新型水夾點技術(shù)在工程應(yīng)用中的探討_secret

1、新型水夾點技術(shù)在工程應(yīng)用中的探討論文名稱：新型水夾點技術(shù)在工程應(yīng)用中的探討作者：尹芳，都健，樊希山摘要：為提高水的重復(fù)利用率，推薦采用以最大水的重復(fù)利用率為目標(biāo)，來設(shè)計用水網(wǎng)絡(luò)的新型水夾點技術(shù)。針對水夾點技術(shù)在實際生產(chǎn)應(yīng)用中所存在的困難，提出了一種解決方案；最后把該項技術(shù)應(yīng)用到一工程實例中，結(jié)果表明此方案是可行的。關(guān)鍵字：工業(yè)用水 水網(wǎng) 水夾點技術(shù)中圖分類號：TU991.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：10092455（2001）01002303 引言我國是一個水資源缺乏的國家。解決水資源匾乏問題的方法雖然有很多，但污水回用及中水資源的開發(fā)，即提高水的重復(fù)利用率是當(dāng)前許多國家解決水資源短缺的有效途

2、徑。因此，研究提高水的復(fù)用率的技術(shù)及推廣應(yīng)用具有重要的意義。新型水夾點技術(shù)就是一種提高水的重復(fù)利用率的新技術(shù)。水夾點技術(shù)自提出以來，國外已在工業(yè)用水過程系統(tǒng)的節(jié)水改造中得到了成功的應(yīng)用，尤其是英國Linnhoff公司投入了相當(dāng)大的力量進(jìn)行水夾點技術(shù)的研究，并完成多項節(jié)水改造項目，節(jié)能效益達(dá)3050。但是水夾點技術(shù)在我國剛剛起步，由于此項技術(shù)與實際生產(chǎn)之間還存在一定的差距，此外國外在水夾點具體應(yīng)用方面的文獻(xiàn)較少，因此在實際工程應(yīng)用方面還待開發(fā)，有必要作進(jìn)一步的研究與探討。1 水夾點技術(shù)概述常規(guī)的節(jié)水策略，比如：再生再利用，再生再循環(huán)等，通常著眼于單個的單元操作，只能達(dá)到一定的節(jié)水目的，不能使整個

3、用水系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水產(chǎn)生量達(dá)到最小。與常規(guī)的節(jié)水策略相比，水夾點技術(shù)是從系統(tǒng)的角度對整個用水網(wǎng)絡(luò)同時進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，以期水的重復(fù)利用率達(dá)到最大。即：系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水排放量達(dá)到最小。它對用水系統(tǒng)的最大限度的污水回用和中水資源的開發(fā)提供理論 上的指導(dǎo)。Y.P.Wang和R.Smith在研究化工過程中廢水產(chǎn)生量最小化問題時，提出了水夾點技術(shù)1。但此水夾點技術(shù)存在諸如設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等種種缺陷。隨后，LinnhoffMarch公司提出了一種新型的水夾點技術(shù)234，該方法較為直觀。這種技術(shù)是利用呈階梯狀的組合曲線（縱軸為雜質(zhì)濃度C，橫軸為流量F，簡稱CF圖）來設(shè)計用水網(wǎng)絡(luò)的。首先把如圖1所示的

4、用水過程描述在CF圖中：由用水過程1的入口水流中的雜質(zhì)濃度C1及流量F1可在CF圖中作一水平線1，稱之為該用水過程的用水線；而由其出口水流中的雜質(zhì)濃度動及流量F1可在CF圖中作一水平線1，由于此水流有可能用于其它過程，故稱之為該用水過程的水源線。這兩水平線具有如下的特性：它們在CF圖中水平移動時不改變其對用水過程1的描述。把多個用水過程描述在CF圖中，可以得到多條用水線及水源線，再利用水平移動的特性，將各用水線水平移動使之在同一垂線上首尾相連，從而形成階梯狀的用水組合曲線，如圖2中1234所示。同理，也可獲得水源組合曲線，如圖2中1234所示。從圖2可以直觀地看出用水的匹配關(guān)系，相重疊的部分之

5、間互相匹配。用水組合曲線中沒有重疊的那部分用水單元由新鮮水來供給，水源組合曲線中沒有重疊的水源作為廢水排出系統(tǒng)。由于CF圖中的每一水平線都具有水平移動的特性，顯然兩組合曲線也可以相對水平移動而不改變其對用水過程的描述。在水平移動兩組合曲線的過程中，隨著兩線不斷地靠近，用水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量和廢水排放量逐漸減少，直至兩線在某處相碰，此時用水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量和廢水排放量達(dá)到最小值，用水網(wǎng)絡(luò)中水的重復(fù)利用率達(dá)到最大值，如圖3所示。兩組合曲線相碰的地方稱之為水夾點（Water Pinch），該點限制了水的進(jìn)一步重復(fù)利用，因此該點就是系統(tǒng)的用水瓶頸。改變水夾點附近部分用水過程的設(shè)計將會大大提高水的重復(fù)利用

