單雜質間歇過程總水網絡設計

李愛紅，劉長占，溫守東，王金梅

(承德石油高等專科學校化學工程系，河北 承德 067000)

產品結構專用化、功能化和精細化是21世紀化學工業發展的重要趨勢之一，相應地，間歇過程將成為越來越多應用的生產方式。據統計，間歇過程在化工行業中占45%，在食品與飲料行業中占65%，而在制藥行業中竟高達80%[1］。與連續過程相比，間歇過程除了工藝用水外，還需要大量的設備沖洗用水，同時生產這類產品產生的廢水都具有很強的污染性。所以，間歇過程水網絡集成研究對于我國的節水減排和可持續發展戰略具有重大的理論和現實意義。由于問題的復雜性，傳統水網絡設計通常將用水子網絡和廢水處理子網絡分開來研究，而包括兩個子系統在內的總水網絡可以最大限度地降低新鮮水消耗和廢水排放量[2-4］。根據用水過程所去除雜質種類的多少，水網絡設計可分為單雜質和多雜質兩種類型。本文研究單雜質間歇過程總水網絡設計問題，目前該領域的研究報道較少。Foo等[5］采用基于時間的水級聯分析方法研究了單雜質間歇過程總水網絡集成，然而設計過程非常復雜。本文提出了一種簡單的設計方法，并用文獻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方式運行。為此，再生單元前后均設置一緩沖儲罐將連續運行的再生單元與間歇操作的用水單元連接起來。3)間歇過程采用工業上較為常見的循環周期操作，不同批次間的水可實現回用。4)直接回用是最經濟的用水方式，引入再生單元則可顯著地降低新鮮水消耗量。對于儲罐系統設計，除了再生單元前后需設置緩沖儲罐外，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境排放限制濃度。2)給定用水過程的極限進、出口濃度和極限流量。3)給定用水過程的開始和結束時間。4)假設新鮮水雜質濃度為0;用水、再生和處理過程中均不存在水損失。

研究目標:1)計算新鮮水消耗和廢水排放量;確定連續操作的再生單元的流量和廢水處理量。2)確定儲罐的個數、位置、容積以及儲罐內的儲水量和濃度隨時間的變化關系。3)給出最終網絡結構圖。

2 設計方法

2.1 用水子網絡設計

對于固定再生后濃度型水網絡所有源水流(包括各用水單元的出口水流和再生水流)的濃度均固定，所以用水子網絡的結構是確定的。首先將間歇用水過程看成連續過程，采用多水源法[6］設計用水子網絡，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/處理單元設計

1)廢水再生單元的運行方式。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方式運行，這樣一方面可保證再生裝置運行的穩定性，另一方面可保證循環周期操作的水網絡結構的穩定性。

2)需移除的雜質負荷在廢水再生單元與處理單元間的分配。當新鮮水雜質濃度為0時，對總水系統進行雜質負荷衡算，可得式(1)。

式中，ΔMU—用水單元的總雜質負荷;ΔMR—再生單元移除的雜質負荷;ΔMT—處理單元移除的雜質負荷;ΔMD—環境排放限制負荷。其中，ΔM=FΔC，F為流量，ΔC為再生/處理單元進口與出口水流中的雜質濃度之差。用水單元的流量與雜質濃度，以及環境排放濃度均為“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負荷以使兩單元總處理量更小(因為處理費用與處理量通常成正比)的問題。

文獻方法[5，9］通常將雜質濃度低的廢水進行再生，以降低再生單元的負荷，其余負荷送處理單元移除以滿足環境排放要求。按該思路設計，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 儲罐系統設計

儲罐系統的設計將在下文的實例研究中具體說明。

3 實例研究

本例的極限數據取自文獻[5］，見表1。這是一個半間歇過程，即充水、反應和排水同時進行。表1中，Fmax為用水過程的極限流量和分別為用水過程的極限進、出口濃度，tin和tout分別為用水過程的開始和結束時間。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，環境排放限制濃度為 50 g·t－1。表 1 中。

