尹芳，都健，樊希山
（大連理工大學化工學院，遼寧 大連116012）

　　摘　要：為提高水的重復利用率，推薦采用以最大水的重復利用率為目標，來設計用水網絡的新型水夾點技術。針對水夾點技術在實際生產應用中所存在的困難，提出了一種解決方案；最后把該項技術應用到一工程實例中，結果表明此方案是可行的。
　　關鍵詞：工業用水；水網；水夾點技術
　　中圖分類號：TU991.31
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455（2001）01－0023－03

引　言

　　我國是一個水資源缺乏的國家。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，即提高水的重復利用率是當前許多國家解決水資源短缺的有效途徑。因此，研究提高水的復用率的技術及推廣應用具有重要的意義。新型水夾點技術就是一種提高水的重復利用率的新技術。水夾點技術自提出以來，國外已在工業用水過程系統的節水改造中得到了成功的應用，尤其是英國Linnhoff公司投入了相當大的力量進行水夾點技術的研究，并完成多項節水改造項目，節能效益達30％－50％。但是水夾點技術在我國剛剛起步，由于此項技術與實際生產之間還存在一定的差距，此外國外在水夾點具體應用方面的文獻較少，因此在實際工程應用方面還待開發，有必要作進一步的研究與探討。

1 水夾點技術概述

　　常規的節水策略，比如：再生再利用，再生再循環等，通常著眼于單個的單元操作，只能達到一定的節水目的，不能使整個用水系統的新鮮水用量和廢水產生量達到最小。與常規的節水策略相比，水夾點技術是從系統的角度對整個用水網絡同時進行設計優化，以期水的重復利用率達到最大。即：系統的新鮮水用量和廢水排放量達到最小。它對用水系統的最大限度的污水回用和中水資源的開發提供理論 上的指導。
　　Y.P.Wang和R.Smith在研究化工過程中廢水產生量最小化問題時，提出了水夾點技術^[1]。但此水夾點技術存在諸如設計結構較為復雜等種種缺陷。隨后，LinnhoffMarch公司提出了一種新型的水夾點技術^[2][3][4]，該方法較為直觀。這種技術是利用呈階梯狀的組合曲線（縱軸為雜質濃度C，橫軸為流量F，簡稱C－F圖）來設計用水網絡的。首先把如圖1所示的用水過程描述在C－F圖中：由用水過程1的入口水流中的雜質濃度C1‘及流量F1’可在C－F圖中作一水平線1‘，稱之為該用水過程的用水線；而由其出口水流中的雜質濃度動及流量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程，故稱之為該用水過程的水源線。這兩水平線
具有如下的特性：它們在C－F圖中水平移動時不改變其對用水過程1的描述。把多個用水過程描述在C－F圖中，可以得到多條用水線及水源線，再利用水平移動的特性，將各用水線水平移動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供給，水源組合曲線中沒有重疊的水源作為廢水排出系統。由于C－F圖中的每一水平線都具有水平移動的特性，顯然兩組合曲線也可以相對水平移動而不改變其對用水過程的描述。在水平移動兩組合曲線的過程中，隨著兩線不斷地靠近，用水網絡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，此時用水網絡的新鮮水用量和廢水排放量達到最小值，用水網絡中水的重復利用率達到最大值，如圖3所示。兩組合曲線相碰的地方稱之為水夾點（Water Pinch），該點限制了水的進一步重復利用，因此該點就是系統的用水瓶頸。改變水夾點附近部分用水過程的設計將會大大提高水的重復利用率，如圖3中的用水過程1和用水過程2在出口處匯合后，使用水過程2的水源線上移，進而可以與用水過程3的用水線相匹配，這樣系統水的重復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，此時系統中不再有水的復用機會，系統中水的復用率達到最大值，這就是最終的設計最優用水網絡的總組合曲線。

