一种实现电去离子法制超纯水电耗最小化的优化方法

1.本发明是涉及一种实现电去离子法制超纯水电耗最小化的优化方法，属于水处理技术领域。


背景技术：

2.随着我国城市化和工业化发展，除了对水资源的需求提升外，对水质也有了高纯度的要求，如在医药、电子、化工、电镀、发电等众多工业领域中。
3.超纯水至今有着广泛需求，尤其是在提倡热电联产的大容量供热锅炉中的补充水要用软化水的需求下，使得超纯水的生产发展成了一项庞大产业。
4.超纯水的制备需要去除水中的大部分离子，而相关的去离子技术有蒸馏、反渗透、离子交换、电渗析以及电去离子(electrodeionization，简称edi)法。而edi是一种电驱动脱盐技术，在直流电、离子交换膜和离子交换树脂的作用下，能够高效去除水中的杂质离子，由于其能够通过水解离使离子交换树脂自动再生，因而被认为是一项绿色可持续的技术，通常作为反渗透抛光处理。因edi相对于传统的离子交换混床来说，具有占地面积小、投资费用低、并且不存在大量使用酸、碱而造成的环境污染问题，因此由超滤
‑
反渗透
‑
edi组成的全膜法工艺已逐步替代超滤
‑
反渗透
‑
离子交换工艺，现已成为当今制备超纯水的主流生产技术。
5.如图1所示，现有的edi装置是由交替排列在阳极和阴极之间的阳离子交换膜和阴离子交换膜及其构成的淡水室和浓水室，及在淡水室或浓水室中填充的阴、阳离子交换树脂构成。当前对edi技术的研究大多数都是基于给定的膜堆设计，对特定类型离子的去除、对不同的edi组件结构、进料温度、二氧化碳对edi的影响、对不同的进料溶液组成和所需产品的水质进行的相关研究，虽有少部分是关于edi的传质过程与整体性能相关联的模型研究，但这些模型基本都没有考虑水解离，而水的分解在提高离子去除率的同时也会降低电流效率，因此水解离的考虑是必要的。除此之外，现有的模型研究基本限于实验室规模的edi装置，对工业化规模的edi装置不具有参考价值。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种实现电去离子法制超纯水电耗最小化的优化方法，以降低采用电去离子法制超纯水的电耗成本。
7.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种实现电去离子法制超纯水电耗最小化的优化方法，包括如下步骤：
9.s1、确定edi组件的基本结构参数、进水电解质种类以及浓度；
10.s2、确定优化模型的决策变量；
11.s3、确定优化模型的约束条件；
12.s4、确定优化模型的目标函数；
13.s5、将构建的优化模型先转化为程序语言，然后利用软件进行最小化求解。
14.步骤s1中，所述edi组件的基本结构参数包括：w表示淡水室的总宽度，w
c
表示淡水室被划分的每个小单元的宽度，n表示淡水室被划分的总单元行数，m表示淡水室被划分的总单元列数，a表示所有离子交换膜的总膜面积，a
c
表示位于每个小单元的所有离子交换膜的膜面积，f表示淡水室的总流量，f
c
表示位于每个小单元的流量，r表示膜堆电阻，i表示操作电流，p表示总耗电量，q
i
表示阳离子交换树脂的交换容量，q
j
表示阴离子交换树脂的交换容量，k
i
表示阳离子的选择性系数，k
j
表示阴离子的选择性系数，μ
i
表示阳离子在溶液相的迁移率，表示阳离子在树脂相的迁移率，μ
j
表示阴离子在溶液相的迁移率，表示阴离子在树脂相的迁移率，λ
i
表示阳离子在溶液相的摩尔电导率，表示阳离子在树脂相的摩尔电导率，λ
j
表示阴离子在溶液相的摩尔电导率，表示阴离子在树脂相的摩尔电导率，z
i
表示阳离子的化合价，z
j
表示阴离子的化合价。
15.步骤s1中，设进水电解质中的阳离子为i、阴离子为j。
16.步骤s1中，设进水中的阳离子浓度为c0(i)、阴离子浓度为c0(j)。
17.步骤s2中所述决策变量如下：
18.c
i
(i，m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元溶液相中各阳离子浓度；
19.c
j
(j，m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元溶液相中各阴离子浓度；
20.q
i
(i，m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元树脂相中各阳离子浓度；
21.q
j
(i，m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元树脂相中各阴离子浓度；
22.t
i
(i，m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元中的阳离子迁移数；
23.t
j
(j，m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元中的阴离子迁移数；
24.κ(m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元的溶液相电导率；
25.表示位于淡水室中第m列、第n行小单元的树脂相电导率；
26.κ
cell
(m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元的总电导率；
27.λ
cell
(m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元的电导；
28.λ
line
(n)：表示位于淡水室中第n行所有单元的行电导；
29.i
line
(n)：表示位于淡水室中第n行所有单元的行电流；
