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技术方案

本发明专利技术公开了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。建立反渗透传递机理的数学模型和产水分流设计的超结构模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，加入操作条件约束保证系统安全运行，对每个设备的有效能损失情况进行分析，由生命周期评估方法将反渗透装置的环境影响量化为吨水温室气体CO2排放量，针对产水需求和进水温度变化，得到综合考虑能耗、装置规模和环境影响的系统流程，通过调节产水分流比例和操作条件进一步降低能耗和环境影响，提高能量利用效率，使得产水满足饮用水中硼含量的标准，对节能减排具有重要意义，为其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。具有非常好的应用前景。具有非常好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于海水处理领域，具体涉及通过对反渗透脱硼系统进行操作优化，考虑系统设计和运行过程中的有效能利用情况和环境影响，在保证脱硼率的基础上有效降低系统能耗和环境影响，并提高系统热力学第二定律效率。

技术介绍

[0002]反渗透海水淡化由于技术成熟、能耗不断降低，在国际和国内海水淡化市场占据主导地位。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，因此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。我国现行实施的《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。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，柠檬、黑莓的硼耐受值仅为0.5mg/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。
[0003]目前，卷式膜元件反渗透技术填装密度大，使用操作简便，易于污染控制，在国内外海水淡化市场收到广泛关注，虽然低成本、高通量膜材料和高效能量回收装置的不断开发，但反渗透系统的能耗与理想最低能耗仍有一定的差距。反渗透海水淡化系统能耗占总操作成本的50％以上，对于实际的装置，系统产水量和进水条件可能存在波动，一些学者采用操作优化技术对反渗透系统进行研究，在各种变工况(如海水盐度、温度、用水需求等条件随时间变化)时对系统操作条件进行优化，中国专利CN104250034A公布了一种全流程卷式反渗透海水淡化系统操作优化方法，可充分利用储水罐的缓冲能力，中国专利112591852 B公布了一种分流部分二级卷式膜元件反渗透海水淡化系统操作优化的方法，利用压力容器前端产水大于后端且水质更好，将前端产水输送至最终产水，后端产水进入二级反渗透再脱盐，可有效降低系统的能耗，减少苦咸水淡化膜元件的数量，上述研究对于提高海水淡化系统操作性能具有重要意义，但上述研究均为考虑脱硼对反渗透系统设计和运行的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了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。根据海水淡化系统的反渗透机理和整个流程的结构，采用严格机理的方式建立反渗透传递机理的数学模型，采用微分和代数方程进行描述。建立了包含储水罐的产水分流设计反渗透系统超结构模型，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，考虑了储水罐内水位和盐度随时间的变化，加入操作条件约束保证系统安全运行，建立了反渗透系统有效能模型对系统内每
个设备的有效能损失情况进行分析，由生命周期评估方法将反渗透装置的环境影响SEI量化为吨水温室气体CO2排放量，考虑了电能、泵、能量回收装置、压力容器、膜和强碱等造成的CO2排放，得到以系统能耗、总取水量、强碱消耗量、膜组件规模和热力学第二定律效率和环境影响为目标函数的操作优化问题，采用联立求解技术对优化问题进行求解，针对产水需求和进水温度变化，得到综合考虑能耗、装置规模和环境影响的系统流程，在保证脱硼要求基础上通过调节产水分流比例和操作条件，进一步降低海水淡化系统的能耗和环境影响，提高系统能量利用效率，对节能减排具有重要意义，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。
[0005]本专利技术包括以下步骤：
[0006]1.一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，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0007]步骤1.建立卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；
