Обратный осмос и нанофильтрация. 31.6. Конструирование установок обратного осмоса

  Обратный осмос и нанофильтрация.

31.6. Конструирование установок обратного осмоса

    Дизайн установки зависит от ее назначения и заданных параметров: производительности, выхода фильтрата, а также типа аппаратов, и их конфигурации. Главной частью установки является мембранный модуль, представляющий собой один или несколько (до 7) рулонных элементов, помещенных в напорный корпус (см. рис. 31.5). Задача инженера – собрать модули таким образом, чтобы получить оптимальное распределение потоков, соответствующее минимальному гидравлическому сопротивлению и минимальной степени концентрационной поляризации. 
    Распределение потоков в установке является важным фактором, определяющим надежность последующей эксплуатации. В установках обратного осмоса используются две базовые конфигурации потоков: 
1) прямоточная системы (рис. 31.10, а); 
2) система с рециркуляцией (рис. 31.10, б) и осадка (SDI). 
    В прямоточной системе очищаемая вода проходит через мембранные модули. По мере продвижения воды от входа к выходу из модуля расход транзитного потока концентрата уменьшается. Для того чтобы снизить опасность развития концентрационной поляризации, используется многоступенчатая схема подключения модулей «елочкой» (см. рис. 31.6). При такой конфигурации система спроектирована так, чтобы скорость потока в аппаратах была одинаковой. Для таких систем характерно то, что общая длина пути достаточно велика, что сказывается на величине гидравлического сопротивления.




Рис. 31.10. Схемы работы обратноосмотических установок: а – прямоточная; б – циркуляционная; 1 – насос; 2 – мембранный аппарат; 3 – регулирующий вентиль


    В случае использования рециркуляционной системы концентрат с заданным высоким расходом проходит через аппарат и основная часть концентрата возвращается в голову установки, а часть концентрата идет на сброс. Схема с рециркуляцией обычно используется в небольших установках, состоящих из одного-двух модулей, где невозможно организовать многоступенчатую прямоточную схему. 
    Современные фирмы–поставщики мембранных систем проектируют установки, основываясь на общих принципах расчета. 
    В расчет установки входят: 
1. Определение параметров насосов высокого давления, их количество, напор, подача, мощность двигателей. 
2. Определение параметров установки: – качество очищенной (обессоленной) воды. 
    Все крупные системы обратного осмоса (25–500 м3/ч) работают в соответствии с «прямоточной» схемой: исходная вода подается рабочим насосом высокого давления в установку, где разделяется на 2 потока – фильтрат и концентрат.     Основная последовательность расчета установки состоит в следующем: 
1. Исходя из заданной величины производительности установки по фильтрату Qф (м3/ч) и величины a, определяем потребность в исходной воде:






Расход сбросного потока концентрата составит:




3. Расчет мембранной установки или блока. Мембранные установки представляют собой аппараты (корпуса с мембранными элементами от 1 до 7), уложенные на раму-стеллаж (рис. 31.11).





Рис. 31.11. Рама для напорных корпусов рулонных аппаратов. Конструкция мембранной установки

    В случае большой производительности мембранной установки (250–1000 м3/ч) рекомендуется использовать несколько параллельно работающих блоков производительностью 50-100 м3/ч. Для одного блока подбираются насосные агрегаты и рассчитывается конфигурация установки (схема подключения корпусов и распределения по ним потоков воды). 
4. Определяем приближенно общее солесодержание обессоленной воды Cф, общее солесодержание концентрата; исходя из значений селективности мембран R:



    Значения селективности мембран R выбираются из паспортных значений. Для мембран обратного осмоса значение R составляет 98,5–99%, для нанофильтрационных мембран – 60–90%. Выбрав тип мембран, следует проверить, соответствуют ли заданные параметры качества очищенной воды полученному значению Cф 
5. Марку и тип мембранного элемента для использования в установке выбирают, используя паспортные характеристики мембранных аппаратов (площадь мембран, селективность, производительность при заданной величине рабочего давления и температуре – (рис. 31.12).
Рис. 31.12. Характеристики мембранного аппарат ESPA-8040: зависимость производительности аппарата от заданной величины рабочего давления (а) и температуры (б)

6. Расчет (подбор) конфигурации блока состоит: 
а) в определении количества ступеней (количества последовательно подключаемых групп аппаратов); 
б) количества параллельно работающих аппаратов на каждой ступени. 
    Количество параллельно работающих аппаратов подбирают исходя из требуемого минимального соотношения потоков фильтрата и концентрата аппаратов 1:5. Эти требования определяются необходимостью поддержания скоростного режима в аппаратах во избежание развития концентрационной поляризации (рис. 31.13 и 31.14).





Рис. 31.13. Схемы подключения аппаратов в обратноосмотических установках для величины выхода фильтрата до 80% (а) и выхода фильтрата до 60% (б)


    Расчет блока начинают с последних по ходу движения жидкости аппаратов ступеней. Такой метод получил название расчета «елочкой». Выбрав длину корпусов, зная расход концентрата, можно определить количество параллельно работающих аппаратов на последней ступени. 
    Обычно количество ступеней «назначают»: две для a=0.5 и три для 0.5<a<0.75(см. рис. 31.13).



Рис. 31.14. Увеличение концентрации солей в растворе, проходящем через один аппарат

    Зная солесодержание концентрата, по графикам на рис. 31.12 определяем расход фильтрата q в последних по ходу движения воды аппаратах. Тогда для одного аппарата минимальный расход концентрата составит q 5. Отсюда количество параллельно работающих аппаратов последней ступени определится как



Величина a на i-ступени составит:








    Тогда общее солесодержание поступающей на i-ступень воды определится по формуле (31.11) как


а общий расход фильтрата аппаратов i–1-ступени определится как





Общий расход фильтрата в аппаратах i и i–1-ступеней составит:








Рис. 31.15. Схемы подключения аппаратов и определение значений расходов и концентраций

   Тогда общее количество поступающего после первой ступени концентрата на i–1-ступень определится как



Общее солесодержание поступающей на i–1-ступень исходной воды (концентрата I ступени) определится как




а общий расход фильтрата аппаратов I ступени определится как





31.1. Теоретические основы процесса
31.3. Мембраны для обратного осмоса
31.4. Типы мембранных аппаратов и их конструкций
31.5. Разработка технологических схем предварительно
обработки воды перед обратноосмотическими
установками
31.6. Конструирование установок обратного осмоса
31.7. Технологические расчеты мембранных систем
31.8. Современные технологические схемы мембранных
установок