(图1) 传统优化(图2)
系统回收率[％] 46.2 50.2
一级pH/二级pH 7.0/- 7.6/10.35
一级/二级压力容器内膜元件个数 7/- 8/8
一级/二级压力容器个数 29/- 32/10
一级压力/二级压力[MPa] 6.37/- 6.65/1.25
产水硼含量[kg/m<sup>3</sup>] 0.0004 0.0005
吨水能耗[kw h/m<sup>3</sup>] 2.88 4
如表6所示，对于高硼海水，D-甘露醇浓度保持在0.02、0.026和0.028kg/m3，产水硼含量可保持在0.001、0.0005和0.0003kg/m3以内。
表6 进料海水中D-甘露醇浓度对高硼海水反渗透系统产水硼含量的影响
D-甘露醇浓度(kg/m<sup>3</sup>) 产水硼浓度(kg/m<sup>3</sup>)
0.02 0.0099
0.022 0.0076
0.024 0.0056
0.026 0.004
0.028 0.0027
0.03 0.0018
实例分析表明：与传统二级反渗透系统优化方案相比，本发明提出的络合强化脱硼反渗透海水淡化系统优化方案仅需一级反渗透可满足脱硼要求，有效降低系统能耗，无需强碱试剂添加。在系统模型内设置了相关约束条件，浓差极化因子均保持在安全阈值以内。随着进料海水中D-甘露醇浓度增加，产水中的硼浓度逐渐降低，通过优化得到满足不同产水硼含量需求的络合剂添加量。本发明给出的系统模型和求解方法具有很好的适用性。
以上已对本发明创造的实例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以做出各种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (1)

1.一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：建立络合强化脱硼反渗透过程过程模型
海水中硼与多羟基化合物的络合反应模型由下列公式表述：
Figure FSB0000197908120000011
Figure FSB0000197908120000012
Figure FSB0000197908120000013
Figure FSB0000197908120000014
Figure FSB0000197908120000015
Figure FSB0000197908120000016
其中Ka和kw为硼酸和水解离常数，β1和β2为一级和二级络合常数，
Figure FSB0000197908120000017
Figure FSB0000197908120000018
CR和CTB分别为硼酸、硼酸盐、多羟基化合物、水合氢离子、氢氧根、一级络合物、二级络合物、总的多羟基化合物和总硼的浓度；
采用不可逆热力学模型描述盐、硼酸、硼酸盐及其络合物在RO膜中的传质过程，
Figure FSB0000197908120000019
Js，l＝B(Cch，mw，l-Cch，p，l) (8)
Figure FSB00001979081200000110
Vw，l＝(Jw，l+Js，l)/ρp (10)
Cch，p，l＝Js，l/Vw，l (11)
Figure FSB00001979081200000111
Figure FSB00001979081200000112
Figure FSB00001979081200000113
Figure FSB0000197908120000021
Kso，l＝1.03Kl (16)
Figure FSB0000197908120000022
其中Jw，l和Js，l为压力容器内微分单元l的纯水通量和盐通量，A和B表示膜的纯水透过系数和标准盐透过系数，e为膜的活化能，当温度T≤25℃时，e取值25,000J/mol-1，当T＞25℃时，e取值22,000J/mol-1，Pl和Pl+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的压力，πch，mw，l和πch，p，l分别表示压力容器内微分单元l处的膜表面和产水测的渗透压，Cch，mw，l和Cch，p，l分别表示压力容器内微分单元l处的膜表面和产水测的盐度，Bso，l和σso，l分别表示在压力容器内微分单元l处的溶质透过常数和反射系数，pKa，l为压力容器内微分单元l处的硼酸一级电离常数，Vw，l表示在压力容器内微分单元l处的渗透流速，ρp和ρb表示产水和浓盐水密度，Cso，ch，mw，l、Cso，ch，p，l、Cso，ch，b，l分别表示压力容器内微分单元l处膜表面、产水流道和浓盐水流道的溶质浓度，Kso，l和Kl分别表示压力容器内微分单元l处溶质和盐的传质系数，de为进料流道的当量直径，Sl表示压力容器内膜元件一个微分单元l的膜面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件的面积，Lpv为压力容器的长度，nm为压力容器膜元件的个数，Lm为单支膜元件的长度，L为总的微分单元节点数，Rel和Rel+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的雷诺常数，Re＝ρVde/μ，μ为动力粘度，Scl表示压力容器内微分单元l的施密特常数，Sc＝μ/ρDs，Ds为盐的扩散系数，Vl和Vl+1分别表示压力容器内微分单元l和l+1处的进料流速，Q为流量，进料流速V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Δz为积分步长，kλ表示膜元件内的摩擦系数，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b为浓盐水，f为进料海水，p为产水，mw为膜表面，l为微分单元节点；溶质so表示硼酸分子、硼酸盐离子、多羟基化合物、水合氢离子、氢氧根、一级络合物、二级络合物；
