多目标优化算法在阴阳树脂再生流程酸碱耗量优化中的应用研究

引言：

在除盐水生产过程中，阴阳树脂是实现水质净化的核心材料。随着树脂交换能力的下降，需要对其进行再生处理，而再生过程中酸碱的大量消耗，成为除盐水车间运行成本的重要组成部分。当前，多数除盐水车间阴阳树脂再生流程的参数设定和操作方式较为粗放，主要依赖人工经验，缺乏系统性的优化，导致酸碱耗量居高不下，同时再生效果和效率也难以达到理想状态。多目标优化算法能够在多个相互冲突的目标之间寻求最优解，将其应用于阴阳树脂再生流程酸碱耗量优化，有望实现资源的高效利用和再生流程的整体提升，因此开展相关研究具有重要的现实意义。

1.阴阳树脂再生流程分析

1.1 再生流程概述

阴阳树脂再生流程通常包括反洗、再生、置换和正洗等主要环节。反洗环节通过逆向水流对树脂层进行冲洗，目的是松动树脂层，去除树脂表面和内部的悬浮杂质以及破碎树脂颗粒，为后续再生过程创造良好条件。再生环节是整个流程的核心，向阳树脂和阴树脂分别通入酸液（如盐酸）和碱液（如氢氧化钠），使树脂上吸附的离子与酸碱中的氢离子、氢氧根离子发生交换反应，恢复树脂的交换能力。置换过程则利用再生液的残余浓度，进一步将树脂中未完全置换的离子冲洗出来，提高再生效果。最后通过正洗，将树脂层中残留的酸碱及反应产物彻底清除，使树脂达到备用状态。

1.2 影响酸碱耗量的关键因素

再生过程中酸碱耗量受多种因素影响。再生剂浓度是关键因素之一，浓度过高会造成酸碱浪费，浓度过低则无法充分再生树脂，导致后续再生次数增加，同样会增加酸碱消耗。再生流速对酸碱耗量也有显著影响，流速过快会使再生剂与树脂接触时间不足，离子交换不充分，需增加再生剂用量来弥补；流速过慢则会延长再生时间，降低生产效率。此外，树脂的污染程度、反洗效果以及再生液的温度等因素，也会通过影响再生反应的进行，间接影响酸碱耗量。例如，受到有机物污染的树脂，再生难度增大，往往需要消耗更多的酸碱才能达到理想的再生效果。

2.多目标优化模型的构建

2.1 确定优化目标

本研究设定三个优化目标。一是酸碱耗量最小化，通过合理调整再生流程参数，减少再生过程中酸液和碱液的使用量，降低生产成本。二是再生效果最优化，以再生后树脂的交换容量恢复程度和出水水质作为衡量指标，确保树脂经过再生后能够高效地投入后续制水工作。三是再生时间最短化，缩短整个再生流程所耗费的时间，提高除盐水车间的生产效率，减少因再生导致的制水中断时间。这三个目标相互关联又存在冲突，如降低酸碱耗量可能会影响再生效果，缩短再生时间可能需要提高再生流速从而增加酸碱耗量[1]。

2.2 确定决策变量

决策变量选取对再生流程有直接影响的关键参数，包括酸液浓度、碱液浓度、酸液流速、碱液流速、反洗时间、再生时间、置换时间和正洗时间。通过对这些变量的合理取值和组合优化，实现多目标的最优平衡。例如，酸液浓度在一定范围内变化时，与再生效果和酸碱耗量密切相关，合理调整酸液浓度取值，是优化的重要方向[2]。

2.3 建立目标函数与约束条件

根据确定的优化目标和决策变量，建立相应的目标函数。以酸碱耗量最小化目标函数为例，设酸液用量为V酸，酸液浓度为C酸，碱液用量为V碱，碱液浓度为C碱，则酸碱耗量目标函数F1 可表示为：F1​ =V酸 ×C酸 +V碱 ×C碱。同时，考虑到实际生产中的设备性能、工艺要求等因素，设定相应的约束条件。如再生剂浓度需在安全有效的范围内，再生流速不能超过设备允许的最大流速，各阶段时间需满足基本的工艺要求等。

3.多目标优化算法的设计与实现

3.1 算法选择

选用非支配排序遗传算法（NSGA-II）作为核心优化算法。该算法通过快速非支配排序算法对种群进行分层，采用拥挤度和拥挤度比较算子，使得种群中的个体均匀分布在整个Pareto前沿面，能够有效处理多目标优化问题。与传统的单目标优化算法相比，NSGA-II能够在一次运行中得到多个Pareto最优解，为决策者提供更多选择[3]。

3.2 算法实现步骤

首先，对决策变量进行编码，将酸液浓度、碱液浓度等变量按照一定规则编码为基因串，组成初始种群。然后，根据建立的目标函数和约束条件，计算每个个体的适应度值，评估个体在多目标优化中的优劣程度。接着，进行选择、交叉和变异操作，通过遗传算子的作用产生新的种群。在选择操作中，采用锦标赛选择策略，确保优秀个体能够被保留；交叉和变异操作则模拟生物进化过程，增加种群的多样性，避免算法陷入局部最优。重复上述计算适应度值和遗传操作的过程，直到满足设定的终止条件，如达到最大迭代次数或种群收敛。最后，从得到的Pareto最优解集中，根据实际生产需求和决策者偏好，选择最合适的再生流程参数组合。

结语

多目标优化算法在阴阳树脂再生流程酸碱耗量优化中的应用研究，为解决除盐水车间再生流程中酸碱耗量高、再生效果和效率不理想的问题提供了有效途径。通过构建多目标优化模型，并运用NSGA-II算法进行求解，能够在酸碱耗量、再生效果和再生时间等多个目标之间找到最优平衡，实现再生流程的优化。未来，应进一步深入研究多目标优化算法，结合实际生产中的复杂情况，不断完善优化模型和算法，提高优化结果的准确性和实用性。同时，加强对优化后再生流程的实践验证和推广应用，推动除盐水生产行业向节能、高效、环保方向发展，提升企业的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]张受卫,冀青杰,李良浩,等.核电厂非放射性生产废水处理方案研究[J].工业水处理,2024,44(4):205-209.DOI:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0665.

[2]王浩.除盐系统周期制水量降低原因分析及三种处理方案比较[J].给水排水,2022,48(10):89-94.

[3]王强,韦凤密,李雅,等.浓盐水深度处理及零排放资源回收[J].净水技术,2023,42(3):127-135.

作者简介：

姓名：魏松（1989.10—），男，四川省遂宁市，汉族，本科，中级工程师，研究方向：核电厂水处理。