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反渗透系统基本组成部分

2011-12-29

单级反渗透设备,反渗透直饮水设备,反渗透设备

1. 反渗透系统设计概述

反渗透系统基本组成部分

1)原水供水单元:原水可能是自来水、地下水、水库水或其它水源,但一般反 渗透系统都有一个储水槽。在系统设计时要考虑避免二次污染,防止沙土、灰尘 等机械杂质污染和发酵、水藻等生物污染的发生。
2)预处理系统:针对原水得水质指标和水源特点,设置合理的预处理系统,保证经过预处理的水质能够达到反渗透系统对于 COD、SDI、余氯和 LSI 等的要求。对于一定的原水,不同的预处理工艺和污染因子去除效果会影响到反渗透膜元件类型、数量和系统参数的选择。在目前越来越多的反渗透系统被用于地表水和回用污水的情况下,为了保证系统性能和和效率,推荐优先选用膜法预处理(超滤/微滤)。请参考本书卷首较为详细的“美国海德能公司反渗透纳滤设计导则”。
3)高压泵系统:高压泵系统的压力(扬程)和流量的选择主要依据运行海德能设计软件 IMSdesign 的模拟计算结果。为了保证系统的安全可靠,在实际选型时,可以在计算结果推荐选型的基础上提高 10%扬程和流量规格。反渗透高压泵要求使用性能高度稳定的耐腐蚀泵。泵系统一般由给水泵和高压泵组成,给水泵加在保安过滤器之前,用于高压泵供水和低压冲洗。在高压泵出口一般要安装手动调压阀和慢开电动阀。手动调压阀用于调节泵的出力,电动阀可以防止高压泵启动时发生水锤现象。
4)RO 膜单元:RO 膜单元由压力容器、膜元件、管道和浓水阀门等组成,是反渗 透系统的核心。本章内容主要针对 RO 膜单元的设计,包括参数选择、流程配置、 膜元件选型、膜元件数量和排列的选择以及设计方案的评价和优化等。
5)仪表和控制系统:为了装置能够安全可靠地运行、便于过程监控,一般要配 备温度表、pH 计、压力表、流量计、电导率表、氧化还原电位计等仪表。反渗 透系统的运行和监控由 PLC、仪表、计算机系统和工艺模拟流程模拟屏执行,同 时设有手动操作按钮和控制室操作按钮,系统具有联锁保护功能及报警指示功 能。请参考本书第七章及第十三章相关内容。
6)产水储存单元:产水储槽(罐)主要考虑防止二次污染,容积和配置取决于后续工艺要求及用水量调节需要,在产水储存单元的设计中要考虑防止发生背压。
7)清洗单元:用于膜的化学清洗和消毒灭菌处理,具体设计参考第八章“污染 与清洗”。

反渗透系统设计一般步骤
1)落实设计依据:原水水质和原水类型,产水的具体水质指标。在拿到原水水质资料时一定要确认水源的类型,可能的水质波动范围,取水方式及受到二次污 染的可能性。在地表水处理和海水淡化工程中,取水方式也是设计整个系统设计 中最为关键的。在污水回用处理工程中,需要反复落实排放水的水质资料,在必 要时要同时改造污水处理系统以保证反渗透工艺的可行性。
2)确定预处理工艺及其效果,主要是对于经过预处理之后水质指标的确认。我们所讲的反渗透给水或系统进水就是指经过预处理之后的水质。

3)膜元件选型
根据原水的含盐量,进水水质的情况和产水水质的要求,选择适当的膜元件。膜元件的选型请参考卷首的设计导则及膜元件选型指导地形图。

4)确定膜通量和系统回收率
根据进水水质和处理水指要求的等级不同,决定RO膜元件的种类和单位面积的产水通量(gfd或L/m2h)和回收率。产水通量可以参照海德能设计导则。回收率的设定要考虑原水中含有的难溶解性盐的析出极限值(饱和指数)、给水水质的种类和产水水质。通常,单位面积产水量J和回收率R设计的过高,发生膜污染的可能性大大增加,造成产水量下降,清洗膜系统的频率会增多,维护系统正常运行的费用增加。所以,在进行设计系统时,在条件可能的条件下,希望宽余的设计产水通量和回收率。

