一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，建立考虑脱硼的反渗透传递机理的精确模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化；建立了反渗透系统的超结构模型，考虑了系统内物料、盐和pH值平衡，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，将海水中二氧化碳脱除后降低结垢倾向，一级和二级反渗透均可提高pH值以提高硼截留率，采用联立求解技术对优化问题进行求解；与传统优化设计方案相比，应用本发明专利技术得到的优化方案制水成本和能耗有较大幅度下降，回收率有一定的提高；该方法也可为其中试及工业化应用提供理论基础和技术参考，具有非常好的应用前景。

An Optimum Method of Reverse Osmosis Deboronization Seawater Desalination System with Decarbonized Seawater Feed

The invention discloses an optimization method for reverse osmosis de-boronization seawater desalination system with decarbonized seawater feed, establishes an accurate model considering the transfer mechanism of de-boronization reverse osmosis, takes into account the changes of pressure, concentration and flow rate of brine along the axial direction of pressure vessel, establishes a superstructure model of reverse osmosis system, takes into account the balance of material, salt and pH value in the system, and the salt in the power exchanger. Salinity increases caused by water mixing, operation conditions are added to ensure the safe operation of the system, and the tendency of scaling is reduced after removing carbon dioxide from seawater. Both primary and secondary reverse osmosis can increase the pH value to increase the boron retention rate, and the optimization problem is solved by using the simultaneous solution technology. Compared with the traditional optimization design scheme, the cost and energy of water preparation by the optimized scheme obtained by the present invention are compared. This method can also provide theoretical basis and technical reference for pilot test and industrial application, and has a very good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法
本专利技术属于海水处理领域，具体涉及通过优化以脱碳海水进料的卷式膜元件反渗透海水淡化系统，在保证脱硼率的基础上降低制水成本和能耗，提高系统回收率。
技术介绍
反渗透海水淡化由于技术成熟、适用范围广、能耗较低等许多优点，逐步成为国际海水淡化项目的主流技术之一。天然海水中硼含量约为4～6mg/L，在通常pH值(7.9～8.2)下主要以易透过膜的H3BO3硼酸分子形式存在。反渗透膜对海水的脱硼效果不甚理想，尽管具有优良脱硼性能的反渗透膜不断开发出来，但在实际的商业化系统中仅为78％～80％甚至更低(其产水中硼含量大于1.0mg/L)，而其产水中硼含量过高会使人出现生殖、神经系统疾患。我国目前实施的《生活饮用水卫生标准GB5479-2006》中规定饮用水中硼含量应小于0.5mg/L。硼含量过高还会对某些农作物带来危害。美国农业部推荐柠檬、黑莓的硼耐受值为0.5mg/L，我国农田灌溉水质标准对硼含量的要求，如黄瓜、豆类、马铃薯、笋瓜、韭菜、洋葱等的硼耐受值为1mg/L。传统的反渗透设计方案并不能满足饮用水和其他工农业用水对于硼含量的要求。为了降低制水成本和能耗，RO系统优化设计一直是学者研究的热点。国内外许多学者对反渗透海水淡化系统进行了优化研究，包括压力容器内膜元件位置优化、基于网络系统的超结构优化、全局优化和多目标优化等。对RO海水淡化技术进行优化设计，提高能源利用效率，是降低淡化成本的重要途径之一。对理想的RO系统进行热力学约束下的能量优化可为系统设计提供理论指导，但实际工程中还需考虑诸多因素的影响。目前也有一些关于RO脱硼系统优化报道，考察了温度、pH值和产水硼含量要求等因素对反渗透系统设计的影响。近年来虽然出现了以脱碳海水进料的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化系统实验研究报道，其制水成本、能耗有明显降低，回收率得以提高，但尚未有其系统模拟和优化方面的报道，需要通过系统优化手段得到更佳的系统设计方案。
技术实现思路
