摘
要：发展海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途径。反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近10年来发展速度很快，在未来将成为海水淡化的主导技术。根据热力学计算，常温下用反渗透法淡化海水的最低能耗仅为0.7KWH/m3左右。从理论上讲，它是最节能的海水淡化方法。但目前，对于反渗透海水淡化，其技术经济指标与社会的期盼值之间，还存在一定的距离，淡化水的成本提高。这说明当前的反渗透工艺、工程设计以及系统操作等方面仍有很多值得改进的地方。反渗透海水淡化系统优化设计的研究起步较晚，近十几年来一些学者对此开展了研究，提出了一些观点和方法，如超结构法等，然而由于问题本身的复杂性，所提的方法尚存不足之处，如高效率换能器的出现，产生了新的工艺，需要有新的模型来描述，另外他们对膜组件清洗和更换问题考虑也不够全面。本论文从系统工程角度，对反渗透海水淡化过程进行了分析，采用最优化方法对反渗透海水淡化系统的设计进行研究，提出了一套优化设计的方法，主要内容有以下几点：
对反渗透淡化过程的工艺设计进行了研究。首先对过程的每个单元给出了单元操作模型和相关的经济模型。通过一定的变量将这些模型相互关联，组成系统模型。系统模型主要考虑了一级一段流程和一级两流程。将膜组件分为高脱盐膜、高通量膜、普通膜、低脱盐膜四种类型，以年费用最小为目标，在满足过程热力学、设备选型、设计要求等约束的条件下，系统的设计问题可表达为一个混合整数非线性规划（MINLP）。当产品水的设计要求不同，给水浓度不同时，采用本文的设计方法分别得出了不同的最优设计方案。这个方法可用于海水、苦咸水淡化的工程设计，也可用于高浓度含盐废水的脱盐工艺设计。对两个实例进行了设计，得到的吨水费用，能耗低于文献报道值，表明这种方法是有效的。
膜污染是反渗透海水淡化法遇到的一个问题，对膜组件的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一，在保证产水量的情况下，选择恰当的清洗策略和清洗时机可使用权所需的清洗次数最合理，清洗费用最低。本文在反渗透海水淡化过程工艺设计研究基础上进一步对一级一段反渗透系统的清洗时机问题进行了研究。以规划期内总操作费用最小为目标，提出了新的污染模型，给出了清洗的判据，将清洗策略问题表达为一个混合整数非线性规则（MINLP）。对一个实例进行计算，给出了该例中的反渗透系统在五年规划期内的最优清洗策略和清洗时机。结果证明这种数学规划方法对于寿命为3-5年的膜组件的清洗维护是有效的。
在工艺优化和操作优化的基础上，进一步对反渗透系统的优化设计进行研究。在设计过程中同时考虑了五年规划期内膜组件的清洗和更换情况，采取了以下步骤对反渗透过程进行设计：1）给出过程单元数学模型，用这些模型模拟反渗透过程，预测不同条件下操作参数对过程的影响；2）建立系统模型对反渗透结构进行描述；3）建立描述膜组件污染的数学模型，提出膜组件清洗和更换的判据，给出规划期内膜组件的最优清洗和更换策略。4）给出相关的经济模型，将投资费用、操作费用和设计变量相关联。5）在前四步的基础上用数学规划法对反渗透过程进行优化设计。采取以上方法对两个反渗海水淡化工程进行了设计，得到的吨水费用，能耗低于文献报道值，表明这种方法是有效的。
关键词：反渗透；海水淡化；优化设计；膜污染；清洗和更换策略
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