[0008]根据反渗透过程机理及质量和能量守恒定律，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿压力容器轴向的变化，并将微分方程用有限差分方法进行离散化，则考虑脱硼的卷式膜元件海水淡化过程模型可由下列方程表示：
[0009][0010][0011]σ＝0.997
‑
4.98
×
10
‑5T(3)
[0012][0013]σ
TB，l
＝α
0，l
σ
boric
+α
1，l
σ
borate
(5)
[0014][0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022]0.97K
TB，l
＝K
l
(14)
[0023][0024]其中A、B、B
TB
分别为纯水和盐透过系数，P表示压力，C表示盐度，π表示渗透压，ρ
p
和V
w
分别表示淡水的密度和流速，J
w
和J
s
分别为纯水通量和盐透过通量，V
w
为渗透流速，T为温度，K为传质系数，d
e
为进料流道的当量直径，S
l
为膜元件一个微分单元的面积，S
l
＝S
m
·
n
m
/L，S
m
为单支膜元件的面积，L
pv
为压力容器的长度，n
m
为压力容器膜元件的个数，L
m
为单支膜元件的长度，L为总的微分单元节点数，Re为雷诺准数，Re＝ρVd
e
/μ，其中μ为动力粘度，Sc为施密特准数，Sc＝μ/ρD
s
，D
s
为盐的扩散系数，Q为流量，V为进料流速，V＝Q/3600S
fcsεsp
，S
fcs
为进料流道横截面积，ε
sp
为进料流道隔网孔隙率，Q
p，n
为总的产水通量，C
p，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，pK
a
为硼酸的一级电离常数，K
λ
为摩擦系数，Δz为积分步长，FF
d
为污染系数，e为膜的活化能，当T≤298K时，e取值25,000J/mol，当T＞298K时，e取值22,000J/mol，R是气体常数，B
in
为每年盐透过增加率，N
mlp
为反渗透膜的平均寿命，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，TB为总硼，boric为硼酸，borate为硼酸盐，ref为T0在298K时没有污染时膜的参数，l为微分单元节点；
[0025]有限差分法的边界条件：z＝0，V＝V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.建立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及质量和能量守恒定律，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿压力容器轴向的变化，并将微分方程用有限差分方法进行离散化，则考虑脱硼的卷式膜元件海水淡化过程模型可由下列方程表示：考虑脱硼的卷式膜元件海水淡化过程模型可由下列方程表示：σ＝0.997
‑
4.98
×
10
‑5T(3)σ
TB，l
＝α
0，l
σ
boric
+α
1，l
σ
borate
(5)(5)(5)(5)(5)(5)(5)(5)0.97K
TB，l
＝K
l
(14)其中A、B、B
TB
分别为纯水和盐透过系数，P表示压力，C表示盐度，π表示渗透压，ρ
p
和V
w
分别表示淡水的密度和流速，J
w
和J
s
分别为纯水通量和盐透过通量，V
w
为渗透流速，T为温度，K为传质系数，d
e
为进料流道的当量直径，S
l
为膜元件一个微分单元的面积，S
l
＝S
m
·
n
m
/L，S
m
为单支膜元件的面积，L
pv
为压力容器的长度，n
m
为压力容器膜元件的个数，L
m
为单支膜元件的长度，L为总的微分单元节点数，R
e
为雷诺准数，Re＝ρVd
e
/μ，其中μ为动力粘度，Sc为施密特准数，Sc＝μ/ρD
s
，D
s
为盐的扩散系数，Q为流量，V为进料流速，V＝Q/(3600S
fcs
ε
sp
，S
fcs
为进料流道横截面积，ε
sp
为进料流道隔网孔隙率，Q
p，n
为总的产水通量，C
p，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，pK
a
为硼酸的一级电离常数，K
λ
为摩擦系数，Δz为积分步长，FF
d
为污染系数，e为膜的活化能，当T≤298K时，e取值25,000J/mol
‑1，当
T＞298K时，e取值22,000J/mol
‑1，R是气体常数，B
in
为每年盐透过增加率，N
mlp
为反渗透膜的平均寿命，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，TB为总硼，boric为硼酸，borate为硼酸盐，ref为T0在298K时没有污染时膜的参数，l为微分单元节点；有限差分法的边界条件：z＝0，V＝V
in
，Q＝Q
in
，C
TB
＝C
TB，in
，C＝C
in
，P＝P
in
；利用反渗透压力容器内前端膜元件产水水质好于后端且流量更大，将压力容器前端的产水直接输送至最终产水，后端的产水进入下一级再脱盐，压力容器两端加入流量调节阀可以根据实际情况灵活调节两端出水比例，其模型可表述为：Q
ch，b，l+1
＝Q
ch，b，l
‑
3600V
w，l
S