30.i
global
：表示全局总电流；
31.waterdis(m，n)：表示位于淡水室中第m列、第n行小单元中阴、阳离子交换膜侧的水解离产物所导致的电迁移通量。
32.步骤s3中所述约束条件如下：
33.1)阳、阴离子守恒的约束条件为：
[0034][0035][0036]
2)阳、阴离子迁移数的约束条件为：
[0037]
[0038][0039]
3)每行电流的约束条件为：
[0040][0041]
4)行电导与小单元的电导之间的约束条件为：
[0042][0043]
5)每个小单元的电导与电导率的约束条件为：
[0044][0045]
6)每个小单元的电导率与固相和液相的电导率的约束条件为：
[0046][0047]
κ(m，n)＝∑
i
|z
i
|c
i
λ
i
+∑
j
|z
j
|c
j
λ
j
[0048][0049]
7)阳、阴离子交换平衡的约束条件为：
[0050][0051][0052]
8)阳、阴离子交换树脂总交换容量的约束条件为：
[0053][0054][0055]
9)靠近阳离子交换膜一侧的边界条件为：
[0056][0057][0058]
2＜n＜n；
[0059]
10)靠近阴离子交换膜一侧的边界条件为：
[0060][0061][0062]
2＜n＜n；
[0063]
11)进水条件的约束条件为：
[0064]
c
i
(i，m，
′0′
)＝c0(i)
[0065]
c
i
(j，m，
′0′
)＝c0(j)。
[0066]
步骤s4中所述目标函数如下：
[0067]
minimizep＝i2r。
[0068]
步骤s5中，将构建的优化模型先转化为gams程序语言，然后利用conopt求解器进行最小化求解。
[0069]
与现有技术相比，本发明具有如下显著性有益效果：
[0070]
经应用实例证明：在不改变现行工艺和不增加硬件投入的情况下，且在保证处理量和质量的前提下，只需通过采用本发明的优化方法，即可使采用电去离子法(edi)每制备一吨超纯水的电耗下降35％，对采用edi法制备超纯水的生产企业降低能耗和成本具有显著价值。
附图说明
[0071]
图1为现有edi装置的结构示意图；
[0072]
图2为现有edi装置中淡水室的结构示意图。
具体实施方式
[0073]
下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。
[0074]
实施例
[0075]
采用某市售edi组件(如图1所示)处理流量为2m3/h，电导率为15μs/cm的nacl溶液，正常工况下通常固定操作电流为3.5a，操作电压为110v，因此实际生产每吨超纯水的耗电量为192.5w
·
h。
[0076]
现采用本发明所述的实现电去离子法制超纯水电耗最小化的优化方法：
[0077]
s1、确定edi组件的基本结构参数、进水电解质种类以及浓度，详见表1和表2所示：
[0078]
表1：edi组件的基本结构参数
[0079][0080]
表2各离子的摩尔电导率和迁移率值
[0081][0082]
s2、确定优化模型的决策变量：
[0083]
c
i
(i，m，n)、c
j
(j，m，n)、q
i
(i，m，n)、q
j
(i，m，n)、t
i
(i，m，n)、t
j
(j，m，n)、κ(m，n)、κ
cell
(m，n)、λ
cell
(m，n)、λ
line
(n)、i
line
(n)、i
global
、waterdis(m，n)；
[0084]
s3、确定优化模型的约束条件：
[0085]
1)阳、阴离子守恒的约束条件为：
[0086][0087][0088]
2)阳、阴离子迁移数的约束条件为：
[0089][0090][0091]
3)每行电流的约束条件为：
[0092][0093]
4)行电导与小单元的电导之间的约束条件为：
[0094][0095]
5)每个小单元的电导与电导率的约束条件为：
[0096]
[0097]
6)每个小单元的电导率与固相和液相的电导率的约束条件为：
[0098][0099]
κ(m，n)＝∑
i
|z
i
|c
i
λ
i
+∑
j
|z
j
|c
j
λ
j
[0100][0101]
7)阳、阴离子交换平衡的约束条件为：
[0102][0103][0104]
8)阳、阴离子交换树脂总交换容量的约束条件为：
[0105][0106][0107]
9)靠近阳离子交换膜一侧的边界条件为：
[0108][0109][0110]
2＜n＜n；
[0111]
10)靠近阴离子交换膜一侧的边界条件为：
[0112][0113][0114]
2＜n＜n；
[0115]
11)进水条件的约束条件为：
[0116]
c
i
(i，m，
′0′
)＝c0(i)
[0117]
c
i
(j，m，
′0′
)＝c0(j)；
[0118]
s4、确定优化模型的目标函数；
[0119]
minimizep＝i2r；
[0120]
s5、将构建的优化模型先转化为gams程序语言，然后利用conopt求解器进行最小化求解。
[0121]
经过上述优化实验得知：在不改变现行工艺和不增加硬件投入的情况下，且在保
证处理量和质量的前提下，只需通过采用本发明的上述优化方法，即可使采用电去离子法(edi)每制备一吨超纯水的耗电量由192.5w
·
h下降为126w
·
h/t，使耗电量直接减少了35％，对采用edi法制备超纯水的生产企业降低能耗和成本具有显著价值。
[0122]
最后需要在此指出的是：以上仅是本发明的部分优选实施例，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。