单杂质间歇过程总水网络设计

李爱红，刘长占，温守东，王金梅

(承德石油高等专科学校化学工程系，河北 承德 067000)

产品结构专用化、功能化和精细化是21世纪化学工业发展的重要趋势之一，相应地，间歇过程将成为越来越多应用的生产方式。据统计，间歇过程在化工行业中占45%，在食品与饮料行业中占65%，而在制药行业中竟高达80%[1］。与连续过程相比，间歇过程除了工艺用水外，还需要大量的设备冲洗用水，同时生产这类产品产生的废水都具有很强的污染性。所以，间歇过程水网络集成研究对于我国的节水减排和可持续发展战略具有重大的理论和现实意义。由于问题的复杂性，传统水网络设计通常将用水子网络和废水处理子网络分开来研究，而包括两个子系统在内的总水网络可以最大限度地降低新鲜水消耗和废水排放量[2-4］。根据用水过程所去除杂质种类的多少，水网络设计可分为单杂质和多杂质两种类型。本文研究单杂质间歇过程总水网络设计问题，目前该领域的研究报道较少。Foo等[5］采用基于时间的水级联分析方法研究了单杂质间歇过程总水网络集成，然而设计过程非常复杂。本文提出了一种简单的设计方法，并用文献实例证明了方法的有效性。

1 问题描述

研究对象:1)本文方法适用于固定再生后浓度型废水再生/处理过程模型.2)虽然用水过程是间歇的，但再生单元以便于操作的连续方式运行。为此，再生单元前后均设置一缓冲储罐将连续运行的再生单元与间歇操作的用水单元连接起来。3)间歇过程采用工业上较为常见的循环周期操作，不同批次间的水可实现回用。4)直接回用是最经济的用水方式，引入再生单元则可显著地降低新鲜水消耗量。对于储罐系统设计，除了再生单元前后需设置缓冲储罐外，若一个单元的出水能够被另一单元直接回用，但排水时间和回用时间不能正好衔接时，还需设置回用储罐以打破直接回用的时间限制。

已知条件:1)给定废水再生单元和处理单元的再生后浓度和环境排放限制浓度。2)给定用水过程的极限进、出口浓度和极限流量。3)给定用水过程的开始和结束时间。4)假设新鲜水杂质浓度为0;用水、再生和处理过程中均不存在水损失。

研究目标:1)计算新鲜水消耗和废水排放量;确定连续操作的再生单元的流量和废水处理量。2)确定储罐的个数、位置、容积以及储罐内的储水量和浓度随时间的变化关系。3)给出最终网络结构图。

2 设计方法

2.1 用水子网络设计

对于固定再生后浓度型水网络所有源水流(包括各用水单元的出口水流和再生水流)的浓度均固定，所以用水子网络的结构是确定的。首先将间歇用水过程看成连续过程，采用多水源法[6］设计用水子网络，得到新鲜水消耗量和废水排放量(不存在水损失时二者相等)、再生单元的流量，以及识别出需要再生/处理的废水流。

2.2 废水再生/处理单元设计

1)废水再生单元的运行方式。Liu等[7，8］指出:即使用水过程以间歇方式操作，但废水再生单元通常仍以连续方式运行，这样一方面可保证再生装置运行的稳定性，另一方面可保证循环周期操作的水网络结构的稳定性。

2)需移除的杂质负荷在废水再生单元与处理单元间的分配。当新鲜水杂质浓度为0时，对总水系统进行杂质负荷衡算，可得式(1)。

式中，ΔMU—用水单元的总杂质负荷;ΔMR—再生单元移除的杂质负荷;ΔMT—处理单元移除的杂质负荷;ΔMD—环境排放限制负荷。其中，ΔM=FΔC，F为流量，ΔC为再生/处理单元进口与出口水流中的杂质浓度之差。用水单元的流量与杂质浓度，以及环境排放浓度均为“1问题描述”中的已知条件，废水排放量已由2.1节得到。所以，ΔMU和ΔMD已定，即式(1)中ΔMR与ΔMT之和为一定值，这就涉及到如何分配再生单元与处理单元间的杂质负荷以使两单元总处理量更小(因为处理费用与处理量通常成正比)的问题。

文献方法[5，9］通常将杂质浓度低的废水进行再生，以降低再生单元的负荷，其余负荷送处理单元移除以满足环境排放要求。按该思路设计，一方面不一定能得到较低的废水再生与处理总量，另一方面也不一定符合化工过程本身的规律。本文思路是尽量提高再生/处理单元中出口浓度较低的单元的入口浓度，以降低废水再生与处理总量，以及提高较难进行过程的推动力。确定了需处理的废水流后，处理量可由式(1)得到。

2.3 储罐系统设计

储罐系统的设计将在下文的实例研究中具体说明。

3 实例研究

本例的极限数据取自文献[5］，见表1。这是一个半间歇过程，即充水、反应和排水同时进行。表1中，Fmax为用水过程的极限流量和分别为用水过程的极限进、出口浓度，tin和tout分别为用水过程的开始和结束时间。此外，已知废水再生单元的出口浓度为10 g·t－1，处理单元的出口浓度为20 g·t－1，环境排放限制浓度为 50 g·t－1。表 1 中。

表1 文献实例的极限数据

1)用水子网络设计

采用多水源法[6］设计得到的用水子网络结构见图1。图1中，SW为新鲜水流，SR为再生水流，SWW为需送往再生/处理单元的废水流，物料线上及括号内的数字为各水流的流量和杂质浓度。设计得到的新鲜水消耗量和废水排放量为20 t，再生水消耗量为183.33 t，连续操作的再生单元流量为183.33/5=36.666 t·h－1。

2)废水再生/处理单元设计

本文献实例中再生单元的出口浓度低于处理单元，根据2.2节所述，应选择高浓度的废水流进行再生。所以，再生水流依次为和。处理水流为，处理量 FT可根据式(1)求得。

3)储罐系统设计

首先进行回用储罐ST的设计。由图1可知，过程3需要回用35.56 t过程2的出口水流，但时间不能完全匹配，所以需设置一个回用储罐。在3～3.5 h内过程2可以直接给过程3供水，供水量为35.56×0.5/2=8.89 t。1～3 h内ST需储水26.67 t，以便在3.5～5 h内供给过程3。ST中水的储存量随时间的变化关系见图2，0～1 h储罐排空，说明储罐容量达到了最小，设计合理。

再生单元前缓冲储罐BT和再生单元后缓冲储罐RT的设计。如前所述，再生前水流的流量和浓度已经确定，排水时间见表1。以1 ～3 h 为例，BT 内充水83.33 ×2/2.5+20=86.66 t，排水36.666 ×2=73.33 t，储水量增加值为 13.33 t;平均浓度为(83.33 ×0.8 ×100+20 ×500)/86.66=192.32 g·t－1。同理，可算出其余时刻BT中水的平均浓度，以及BT和RT中水的储存量。

BT容积为36.66 t，水的储存量随时间的变化关系见图3，水的平均浓度随时间的变化关系见图4。RT容积为58.33 t，水的储存量随时间的变化关系见图5，水的浓度为给定的再生后浓度。由图3和图5可以看出，储罐BT和RT分别在1.0 h和3.5 h储水量降为0，说明储罐的设计容量达到了最小值。由图4可以看出，储罐BT中水的浓度在1～3 h内保持恒定，在3.5～5 h以及下一周期的0～1 h内也保持恒定，说明整个再生单元工艺条件的控制较为容易。为安全和操作方便起见，增幅较大的3～3.5 h内可采用与3.5～5 h的高浓度水流同样的再生条件。

从上述过程可以看出，本文提出的设计方法非常简单。最终网络结构见图6，设计结果间的比较见表2。由表2可以看出，在仅回用/循环的水网络中引入一个再生后浓度为10 g·t－1的再生单元后，新鲜水消耗和废水排放量降低了89.19%。采用本文方法优化废水再生/处理单元间的杂质负荷分配后，废水处理量比 Foo等[5］的结果降低了34.90%。

表2 本文结果与文献结果的比较

4 结论

本文提出了单杂质间歇过程总水网络设计的新方法:多水源法设计用水子网络，中央连续再生单元向用水单元提供稳定的再生水，缓冲储罐连接间歇操作的用水单元与连续操作的再生单元，较高浓度的废水送往再生/处理单元中出口浓度较低者以使废水再生与处理总量达到最小。文献实例研究结果表明本文方法不仅比文献方法简单，且设计结果优于文献值。本文提出的方法可用于间歇过程总水网络的设计和现有仅回用水网络的改造。引入再生单元且整体优化后，可使新鲜水消耗和废水排放量显著降低。

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