过程水系统集成技术及其进展

水系统集成技术是将整个企业的用水系统作为一个有机的整体来对待的一种技术,可以有效地节省新鲜水用量,并同时减少污水的排放.介绍了近年来在过程水系统集成方面的研究进展.对于常规水网络结构,主要包括两方面的研究水夹点技术与数学规划法,指出了两种技术的优势与缺陷及有待进一步研究的问题.还介绍了一种新的水网络--基于中水道的水网络--的研究与进展.     

间歇过程单杂质用水网络设计

提出了一种利用时间-纯度两维用水图进行用水网络设计的方法，分别提出了无中间储罐和有中间储罐的设计规则。该方法把水的纯度作为一维，把时间作为另一维，从而更好地同时描述间歇用水过程的时间特性和杂质特性。它首先通过水级联分析技术确定间歇过程用水网络的夹点及最小公用工程，然后利用时间-纯度图和设计规则来合成用水网络，对有储罐的情况，确定了储罐的数量与容量，最后利用时间-水网络图描述了所合成的最优间歇过程用水网络，并探讨了用水过程流量对网络的影响。通过文献实例计算，表明该方法简单、直观、有效。     

水级联法确定间歇用水过程的夹点及废水最小化

利用水级联分析法对间歇过程用水网络进行研究,确定过程的用水夹点及最小新鲜水用量和最小废水排放量,提出了间歇用水过程的全局夹点的概念,考虑了用水过程的流率限制,在水级联表格中用流率替代了传统水级联分析法中的传质量,识别过程中每个时间段的局部夹点及公用工程目标,通过全局夹点和局部夹点的比较,指出过程的用水瓶颈,设置储罐打破瓶颈,使用水网络公用工程目标最小化。通过实例对水级联分析法进行了详细的阐述,计算结果与文献一致,表明该方法是一种易于理解、直观且简便有效的确定间歇过程用水网络的夹点及最小公用工程的方法。     

水系统集成优化方案的博弈分析与评价方法

对水系统集成优化方案的分析和决策需要考虑新鲜水用量、用水系统的柔性和用水网络结构的复杂程度等方面。水网络优化设计方案的确定一般需要在这三者之间进行折中和协调,属于多目标优化问题。为了综合考虑新鲜水消耗量和网络结构复杂程度等指标,并定量分析和确定水网络的优化设计方案,本文提出一种基于博弈分析的水网络优化方案的定量分析方法。以具有中间水道水网络优化设计方案的决策为例,采用本文方法进行了优化设计方案的分析与评价。研究表明：该定量分析和评价用水网络的方法可以合理地评价用水网络的设计方案,该方法可用于定量确定水系统优化问题中的多目标优化方案,可为水系统优化集成方案的确定提供分析依据和指导。     

分阶段线性规划法快速设计含有多种污染物的用水网络

针对含有多种污染物用水网络的设计问题,提出了一种新方法.该方法先基于各个用水过程的污染物最大出口浓度对过程排序,然后采用GAMS(general algebraic modeling system)语言建立线性规划模型,依次对序列中的每个过程的废水回用方案进行优化计算,以确定出其最小新鲜水用量和来自前驱的废水回用量.该方法虽然不能保证所得解的全局最优性,但它能快速地找到最优或近似最优解,而且方法简单.     

水网络与虚拟水的过程系统工程研究进展

水危机的迫切性已经引起了全世界过程系统工程领域的普遍关注。首先概述了全球和中国水危机的严重情况, 介绍了政府和学术界的对策, 系统地检索了1994年以来对水网络和虚拟水问题发表的文献著作。分3个层次对国内外的研究做了系统综述:①单个企业内水网络系统集成优化, 包括用水网络(WUN)、废水处理网络(WWTN)、总水网络(TWN)和全水网络(CWN)及冷却循环水系统问题、有中水道水网络和间歇水网络问题3个特殊问题;热量和水耗同时最小化的水配置和换热网络问题(WAHEN);多种工艺与能、水网络系统同时集成优化研究;②跨企业多个水网络系统集成优化;③跨地区/国家的虚拟水与产品水足迹研究。这些研究对企业的、跨企业的生态工业园区以及区域产业系统的节水减排和提高水、能的利用效率可以发挥重要作用, 并对解决缺水地区/国家的政策制定提供依据。     

