反渗透系统中膜元件安装位置的优化排列 4页

'经验交流http://www.jsbwater.comCommunion反渗透系统中膜元件安装位置的优化排列112文/靖大为　苏卫国　罗浩（1天津城市建设学院膜技术研究中心　天津300384；2北京万侯环境技术开发有限公司　北京100085）摘要：提出了反渗透系统中膜元件位置优化排列的概念；分析了膜元件的产水量、透盐率及膜压降三项指标的离散特性；明确了膜元件位置优化排列的数学方法；实例计算了离散特性膜元件优化排列的系统运行效果。关键词：反渗透膜系统　系统模拟软件　元件离散性能　元件优化排列一、前言反渗透系统中膜元件性能的佳安装位置。因此，目前工程界在反渗透系统中安装的膜元离散特性使得不同元件构成的系进行系统安装时不计元件性能的件可以分为新膜、旧膜及新旧混统具有不同的运行指标，且各个差异，从而造成了系统资源的浪合膜三类。新膜元件的产水量一膜元件安装位置的区别还将加剧费，且安装调试指标低于设计计般有±15%的差异，透盐率存在运行指标的差异。所谓系统运行算指标的事例时有发生。平均值与最低值的区别，膜压降指标主要包括产水含盐量（或表针对反渗透工艺领域中的这的数值在30～40KPa之间。这里现为脱盐率）与段均通量比（即一技术缺陷，天津城市建设学院所谓的膜压降系指膜元件给水侧前后两段的平均通量之比）。降膜技术研究中心开发了可以反映与浓水侧压力之差，且膜元件的低产水含盐量属于系统运行所追各膜段、各膜壳及各膜元件性能产水量、透盐率与膜压降是在特求的外在目标，而降低段均通量离散特性的“离散参数系统运行定的工作压力及给水温度等条件比属于系统运行所具有的内在品模拟软件”。本文试图运用该软下测试取得的性能参数。污染并质。件的计算分析，得出离散特性系经离线清洗膜元件的性能差异较目前各膜厂商所提供的系统的内在规律及不同性能膜元件大，而分批更换膜元件时新旧元统模拟软件未能反映膜元件的离在系统中的最优排列方式。件的性能差异更大。反渗透膜元散特性，无法模拟或分析该离散不同元件参数对系统性能件性能参数的差异特性被称为性特性对于系统运行指标的影响，的影响，总与系统结构及运行工能离散特性。无法给出离散性能参数元件的最况相关。这里给出特定算例系统的相关参数，作为本文相关计算的基础：膜元件标准参数为产水率2600gpd、透盐率0.8%、膜压降0.03Mpa；膜系统的给水含盐量1000mg/L、给水温度15℃、3回收率75%、产水量3.6m/h；系图1　反渗透系统算例的结构示意图统中4in膜元件18支、2-1排列结62水工业市场2010年第4期 Communionhttp://www.jsbwater.com经验交流图2　系统产水盐量对元件产水量的灵敏度曲线图3　系统段通量比对元件产水量的灵敏度曲线图4　系统产水盐量对元件膜压降的灵敏度曲线图5　系统产水盐量对元件透盐率的灵敏度曲线构、系统流程长度12m、元件安此两图曲线表明，产水量较两图曲线表明，膜压降较大的元装位置18个。该系统模拟计算大元件置于系统前端会增大系统件置于系统流程中的任何位置均得出的标准产水含盐量为19.37产水的含盐量，并增高系统的段将增大系统的产水含盐量与段均mg/L、标准段均通量比为16.754/均通量比；而产水量较大元件置通量比。7.431=2.255，其系统结构及元件于系统末端时的系统运行效果相相比之下，膜压降较大元件的随机排列方式如图1所示。反。就产水量单一指标而言，膜置于系统前后两端时，系统的产元件在系统中的最佳排列位置应水含盐量与段均通量比上升的幅二、不同位置元件参数增量按照其产水量的数值从小到大依度较少；而膜压降较大元件置于对系统设计指标的灵敏度分析次从前向后排列。系统中间位置特别是置于后段前（1）元件产水量增量对于（2）元件膜压降增量对于端时，会大幅增加系统的产水含系统运行指标的影响系统运行指标的影响盐量与段均通量比。就膜压降单设算例系统中18支元件的三设算例系统中18支元件的一指标而言，膜元件在系统中的项指标均为标准值，仅有一个特三项指标均为标准值，仅有一最佳排列位置应将膜压降小的置殊元件的产水量指标在2600gpd个特殊膜元件的透盐率指标在于后段前端，而膜压降大的置于的基础之上增加10%与20%，即0.03MPa的基础之上增加10%系统前后两端。增加到2860gpd与3120gpd。将该与20%，即增加到0.033MPa与(3)元件透盐率增量对于系特殊元件分别置于系统中的各个0.036MPa。将该特殊元件分别置统运行指标的影响不同流程位置，即可得到图2及于系统流程中的各个不同位置，设算例系统中18支元件的三图3所示元件产水量增量对应系即可得到图4及图5所示元件膜压项指标均为标准值，仅有一个特统的产水含盐量与段均通量比的降增量对应系统的产水含盐量与殊元件的透盐率指标在0.8%的基百分增量曲线。段均通量比的百分增量曲线。此础之上增加10%与20%，即增加水工业市场2010年第4期63 经验交流http://www.jsbwater.comCommunion到0.88%与0.96%。将该特殊元件分别置于系统流程中的各个不同位置，即可得到图6所示元件透盐率增量对应系统的产水含盐量与段均通量比的百分增量曲线。该曲线表明，系统中任何位置上元件透盐率的增加均会造成系统产水含盐量的上升，但透盐率较大元件置于系统后端时将造成系统产水含盐量的更大幅度上升。