一种测定高含盐废水蒸发量的方法及系统与流程

1.本发明涉及高含盐废水处理领域，特别是涉及一种测定高含盐废水蒸发量的方法及系统。


背景技术：

2.我国煤炭资源和水资源成逆向分布，缺水是西部地区发展煤化工普遍面临的窘境问题，同时缺乏纳污水体或缺乏纳污指标，这就意味着排污没有去向，是煤化工企业绕不开的环节，因此，废水“零排放”目标的提出成为煤化工发展的自身需求和外在要求。“近零排放”是在现有技术条件下对污水的最大可能的回收与利用，但最终仍有少量的高盐废水排放面临环境风险大、处置费用高的问题。高盐废水是指总含盐质量分数至少1％的废水，其主要来自化工厂及石油和天然气的采集加工等。
3.研究表明在适宜的环境与地质环境条件下，通过合理的工程技术方法手段，在我国干旱半干旱地区建立煤化工含盐废水自然蒸发池对废水进行蒸发处理是可行的。自然蒸发最为节约能源，管理成本低廉，是一种比较经济合理的煤化工废水处理方式。然而，生态盐湖建设当前并无相应配套的标准，管理部门也无法做到从立项审批到后期运营的全程监督和管理，而且对于高含盐废水的蒸发量也无法进行测定，因此，在某些地区还受到政策限制不允许建设使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种测定高含盐废水蒸发量的方法及系统，以实现对高含盐废水蒸发过程的测定，为高含盐废水的自然蒸发处理提供数据支持。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种测定高含盐废水蒸发量的方法，所述方法包括：
7.获取蒸发参数，所述蒸发参数包括水面净辐射、干湿球常数、空气干燥度和饱和水汽压曲线的斜率、空气实际水汽压、纯溶剂的饱和蒸汽压、溶液中相的物质的量；
8.根据所述蒸发参数，利用公式确定淡水蒸发量；其中，ew为淡水蒸发量，δ为气温为t时饱和水汽压曲线的斜率，rn为水面净辐射，r为干湿球常数，ea为空气干燥度；
9.根据所述蒸发参数，利用公式确定相对蒸发率；所述相对蒸发率为在相同空气参数下高含盐废水蒸发量与淡水蒸发量的比值，
10.其中，k为相对蒸发率，eb为高含盐废水蒸发量，ew为淡水蒸发量，p
a*
为纯溶剂的饱和蒸汽压，na为溶剂物质的量，nb为溶质物质的量，ea为空气实际水汽压；
11.根据所述淡水蒸发量和所述相对蒸发率，确定高含盐废水蒸发量。
12.可选的，所述根据所述淡水蒸发量和所述相对蒸发率，确定高含盐废水蒸发量，具体包括：
13.利用公式确定高含盐废水蒸发量；
14.其中，eb为高含盐废水蒸发量，k为相对蒸发率，ew为淡水蒸发量。
15.可选的，在所述获取蒸发参数之前，还包括：
16.对所述蒸发参数进行修正和计算。
17.可选的，所述对所述蒸发参数进行修正和计算，具体包括：
18.利用公式rn＝(1-α)
·rs-f对水面净辐射进行修正；其中，α为水面反射率，rs为总辐射；f为有效辐射；辐射；f为有效辐射；qa为天文辐射；a、b、c、d为与大气透明度有关的经验系数；δ为地面比辐射率；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数；ea为空气实际水汽压；tk为距离地面1.5m处气温；n为实照时数，n为最大日照时数；
19.利用确定所述干湿球常数；其中，p为大气压力，c
p
为定压比热，取值1.005j
·
g-1
·
℃-1
；l为水汽蒸发潜热，其值为2470j
·
g-1
。
20.一种测定高含盐废水蒸发量的系统，所述系统包括：
21.蒸发参数获取模块，用于获取蒸发参数，所述蒸发参数包括水面净辐射、干湿球常数、空气干燥度和饱和水汽压曲线的斜率、空气实际水汽压、纯溶剂的饱和蒸汽压、溶液中相的物质的量；
22.淡水蒸发量获取模块，用于根据所述蒸发参数，利用公式确定淡水蒸发量；其中，ew为淡水蒸发量，δ为气温为t时饱和水汽压曲线的斜率，rn为水面净辐射，r为干湿球常数，ea为空气干燥度；
23.相对蒸发率确定模块，用于根据所述蒸发参数，利用公式确定相对蒸发率；所述相对蒸发率为在相同空气参数下高含盐废水蒸发量与淡水蒸发量的比值，
24.其中，k为相对蒸发率，eb为高含盐废水蒸发量，ew为淡水蒸发量，p