有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，Cso＝Cso，in，C＝Cin，P＝Pin； (18)
其中Vin、Qin、Cso，in、Cin、Pin为压力容器进口进料流速、流量、溶质浓度、盐度和压力；
步骤2：建立压力容器物料平衡数值模型
反渗透级包含n个平行的压力容器，压力容器内放置多个膜组件，由如下方程表示：
Qch，b，l+1＝Qch，b，l-3600Vw，lSl (19)
Qch，b，l+1Cch，b，l+1-Qch，b，lCch，b，l＝-3600Vw，lSlCch，p，l (20)
Qch，b，l+1CTB，ch，b，l+1-Qch，b，lCTB，ch，b，l＝-3600Vw，lSlCTB，ch，p，l (21)
Figure FSB0000197908120000031
Figure FSB0000197908120000032
Qf，n＝Qb，n+Qp，n (24)
Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n (25)
Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n (26)
其中下标n表示反渗透级中的第n个压力容器，Qch，b，l、Qch，b，l+1表示压力容器内微分单元l和l+1处的浓盐水流量，Cch，b，l、Cch，b，l+1表示压力容器内微分单元l和l+1处的盐度，CTB，ch，b，l+1表示压力容器内微分单元l的总硼浓度，Qp，n和Cp，n表示压力容器产水流量和产水盐度，CTB，p，n表示压力容器产水总硼浓度，Qf，n、Cf，n表示压力容器进口流量和盐度，Qb，n、Cb，n表示压力容器出口的浓盐水的流量和盐度，CTB，f，n、CTB，b，n表示压力容器进口和出口的总硼浓度；
盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds由下列拟合公式计算：
π＝4.54047(103C/58.5ρ)0.987 (27)
μ＝(1.4757×10-3+2.4817×10-6C+9.3287×10-9C2)exp(-0.02008T) (28)
Ds＝6.725×10-6exp(0.1546×10-3C-2513/(T+273.15)) (29)
步骤3：建立反渗透系统数学模型
反渗透系统包括反渗透级、泵、能量回收装置、物流混合器和物流分离器，每个物流为流量、盐度和压力的函数，物流混合器和物流分离器可表示为：
Figure FSB0000197908120000033
Cin，out＝Cin out＝1，...MOUT (31)
CTB，in，out＝CTB，in out＝1，...MOUT (32)
Pin，out＝Pin out＝1，...MOUT (33)
Figure FSB0000197908120000034
Figure FSB0000197908120000035
Figure FSB0000197908120000036
0＝(Pin-Pout)Qin，out in＝1，...MIN (37)
其中Qin、Cin、CTB，in和Pin分别表示物流分配器进口的流量、盐度、硼浓度和压力，Qin，out、Pin，out、Cin，out、CTB，in，out分别表示物流分配器出口流量、压力、盐度和总硼浓度，Qout、Pout、Cout、CTB，out分别表示物流混合器出口流量、压力、盐度和总硼浓度；
高压泵与功交换器的物料平衡方程为：
Qps，l＝Qhpp+Qpxlin (38)
Qps，lCps，l＝QhppChpp+QpxlinCpxlin (39)
Qps，lCTB，ps，l＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin (40)
QRO，l＝Qhpp+Qpxhout (41)
QRO，lCRO，l＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout (42)
QRO，lCTB，RO，l＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout (43)
Qpxhout＝Qpxlin (44)
Qpxhin＝Qpxlout (45)
(0.3924+0.01238Ppxhin)Qpxhin＝Qpxhin-Qpxhout (46)
Cpxhout＝Mix(Cpxhin-Cpxlin)+Cpxlin (47)
CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin-CTB，pxlin)+CTB，pxlin (48)
Mix＝6.0057-0.3559((Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin)+0.0084((Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin)2 (49)
CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin-QpxhoutCpxhout (50)
CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin-QpxhoutCBT，pxhout (51)
其中Qps，l、Cps，l、CTB，ps，l分别表示第一个增压级的物流流量、盐度和总硼浓度，CRO，l、CRO，l、CTB，RO，l分别表示第一个反渗透级的物流流量、盐度和总硼浓度，Qhpp、Chpp、CTB，hpp表示进料海水进入到高压泵的流量、盐度和总硼浓度，Qpxhin、Qpxlin、Qpxhout和Qpxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的流量，Cpxhin、Cpxlin、Cpxhout和Cpxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的盐度，CTB，pxhin、CTB，pxlin、CTB，pxhout和CTB，pxlout分别表示进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水的总硼浓度，Ppxhin表示进入功交换器的高压浓盐水压力，Mix为体积混合率，下标ps，i表示第i个增压级；
第i个增压级的出口物流进入第j个反渗透级，整个系统满足如下物料平衡和产水需求约束：
Qf＝Qb+Qp (52)
QfCf＝QbCb+QpCp (53)
QfCTB，f＝QbCTB，b+QpCTB，p (54)
Figure FSB0000197908120000051
Figure FSB0000197908120000052
Figure FSB0000197908120000053
Figure FSB0000197908120000054
Figure FSB0000197908120000055
Figure FSB0000197908120000056
Qp≥Qp，lo (61)
Cp≤Cp，up (62)
CTB，p≤CTB，p，up (63)
式中Qf、Cf、CTB，f表示反渗透网络的进料流量和进料浓度，Qb、Cb和CTB，b分别表示离开反渗透网络的盐水流量、盐度和硼浓度，Qp、Cp和CTB，p分别表示产品水的流量、盐度和硼浓度，Qb，i，j、Cb，i，j、CTB，b，i，j分别表示离开j级反渗透级进入到i级增压级的浓盐水流量、盐度和总硼浓度，Qp，i，j、Cp，i，j、CTB，p，i，j分别表示离开j级反渗透级进入到i级增压级的产水流量、盐度和总硼浓度，下标lo和up分别表示最低需求值和最大允许值；一级和二级反渗透浓差极化因子(Cch.mw.l/Cch，b.l)极限值分别为1.2和1.4；单支压力容器最大压降为0.35MPa，第一级和第二级平均产水通量最大值分别为20L/(m2·h)和40L/(m2·h)，一级和二级最大产水通量分别为35L/(m2·h)和48L/(m2·h)，一级和二级最小浓盐水流量分别为3.6m3/h和2.4m3/h，浓盐水小于90kg/m3，进料pH值小于11；
步骤4：建立反渗透系统优化设计模型
反渗透系统的优化设计问题表达为一个混合整数非线性规划，以方程(64)能耗Ew为目标函数、满足公式(1)-(63)约束：
Figure FSB0000197908120000057
式中ΔPSWIP、ΔPhpp、ΔPbp和ΔPbppx表示海水取水泵、高压泵、增压泵和功交换器泵的压差，Qf、Qp、Qhpp、Qbp和Qbppx表示进料海水、反渗透产水、高压泵、增压泵和功交换器泵的流量；
步骤5：对形成的数值模型进行求解
采用上述方法将模型整理成混合整数非线性规划问题，采用数学规划软件求解，通过给变量赋不同的初值，从多个初始点出发进行迭代，获得系统最优的流程和操作条件。
CN202011397194.5A 2020-12-04 2020-12-04 一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法 Active CN112597632B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011397194.5A CN112597632B (zh) 2020-12-04 2020-12-04 一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011397194.5A CN112597632B (zh) 2020-12-04 2020-12-04 一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112597632A CN112597632A (zh) 2021-04-02
CN112597632B true CN112597632B (zh) 2022-03-18

Family

ID=75188050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011397194.5A Active CN112597632B (zh) 2020-12-04 2020-12-04 一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112597632B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102272A1 (ko) * 2013-12-30 2015-07-09 부경대학교산학협력단 해수 내에 존재하는 보론을 제거하는 방법