6、率，如圖3中的用水過程1和用水過程2在出口處匯合后，使用水過程2的水源線上移，進(jìn)而可以與用水過程3的用水線相匹配，這樣系統(tǒng)水的重復(fù)利用率增加即解瓶頸，如圖4所示。在圖4中，用水組合曲線中與新鮮水匹配的那部分都在水源組合曲線的上方，此時系統(tǒng)中不再有水的復(fù)用機(jī)會，系統(tǒng)中水的復(fù)用率達(dá)到最大值，這就是最終的設(shè)計最優(yōu)用水網(wǎng)絡(luò)的總組合曲線。2 水夾點技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用2.1 應(yīng)用水夾點技術(shù)存在的困難我們可以看出上面介紹水夾點技術(shù)時，前提是過程物流中只存在一種雜質(zhì)，即單雜質(zhì)過程。但實際生產(chǎn)中一般為多雜質(zhì)的情況，較為復(fù)雜，因此在應(yīng)用上面的水夾點技術(shù)對用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計時會存在一定的困難。2.2 水夾點技

7、術(shù)在實際生產(chǎn)應(yīng)用中的探討針對上面所提到的困難，提出如下解決方案：2.2.1 對用水操作單元進(jìn)行分類把所含雜質(zhì)相同、相似或?qū)﹄s質(zhì)要求不嚴(yán)格的用水單元放在一起，形成一個用水系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行水夾點分析，設(shè)計出該系統(tǒng)水的最大復(fù)用的用水網(wǎng)絡(luò)。這樣做的優(yōu)點是避免各用水單元因所含雜質(zhì)不同而造成的相互污染，從而影響水的回用。2.2.2 選擇關(guān)鍵組分把多雜質(zhì)用水過程虛擬為單雜質(zhì)用水過程，再利用水夾點技術(shù)對用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計，以達(dá)到全系統(tǒng)合理用水的目的。選擇關(guān)鍵組分的原則是所選的關(guān)鍵組分應(yīng)是用水過程單元中難以用簡單的水處理方法（pH調(diào)整，沉淀等）使它的濃度降低的組分，這樣可以避免處理費(fèi)和操作費(fèi)過高。關(guān)鍵組分有

8、時要多于一種，此時先單獨(dú)對每一種關(guān)鍵組分進(jìn)行水夾點技術(shù)分析，然后再求它們各自水的供需匹配關(guān)系的交集，該交集就是最終的供需匹配關(guān)系。2.2.3 部分處理在實施所設(shè)計出的最大水復(fù)用率的用水網(wǎng)絡(luò)時，要對某些作為中水資源的用水過程的出口水流中的部分非關(guān)鍵組分進(jìn)行水處理，使它們的濃度達(dá)到匹配的用水單元進(jìn)口濃度的要求。2.3 應(yīng)用水夾點技術(shù)的說明選取數(shù)據(jù)時，雜質(zhì)濃度應(yīng)為極限濃度。所謂極限濃度是指在各用水單元的流率不變的情況下，使它們中各種雜質(zhì)的入口濃度達(dá)到工藝要求的上限。相應(yīng)的出口濃度就可求出。因為只有這樣才可以在最大程度上提高水的復(fù)用率。為了形象地描述水在系統(tǒng)中的流動，在用水系統(tǒng)的CF圖中，縱軸（雜質(zhì)濃

9、度C）的零點應(yīng)定在坐標(biāo)軸的上方，水源組合曲線應(yīng)在用水組合曲線的左邊。2.4 工業(yè)實例為了便于驗證所提出方案的可行性，在此引用文獻(xiàn)1中實例。該實例是一石油精煉過程，文獻(xiàn)中是以Y.P.WangR.Smith的多雜質(zhì)的水夾點技術(shù)進(jìn)行分析設(shè)計用水網(wǎng)絡(luò)的。選取石油精煉過程中的汽提、脫硫、脫鹽三個操作單元作為進(jìn)行用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。所選取的相關(guān)的數(shù)據(jù)如表1所示：表1石油精煉過程極限用水?dāng)?shù)據(jù)過程名雜質(zhì)名入口濃度/(mgL-1)出口濃度/(mgL-1)流量/(kgh-1)汽提過程有機(jī)雜質(zhì)01545103H2S0400鹽035脫硫過程有機(jī)雜質(zhì)2012034103H2S30012500鹽45180有機(jī)雜質(zhì)1202205

10、6103H2S2045鹽2009500選有機(jī)雜質(zhì)為關(guān)鍵組分，其它雜質(zhì)可以利用簡單的水處理方法使其濃度降低。由表1中的數(shù)據(jù)，作出以有機(jī)雜質(zhì)為關(guān)鍵組分的CF圖，如圖5所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)中此時水的重復(fù)利用率達(dá)到最大，因為用水組合曲線中與新鮮水匹配的那部分都在未匹配的水源組合曲線的上方。根據(jù)圖5可以方便直觀的設(shè)計出最終的用水網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。所設(shè)計出的用水網(wǎng)絡(luò)與文獻(xiàn)中所設(shè)計出的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是相同的，因此所提出的解決方案是可行的。如果上面3個用水過程的人口都以新鮮水作為水源，共消耗新鮮水135103kg/h。經(jīng)過再生復(fù)用的用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之后，從圖5中，可以看出所需新鮮水為55.5103kg/h，比前者節(jié)省了59。3 結(jié)束語本文對水夾點技術(shù)如何應(yīng)用于多雜質(zhì)用水系統(tǒng)進(jìn)行了探討。針對水夾點技術(shù)在實際生產(chǎn)應(yīng)用中所存在的困難，提出了有效的解決方案，對該項技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用將會起到促進(jìn)作用。參考文獻(xiàn)：1Y.p.wang，R.Smith.Wastewater MinimisationJChemical Engineering Science，1994，(7)：98110062Vikas R.Dhole，Nand Ramchandani，Richard A，Tainsh，Marek WasilewskiMake Your Process Wat