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天津工业大学 环境与化学工程学院 膜法水处理技术 反渗透和纳滤工艺过程设计 系统设计要求 浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响 反渗透和纳滤过程的基本方程 反渗透和纳滤工艺流程及其特征方程 反渗透和纳滤装臵的组件配臵和性能 反渗透和纳滤基本设计内容和过程 反渗透和纳滤系统预处理及运行 反渗透和纳滤工艺过程设计 1 系统设计要求 1.1 进水水质 水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。 对水质要有一全面的把握,必须针对水源特点在不 同时期收集水样,进行分析比较,了解其变化及变化原 因。这对反渗透系统的有效设计( 预处理、产水量、回 收率、脱除性能、压力、流速 ),正当的操作,诊 断系统存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。 工艺过程设计系统设计要求 采样要求: 取样时要有代表性,要有足够的量,选点要正确, 容器要合适,水样的采集要严格按照 水和废水监测分 析方法 中的要求进行详细的记录。 水质分析内容: 水源水量、水质调查的内容要求非常详细,包括 CO2、 pH、 O2、 Cl、 SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶 解性固体、细菌数等 ,常见参数的要求见下页的 水样分 析报告 。 工艺过程设计系统设计要求 工艺过程设计系统设计要求 常规水源的水质特点: 市政供水为了防止管网的腐蚀,一般 pH偏高,含有 游离氯和 Fe离子等 地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点 考虑的内容 地下水成份一般相对稳定,多数具有高硬度和碱度 的特征 海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌,进水 pH 值和 水温,金属氧化物和微溶盐的沉淀(不同海域水质差异 较大) 其他特殊场合,如化工、生物行业物料的浓缩、分 离等 工艺过程设计系统设计要求 1.2 产水水质和水量 根据用户的要求或者用户所处的行业,按照 客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定 反渗透或纳滤系统的产水水质和水量 这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程 的选择,如 单位时间的产水量 , 膜组件种类 、 数 量和排列方式 , 回收率 以及 具体的工艺流程 等。 工艺过程设计系统设计要求 1.3 膜和膜组件的选择 醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺,具有 价廉 、 耐 游离氯 、 耐污染 的特点,多用于 饮用水净化 和 污染密度指数 ( SDI)较高 的地方。 芳香族聚酰胺复合膜, 通量高 , 脱盐率高 , 操作压力低 , 耐生物降解 , 操作 pH范围宽( 2 11)不易水解 ,脱 SiO2和 NO- 3及有机物都较好,但不耐 游离氯 ,易受到 Fe、 Al和阳离子絮 凝剂的污染,污染速度较快。 工艺过程设计系统设计要求 目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组 件形式主要是卷式和中空纤维式。 选用膜组件时应综合考虑组器的 制备难易 、 流动状态 、 堆砌密度 、 清洗难易 等诸方面,卷式 元件用得最普遍。据进水和出水水质,可初步选 定膜元件,由产水量可初步确定元件得个数。 工艺过程设计系统设计要求 1.4 回收率 回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的 确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。 一般海水淡化回收率在 30 45 ,纯水制备在 70 85 ;而实际设计过程中应根据预处理、进 水水质等的条件确定。 工艺过程设计系统设计要求 1.5 产水量的衰减 反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长,膜 的产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在 高温高 压 下运行,在温度和压力的协同作用下,会出现膜的压 密化现象,其结果会造成产水量下降或系统操作压力上 升。压密化是膜性能的不可逆衰减,事实上,复合膜比 醋酸纤维素膜更耐压密化。 膜污染 也是造成膜产水通量的衰减的主要原因。 工艺过程设计系统设计要求 通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜 率。 式中, m为产水量下降斜率; t为运行时间, h; Q0和 Qt 分别为运行初期和运行 t小时后的产水量。 通常 CA类膜 m -0.03 -0.05,复合膜的 m=-0.01 - 0.02。即 CA类膜产水量年均下降 10左右,复合膜约为 5左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。 