2 水夾點技術在工程實踐中的應用

　　2.1 應用水夾點技術存在的困難
　　我們可以看出上面介紹水夾點技術時，前提是過程物流中只存在一種雜質，即單雜質過程。但實際生產中一般為多雜質的情況，較為復雜，因此在應用上面的水夾點技術對用水網絡進行分析設計時會存在一定的困難。
　　2.2 水夾點技術在實際生產應用中的探討
　　針對上面所提到的困難，提出如下解決方案：
　　2.2.1 對用水操作單元進行分類
　　把所含雜質相同、相似或對雜質要求不嚴格的用水單元放在一起，形成一個用水系統，對該系統進行水夾點分析，設計出該系統水的最大復用的用水網絡。這樣做的優點是避免各用水單元因所含雜質不同而造成的相互污染，從而影響水的回用。
　　2.2.2 選擇關鍵組分
　　把多雜質用水過程虛擬為單雜質用水過程，再利用水夾點技術對用水網絡進行分析設計，以達到全系統合理用水的目的。選擇關鍵組分的原則是所選的關鍵組分應是用水過程單元中難以用簡單的水處理方法（pH調整，沉淀等）使它的濃度降低的組分，這樣可以避免處理費和操作費過高。關鍵組分有時要多于一種，此時先單獨對每一種關鍵組分進行水夾點技術分析，然后再求它們各自水的供需匹配關系的交集，該交集就是最終的供需匹配關系。
　　2.2.3 部分處理
　　在實施所設計出的最大水復用率的用水網絡時，要對某些作為中水資源的用水過程的出口水流中的部分非關鍵組分進行水處理，使它們的濃度達到匹配的用水單元進口濃度的要求。
　　2.3 應用水夾點技術的說明
　　①選取數據時，雜質濃度應為極限濃度。所謂極限濃度是指在各用水單元的流率不變的情況下，使它們中各種雜質的入口濃度達到工藝要求的上限。相應的出口濃度就可求出。因為只有這樣才可以在最大程度上提高水的復用率。
　　②為了形象地描述水在系統中的流動，在用水系統的C－F圖中，縱軸（雜質濃度C）的零點應定在坐標軸的上方，水源組合曲線應在用水組合曲線的左邊。
　　2.4 工業實例
　　為了便于驗證所提出方案的可行性，在此引用文獻^[1]中實例。該實例是一石油精煉過程，文獻中是以Y.P.Wang＆R.Smith的多雜質的水夾點技術進行分析設計用水網絡的。
　　選取石油精煉過程中的汽提、脫硫、脫鹽三個操作單元作為進行用水網絡設計。
　　所選取的相關的數據如表1所示：

表1　石油精煉過程極限用水數據 過程名 雜質名 入口濃度/(mg·L^-1) 出口濃度/(mg·L^-1) 流量/(kg·h^-1) 汽提過程 有機雜質 0 15 45×10³ H₂S 0 400 鹽 0 35 脫硫過程 有機雜質 20 120 34×10³ H₂S 300 12500 鹽 45 180 有機雜質 120 220 56×10³ H₂S 20 45 鹽 200 9500

　　選有機雜質為關鍵組分，其它雜質可以利用簡單的水處理方法使其濃度降低。
　　由表1中的數據，作出以有機雜質為關鍵組分的C－F圖，如圖5所示。從圖中可以看出，系統中此時水的重復利用率達到最大，因為用水組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。根據圖5可以方便直觀的設計出最終的用水網絡，如圖6所示。

　　所設計出的用水網絡與文獻中所設計出的優化網絡是相同的，因此所提出的解決方案是可行的。
　　如果上面3個用水過程的人口都以新鮮水作為水源，共消耗新鮮水135×10³kg/h。經過再生復用的用水網絡設計之后，從圖5中，可以看出所需新鮮水為55.5×10³kg/h，比前者節省了59％。

3 結束語

　　本文對水夾點技術如何應用于多雜質用水系統進行了探討。針對水夾點技術在實際生產應用中所存在的困難，提出了有效的解決方案，對該項技術在我國的推廣應用將會起到促進作用。

參考文獻：
　　[1]Y.p.wang，R.Smith.Wastewater Minimisation[J]．Chemical Engineering Science，1994，(7)：981－1006．
　　[2]Vikas R.Dhole，Nand Ramchandani，Richard A，Tainsh，Marek Wasilewski．Make Your Process Water Pay For Itself[J]．Chemical Engineering，1996，(1)：100－103．
　　[3]Paul Tripathi．Pinch Technology Reduces Wastewater[J]．Chemical Engineering，1996，（11）：87－90
　　[4]張曾子．水夾點技術在化工生產中的應用[D]．大連：大連理工大學，1998

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作者簡介：
尹芳（1976－），女，碩士研究生