單雜質(zhì)間歇過程總水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

李愛紅，劉長占，溫守東，王金梅

(承德石油高等專科學(xué)?；瘜W(xué)工程系，河北 承德 067000)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)專用化、功能化和精細(xì)化是21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，相應(yīng)地，間歇過程將成為越來越多應(yīng)用的生產(chǎn)方式。據(jù)統(tǒng)計，間歇過程在化工行業(yè)中占45%，在食品與飲料行業(yè)中占65%，而在制藥行業(yè)中竟高達(dá)80%[1］。與連續(xù)過程相比，間歇過程除了工藝用水外，還需要大量的設(shè)備沖洗用水，同時生產(chǎn)這類產(chǎn)品產(chǎn)生的廢水都具有很強(qiáng)的污染性。所以，間歇過程水網(wǎng)絡(luò)集成研究對于我國的節(jié)水減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大的理論和現(xiàn)實意義。由于問題的復(fù)雜性，傳統(tǒng)水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計通常將用水子網(wǎng)絡(luò)和廢水處理子網(wǎng)絡(luò)分開來研究，而包括兩個子系統(tǒng)在內(nèi)的總水網(wǎng)絡(luò)可以最大限度地降低新鮮水消耗和廢水排放量[2-4］。根據(jù)用水過程所去除雜質(zhì)種類的多少，水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計可分為單雜質(zhì)和多雜質(zhì)兩種類型。本文研究單雜質(zhì)間歇過程總水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，目前該領(lǐng)域的研究報道較少。Foo等[5］采用基于時間的水級聯(lián)分析方法研究了單雜質(zhì)間歇過程總水網(wǎng)絡(luò)集成，然而設(shè)計過程非常復(fù)雜。本文提出了一種簡單的設(shè)計方法，并用文獻(xiàn)實例證明了方法的有效性。

1 問題描述

研究對象:1)本文方法適用于固定再生后濃度型廢水再生/處理過程模型.2)雖然用水過程是間歇的，但再生單元以便于操作的連續(xù)方式運(yùn)行。為此，再生單元前后均設(shè)置一緩沖儲罐將連續(xù)運(yùn)行的再生單元與間歇操作的用水單元連接起來。3)間歇過程采用工業(yè)上較為常見的循環(huán)周期操作，不同批次間的水可實現(xiàn)回用。4)直接回用是最經(jīng)濟(jì)的用水方式，引入再生單元則可顯著地降低新鮮水消耗量。對于儲罐系統(tǒng)設(shè)計，除了再生單元前后需設(shè)置緩沖儲罐外，若一個單元的出水能夠被另一單元直接回用，但排水時間和回用時間不能正好銜接時，還需設(shè)置回用儲罐以打破直接回用的時間限制。

已知條件:1)給定廢水再生單元和處理單元的再生后濃度和環(huán)境排放限制濃度。2)給定用水過程的極限進(jìn)、出口濃度和極限流量。3)給定用水過程的開始和結(jié)束時間。4)假設(shè)新鮮水雜質(zhì)濃度為0;用水、再生和處理過程中均不存在水損失。

研究目標(biāo):1)計算新鮮水消耗和廢水排放量;確定連續(xù)操作的再生單元的流量和廢水處理量。2)確定儲罐的個數(shù)、位置、容積以及儲罐內(nèi)的儲水量和濃度隨時間的變化關(guān)系。3)給出最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

2 設(shè)計方法

2.1 用水子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

對于固定再生后濃度型水網(wǎng)絡(luò)所有源水流(包括各用水單元的出口水流和再生水流)的濃度均固定，所以用水子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是確定的。首先將間歇用水過程看成連續(xù)過程，采用多水源法[6］設(shè)計用水子網(wǎng)絡(luò)，得到新鮮水消耗量和廢水排放量(不存在水損失時二者相等)、再生單元的流量，以及識別出需要再生/處理的廢水流。

2.2 廢水再生/處理單元設(shè)計

1)廢水再生單元的運(yùn)行方式。Liu等[7，8］指出:即使用水過程以間歇方式操作，但廢水再生單元通常仍以連續(xù)方式運(yùn)行，這樣一方面可保證再生裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，另一方面可保證循環(huán)周期操作的水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)需移除的雜質(zhì)負(fù)荷在廢水再生單元與處理單元間的分配。當(dāng)新鮮水雜質(zhì)濃度為0時，對總水系統(tǒng)進(jìn)行雜質(zhì)負(fù)荷衡算，可得式(1)。

式中，ΔMU—用水單元的總雜質(zhì)負(fù)荷;ΔMR—再生單元移除的雜質(zhì)負(fù)荷;ΔMT—處理單元移除的雜質(zhì)負(fù)荷;ΔMD—環(huán)境排放限制負(fù)荷。其中，ΔM=FΔC，F(xiàn)為流量，ΔC為再生/處理單元進(jìn)口與出口水流中的雜質(zhì)濃度之差。用水單元的流量與雜質(zhì)濃度，以及環(huán)境排放濃度均為“1問題描述”中的已知條件，廢水排放量已由2.1節(jié)得到。所以，ΔMU和ΔMD已定，即式(1)中ΔMR與ΔMT之和為一定值，這就涉及到如何分配再生單元與處理單元間的雜質(zhì)負(fù)荷以使兩單元總處理量更小(因為處理費(fèi)用與處理量通常成正比)的問題。