a*
为纯溶剂的饱和蒸汽压，na为溶剂物质的量，nb为溶质物质的量，ea为空气实际水汽压；
25.高含盐废水蒸发量确定模块，用于根据所述淡水蒸发量和所述相对蒸发率，确定高含盐废水蒸发量。
26.可选的，所述高含盐废水蒸发量确定模块，利用公式确定高含盐废水蒸发量；
27.其中，eb为高含盐废水蒸发量，k为相对蒸发率，ew为淡水蒸发量。
28.可选的，所述系统还包括：修正计算模块，所述修正计算模块用于对所述蒸发参数进行修正和计算。
29.可选的，所述修正计算模块包括：
30.水面净辐射修正单元，用于在获取蒸发参数之前，利用公式rn＝(1-α)
·rs-f对水面净辐射进行修正；其中，α为水面反射率，rs为总辐射；f为有效辐射；qa为天文辐射；a、b、c、d为与大气透明度有关的经验系数；δ为地面比辐射率；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数；ea为空气实际水汽压；tk为距离地面1.5m处气温；n为实照时数，n为最大日照时数；
31.干湿球常数确定单元，用于利用确定所述干湿球常数；其中，p为大气压力，c
p
为定压比热，取值1.005j
·
g-1
·
℃-1
；l为水汽蒸发潜热，其值为2470j
·
g-1
。
32.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
33.1)本发明综合考虑了影响淡水蒸发及含盐废水蒸发的各个方面因素，并进行分析验证，技术方案严谨，相对于淡水蒸发系统，含盐废水蒸发系统具有十分重要的意义。
34.2)本发明对于高含盐废水的蒸发区域实用性较好，避免了已有水面蒸发公式均只在特定的气象、气候条件下具有较好的准确性的特点，简单且易于实现，具有很强的广泛适用性。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明测定高含盐废水蒸发量的方法的流程示意图；
37.图2为本发明测定高含盐废水蒸发量的系统的结构示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.图1为本发明测定高含盐废水蒸发量的方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：
41.步骤100：获取蒸发参数。所述蒸发参数包括水面净辐射、干湿球常数、空气干燥度和饱和水汽压曲线的斜率、空气实际水汽压、纯溶剂的饱和蒸汽压、溶液中相的物质的量。
42.在获取蒸发参数之前，需要对各项参数进行修正和计算，具体如下：
43.利用公式rn＝(1-α)
·rs-f对水面净辐射进行修正，其中，α为水面反射率，一般取α＝5％；rs为总辐射；f为有效辐射。
44.总辐射rs的修正：式中qa为天文辐射；a、b为与大气透明度有关的经验系数，n为实照时数，n为最大可能日照时数。
45.有效辐射f的修正：采用布朗特公式其中：δ为地面比辐射率，水面取1；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，取1.17017
×
10-7
；ea为空气实际水汽压；tk为距离地面1.5m处气温；c、d为相关经验系数。
46.采用最优化方法中的步长加速法，通过迭代求解的方法分别拟合出高原和平原量大区域的有效辐射计算公式。
47.平原区：
48.高原区：
49.式中，w
∞
＝(0.1054 0.1513ed)e
0.06z
为大气含水量(g/cm3)，z为海拔高度，以km计。
50.干湿球常数r的修正：
51.r实际上是一个与大气压p有关的变数，按如下公式计算：
[0052][0053]
δ项的讨论：
[0054]
在彭曼公式中，曾假定用去代替通过理论误差分析认为在一般情况下，这种假定不会引起十分显著的误差(约为2％左右)。
[0055]
干燥力项ea的修正：ea＝f(u2)
·
(e
t-ea)(mm/d)；其中：u2为离地面2m处的风速，单位为m/s；(e
t-ea)为t温度下的饱和差，即t温度下的饱和水汽压与空气实际水汽压之差，单位为hpa；f(u)为风速函数。
[0056]
