1、第六章 质量传递的优化,Sanjingbei_ swpuhgy,质量交换系统的集成 水系统集成 最小新鲜水的水网络,质量交换网络,20 世纪80 年代末在换热网络技术在节能方面取得显著进展的基础上发展起来 过程集成的一个分支 1989年，EL-Halwagi和Manousiouthakis首次提出,20 世纪末以来的研究热点： 1. 可持续发展和环境保护的理念提出越来越严格的要求，迫使企业认真考虑由排废中回收能造成污染的污染物，并通过回用减少排放，提出清洁生产的概念，通过过程集成使废物最小化2.“循环经济”：3R（Reduce，Reuse，Recycle）原则：减量化、再利用和废料资源化，要求
2、有新的理论方法来指导大规模的工业实践,质量交换器 一个直接逆流接触操作的单元，它利用一种质量分离载体MSA （ Mass-Separating Agent，MSA）作用于要求分离的污染物（或回收有价值成分），使其从废料流中传递到MSA 中 吸收塔、吸附器、萃取器、汽提塔、离子交换器，质量分离载体MSA 相应为吸收溶液、吸附剂、萃取剂、汽提蒸汽等。,质量交换网络（MEN） 由多个质量交换器构成的网络系统，满足一个废物回收的任务，从一组富含特定组分的富流股中选择性地将此特定组分传递到一组贫流股（MSA）中去,质量交换网络综合 给定一组污染物富流股和污染物贫流股，综合得到的一个质量交换网络，以最小的
3、费用把污染物从富流股转移到贫流股。 最小的投资费用、最小的操作费用或其组合，以完成目标分离任务,质量交换网络综合 通过热力学分析方法确定热力学瓶颈（夹点），得到基本网络，然后改进这些基本网络设计，确定质量分析的最小费用，最小质量交换器单元数,质量交换网络 和换热网络类似 平衡关系更复杂 MSA需要再生、多组分问题等,换热网络技术已经比较成熟，质量交换网络还有些实际问题亟待解决新方向：能量集成的质量交换网络,质量集成的方法 独立于网络结构 把过程化为层级过程，在每个层级上求得目标值，作为下一个层级之用；目标值（如最小新鲜水用量）只与过程性质及条件有关，而与系统结构无关；可视化性能好 基于网络结构
4、 设计“超级结构模型”，根据数学规划（MINLP）求解最优网络结构,水系统集成,全世界水资源在时间和空间上都存在分布不均匀的状况,我国水资源的特点总量丰富，人均占有量少空间分布不均匀时间分布不均匀污染严重,我国工业用水的问题增长速度较快效率总体水平较低工业污水排放量大，污染严重,改进工艺，减少耗水量（没有废水回用）,废水直接回用,废水再生回用,废水再生回用和再生循环,水系统集成 将过程用水和废水处理作为一个整体系统来研究，利用系统中水物流的回用和循环的可能机会，实现降低新鲜水用量和废水排放量,水系统集成 发展过程： 单一杂质组分到多个杂质组分水网络和废水处理网络序贯优化的研究到将两个网络进行集
5、成应用图解的方法到数学规划方法,水夹点技术 1994年，Wang和Smith首次提出概念,19941995 年，英国孟山都公司7 个制造厂废水集中处理后排向河口，环保部门要求将其COD 降低90%。原方案打算投资1 500万美元新建的废水处理设施。针对这一项目首次使用了水夹点技术，使新鲜水消耗降低了30，使水大量回用后，排出污水减少，新建的废水处理设施的投资从1 500 万美元降低到350 万美元，节约了1 150 万美元投资费用，并使每年的操作费用和原材料成本降低了100 万美元。这项措施还使孟山都公司荣获了1995 年英国化学工程师学会颁发的杰出安全与环境保护奖,水系统集成 一个有NR个水