5)排列和级数

当确定了设计产水通量 J(gfd)和产水量 Qp(gpd)值,所需理论膜元件数量 Ne 安 以下方程计算。(7-1)

Qp 产水量  (gpd)
J 单位面积产水通量(gfd)
S 膜元件面积(ft2)
f 污染指数
                       
Ne 理论膜元件数
通常 RO 系统排列方式以 2:1 的近似比例排列的方式较多。
[例题]
产水水量  60000 gpd
设计 Flux  14 gfd
膜元件面积  400 ft2
解答∶ 按公式(7-1)计算理论膜元件数量 理论膜元件数量

2.jpg

(四舍五入)

压力容器数量

(按标准 6 芯装膜壳计算)
3.jpg

(四舍五入)

各段压力容器的数的决定

● RO 系统以 2:1 方式排列时,
24/(2+1)=8,膜元件以(16∶8)的方式排列。
● RO 系统以 4:2:1 方式排列时,
24/(4+2+1)=3.42,膜元件以(13.76∶6.85   6∶3.43  6)的方式排列。 实际系统的压力容器以整数出现,四舍五入后为系统为(14∶7∶3)方式排列。
以上的初步计算结果代入 IMSdesign 进行评估。

6)优设计
 
根据设定的单位面积的产水通量 J,回收率,水温变动范围,研究讨论膜组件的排列列方式,设计计算压力,流量。这时使用海德能公司提供的 RO 设计元件 (IMSdesign)可以很方便的邦助客户完成这个关键任务。

根据根据要求的产水量Qp,考虑水源的种类和膜污染符合因素的基础上计算为了满足这个产水要求所需的膜元件数(Ne)。根据回收率,估计压力容器数(Nv)和系统排列方式。以上的条件输入到设计元件中,通过种种的排列计算,得到进水的操作压力,产水水质,同时可以得到各个段的膜元件的性能,选择最优组合。

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6.3 流程配置

膜单元(RO 模块)由标准支架和膜壳压力容器、连接管道及进水、浓水和产水总管组成。膜元件安装在压力容器中。压力容器两端有产水出口,位于端板的中心,进水和浓水口分别位于容器相对两端。每只膜壳压力容器可串连 1-7 只膜元件。

4.jpg
如图-1 所示,第一只膜元件的产水管和最后一支元件的产水管与膜壳端板相连 接。膜壳的产水管互相连接。每个膜元件的一端有一个浓水密封圈,将膜元件内 部流道与元件外层和膜壳之间的间隙隔开,防止进水的短路现象,迫使进水全部 通过膜元件的流道。在进水流经每只元件时,部分进水体积转化为产水。剩余进 水的盐浓度增加。产水经由产水管导出。收集起来的产水的盐度延浓水走向增加, 在进水处最低,在浓水口最高。

系统的压力容器背分为几组,叫做浓水分段,在每一段中的压力容器平行并联。 每段所含的压力容器数目延进水走向减少,一般为 2  :  1,如图-2 所示。

可以看出进水通过压力容器的流量分布呈金字塔形:在塔底的进水流量高,在塔 顶的浓水流量相对低。随着进水流量的减小,平行压力容器数目逐段递减。所有 组件的产水最后汇集到一个共同总管中。

这种锥形排列使整个系统的每个容器保持相近的进水/浓水比例,这个比例要符合膜元件的技术规格要求。流量过高会引起压力损失过大或可能的膜元件损害。 

流量过低则不能形成紊流,膜表面盐的浓度会过高。对于一个给定的 RO 系统, 浓缩段数取决于产水回收率和每只膜壳中的膜元件数。为了避免在膜表面形成过 渡的浓差极化,每只膜元件的回收率不能超过 18%。在苦咸水淡化 RO 系统设计 中,通常在工程设计中采用 9%左右的单个元件回收率。这样由 6 芯组件构成的 RO 单元,有 2 根组件时并联回收率为 60%,有 3 根组件时(2 :1 排列)回收率 为 75%。如果采用 7 芯组件,2 段的配制可使回收率达到 85%。

5.jpg

浓水循环

最简单的膜单元是只装一只膜元件的一根膜壳压力容器。最小的系统采用这种配 制,产水回收率通常限制在 15%。为了增加系统的回收率,将部分浓水返回到 进水泵吸入口。浓水循环配制如图-3 所示,主要用在非常小的反渗透系统中。 这种设计的优点在于 RO 单元非常紧凑。浓水循环的缺点在于,为了保持高进水 流速,需要用较大的泵。这样能耗就比多段设计要高。由于在进水中掺合了浓水, 平均进水盐度会增加,进水压力和产水盐度都会增加。