本专利技术公开了一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，建立考虑脱硼的反渗透传递机理的精确模型，采用微分和代数方程进行描述，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化；建立了反渗透系统的超结构模型，考虑了系统内物料、盐和pH值平衡，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问题进行求解；本专利技术提出了一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，将海水中二氧化碳脱除后降低结垢倾向，一级和二级反渗透均可提高pH值以提高硼截留率，力图进一步降低海水淡化的制水成本和能耗，提高系统回收率，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准，也可为其中试及工业化应用提供理论基础和技术参考，具有非常好的应用前景。本专利技术包括以下步骤：步骤1：建立的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；根据反渗透过程机理，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿其轴向变化，将有限差分方法微分方程离散化，得到如下方程：σ＝0.997-4.98×10-5T(3)σTB，l＝α0，lσboric+α1，lσborate(5)pKa，l＝2291.90/T+0.01756T-3.3850-0.32051(Cch，mw，l/1.80655)1/3(6)Vw，lρp＝Jw，l+Js，l(8)Cch，p，l＝Js，l/Vw，l(9)Kl＝0.97KTB，l(14)Qf，n＝Qb，n+Qp，n(22)Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n(23)Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n(24)其中A、B、BTB分别为纯水、盐和硼透过常数，P、C、π分别为盐度、压力、渗透压，ρp和Vw分别为淡水的密度和流速，Jw和Js分别为纯水和盐透过通量，Vw为渗透流速，T为温度，K为传质系数，de为进料流道当量直径，Sl为膜元件的微分单元面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件面积，Lpv和Lm分别为压力容器和单支膜元件长度，nm为压力容器膜元件个数，L和Δz分别为微分单元节点、总的微分单元节点数和积分步长，Re为雷诺准数(Re＝ρVde/μ)，其中μ为动力粘度，Sc为施密特准数(Sc＝μ/ρDs)，Ds为盐的扩散系数，Q为流量，V为进料流速，(V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Qp，n为总的产水通量，Cp，n为平均产水盐度，σ为反射系数，α0和α1分别为硼酸和硼酸盐离子的分率，pKa为硼酸一级电离常数，Kλ为摩擦系数，FFd为污染系数，e为膜的活化能(T≤298K时，e＝25,000J/mol-1，T＞298K时，e＝22,000J/mol-1)，R是气体常数，Bin为每年盐透过增加率，Nmlp为膜的平均寿命，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b、f、p分别为浓盐水、进料海水和产水，mw为膜表面，TB为总硼，boric和borate分别为硼酸和硼酸盐，ref为T0在298K时没有污染时膜的参数，n表示第n个压力容器；有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，CTB＝CTB，in，C＝CchP＝Pin；盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds可由下列拟合公式计算：π＝4.54047(103C/Msρ)0.987(25)μ＝(1.4757×10-3+2.4817×10-6C+9.3287×10-9C2)exp(-0.02008T)(26)Ds＝6.725×10-6exp(0.1546×10-3C-2513/(T+273.15))(27)其中Ms为溶质的摩尔质量；步骤2.建立反渗透超结构模型；反渗透系统包括海水取水和前处理、产水后处理、反渗透膜组、泵、功交换器(pressureexchanger，PX)、物流混合器及分离器等，由于海水中存在碳酸根离子，在反渗透操作过程中易形成沉淀，将海水加强酸后调节pH值到4.0，然后通过风机将海水中游离的CO2脱除，得到的脱碳海水可有效降低结垢倾向，因此将其pH值通过强碱提高至碱性可有效提高硼截留率，反渗透超结构中包含NPS个增压级和NRO个反渗透级构成，总共有NPS+2个物流节点，2是指最终离开反渗透系统的盐水和淡水，NPS个物流节点中的每一个节点表示有一股物流经过高压泵增压后(或不经高压泵不增压)直接进入1个反渗透单元，每一个反渗透级由多个并联压力容器构成，每个压力容器由2～8个膜元件串联且在相同条件下运行，离开反渗透级的每一股盐水和淡水都可以进入NPS+2个物流节点，每一个物流表示为流量、盐度、硼浓度和压力的函数，在物流分配箱中每一个进料MIN经过等压混合可分为MOUT个物流，则物流分配箱表示为：Cin，out＝Cinout＝1，...MOUT(29)CTB，in，out＝CTB，inout＝1，...MOUT(30)Pin，out＝Pinout＝1，...MOUT(31)0＝(Pin-Pout)Qin，outin＝1，...MIN(36)公式(28)-(31)表示物流分配器，公式(32)-(35)表示物流混合器，其中公式(35)为pH值平衡，公式(36)表示等压混合约束，允许反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脱碳海水进料的反渗透脱硼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：建立的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；根据反渗透过程机理，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿其轴向变化，将有限差分方法微分方程离散化，得到如下方程：

【技术特征摘要】
