反渗透海水淡化系统能量分析及优化

论文摘要

发展海水淡化技术是解决全球水资源短缺的重要途径。反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点,近十年来发展速度很快,未来将成为海水淡化的主导技术。从理论上讲,它是最节能的海水淡化方法。但目前,对于反渗透海水淡化,其技术经济指标和社会的期盼值之间,还存在一定的距离,淡化水成本仍偏高。而系统能耗是成本最主要的组成部分,能耗过高也就成为制约制水成本的最主要因素。这说明当前的反渗透海水淡化工艺、工程设计以及系统操作等方面仍有很多值得改进的地方。因此,本课题分析了系统中各操作参数对系统能耗的影响,并以降低能耗为目标,对反渗透膜系统进行了优化设计。应用海德能公司的反渗透设计软件IMSdesign,结合工程实例,考察系统能耗随给水温度、系统回收率、给水含盐量、能量回收效率等操作参数的变化特点。发现其有随给水温度的升高持续下降,随系统回收率的升高基本呈负指数规律下降,随能量回收效率的提高呈线性比例下降,随给水含盐量的升高呈线性比例上升的规律。对传统建立系统费用模型的寻优方法进行了转换,得出以单位产品水系统能耗最低为优化目标的数学模型。以元件特征方程和系统特征方程为基础建立约束,结合膜生产厂家的技术手册要求的各种限值约束一起,构成系统完整的约束条件。膜品种、膜数量、膜排列作为优化变量,整个模型是一个混合整数非线性规划(MINLP)。结合工程实例,将优化模型运用Matlab优化工具箱实现求解以实现工艺优化和操作优化。并与实际设计模式紧密联系,使用陶氏公司的反渗透设计软件ROSA6.1对优化结果进行验证,其误差在可以接受的范围内。对一级一段工艺和一级两段工艺选用相同的膜元件,不同的膜元件排列方式。比较之后可以看出对所选实例来说,单位产品水系统能耗可以达到2.97kWh/m3,低于文献报道的3.31 kWh/m3的能耗值。可见,利用本文的方法选择的工艺和设计参数效果更好。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 全球淡水资源现状及水问题出路
• 1.2 海水淡化方法
• 1.3 国内外海水淡化工程建设
• 1.4 国内外反渗透海水淡化技术发展历程及现状
• 1.4.1 国外反渗透海水淡化技术发展
• 1.4.2 国内反渗透海水淡化技术发展
• 1.5 反渗透海水淡化法设计研究现状
• 1.6 反渗透法海水淡化优化设计研究现状
• 1.7 课题研究内容和方法
• 1.8 课题研究意义和目的
• 第二章 反渗透海水淡化（SWRO）系统
• 2.1 反渗透基本原理
• 2.2 反渗透过程基本方程式
• 2.3 反渗透法海水淡化（SWRO）系统
• 2.3.1 预处理系统
• 2.3.2 反渗透系统
• 2.3.3 产品水后处理
• 2.4 反渗透海水淡化（SWRO）工艺
• 第三章 SWRO系统能耗分析
• 3.1 海德能设计软件简介
• 3.2 参数对系统能耗的影响
• 3.2.1 温度对系统能耗的影响
• 3.2.2 回收率对系统能耗的影响
• 3.2.3 给水含盐量对系统能耗的影响
• 3.2.4 能量回收率对系统能耗的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 SWRO膜系统优化设计
• 4.1 数学模型的分析与建立
• 4.2 SWRO理论与实际设计模式
• 4.2.1 理论设计模式
• 4.2.2 实际设计模式
• 4.3 优化设计模型分析
• 4.4 优化设计模型处理
• 4.4.1 投资费用目标处理
• 4.4.2 运行费用目标处理
• 4.4.3 优化目标转化
• 4.4.4 优化变量处理
• 4.5 优化设计模型表达
• 4.5.1 一级一段工艺优化模型
• 4.5.2 一级两段工艺优化模型
• 4.6 优化模型求解
• 4.7 工程实例应用
• 4.7.1 实例介绍
• 4.7.2 实例分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 符号说明和单位转换
• 参考文献
• 致谢