尹芳，都健，樊希山
（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連116012）

　　摘　要：為提高水的重復(fù)利用率，推薦采用以最大水的重復(fù)利用率為目標(biāo)，來(lái)設(shè)計(jì)用水網(wǎng)絡(luò)的新型水夾點(diǎn)技術(shù)。針對(duì)水夾點(diǎn)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中所存在的困難，提出了一種解決方案；最后把該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到一工程實(shí)例中，結(jié)果表明此方案是可行的。
　　關(guān)鍵詞：工業(yè)用水；水網(wǎng)；水夾點(diǎn)技術(shù)
　　中圖分類號(hào)：TU991.31
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1009－2455（2001）01－0023－03

引　言

　　我國(guó)是一個(gè)水資源缺乏的國(guó)家。解決水資源匾乏問題的方法雖然有很多，但污水回用及中水資源的開發(fā)，即提高水的重復(fù)利用率是當(dāng)前許多國(guó)家解決水資源短缺的有效途徑。因此，研究提高水的復(fù)用率的技術(shù)及推廣應(yīng)用具有重要的意義。新型水夾點(diǎn)技術(shù)就是一種提高水的重復(fù)利用率的新技術(shù)。水夾點(diǎn)技術(shù)自提出以來(lái)，國(guó)外已在工業(yè)用水過(guò)程系統(tǒng)的節(jié)水改造中得到了成功的應(yīng)用，尤其是英國(guó)Linnhoff公司投入了相當(dāng)大的力量進(jìn)行水夾點(diǎn)技術(shù)的研究，并完成多項(xiàng)節(jié)水改造項(xiàng)目，節(jié)能效益達(dá)30％－50％。但是水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)剛剛起步，由于此項(xiàng)技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)之間還存在一定的差距，此外國(guó)外在水夾點(diǎn)具體應(yīng)用方面的文獻(xiàn)較少，因此在實(shí)際工程應(yīng)用方面還待開發(fā)，有必要作進(jìn)一步的研究與探討。