步骤200：根据蒸发参数确定淡水蒸发量。利用公式确定淡水蒸发量；其中，ew为淡水蒸发量，δ为气温为t时饱和水汽压曲线的斜率，rn为水面净辐射，r为干湿球常数，ea为空气干燥度。
[0057]
世界上使用的蒸发模型有三类：道尔顿(dalton)模型、彭曼(penman)模型、经验模型。dalton根据水面蒸发形成原理和维持机理，综合考虑风速、空气温度、湿度对蒸发量的影响，提出了dalton模型。penman提出运用空气动力学与能量平衡结合的方法计算水面蒸发量。
[0058]
经验公式：
[0059]
e＝0.1 0.24(1-u2)
1/2
·
(e
0-e
150
)w
[0.85w/(w 2)]
[0060]
其中：u为相对湿度，以百分数计(％)；e0为水面水汽压，单位为hpa；e
150
为水面以
上150cm处空气中的水汽压，单位为hpa；w为水面以上150cm处的风速，单位为m/s。
[0061]
道尔顿公式：
[0062]
基于道尔顿假设，水面蒸发的决定性因素是水面与天气之间的气压差，并与风速之间存在经验关系，公式如下：
[0063][0064]
其中，e0为水面蒸发量(mm/d)；e0为根据水面温度求得的饱和水汽压(毫巴)；e
1.5
为水面以上1.5m处实际水汽压(毫巴)；u
1.5
为1.5m处风速(m/s)。
[0065]
彭曼公式一：
[0066]
e0＝0.144(1 0.75u
1.5
)[d d(t
1.5
)(α-1)t
1.5
]
[0067]
其中：u
1.5
为1.5m高度风速(m/s)；d为饱和水汽压差(毫巴)；α-1为温度层调节系数；t
1.5
为1.5m处气温(℃)；d(t
1.5
)为饱和水汽压斜率，单位毫巴/℃。
[0068]
彭曼公式二：
[0069][0070]
其中：e为每天的自由水面蒸发量，mm/d；
△
为气温为t时，饱和水汽压曲线的斜率，hpa/℃；rn为水面净辐射，mm；r为干湿球常数；ea为空气干燥度函数。
[0071]
本发明通过实测数据对三个模型在研究区应用较好的四个公式分别进行验证，通过实验数据的相关分析发现前三个公式相关性较高，彭曼公式二与其他三个公式相关性较差，与实际蒸发量相关性最好。采用彭曼公式二计算所得数据与实测蒸发量最为接近，误差最小。因此，采用彭曼公式二确定淡水蒸发量。
[0072]
步骤300：根据蒸发参数确定相对蒸发率。利用公式确定相对蒸发率；所述相对蒸发率为在相同空气参数下高含盐废水蒸发量与淡水蒸发量的比值，
[0073]
其中，k为相对蒸发率，eb为高含盐废水蒸发量，ew为淡水蒸发量，p
a*
为纯溶剂的饱和蒸汽压，na为溶剂物质的量，nb为溶质物质的量，ea为空气实际水汽压。
[0074]
相对蒸发率是高含盐废水和淡水在相同外部条件下蒸发速率的比值。含盐废水蒸发速率是化学组成(ci)、大气相对湿度(h)、大气压力(p)、太阳辐射量(r)的函数:eb＝f1(ci，h，p，r)。淡水蒸发的主要影响因素是大气相对湿度(h)，大气压力(p)，太阳辐射量(r)的函数:ew＝f2(h，p，r)。
[0075]
假定大气压力和太阳辐射量对溶液蒸发和淡水蒸发具有同样的影响程度和作用原理，在相同的气象条件下，通过寻找表征化学组分特征的参数与相对蒸发率的关系构建相对蒸发系数的函数。
[0076]
现假设原始废水为理想溶液，即溶质分子和溶剂分子间相互作用的差异忽略不计。根据拉乌尔定律溶液饱和蒸汽压的减小可解释为在纯溶剂中加入溶质后减少了单位休积中溶剂分子的数目，因而也减少了单位时间内可能离开液相表面而进入气相的溶剂的分
子效目，以致溶剂与其蒸气压在较低的溶剂蒸气压力时就可达到平衡。它最初是由拉乌尔从含不挥发的非电解质溶液的蒸气压较纯溶剂的蒸气压低的实验结果总结出来的，拉乌尔由实验得出溶剂的蒸气压降低值与纯溶剂的蒸气压之比等于溶质的摩尔分数，其数学表达式为式中，pa为溶解的饱和蒸汽压；p
a*
为纯溶剂的饱和蒸汽压；xa为溶剂的摩尔分数，式中：na为溶液中溶剂物质的量，nb为溶质物质的量。
[0077]
蒸发的过程可以描述为气态水分子在垂直方向的运动，由于水面附近空气接近饱和，而水面上方的空气相对干燥，两者之间形成水汽压差，形成了蒸发过程的直接动力。基于对蒸发过程的这一理解，dalton建立了估算蒸发的经验公式：e＝c(p