l
(16)Q
ch，b，l+1
C
ch，b，l+1
‑
Q
ch，b，l
C
ch，b，l
＝
‑
3600V
w，l
S
l
C
ch，p，l
(17)Q
ch，b，l+1
C
TB，ch，b，l+1
‑
Q
ch，b，l
C
TB，ch，b，l
＝
‑
3600V
w，l
S
l
C
TB，ch，p，l
(18)(18)(18)(18)(18)(18)Q
f，n
＝Q
b，n
+Q
p，n，lc
+Q
p，n，hc
(25)Q
f，n
C
f，n
＝Q
b，n
C
b，n
+Q
p，n，lc
C
p，n，lc
+Q
p，n，hc
C
p，n，hc
(26)Q
f，n
C
TB，f，n
＝Q
b，n
C
TB，b，n
+Q
p，n，lc
C
TB，p，n，lc
+Q
p，n，hcB，p，n，hc
(27)Y
I
‑
Y
I+1
≥0(28)其中二元变量Y表示压力容器内微分单元的产水流向，下标lc表示压力容器前端产水，hc表示压力容器后端产水，n表示第n个压力容器；公式(28)表示在压力容器内前端或后端每个微分单元产水有一致的流向；盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数D
s
可由下列拟合公式计算：π＝4.54047(103C/M
s
ρ)
0.987
(29)μ＝(1.4757
×
10
‑3+2.4817
×
10
‑6C+9.3287
×
10
‑9C2)exp(
‑
0.02008T)(30)D
s
＝6.725
×
10
‑6exp(0.1546
×
10
‑3C
‑
2513/(T+273.15))(31)其中M
s
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，反渗透超结构中包含N
PS
个增压级和N
RO
个反渗透级构成，总共有N
PS
+2个物流节点，2是指最终离开反渗透系统的盐水和淡水，N
PS
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N
PS
+2个物流节点，每
一个物流表示为流量、盐度和压力的函数，每一个进料M
IN
经过物流分配器后分为M
OUT
个物流，多个物流经过物流混合器后汇成一股物流，物流分配器和混合器表示为：C
in，out
＝C
in
out＝1，...M
OUT
(33)C
TB，in，out
＝C
TB，in
out＝1，...M
OUT
(34)P
in，out
＝P
in
out＝1，...M
OUT
(35)(35)(35)0＝(P
in
‑
P
out
)Q
in，out
in＝1，...M
IN
(39)公式(32)
‑
(35)表示物流分配器，公式(35)
‑
(38)表示物流混合器，公式(39)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，Q
in
、C
in
、C
TB，in
和P
in
分别表示物流分配器进口的流量、盐度、硼浓度和压力，Q
out
、C
out
、C
TB，out
和P
out
分别表示物流混合器出口的流量、盐度、硼浓度和压力，Q
in，out
表示物流分配器出口流量，C
in，out
、C
TB，in，out
和P
in，out
表示物流分配器出口盐度、硼浓度和压力，下标in，out分别表示进口和出口；高压泵与功交换器的物料平衡方程为：Q
ps，l
＝Q
hpp
+Q
pxlin
(40)Q
ps，l
C
ps，l
＝Q
hpp
C
hpp
+Q
pxlin
C
pxlin
(41)Q
ps，l
C
TB，ps，1
＝Q
hpp
C
TB，hpp
+Q
pxlin
C
TB，pxlin
(42)Q
RO，1
＝Q
hpp
+Q
pxhout
(43)Q
RO，1
C
RO，1
＝Q
hpp
C
hpp
+Q
pxhout
C
pxhout
(44)Q
RO，1
C
TB，RO，1
＝Q
hpp
C
TB，hpp
+Q
pxhout
C
TB，pxhout
(45)Q
pxhout
＝Q
pxlin
(46)Q
pxhin
＝Q
pxlout
(47)L
px
Q
pxhin
/100＝Q
pxhin
‑
Q
pxhout
(48)L
px
[％]＝0.3924+0.01238P
pxhin
(49)C
pxhout
＝Mix(C
pxhin
‑
C
pxlin
)+C
pxlin
(50)C
TB，pxhout
＝Mix(C
TB，pxhin
‑
C
TB，pxlin
)+C
TB，pxlin
(51)Mix＝6.0057
‑
0.3559OF+0.0084OF2(52)OF[％]＝100
×
(Q
pxhin
，
‑
Q
pxhout
)/Q
pxhin
(53)C
pxlout
Q
pxlout
＝Q
pxlin
C
pxlin
+Q
pxhin
C
pxhin
‑
Q
pxhout
C
pxhout
(54)C
BT，pxlout
Q<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亚威，戴江波，郭晓俊，赵颖颖，邓会宁，张少峰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：