1 水夾點(diǎn)技術(shù)概述

　　常規(guī)的節(jié)水策略，比如：再生再利用，再生再循環(huán)等，通常著眼于單個(gè)的單元操作，只能達(dá)到一定的節(jié)水目的，不能使整個(gè)用水系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水產(chǎn)生量達(dá)到最小。與常規(guī)的節(jié)水策略相比，水夾點(diǎn)技術(shù)是從系統(tǒng)的角度對(duì)整個(gè)用水網(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以期水的重復(fù)利用率達(dá)到最大。即：系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水排放量達(dá)到最小。它對(duì)用水系統(tǒng)的最大限度的污水回用和中水資源的開發(fā)提供理論 上的指導(dǎo)。
　　Y.P.Wang和R.Smith在研究化工過(guò)程中廢水產(chǎn)生量最小化問題時(shí)，提出了水夾點(diǎn)技術(shù)^[1]。但此水夾點(diǎn)技術(shù)存在諸如設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等種種缺陷。隨后，LinnhoffMarch公司提出了一種新型的水夾點(diǎn)技術(shù)^[2][3][4]，該方法較為直觀。這種技術(shù)是利用呈階梯狀的組合曲線（縱軸為雜質(zhì)濃度C，橫軸為流量F，簡(jiǎn)稱C－F圖）來(lái)設(shè)計(jì)用水網(wǎng)絡(luò)的。首先把如圖1所示的用水過(guò)程描述在C－F圖中：由用水過(guò)程1的入口水流中的雜質(zhì)濃度C1‘及流量F1’可在C－F圖中作一水平線1‘，稱之為該用水過(guò)程的用水線；而由其出口水流中的雜質(zhì)濃度動(dòng)及流量F1可在C－F圖中作一水平線1，由于此水流有可能用于其它過(guò)程，故稱之為該用水過(guò)程的水源線。這兩水平線
具有如下的特性：它們?cè)贑－F圖中水平移動(dòng)時(shí)不改變其對(duì)用水過(guò)程1的描述。把多個(gè)用水過(guò)程描述在C－F圖中，可以得到多條用水線及水源線，再利用水平移動(dòng)的特性，將各用水線水平移動(dòng)使之在同一垂線上首尾相連，從而形成階梯狀的用水組合曲線，如圖2中1‘2‘3‘4‘所示。同理，也可獲得水源組合曲線，如圖2中1234所示。從圖2可以直觀地看出用水的匹配關(guān)系，相重疊的部分之間互相匹配。用水組合曲線中沒有重疊的那部分用水單元由新鮮水來(lái)供給，水源組合曲線中沒有重疊的水源作為廢水排出系統(tǒng)。由于C－F圖中的每一水平線都具有水平移動(dòng)的特性，顯然兩組合曲線也可以相對(duì)水平移動(dòng)而不改變其對(duì)用水過(guò)程的描述。在水平移動(dòng)兩組合曲線的過(guò)程中，隨著兩線不斷地靠近，用水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量和廢水排放量逐漸減少，直至兩線在某處相碰，此時(shí)用水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量和廢水排放量達(dá)到最小值，用水網(wǎng)絡(luò)中水的重復(fù)利用率達(dá)到最大值，如圖3所示。兩組合曲線相碰的地方稱之為水夾點(diǎn)（Water Pinch），該點(diǎn)限制了水的進(jìn)一步重復(fù)利用，因此該點(diǎn)就是系統(tǒng)的用水瓶頸。改變水夾點(diǎn)附近部分用水過(guò)程的設(shè)計(jì)將會(huì)大大提高水的重復(fù)利用率，如圖3中的用水過(guò)程1和用水過(guò)程2在出口處匯合后，使用水過(guò)程2的水源線上移，進(jìn)而可以與用水過(guò)程3的用水線相匹配，這樣系統(tǒng)水的重復(fù)利用率增加即解瓶頸，如圖4所示。在圖4中，用水組合曲線中與新鮮水匹配的那部分都在水源組合曲線的上方，此時(shí)系統(tǒng)中不再有水的復(fù)用機(jī)會(huì)，系統(tǒng)中水的復(fù)用率達(dá)到最大值，這就是最終的設(shè)計(jì)最優(yōu)用水網(wǎng)絡(luò)的總組合曲線。