a-ea)；式中：e为水面蒸发量；ea空气实际水汽压；c为经验系数，为风速的函数。
[0078]
由上式可得：高含盐废水蒸发量的估计值
[0079]
淡水蒸发量的估计值
[0080]
由此可得，相对蒸发率
[0081]
式中p
a*
可以由以下经验公式计算得出：式中，t为气温，℃；p
a*
为饱和水汽压，kpa。
[0082]
步骤400：根据淡水蒸发量和相对蒸发率，确定高含盐废水蒸发量。利用公式确定高含盐废水蒸发量；
[0083]
其中，eb为高含盐废水蒸发量，k为相对蒸发率，ew为淡水蒸发量。例如，当相对蒸发率为0.9374时，
[0084]
本发明采用不同浓度溶解的对比蒸发实验总结出不同浓度煤化工高含有盐废水蒸发速率的统计学规律，旨在找出适用当地的蒸发公式并确立科学的实验方法供神华集团其他项目采用，供生产实践中参考，为实现含盐废水的“零排放”或“近零排放”含盐废水不对环境排放提供依据和技术支持。
[0085]
本发明目的为高含盐废水的自然蒸发处理提供技术指导。其中自然蒸发最为节约能源，管理成本低廉，是一种比较经济合理的煤化工废水处理方式，避免了使用经济成本高、对系统的设计部分要求高及能耗的机械蒸发。
[0086]
本发明为测定高含盐废水蒸发量的方法及系统，找出具有代表性的区域实用性较好的公式作为对比，并通过蒸发实验确定公式的相关参数，确定淡水蒸发公式；根据多相溶液的蒸发主要是通过离子、分子间作用力进一步影响溶剂的蒸发的原理，确定相对蒸发率；最后根据淡水蒸发公式及相对蒸发率，确定高含盐废水蒸发公式，为高含盐废水蒸发量提供技术指导，方法系统新颖且具有创新性。
[0087]
图2为本发明测定高含盐废水蒸发量的系统的结构示意图。如图2所示，所述系统
包括：
[0088]
蒸发参数获取模块201，用于获取蒸发参数，所述蒸发参数包括水面净辐射、干湿球常数、空气干燥度和饱和水汽压曲线的斜率、空气实际水汽压、纯溶剂的饱和蒸汽压、溶液中相的物质的量；
[0089]
淡水蒸发量获取模块202，用于根据所述蒸发参数，利用公式确定淡水蒸发量；其中，ew为淡水蒸发量，δ为气温为t时饱和水汽压曲线的斜率，rn为水面净辐射，r为干湿球常数，ea为空气干燥度；
[0090]
相对蒸发率确定模块203，用于根据所述蒸发参数，利用公式确定相对蒸发率；所述相对蒸发率为在相同空气参数下高含盐废水蒸发量与淡水蒸发量的比值，
[0091]
其中，k为相对蒸发率，eb为高含盐废水蒸发量，ew为淡水蒸发量，p
a*
为纯溶剂的饱和蒸汽压，na为溶液中溶剂的物质的量，ea为空气实际水汽压；
[0092]
高含盐废水蒸发量确定模块204，用于根据所述淡水蒸发量和所述相对蒸发率，确定高含盐废水蒸发量。
[0093]
所述高含盐废水蒸发量确定模块204，利用公式确定高含盐废水蒸发量；
[0094]
其中，eb为高含盐废水蒸发量，k为相对蒸发率，ew为淡水蒸发量。
[0095]
其中，所述系统还包括：：修正计算模块。修正计算模块用于对所述蒸发参数进行修正和计算。
[0096]
修正计算模块包括：
[0097]
水面净辐射修正模块，用于在获取蒸发参数之前，利用公式rn＝(1-α)
·rs-f对水面净辐射进行修正；其中，α为水面反射率，rs为总辐射；f为有效辐射；qa为天文辐射；a、b为与大气透明度有关的经验系数；δ为地面比辐射率；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数；ea为空气实际水汽压；tk为距离地面1.5m处气温；n为实照时数，n为最大日照时数，c/d为相关经验系数；
[0098]
干湿球常数确定模块，用于利用确定所述干湿球常数；其中，p为大气压力，c
p
为定压比热，取值1.005j
·
g-1
·
℃-1
；l为水汽蒸发潜热，其值为2470j
·
g-1
。
[0099]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0100]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。