具有中间水道的多杂质用水网络简化设计方法

与常规水网络相比,具有中间水道的水网络更有利于运行和控制。浓度势是作者最近提出的解决多杂质用水网络设计的新概念。在浓度势概念基础上提出了一种具有中间水道的多杂质用水网络设计新方法。该方法采用浓度势方法设计出初始水网络,并在此基础上初步确定各中间水道的结构及水量,然后根据浓度势从小到大的顺序依次由中间水道满足各用水过程,而各级中间水道的最终水量以能满足各级水阱需求来确定。该方法只需简单计算即可完成具有两级中间水道的水网络设计。对文献实例求解结果表明,所得结果与由数学规划法得出的结果接近。     

最小化新鲜水量与废水处理量的图形方法

水分配网络由回用、再生和废水处理3个相互作用的子系统构成。设计水分配网络需考虑质量负荷固定和流量固定两类用水操作模型。目前，兼顾两类用水操作的图形方法对水分配网络的研究局限于一个或两个子系统的设计，而缺少一种能同时处理3个子系统的方法。本文用新的方法合成了反映用水网络水源盈亏情况的总组合曲线，并由此得到最小废水量和新鲜水量。为考虑废水再生情况，提出通过用再生水线和废水线合成废水排放线的方法求解再生情况下的最小新鲜水量。同时，根据总组合曲线得到了废水组合曲线，求得最小废水处理量。实例表明，本文所提方法可在具体网络设计前，在同一浓度-质量负荷图中确定单杂质水分配网络的各目标参数，且简便易行。     

某5万t/a乙丙橡胶工厂的消防设计

主要介绍了宁波乙丙橡胶工厂生产区的消防设计情况,较为详细地介绍了消防泵房、消防水池室内外消火栓、消防水炮、自动喷水系统及水喷雾系统的消防设计参数,对消防设计中遇到的其他问题集解决方法进行了简要介绍,为后续类似工程的消防设计提供了参考.     

水夹点分析与数学规划法相结合的用水网络优化设计

提出了水夹点分析和数学规划法相结合的用水网络最优设计法。水夹点分析基于对过程用水的理解,获得新鲜水用量目标并给出用水网络设计的基本规则。在此基础上建立过程使用新鲜水、排放废水和回用的各种可能匹配方案的用水网络超结构及其MINLP模型。既避免了用水夹点综合设计用水网络得不到真正意义上的最优解,又在一定程度上防止超结构规模过大,MINLP维数太高,求解困难。采用通用代数建模系统GAMS得到用水网络最优设计方案。文献中的应用实例表明,本文所提方法可充分发挥水夹点分析确定新鲜水用量或回用结构的简洁实用性和超结构MINLP寻求最佳方案的优点。     

基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化

超结构用水网络规模大、结构复杂、求解比较困难。本文提出了基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化设计方法,该方法按出口浓度的单调性进行排列,使进口浓度或出口浓度达最大值以确定用水量,简化了用水网络超结构及数学模型。以最小新鲜水量为目标,以过程之间回用水量和废水量为基因,对简化后的用水网络运用遗传算法进行了优化设计。遗传算法采用浮点数编码方法,运用了算术交叉技术和种群间交叉技术。计算实例表明,本文所提方法可行,能利用最大水回用规则简化用水网络,并快速求出其最优解。     

考虑环境及处理单元流股回用的多性质用水网络集成

水资源的日益匮乏和更为严格的废水排放法律法规促使过程工业必须重视节水减排问题,而传统的用水网络综合仅将杂质浓度作为约束物料回用的限制因素,忽略流股的性质或功能对流股回用的影响,不足以反映实际的工业生产要求。因此,开展用水网络的多性质集成问题研究具有重要的现实意义。本文在考虑环境问题的多性质用水集成超结构模型基础上,增加了对废水流股性质处理中部分流股依次回用给阱单元使用的过程。该方法以最小年度总费用为目标函数,建立了考虑环境和过程流股性质的直接回用及经过处理单元后流股回用的混合整数非线性规划(MINLP)模型,并将其用于实例计算,结果表明本文方法在降低年度总费用的同时还减少了新鲜水使用量及废水排放量,验证了本文方法的有效性及优越性。     

Optimal interplant water networks for industrial zones: Addressing interconnectivity options through pipeline merging