就透盐率单一指标而言，膜元件在系统中的最佳排列位置应图6　膜元件参数的系统产水盐量灵敏度曲线按照其透盐率的量值从大到小依次从前向后排列。反渗透膜元件的透盐率尽管存在差异，但其数值均保持在0.5～2.0%的很低水平范围之内，透盐率在该范围内的变化基本不影响元件产水及系统产水的渗透压。因此，透盐率不同元件图7　算例系统中膜元件的优劣排列方式在系统中的位置基本不影响系统的段均通量比指标。相同。位置及18支膜元件的系统中，以(4)元件性参数增量的系统将图2、图4及图5中元件参产水含盐量最低为目标的元件安影响灵敏度数增长10%的系统影响指标以10装位置优化计算模型，可以表征图2至图6曲线还表明，膜相除即可得到图6所示灵敏度曲为典型的0-1整数规划形式。整元件性能参数变化10%与20%两线。该曲线是膜元件参数在各数规划的目标函数方程为种情况下，对系统性能指标的增自标准数值基础上增长1%条件量基本呈线性关系。例如，图6下，系统产水含盐量的百分增曲线表明，系统第一段流程位置量，也称为膜元件参数增量对系（1）4膜元件的透盐率上升10%时的统产水含盐量的灵敏度系数曲表达式中，、、分别系统产水含盐量上升约0.334，线。与此相类似，还可以得到膜为系统中膜元件的产水量、透该位置膜元件的透盐率上升20%元件参数增量对系统段均通量比盐率及膜压降三指标在其标准参时的系统产水含盐量上升约的灵敏度系数曲线。数基础上的增量；、、分别0.669%。为位置元件的产水量、透盐率膜元件性能参数变化对于系三、离散参数元件的系统最及膜压降三项指标增量对于系统统影响的线性性质还表现于同系佳安装位置及算法产水含盐量的灵敏度。值得注意统流程位置上两膜元件参数正反运用系统透盐率指标与各膜的是，首段中6m流程长度上存等量变化的系统影响相互抵消。元件离散参数量值的线性关系以在着12个元件位置，两元件位置例如，图1中位置4上元件4的透及数学规划方法可以得到算例系属于同一系统流程长度，故元件盐率上升20%与位置4上元件10统中某组离散参数膜元件的最佳的总数量为18支。为膜元件的透盐率下降20%同时发生时的安装位置。根据定义，2-1排列是否安装于系统元件位置上的系统影响与两者没有变化时基本结构、12m流程长度、18个元件待求变量，取值形式为0或1；64水工业市场2010年第4期 Communionhttp://www.jsbwater.com经验交流表1　以离散参数系统产水含盐量最低为目标的0-1整数规划权重更加显著。系数矩阵(2)离散特性膜元件对系统响应的灵敏度系数与系统结构、元件品种及运行工况相关，即图7与表1数据随系统差异而不同。(3)如各元件参数离散性具有相同的概率分布特性，优化排列的优势与系统规模无关。换言之，对于相同性质的两组膜元件而言，构成2-1排列系统与构成4-2排列系统，其优化排列后的产水含盐量并无区别。为变量权重系数。例如，系统末端即四、结论重系数。位置18处膜元件产水量、透盐率上述理论分析及计算过程表由于每支膜元件只能置于及膜压降三参数的灵敏度系数分明，反渗透膜系统中各膜元件普系统中的某一特定位置，所以别为、遍存在产水量、透盐率及膜压降有整数规划的等值约束方程及；第18支膜元三项指标的差异，各元件在系统（2）件产水量、透盐率及膜压降三流程中的不同排列顺序对系统产参数分别为、及水含盐量等系统性能指标存在直（3），在各自标准值基础上的增量接影响。运用“离散参数系统运表达式（1）至（3）构成了为、及行模拟软件”进行元件参数增量0-1整数规划的完整数学模型。；则第18支膜元件置于系统流程的系统产水含盐量灵敏度分析以模型中变量的权重系数为18处对系统产水含盐量的增量为及整数规划解法，可以得到系统表1所示的18行与18列的矩阵。透盐量最低为目标的元件安装排表中第1至4行数据形成的上表头运用MATLAB或LINGO等数列位置。分别是18支膜元件的序号及其学软件可以方便地得到0-1整数以优化排列膜元件位置获得产水量、透盐率及膜压降三项参规划的数值解。图7示出算例系系统透盐量最低目标的软技术，数，表中第5至7排数据为18支膜统中两类不同元件排列形式，其可以在不增加投资及运行费用条三项参数对于各自标准参数的增中优选与劣选两类排列形式的系件下使系统运行指标得到明显提量；表中左起5列数据形成的侧统产水含盐量分别为24.5mg/L与升。表头分别是12个系统流程长度及33.9mg/L，由此可知膜元件优化18个元件位置序号与该位置上排列的显著效果。工程企业为新三项膜元件参数单位增量对系统装系统的实际产水含盐量与合同作者简介及联系方式透盐率的灵敏度系数。由于系统指标相差1～2mg/L而不能交工的靖大为（1954－），男，天津市前段为两位置膜元件统属一个系实例并不少见，采用优化元件排人，天津大学1984年硕士毕业，统流程长度，前段各位置数据均列方式往往可以有效解决此类问天津城市建设学院膜技术中心，为双项重叠。题。邮箱：david_j5996@sina.com表1中央位置上数据矩阵中更多的计算分析表明：电话：13902085201的每一元素分别表示具有特定参(1)系统中膜元件参数离散数增量膜元件安装于相应位置程度越大，优化排列的优势越明时对系统产水含盐量增量的权显，即对清洗后重装系统的效果水工业市场2010年第4期65'