6.jpg

浓水分段(多段系统)

商业化 RO 单元通常由一台泵和一个多段组件排列组成,图-4 中是一个简化的两段式RO元件。
第一段的浓水作为第二段的进水,这就是所谓“浓水分段”。多段单元中的流量 和压力用进水及浓水阀门控制。高压泵出口的调节阀门控制进入系统的流量。浓 水阀位于 RO 模块的浓水排放口,用于控制进水压力和回收率。

产水流量分配

在一些情况下,需要平衡段间产水流量,比如增加后段的产水流量,减少前段的产水流量。为了达到这样的目的,可参照下面介绍的两种设计配置方案来实现。
 
产水背压

一种方案是在首段的产水管上安装一个阀门,如图-5 所示:

7.jpg

通过这个阀门的限制,增加了产水背压,降低了净驱动压力,降低了首段产水通 量。差出的通量由二段在系统压力升高之后产生。

段间增压

第二种方案是在浓水管线上安装一个段间增压泵,如图-6 所示。增压泵将增加 二段的进水压力,从而增加产水流量。

采用产水限制阀门的设计简化了 RO 系统,投资成本低,但这种方案由于产水限制阀门增加了额外的动力损失,系统的能耗增加了。段间泵设计需要对段间总管进行改造,并增加一个泵单元。投资成本高于第一种方案,但能耗较低。

二级反渗透

在一些应用中,单级反渗透系统的产水无法能够满足对盐度的要求。比如: 海水淡化 RO 系统,进水盐度太高或产水回收率或水温太高。
苦咸水 RO 系统,但产水需要供给高压锅炉或电子工业。
为了进一步降低产水盐度,一级 RO 产水要进行二级 RO 脱盐。这种配置叫做二级 设计,或产水分段。取决于是否将全部一级产水进行二级 RO 处理,叫做完全或 部分二级系统。
一级产水是非常洁净的水,悬浮物和溶解性物质含量很低,不需要任何预处理。
二级系统的平均通量可以相对较高。二级 RO 单元的平均通量一般设置为 20GFD,回收率为 85%-90%。在二级系统中,一级产水进入一个储槽,或供给二级RO单元的高压泵。二级 RO 系统有许多配置形式。图-7 是一种部分二级系统。

8.jpg

部分二级
 
部分一级产水经过二级处理后与未经处理的部分进行混合。如果部分二级处理就 能达到产水要求,结合二级系统的高通量设计,这种部分二级配置会比完全二级 配制的投资和运行成本要低的多。 
 

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在二级系统中,二级浓水返回到一级进水口是非常普遍的。二级浓水中的含盐量 通常比一级进水的含盐量要低。所以将二级浓水返回到一级进水中会有助于降低 进水盐度,增加整体的水利用率。

RO 系统估算
可按以下步骤确定生产一定量的产水的系统的近似大小(膜元件数的膜壳数): a. 选择膜元件类型和组件
b. 根据进水水质选择通量范围

c.  将期望的装置生产能力除以设计通量和单个膜元件膜面积数(在元件说明上 有膜面积数)。
d. 将总膜元件数除以单根膜壳装填膜元件数。取计算结果的整数。
e. 选择适当的排列以获得期望的回收率。必要时增加组件数。
海德能设计程序 IMSdesign 计算结果显示推荐高压泵压力以及计算进水压力,推 荐的泵压力高于进水压力 10%总驱动压力再加 3psi(0.2bar),因为还要考虑 进口压力损失。这个安全富余量一般就足够了。或者这样计算,无论系统的污染 率如何,考虑 10%的安全富余量。设计元件数应该包括高于程序计算数的 10%。 或者将进水压力设定为程序计算元件数所需产水流量的 90%。

RO 设计导则

在使用膜元件设计反渗透系统时,一般应遵循以下所建议的通用导则,如需 要在超过本导则的情况下使用,请与公司协商以便提供特殊的建议。

表-1 浓水中难溶盐的饱和极限

10.jpg
表-2 饱和指数极限值
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