To date, alternative design options that exist for interconnecting transmission and distribution networks have not been considered in water reuse network synthesis. Existing approaches that do incorporate piping expenses in the design of interplant water networks assign a separate pipeline for every water allocation. However, merging together common pipeline regions for the transmission of water from, or to nearby but different processing facility destinations may improve the overall water network performance not only in terms of cost efficiency but also in terms of complexity. A novel approach that is capable of accounting for pipeline merging scenarios that could exist within a water reuse network is introduced in this article. Two different pipeline branching possibilities have been introduced in this work, for the purpose of merging: (1) forward branching and (2) backward branching. The approach is implemented for the design of interplant water networks considering direct water reuse amongst several coexisting processing facilities within an industrial zone. A case study is presented to illustrate the application of the approach and its benefits. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 2853–2874, 2014     

具有中间水道的废水再生循环水网络的优化

考虑废水再生循环的水网络,可以最大限度地减少系统的新鲜水消耗和废水排放量,具有中间水道的水网络结构,可以有效地提高系统的柔性,本文建立了具有中间水道的废水再生循环水网络的超结构,提出了网络优化的数学模型。由于该最优网络涉及多参数的优化,本文采用了分步优化的策略,根据各参数的相对重要性,依次对新鲜水消耗量、再生水流率和再生负荷进行优化。计算实例表明,本文建立的方法是有效的。     

Integrated water resource management through water reuse network design for clean production technology: State of the art

This article considers new and existing technologies for water reuse networks for water and wastewater minimization. For the systematic design of water reuse networks, the theory of the water pinch methodology and the mathematical optimization are described, which are proved to be effective in identifying water reuse opportunities. As alternative solutions, evolutionary solutions and stochastic design approaches to water system design are also illustrated. And the project work flow and an example in a real plant are examined. Finally, as development is in the forefront in process industries, this paper will also explore some research challenges encountered in this field such as simultaneous water and energy minimization, energy-pinch design, and eco-industrial parks (EIP).     

Optimal design of water pipeline networks for the development of shale gas resources

One of the major concerns in shale gas production is water management. Millions of gallons of water are injected to fracture each well and a significant amount returns to the surface as flowback. Operators are increasingly reusing flowback to reduce freshwater consumption and impaired water disposal. Because of this, networks of water pipelines in U.S. shales are growing fast. This work is aimed at addressing the optimal planning of shale gas operations in multiple wellpads together with the design of water distribution networks (WDN). We propose a multiperiod mixed-integer linear programming model to solve the challenging stay-or-mobilize trade-off. The proposed model permits to schedule operations at a detailed level, accounting for the WDN required to maximize the reuse of impaired water. We present illustrative examples involving up to 20 pads, 4 frac-crews, and 100 wells developed over 1 year, showing that the design of the WDN can be effectively optimized.     

非洲干旱地区节水型炼油厂水系统设计的探讨

水资源是制约非洲干旱地区新建炼油厂的重要因素之一,因此,如何节水、用水,是炼油厂必须面对的问题。结合实际工程,通过对炼油厂取水、净化水、循环冷却水、除盐水、污水处理及污水回用水系统设计的分析,总结了炼油厂水系统的设计方法、节水思路和措施,对类似干旱地区炼油厂工程设计有一定的借鉴意义。     

采用迭代方法设计具有再生再利用/循环的单杂质用水系统

具有再生再利用/循环利用的水网络与只有再利用的水网络不同之处在于前者增加了再生水流。如能确定再生水流的浓度和流量并将之加到只考虑再利用的水网络中,即可构成具有再生再利用/循环利用的水网络。在上述思想基础上提出一种迭代法设计具有再生再利用/循环利用的水网络。该方法既可以解决给定移除率（removal ratio,RR）问题,又可以解决固定再生浓度问题。对RR问题,根据水网络及再生过程的特点估算出初始再生水流浓度,再生水流的量待定。将所得再生水流加到只考虑再利用的网络中构成具有再生过程的水网络。设计上述水网络,可以得出新的再生水流的量及浓度。当相邻两次再生浓度之差小于给定值时迭代结束。对RR问题,通常只需几次迭代即可得出最终设计;对于固定再生浓度问题,只需一次迭代即可得出最终设计。设计中考虑了影响水网络设计总费用的新鲜水用量、再生水用量和杂质再生负荷3个主要参数。对文献中几个实例的研究表明,本文方法得到的设计与文献中的设计相当,而设计步骤比文献中的简单。