6、源和NS个水阱所组成的水系统，已知每个水阱所需要的进口流率和允许杂质组成，又已知每个源的流率和杂质组成，这些源可能再循环回用，也可能作废水进入处理单元或直接排放。新鲜水可得，以用于对过程源的补充。水集成的目的是确定源与阱的匹配，即哪个或哪些源引入到给定的阱，以使系统新鲜水量最小。,水系统集成步骤 1、确定最小新鲜水目标 2、设计出满足最小新鲜水目标的网络 3、对水网络进行优化，减少水源与水阱的匹配数目，有时可能将以增加新鲜水的消耗为代价 水源：含有杂质组分的物流 水阱：能够接受水源的单元,最小新鲜水目标 在综合水网络前计算出最小新鲜水量，即确定最小新鲜水目标1 组合曲线法 2 累计负荷区间法,
7、组合曲线法 在进行水网络集成前，就能确定出水系统的最大水回用量、最少新鲜水量和最少废水排放量步骤如下： （1）将水阱按照最大允许组成的升序排列,（2）计算每个阱的最大负荷，以每个阱的最大负荷对其流率作图，按阱的升序排列顺序进行叠加，得到的曲线就是阱组合曲线,（3）以污染物组成的升序排列源（4）计算每个源的负荷，以每个源的负荷对它的流率作图，按源的升序排列顺序进行叠加得到的曲线就是源组合曲线,源组合曲线,（5）水平方向移动源组合曲线直到它接触阱组合曲线，并使在重叠区域源组合曲线在阱组合曲线的下面,例 某过程系统由四个单元组成，原设计均使用新鲜水，水流成如图6-4所示，总用水量为130 t/h，过
8、程单元的水流数据见表6-1，使用组合曲线法确定该系统的最小新鲜水目标。,过程单元水流数据,解 计算出每个阱的最大负荷，并计算出累计负荷和累计流率,计算每个源的负荷，并计算出累计负荷和累计流率，,将累计负荷对累计流率做图，即得到组合曲线阱组合曲线和源组合曲线,源组合曲线,阱组合曲线,水平移动源组合曲线，使它刚好接触阱组合曲线，并且使源组合曲线在阱组合曲线的下方,阱组合曲线,源组合 曲线,夹点,最小新鲜水 目标70 t/h,最小废水量 70 t/h,累计负荷区间法 计算步骤如下： （1）分别计算出每个阱的最大负荷和每个源的负荷； （2）按照最大允许组成的升序排列计算出阱的累计流率和相应的累计负荷（
9、均以零为基准）,（3）按照污染物组成的升序排列计算出源的累计流率 和相应的累计负荷（均以零为基准）,（4）将源和阱的累计负荷放在一起从小到大排序，得到累计负荷区间 （5）进行级联计算,例 用累计负荷区间法解例6-1 1 确定累计负荷区间 利用例6-1中得到的源和阱数据，将累计负荷放在一起从大到小排序，可以得到7个累计负荷区间,水夹点意义 夹点处的推动力为最小传质推动力 夹点的出现将水网络分成了两部分：夹点之上和夹点之下。夹点之上是浓端，浓端的阱只能与过程的原进行匹配，而不能与新鲜水进行匹配；夹点之下是稀端，稀端的过程源应与阱进行匹配，而不应排放，不够阱匹配时需要使用新鲜水,夹点之下，不应从源排
10、放水 夹点之上，不应使用新鲜水 不应有流量通过夹点,最小新鲜水的水网络,源-阱图法 最为简单和形象的一种方法 以杂质浓度为横坐标，流率为纵坐标 将水源和水阱标注于其中,最小新鲜水的水网络,源-阱图,最小新鲜水的水网络,源-阱匹配 （1）杠杆规则,最小新鲜水的水网络,当某个阱需要有新鲜水的加入以满足进口物流杂质组成限制时,最小新鲜水的水网络,（2）源优先使用规则 为了使新鲜水源的用量最小，使用过程源的优先次序应从杂质组成与阱的进口杂质组成最接近的源,例 对表6-1所示的水系统，用源-阱图法进行水源与水阱的匹配，设计出实现最小新鲜水目标为70 t/h的水网络,新鲜水20 t/h,新鲜水20 t/h,新鲜水量30 t/h,10 t/h,30 t/h,新鲜水20 t/h,新鲜水20 t/h,排放20 t/h,排放40 t/h,排放10 t/h,超结构和数学规划法 超结构,数学规划模型 源的分割和阱的混合,目标函数约束条件：源的分割阱的混合,污染物物料平衡流股流率的非负性 Wi, j 0 Fj 0,基本假定： （l）贫流(新鲜水和废水)之间允许混合； （2）过程为纯物理过程，不存在化学反应； （3）过程中没有流量损失。非线性规划，能化成线性规划问题 水网络一般水源分割较多，结构复杂，可建立混合整数线性规划模型来求解,
