页岩气压裂返排液膜法处理工艺建模与能效分析有助于实现废水回用和合理排放。工业新鲜水脱盐处理系统模拟与灵敏度分析对脱盐工艺的优化和高效运行具有重要的指导作用。页岩气压裂返排液膜法脱盐处理系统通常涉及膜过程（例如超滤,反渗透等）和储罐等。其中膜分离单元可看作单入口双出口的半连续过程,包括运行和离线化学清洗子单元和水处理运行子单元,具有间歇用水过程的特征。然而,尚未有关于页岩气压裂返排液膜法脱盐处理工艺建模及优化设计的研究报告。基于返排液脱盐处理工艺中各单元的间歇特征,对系统中的双出口水处理运行子单元、运行和离线化学清洗子单元和水箱分别建立流量衡算和杂质质量衡算模型。以总产水量最大化、储罐容积最小化、系统效益最大化为目标函数,建立三个非线性规划数学模型（NLP）。研究固定膜法水处理单元的运行时间序列和运行时间长度的两类情景,利用GAMS软件平台对建立的数学模型进行求解。结果表明在满足储罐容积要求和膜组件最大压降要求时,水处理运行子单元的运行时间长度越长,系统产水率越大,系统的经济效益越好,水处理运行子单元的运行时间序列对储罐液位影响较大,但不影响系统的总产水率,计算结果验证了本文所提出模型的有效性。本文建立了新鲜水膜法脱盐系统优化设计的数学模型,模型中主要对除盐水系统中双出口半连续单元和水箱分别建立流量衡算、杂质质量衡算模型和储罐模型。以系统产水量最大化为目标函数,建立一个混合整数线性规划数学模型（MILP）。利用所提出的数学模型计算出整个脱盐系统产水率为82.86%。与实际工业产水率81.67%的相对误差为1.19%,验证了本文所提出数学模型的有效性。然后基于此模型分别对除盐水需求量与新鲜水量和储罐容积的关系,阴阳离子床的换床时间长度、运行时间长度分别对系统储罐容积和产水率的影响进行灵敏度分析。结果表明除盐水需求量与新鲜水量和储罐容积呈正相关,因此当储罐容积为270 t时,本文设计的运行情景下除盐水需求量不能超过最大值307 t/h。阴阳离子床的换床时间长度对储罐液位影响很大,阴阳离子床的运行时间长度对储罐液位影响不大。本文的工作可用于新鲜水脱盐处理系统的工艺设计和分析。为了实现页岩气压裂返排液膜法脱盐处理系统的能效分析,对页岩气压裂返排液膜法脱盐系统提出了反渗透膜传质模型与组件模型。基于实验数据,对膜组件的性能进行分析计算,即确定膜的两个主要性能参数（纯水渗透性常数A和盐的传质系数B）。然后基于此反渗透膜对页岩气压裂返排液处理过程进行能耗与经济型评估。结果表明在年度总投资费用中膜组件的投资费用占比很大。另外,年度总操作费用中膜组件的清洗和维护费用占比也最大。值得注意的是,年度总操作费用中泵的运行费用达到了35.23%。由此可知,页岩气压裂返排液膜法脱盐处理过程中,能耗很大,故提出引入能量回收系统,将剩余水的高能量收回利用,以减少泵功,计算结果表明在引入能量回收系统后,可以使总能耗和泵的年度运行费用分别下降20.45%和15.29%。因此,本章所提出的数学模型既可对膜组件进行性能评价,又可对页岩气压裂返排液膜法脱盐系统进行能耗与经济性评估。