2 水夾點(diǎn)技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

　　2.1 應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)存在的困難
　　我們可以看出上面介紹水夾點(diǎn)技術(shù)時(shí)，前提是過(guò)程物流中只存在一種雜質(zhì)，即單雜質(zhì)過(guò)程。但實(shí)際生產(chǎn)中一般為多雜質(zhì)的情況，較為復(fù)雜，因此在應(yīng)用上面的水夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)存在一定的困難。
　　2.2 水夾點(diǎn)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的探討
　　針對(duì)上面所提到的困難，提出如下解決方案：
　　2.2.1 對(duì)用水操作單元進(jìn)行分類
　　把所含雜質(zhì)相同、相似或?qū)﹄s質(zhì)要求不嚴(yán)格的用水單元放在一起，形成一個(gè)用水系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行水夾點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)水的最大復(fù)用的用水網(wǎng)絡(luò)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是避免各用水單元因所含雜質(zhì)不同而造成的相互污染，從而影響水的回用。
　　2.2.2 選擇關(guān)鍵組分
　　把多雜質(zhì)用水過(guò)程虛擬為單雜質(zhì)用水過(guò)程，再利用水夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以達(dá)到全系統(tǒng)合理用水的目的。選擇關(guān)鍵組分的原則是所選的關(guān)鍵組分應(yīng)是用水過(guò)程單元中難以用簡(jiǎn)單的水處理方法（pH調(diào)整，沉淀等）使它的濃度降低的組分，這樣可以避免處理費(fèi)和操作費(fèi)過(guò)高。關(guān)鍵組分有時(shí)要多于一種，此時(shí)先單獨(dú)對(duì)每一種關(guān)鍵組分進(jìn)行水夾點(diǎn)技術(shù)分析，然后再求它們各自水的供需匹配關(guān)系的交集，該交集就是最終的供需匹配關(guān)系。
　　2.2.3 部分處理
　　在實(shí)施所設(shè)計(jì)出的最大水復(fù)用率的用水網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要對(duì)某些作為中水資源的用水過(guò)程的出口水流中的部分非關(guān)鍵組分進(jìn)行水處理，使它們的濃度達(dá)到匹配的用水單元進(jìn)口濃度的要求。
　　2.3 應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)的說(shuō)明
　?、龠x取數(shù)據(jù)時(shí)，雜質(zhì)濃度應(yīng)為極限濃度。所謂極限濃度是指在各用水單元的流率不變的情況下，使它們中各種雜質(zhì)的入口濃度達(dá)到工藝要求的上限。相應(yīng)的出口濃度就可求出。因?yàn)橹挥羞@樣才可以在最大程度上提高水的復(fù)用率。
　?、跒榱诵蜗蟮孛枋鏊谙到y(tǒng)中的流動(dòng)，在用水系統(tǒng)的C－F圖中，縱軸（雜質(zhì)濃度C）的零點(diǎn)應(yīng)定在坐標(biāo)軸的上方，水源組合曲線應(yīng)在用水組合曲線的左邊。
　　2.4 工業(yè)實(shí)例
　　為了便于驗(yàn)證所提出方案的可行性，在此引用文獻(xiàn)^[1]中實(shí)例。該實(shí)例是一石油精煉過(guò)程，文獻(xiàn)中是以Y.P.Wang＆R.Smith的多雜質(zhì)的水夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)用水網(wǎng)絡(luò)的。
　　選取石油精煉過(guò)程中的汽提、脫硫、脫鹽三個(gè)操作單元作為進(jìn)行用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
　　所選取的相關(guān)的數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　石油精煉過(guò)程極限用水?dāng)?shù)據(jù) 過(guò)程名 雜質(zhì)名 入口濃度/(mg·L^-1) 出口濃度/(mg·L^-1) 流量/(kg·h^-1) 汽提過(guò)程 有機(jī)雜質(zhì) 0 15 45×10³ H₂S 0 400 鹽 0 35 脫硫過(guò)程 有機(jī)雜質(zhì) 20 120 34×10³ H₂S 300 12500 鹽 45 180 有機(jī)雜質(zhì) 120 220 56×10³ H₂S 20 45 鹽 200 9500

　　選有機(jī)雜質(zhì)為關(guān)鍵組分，其它雜質(zhì)可以利用簡(jiǎn)單的水處理方法使其濃度降低。
　　由表1中的數(shù)據(jù)，作出以有機(jī)雜質(zhì)為關(guān)鍵組分的C－F圖，如圖5所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)中此時(shí)水的重復(fù)利用率達(dá)到最大，因?yàn)橛盟M合曲線中與新鮮水匹配的那部分都在未匹配的水源組合曲線的上方。根據(jù)圖5可以方便直觀的設(shè)計(jì)出最終的用水網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

　　所設(shè)計(jì)出的用水網(wǎng)絡(luò)與文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)出的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是相同的，因此所提出的解決方案是可行的。
　　如果上面3個(gè)用水過(guò)程的人口都以新鮮水作為水源，共消耗新鮮水135×10³kg/h。經(jīng)過(guò)再生復(fù)用的用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之后，從圖5中，可以看出所需新鮮水為55.5×10³kg/h，比前者節(jié)省了59％。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)水夾點(diǎn)技術(shù)如何應(yīng)用于多雜質(zhì)用水系統(tǒng)進(jìn)行了探討。針對(duì)水夾點(diǎn)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中所存在的困難，提出了有效的解決方案，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用將會(huì)起到促進(jìn)作用。

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　　[3]Paul Tripathi．Pinch Technology Reduces Wastewater[J]．Chemical Engineering，1996，（11）：87－90
　　[4]張?jiān)樱畩A點(diǎn)技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[D]．大連：大連理工大學(xué)，1998

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作者簡(jiǎn)介：
尹芳（1976－），女，碩士研究生