CN109214028A (zh) * 2017-07-07 2019-01-15 河北工业大学 一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法
CN111039381A (zh) * 2018-10-15 2020-04-21 中国科学院过程工程研究所 一种提高反渗透海水淡化产水水质的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102272A1 (ko) * 2013-12-30 2015-07-09 부경대학교산학협력단 해수 내에 존재하는 보론을 제거하는 방법
CN109214028A (zh) * 2017-07-07 2019-01-15 河北工业大学 一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法
CN111039381A (zh) * 2018-10-15 2020-04-21 中国科学院过程工程研究所 一种提高反渗透海水淡化产水水质的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Optimization of Seawater Reverse Osmosis Desalination Networks with Permeate Split Design Considering Boron Removal;Yawei Du*等;《Industrial & Engineering Chemistry Research》;2016122;全文 *
卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化研究;杜亚威等;《水处理技术》;20171231;全文 *
硼酸、硼酸盐及其络合物在反渗透膜内扩散过程的分子模拟;张少峰等;《化工进展》;20191231;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112597632A (zh) 2021-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108947069B (zh) 基于微通道反应器连续处理有机废水的系统及方法
AU2009264129B2 (en) Process for the desalination and elimination of boron from water and equipment to carry out said process
CN112591852B (zh) 一种分流部分二级卷式膜元件反渗透海水淡化系统的操作优化方法
CN112875803A (zh) 一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺
CN210934498U (zh) 一种用于处理三元前驱体废水的膜集成设备
CN112597632B (zh) 一种络合强化脱硼的卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法
CN110980989A (zh) 一种全膜法一级反渗透浓水节水处理系统及处理方法
CN105740509A (zh) 一种考虑脱硼的分流部分二级卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法
CN105016527A (zh) 高COD废水亚临界类Fenton处理系统及处理方法
CN110386699A (zh) 一种采用管式膜的废水处理装置
CN105712542A (zh) 用于光伏、半导体行业氢氟酸废水回用处理装置及其工艺
CN114853120A (zh) 一种分质产水兼同步浓缩反渗透海水淡化系统
CN210559853U (zh) 一种纯化水制备系统
CN211310991U (zh) 一种富氢水生成设备
CN210065273U (zh) 一种多级电化学水处理系统
CN115331744A (zh) 一种考虑不确定性的脱碳海水进料反渗透脱硼海水淡化系统优化方法
CN216808346U (zh) 一种高回收率纯水制取系统
CN112794537A (zh) 海上油田稠油热采提供锅炉补给水的海水淡化工艺系统
CN115345050A (zh) 一种考虑生态环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统操作优化方法
CN210214877U (zh) 一种反渗透浓缩装置
CN110835182A (zh) 一种低bc比废水的处理工艺及处理装置
CN115345049A (zh) 一种考虑热力学第二定律效率和环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统操作优化方法
CN219314665U (zh) 一种低能耗氨基酸浓缩回收系统
CN210559816U (zh) 一种提高深度水处理产水率的装置
CN213680139U (zh) 一种涂装车间纯水系统浓缩水再浓缩装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant