新型水夹点技术在工程应用中的探讨

摘要:为提高水的重复利用率,推荐采用以最大水的重复利用率为目标,来设计用水网络的新型水夹点技术。针对水夹点技术在实际生产应用中所存在的困难,提出了一种解决方案;最后把该项技术应用到一工程实例中,结果表明此方案是可行的。

关键词:工业用水 水网 水夹点技术

引言

我国是一个水资源缺乏的国家。解决水资源匾乏问题的方法虽然有很多,但回用及中水资源的开发,即提高水的重复利用率是当前许多国家解决水资源短缺的有效途径。因此,研究提高水的复用率的技术及推广应用具有重要的意义。新型水夹点技术就是一种提高水的重复利用率的新技术。水夹点技术自提出以来,国外已在工业用水过程系统的节水改造中得到了成功的应用,尤其是英国Linnhoff公司投入了相当大的力量进行水夹点技术的研究,并完成多项节水改造项目,节能效益达30%-50%。但是水夹点技术在我国刚刚起步,由于此项技术与实际生产之间还存在一定的差距,此外国外在水夹点具体应用方面的文献较少,因此在实际工程应用方面还待开发,有必要作进一步的研究与探讨。

1 水夹点技术概述

常规的节水策略,比如:再生再利用,再生再循环等,通常着眼于单个的单元操作,只能达到一定的节水目的,不能使整个用水系统的新鲜水用量和废水产生量达到最小。与常规的节水策略相比,水夹点技术是从系统的角度对整个用水网络同时进行设计优化,以期水的重复利用率达到最大。即:系统的新鲜水用量和废水排放量达到最小。它对用水系统的最大限度的回用和中水资源的开发提供理论 上的指导。
Y.P.Wang和R.Smith在研究化工过程中废水产生量最小化问题时,提出了水夹点技术[1]。但此水夹点技术存在诸如设计结构较为复杂等种种缺陷。随后,LinnhoffMarch公司提出了一种新型的水夹点技术[2][3][4],该方法较为直观。这种技术是利用呈阶梯状的组合曲线(纵轴为杂质浓度C,横轴为流量F,简称C-F图)来设计用水网络的。首先把如图1所示的用水过程描述在C-F图中:由用水过程1的入口水流中的杂质浓度C1‘及流量F1’可在C-F图中作一水平线1‘,称之为该用水过程的用水线;而由其出口水流中的杂质浓度动及流量F1可在C-F图中作一水平线1,由于此水流有可能用于过程,故称之为该用水过程的水源线。这两水平线
具有如下的特性:它们在C-F图中水平移动时不改变其对用水过程1的描述。把多个用水过程描述在C-F图中,可以得到多条用水线及水源线,再利用水平移动的特性,将各用水线水平移动使之在同一垂线上首尾相连,从而形成阶梯状的用水组合曲线,如图2中1‘2‘3‘4‘所示。同理,也可获得水源组合曲线,如图2中1234所示。从图2可以直观地看出用水的匹配关系,相重叠的部分之间互相匹配。用水组合曲线中没有重叠的那部分用水单元由新鲜水来供给,水源组合曲线中没有重叠的水源作为废水排出系统。由于C-F图中的每一水平线都具有水平移动的特性,显然两组合曲线也可以相对水平移动而不改变其对用水过程的描述。在水平移动两组合曲线的过程中,随着两线不断地靠近,用水网络的新鲜水用量和废水排放量逐渐减少,直至两线在某处相碰,此时用水网络的新鲜水用量和废水排放量达到最小值,用水网络中水的重复利用率达到最大值,如图3所示。两组合曲线相碰的地方称之为水夹点(Water Pinch),该点限制了水的进一步重复利用,因此该点就是系统的用水瓶颈。改变水夹点附近部分用水过程的设计将会大大提高水的重复利用率,如图3中的用水过程1和用水过程2在出口处汇合后,使用水过程2的水源线上移,进而可以与用水过程3的用水线相匹配,这样系统水的重复利用率增加即解瓶颈,如图4所示。在图4中,用水组合曲线中与新鲜水匹配的那部分都在水源组合曲线的上方,此时系统中不再有水的复用机会,系统中水的复用率达到最大值,这就是最终的设计最优用水网络的总组合曲线。

 

2 水夹点技术在工程实践中的应用

2.1 应用水夹点技术存在的困难
我们可以看出上面介绍水夹点技术时,前提是过程物流中只存在一种杂质,即单杂质过程。但实际生产中一般为多杂质的情况,较为复杂,因此在应用上面的水夹点技术对用水网络进行分析设计时会存在一定的困难。
2.2 水夹点技术在实际生产应用中的探讨
针对上面所提到的困难,提出如下解决方案:
2.2.1 对用水操作单元进行分类
把所含杂质相同、相似或对杂质要求不严格的用水单元放在一起,形成一个用水系统,对该系统进行水夹点分析,设计出该系统水的最大复用的用水网络。这样做的优点是避免各用水单元因所含杂质不同而造成的相互污染,从而影响水的回用。
2.2.2 选择关键组分
把多杂质用水过程虚拟为单杂质用水过程,再利用水夹点技术对用水网络进行分析设计,以达到全系统合理用水的目的。选择关键组分的原则是所选的关键组分应是用水过程单元中难以用简单的水处理方法(pH调整,沉淀等)使它的浓度降低的组分,这样可以避免处理费和操作费过高。关键组分有时要多于一种,此时先单独对每一种关键组分进行水夹点技术分析,然后再求它们各自水的供需匹配关系的交集,该交集就是最终的供需匹配关系。
2.2.3 部分处理
在实施所设计出的最大水复用率的用水网络时,要对某些作为中水资源的用水过程的出口水流中的部分非关键组分进行水处理,使它们的浓度达到匹配的用水单元进口浓度的要求。
2.3 应用水夹点技术的说明
①选取数据时,杂质浓度应为极限浓度。所谓极限浓度是指在各用水单元的流率不变的情况下,使它们中各种杂质的入口浓度达到工艺要求的上限。相应的出口浓度就可求出。因为只有这样才可以在最大程度上提高水的复用率。
②为了形象地描述水在系统中的流动,在用水系统的C-F图中,纵轴(杂质浓度C)的零点应定在坐标轴的上方,水源组合曲线应在用水组合曲线的左边。
2.4 工业实例
为了便于验证所提出方案的可行性,在此引用文献[1]中实例。该实例是一石油精炼过程,文献中是以Y.P.Wang&R.Smith的多杂质的水夹点技术进行分析设计用水网络的。
选取石油精炼过程中的汽提、脱硫、脱盐三个操作单元作为进行用水网络设计。
所选取的相关的数据如表1所示:

表1石油精炼过程极限用水数据
过程名 杂质名 入口浓度/(mg·L-1) 出口浓度/(mg·L-1) 流量/(kg·h-1)
汽提过程 有机杂质 0 15 45×103
H2S 0 400
0 35
脱硫过程 有机杂质 20 120 34×103
H2S 300 12500
45 180
有机杂质 120 220 56×103
H2S 20 45
200 9500

选有机杂质为关键组分,杂质可以利用简单的水处理方法使其浓度降低。
由表1中的数据,作出以有机杂质为关键组分的C-F图,如图5所示。从图中可以看出,系统中此时水的重复利用率达到最大,因为用水组合曲线中与新鲜水匹配的那部分都在未匹配的水源组合曲线的上方。根据图5可以方便直观的设计出最终的用水网络,如图6所示。

 

 

所设计出的用水网络与文献中所设计出的优化网络是相同的,因此所提出的解决方案是可行的。
如果上面3个用水过程的人口都以新鲜水作为水源,共消耗新鲜水135×103kg/h。经过再生复用的用水网络设计之后,从图5中,可以看出所需新鲜水为55.5×103kg/h,比前者节省了59%。