文獻(xiàn)方法[5，9］通常將雜質(zhì)濃度低的廢水進(jìn)行再生，以降低再生單元的負(fù)荷，其余負(fù)荷送處理單元移除以滿足環(huán)境排放要求。按該思路設(shè)計，一方面不一定能得到較低的廢水再生與處理總量，另一方面也不一定符合化工過程本身的規(guī)律。本文思路是盡量提高再生/處理單元中出口濃度較低的單元的入口濃度，以降低廢水再生與處理總量，以及提高較難進(jìn)行過程的推動力。確定了需處理的廢水流后，處理量可由式(1)得到。

2.3 儲罐系統(tǒng)設(shè)計

儲罐系統(tǒng)的設(shè)計將在下文的實例研究中具體說明。

3 實例研究

本例的極限數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[5］，見表1。這是一個半間歇過程，即充水、反應(yīng)和排水同時進(jìn)行。表1中，F(xiàn)max為用水過程的極限流量和分別為用水過程的極限進(jìn)、出口濃度，tin和tout分別為用水過程的開始和結(jié)束時間。此外，已知廢水再生單元的出口濃度為10 g·t－1，處理單元的出口濃度為20 g·t－1，環(huán)境排放限制濃度為 50 g·t－1。表 1 中。

表1 文獻(xiàn)實例的極限數(shù)據(jù)

1)用水子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

采用多水源法[6］設(shè)計得到的用水子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中，SW為新鮮水流，SR為再生水流，SWW為需送往再生/處理單元的廢水流，物料線上及括號內(nèi)的數(shù)字為各水流的流量和雜質(zhì)濃度。設(shè)計得到的新鮮水消耗量和廢水排放量為20 t，再生水消耗量為183.33 t，連續(xù)操作的再生單元流量為183.33/5=36.666 t·h－1。

2)廢水再生/處理單元設(shè)計

本文獻(xiàn)實例中再生單元的出口濃度低于處理單元，根據(jù)2.2節(jié)所述，應(yīng)選擇高濃度的廢水流進(jìn)行再生。所以，再生水流依次為和。處理水流為，處理量 FT可根據(jù)式(1)求得。

3)儲罐系統(tǒng)設(shè)計

首先進(jìn)行回用儲罐ST的設(shè)計。由圖1可知，過程3需要回用35.56 t過程2的出口水流，但時間不能完全匹配，所以需設(shè)置一個回用儲罐。在3～3.5 h內(nèi)過程2可以直接給過程3供水，供水量為35.56×0.5/2=8.89 t。1～3 h內(nèi)ST需儲水26.67 t，以便在3.5～5 h內(nèi)供給過程3。ST中水的儲存量隨時間的變化關(guān)系見圖2，0～1 h儲罐排空，說明儲罐容量達(dá)到了最小，設(shè)計合理。

再生單元前緩沖儲罐BT和再生單元后緩沖儲罐RT的設(shè)計。如前所述，再生前水流的流量和濃度已經(jīng)確定，排水時間見表1。以1 ～3 h 為例，BT 內(nèi)充水83.33 ×2/2.5+20=86.66 t，排水36.666 ×2=73.33 t，儲水量增加值為 13.33 t;平均濃度為(83.33 ×0.8 ×100+20 ×500)/86.66=192.32 g·t－1。同理，可算出其余時刻BT中水的平均濃度，以及BT和RT中水的儲存量。

BT容積為36.66 t，水的儲存量隨時間的變化關(guān)系見圖3，水的平均濃度隨時間的變化關(guān)系見圖4。RT容積為58.33 t，水的儲存量隨時間的變化關(guān)系見圖5，水的濃度為給定的再生后濃度。由圖3和圖5可以看出，儲罐BT和RT分別在1.0 h和3.5 h儲水量降為0，說明儲罐的設(shè)計容量達(dá)到了最小值。由圖4可以看出，儲罐BT中水的濃度在1～3 h內(nèi)保持恒定，在3.5～5 h以及下一周期的0～1 h內(nèi)也保持恒定，說明整個再生單元工藝條件的控制較為容易。為安全和操作方便起見，增幅較大的3～3.5 h內(nèi)可采用與3.5～5 h的高濃度水流同樣的再生條件。

從上述過程可以看出，本文提出的設(shè)計方法非常簡單。最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖6，設(shè)計結(jié)果間的比較見表2。由表2可以看出，在僅回用/循環(huán)的水網(wǎng)絡(luò)中引入一個再生后濃度為10 g·t－1的再生單元后，新鮮水消耗和廢水排放量降低了89.19%。采用本文方法優(yōu)化廢水再生/處理單元間的雜質(zhì)負(fù)荷分配后，廢水處理量比 Foo等[5］的結(jié)果降低了34.90%。

表2 本文結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的比較

4 結(jié)論

本文提出了單雜質(zhì)間歇過程總水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的新方法:多水源法設(shè)計用水子網(wǎng)絡(luò)，中央連續(xù)再生單元向用水單元提供穩(wěn)定的再生水，緩沖儲罐連接間歇操作的用水單元與連續(xù)操作的再生單元，較高濃度的廢水送往再生/處理單元中出口濃度較低者以使廢水再生與處理總量達(dá)到最小。文獻(xiàn)實例研究結(jié)果表明本文方法不僅比文獻(xiàn)方法簡單，且設(shè)計結(jié)果優(yōu)于文獻(xiàn)值。本文提出的方法可用于間歇過程總水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和現(xiàn)有僅回用水網(wǎng)絡(luò)的改造。引入再生單元且整體優(yōu)化后，可使新鮮水消耗和廢水排放量顯著降低。

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