表1 文獻實例的極限數據

1)用水子網絡設計

采用多水源法[6］設計得到的用水子網絡結構見圖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，物料線上及括號內的數字為各水流的流量和雜質濃度。設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/處理單元設計

本文獻實例中再生單元的出口濃度低于處理單元，根據2.2節所述，應選擇高濃度的廢水流進行再生。所以，再生水流依次為和。處理水流為，處理量 FT可根據式(1)求得。

3)儲罐系統設計

首先進行回用儲罐ST的設計。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，所以需設置一個回用儲罐。在3～3.5 h內過程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ST需儲水26.67 t，以便在3.5～5 h內供給過程3。ST中水的儲存量隨時間的變化關系見圖2，0～1 h儲罐排空，說明儲罐容量達到了最小，設計合理。

再生單元前緩沖儲罐BT和再生單元后緩沖儲罐RT的設計。如前所述，再生前水流的流量和濃度已經確定，排水時間見表1。以1 ～3 h 為例，BT 內充水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系見圖3，水的平均濃度隨時間的變化關系見圖4。RT容積為58.33 t，水的儲存量隨時間的變化關系見圖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，說明儲罐的設計容量達到了最小值。由圖4可以看出，儲罐BT中水的濃度在1～3 h內保持恒定，在3.5～5 h以及下一周期的0～1 h內也保持恒定，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，本文提出的設計方法非常簡單。最終網絡結構見圖6，設計結果間的比較見表2。由表2可以看出，在僅回用/循環的水網絡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%。采用本文方法優化廢水再生/處理單元間的雜質負荷分配后，廢水處理量比 Foo等[5］的結果降低了34.90%。

表2 本文結果與文獻結果的比較

4 結論

本文提出了單雜質間歇過程總水網絡設計的新方法:多水源法設計用水子網絡，中央連續再生單元向用水單元提供穩定的再生水，緩沖儲罐連接間歇操作的用水單元與連續操作的再生單元，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到最小。文獻實例研究結果表明本文方法不僅比文獻方法簡單，且設計結果優于文獻值。本文提出的方法可用于間歇過程總水網絡的設計和現有僅回用水網絡的改造。引入再生單元且整體優化后，可使新鮮水消耗和廢水排放量顯著降低。

[1]楊友麒.化學工業“兩化融合”發展與過程系統工程:挑戰和前景(二)——“兩化融合”發展對過程系統工程的挑戰及前景[J］.現代化工，2009，29(12):1－7.

[2]Kuo WCJ，Smith R.Designing for the interactions between water-use and effluent treatment[J］.Chem Eng Res Des，1998，76(3):287 －301.

[3]Gunaratnam M，Alva-Argaez A，Kokossis A，et al.Automated design of total water systems[J］.Ind Eng Chem Res，2005，44(3):588 －599.

[4]Gouws J，Majozi T，Foo DCY，etal.Watermini misation techniques for batch processes[J］.Ind Eng Chem Res，2010，49(19):8877－8893.

[5]Foo DCY，Lee JY，Ng DKS，et al.Targeting and design for batch regeneration and total networks[J］.Clean Techn Environ Policy，2013，15(4):579 －590.

[6]Liu ZY，Li YM，Zhang GL，et al.Simultaneously designing and targeting for networkswithmultiple resources of different qualities[J］.Chin JChem Eng，2009，17(3):445 －453.

[7]Liu YZ，Li GH，Wang L，et al.Optimal design of an integrated discontinuous water-using network coordinating with a central continuous regeneration unit[J］.Ind Eng Chem Res，2009(48):10924 － 10940.

[8]李冠華，劉永忠，張進治.并聯連續再生/再循環的多雜質間歇用水系統優化方法[J］.化工學報，2009，60(1):134－141.

[9]Deng C，Feng X，Ng DKS，etal.Process-based graphical approach for simultaneous targeting and design ofwater network[J］.AIChE J，2011，57(11):3085 －3104.