1.一种脱碳海水进料的反渗透脱硼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：建立的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；根据反渗透过程机理，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿其轴向变化，将有限差分方法微分方程离散化，得到如下方程：σ＝0.997-4.98×10-5T(3)σTB，l＝α0，lσboric+α1，lσborate(5)pKa，l＝2291.90/T+0.01756T-3.3850-0.32051(Cch，mw，l/1.80655)1/3(6)Vw，lρp＝Jw，l+Js，l(8)Cch，p，l＝Js，l/Vw，l(9)Kl＝0.97KTB，l(14)Qch，b，l+1＝Qch，b，l-3600Vw，lSl(16)Qch，b，l+1Cch，b，l+1-Qch，b，lCch，b，l＝-3600Vw，lSlCch，p，l(17)Qch，b，l+1CTB，ch，b，l+1-Qcb，b，lCTB，ch，b，l＝-3600Vw，lSlCTB，ch，p，l(18)Qf，n＝Qb，n+Qp，n(22)Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n(23)Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n(24)其中A、B、BTB分别为纯水、盐和硼透过常数，P、C、π分别为盐度、压力、渗透压，ρp和Vw分别为淡水的密度和流速，Jw和Js分别为纯水和盐透过通量，Vw为渗透流速，T为温度，K为传质系数，de为进料流道当量直径，Sl为膜元件的微分单元面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件面积，Lpv和Lm分别为压力容器和单支膜元件长度，nm为压力容器膜元件个数，L和Δz分别为微分单元节点、总的微分单元节点数和积分步长，Re为雷诺准数(Re＝ρVde/μ)，其中μ为动力粘度，Sc为施密特准数(Sc＝μ/ρDs)，Ds为盐的扩散系数，Q为流量，V为进料流速，(V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Qp，n为总的产水通量，Cp，n为平均产水盐度，σ为反射系数，α0和α1分别为硼酸和硼酸盐离子的分率，pKa为硼酸一级电离常数，Kλ为摩擦系数，FFd为污染系数，e为膜的活化能(T≤298K时，e＝25,000J/mol-1，T＞298K时，e＝22,000J/mol-1)，R是气体常数，Bin为每年盐透过增加率，Nmlp为膜的平均寿命，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b、f、p分别为浓盐水、进料海水和产水，mw为膜表面，TB为总硼，boric和borate分别为硼酸和硼酸盐，ref为T0在298K时没有污染时膜的参数，n表示第n个压力容器；有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，CTB＝CTB，in，C＝CchP＝Pin；盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds可由下列拟合公式计算：π＝4.54047(103C/Msρ)0.987(25)μ＝(1.4757×10-3+2.4817×10-6C+9.3287×10-9C2)exp(-0.02008T)(26)Ds＝6.725×10-6exp(0.1546×10-3C-2513/(T+273.15))(27)其中Ms为溶质的摩尔质量；步骤2.建立反渗透超结构模型；反渗透系统包括海水取水和前处理、产水后处理、反渗透膜组、泵、功交换器(pressureexchanger，PX)、物流混合器及分离器等，由于海水中存在碳酸根离子，在反渗透操作过程中易形成沉淀，将海水加强酸后调节pH值到4.0，然后通过风机将海水中游离的CO2脱除，得到的脱碳海水可有效降低结垢倾向，因此将其pH值通过强碱提高至碱性可有效提高硼截留率，反渗透超结构中包含NPS个增压级和NRO个反渗透级构成，总共有NPS+2个物流节点，2是指最终离开反渗透系统的盐水和淡水，NPS个物流节点中的每一个节点表示有一股物流经过高压泵增压后(或不经高压泵不增压)直接进入1个反渗透单元，每一个反渗透级由多个并联压力容器构成，每个压力容器由2～8个膜元件串联且在相同条件下运行，离开反渗透级的每一股盐水和淡水都可以进入NPS+2个物流节点，每一个物流表示为流量、盐度、硼浓度和压力的函数，在物流分配箱中每一个进料MIN经过等压混合可分为MOUT个物流，则物流分配箱表示为：Cin，out＝Cinout＝1，...MOUT(29)CTB，in，out＝CTB，inout＝1，...MOUT(30)Pin，out＝Pinout＝1，...MOUT(31)0＝(Pin-Pout)Qin，outin＝1，...MIN(36)公式(28)-(31)表示物流分配器，公式(32)-(35)表示物流混合器，其中公式(35)为pH值平衡，公式(36)表示等压混合约束，允许反渗透级的产水与系统最终产水、反渗透级的高压浓盐水泄压后与系统进料混合；在功交换器中高压盐水和海水的接触会导致物流之间的混合，在其出口经过压力交换的海水盐度会有一定程度的升高，高压泵与功交换器的物料平衡方程为：Qps，1＝Qhpp+Qpxlin(37)Qps，1Cps，1＝QhppChpp+QpxlinCpxlin(38)Qps，1CTB，ps，1＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin(39)QRO，1＝Qhpp+Qpxhout(40)QRO，1CRO，1＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout(41)QRO，1CTB，RO，1＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout(42)Qpxhout＝Qpxlin(43)Qpxhin＝Qpxlout(44)LpxQpxhin/100＝Qpxhin-Qpxhout(45)Lpx[％]＝0.3924+0.01238Ppxhin(46)Cpxhout＝Mix(Cpxhin-Cpxlin)+Cpxlin(47)CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin-CTB，pxlin)+CTB，pxlin(48)Mix＝6.0057-0.3559OF+0.0084OF2(49)OF[％]＝100×(Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin(50)CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin-QpxhoutCpxhout(51)CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin-QpxhoutCBT，pxhout(52)其中LPX为泄漏率，Mix为体积混合率，OF(-10％≤OF≤15％)为润滑流量，下标hpp、pxhin、pxlin、pxhout和pxhin分别表示高压泵、进入功交换器的低压进料海水和...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亚威，刘燕，张少峰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12