膜法反渗透海水淡化动态过程建模及优化

摘要

膜法反渗透海水淡化(Reverse Osmosis Seawater Desalination，SWRO)作为一种淡水开源技术，凭借着其成本和工艺优势已成为21世纪发展最为迅速的海水淡化技术。然而，目前反渗透海水淡化运行成本较普通市政用水费用仍然偏高。因此，围绕着SWRO系统的优化研究从未间断。其中SWRO系统模型作为优化的基础，一直是国内外学者研究的重点。本文在查阅大量相关文献资料基础上，以反渗透过程操作优化控制研究为背景，建立SWRO系统动态过程模型，并针对模型求解精度问题，较深入地研究有限元配置法离散过程，改进求解算法。
　　本研究主要内容包括：⑴以一级反渗透海水淡化系统为研究对象，着重分析系统整体流程特点和主要关联变量。通过反渗透过程参数变化情况，结合反渗透膜的溶解扩散机理和系统的物料守恒定律，建立RO制水单元的局部状态模型和蓄水单元模型。同时，考虑到模型方程所含微分及非线性代数方程所带来求解困难情况，采用联立法将上述微分方程通过有限元配置离散为系列代数方程组，并利用IPOPT求解器求解。最终将模拟结果与陶氏化学ROSA9.0软件进行对比，分析过程变量的吻合程度，验证该局部RO稳态过程模型的准确性。⑵分析SWRO过程局部稳态模拟结果，综合反渗透过程机理和流体力学及热力学定律，建立RO动态过程模型并在GAMS上模拟。由于该模型包含在时间和空间的偏微分代数方程，因此通过有限元配置法两次离散处理。通过不同操作变量的阶跃响应，得到反渗透系统过程变量的动态响应曲线，为SWRO系统的非线性优化控制奠定了模型基础。⑶针对SWRO模型求解过程中变量离散问题，提出一种移动式有限元划分方法用于反渗透过程模拟与优化。以有限元配置离散误差为约束，采用迭代检验的思想，优化模型离散过程，在保证求解精度的同时尽量减少有限元个数。⑷研究了RO过程中膜污染对系统性能的影响，以滤饼层变化、浓差极化为主要污染因素，结合膜自身性能下降问题，建立改进的SWRO系统膜污染动态过程模型并进行模拟；同时给出一种膜清洗的优化策略，结果表明该动态模型能为膜清洗与替换提供有效依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2海水淡化技术概况

1.3 SWRO系统优化研究现状

1.4 SWRO系统建模研究现状

1.5本文研究的意义和内容

第2章 SWRO系统与建模基础

2.1引言

2.2 SWRO系统基础模型

2.3 SWRO系统模型求解算法

2.4模型验证与分析

2.5本章小结

第3章 SWRO动态模型建立与仿真

3.1引言

3.2 反渗透动态过程建模

3.3 模型仿真

3.4本章小结

第4章 SWRO系统建模中有限元划分优化

4.1引言

4.2动态优化控制问题

4.3有限元划分优化策略

4.4 SWRO系统模型的有限元划分优化

4.5本章小结

第5章 改进的膜污染动态过程模拟

5.1引言

5.2 SWRO系统膜污染过程模型

5.3 实例仿真

5.4 SWRO系统膜清洗优化

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

附录