工艺过程设计系统设计要求 t m Q Q t lg lg 0 1.6 截留率的衰减 随着反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生 物或化学因素的作用,膜面材质会发生疏松化, 导致膜的截留率衰减。 通常 CA类膜的年透盐增长率为 20左右,复 合膜约为 10左右。当然系统预处理如果不合适 或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增大。 工艺过程设计系统设计要求 1.7 产水量随温度的变化 反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生 较大的变化。通常根据下式进行计算: T为温度,单位 ,即 每一度变化使产水量变化 3左右 。 也可用温度校正因子( TCF)表示。 Kt为与膜材料有关的常数。 工艺过程设计系统设计要求 250 03.1 TQQ 298 1273 1e x p( TKT C F t 温度对膜的通量影响较大,在进行设计过程中要充 分考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施( 进出水 换热等 )减少温度对系统产水效率的的影响。 工艺过程设计系统设计要求 温度 / 校正因子 CA膜 TFC膜 5 0.590 0.534 10 0.685 0.630 15 0.786 0.739 20 0.890 0.861 25 1.000 1.000 30 1.115 1.155 35 1.235 1.328 40 1.366 1.520 2 浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响 2.1 浓差极化的概念 在反渗透过程中,由于膜的选择渗透性,溶 剂(通常为水)从高压侧透过膜,而溶质则被膜 截留,其浓度在膜表面处上升高;同时发生从膜 表面向本体的回扩散,当这两种传质过程达到动 态平衡时,膜表面处的浓度 c2高于主体溶液浓度 c1,这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比 率 c2/c1称为浓差极化度。 工艺过程设计浓差极化 根据薄膜理论模型描述浓差极化现象,如下 图所示。 边 界 层 膜 J w c 1 c 2 d x d c D 主 体 溶 液 c 3 产 水 浓差极化理论模型 工艺过程设计浓差极化 12 cc 2.1 浓差极化的计算 浓差极化度可根据膜液相界面层邻近膜面传质 的质量平衡的微分方程加以积分 , 然后将边界条件代入 求得 。 主要表达式有: 质量平衡的微分方程: cJdxdcDJ wa bU Jcc k Jcccc ww e x p)(e x p)( 313132 a w w bU J k J e x p)( e x p)( 31 3132 根据边界条件积分可得: 或 工艺过程设计浓差极化 由以上推导的结果可知当流速 时, 几乎不存在浓差极化。此时膜高压侧的浓度才几 乎是均一的,即 c=c2=c1或相应的渗透压 =2=1,而在通常的反渗透过程中,流速 U不 能太高,因为随着流速 U的提高,流道的阻力升 高,能耗增加。这样,通常取适当的流速 U操作, 于是存在一定的浓差极化,即 c=c2c1或 =21。 工艺过程设计浓差极化 U 2.3 浓差极化下的传质方程 ( 1)水通量 ( 2)脱盐率 工艺过程设计浓差极化 a w w bU JPAPAJ e x p)()( 3132 2 3 2 32 31 32 1 e x p)(/ )(/ c c c cc bU J PBA A PBA A r a w 131 3131 1)(/ c c c cc PBA Ar obs ( 3)真实脱盐率 r与表观脱盐率 robs的关系 由上述的浓差极化方程可以推出: 在半对数坐标纸上作 图。在保持 Jw 不变情况下,测定不同 U时的 robs, 计算不同 U时 的 ,并与相应的 作图,其所得的图线为 直线。 工艺过程设计浓差极化 a w o b s o b s bU J r r r r 303.2 11lg)1(lg a w o b s o b s U J r r )1(lg obs obs r r )1(lg a w U J 将直线外推之 ,其与纵坐标的 截距 为 ,从而 可得真实的脱盐率 r;直线的 斜率为 ,其中流速指数 a=0.3(层流)或 0.8(湍流)。这样由直线的斜率可求出 比例常 数 b及 传质系数 k。 工艺过程设计浓差极化 r r )1(lg b3 0 3.2 1 可以求出反渗透工程上实际存在的 浓差极化度 通常由浓差极化度与能耗权衡,取浓差极化度为 =1.2。这样,若实验测定得到 robs=0.950时 r为多 少?根据上式可知: 工艺过程设计浓差极化 31 32 cc cc r r r r r r cc cc obs obs obs 1 )1( 1)1( 1 1 )1( 1 31 32 31 32 cc cc 958.0 95.01 95.02.1 1 95.01 95.02.1 1 1 1 31 32 31 32 obs obs obs obs r r cc cc r r cc cc r 2.4 浓差极化对反渗透的影响和缓解措施 ( 1)浓差极化对反渗透的影响 降低水通量 根据存在或几乎不存在浓差极化的情况下导出的水通 量方程可知,由于浓差极化时的溶液渗透压项由原先的 变为 ,而 1,因而 此时的水通量 Jw Jw( Jw为几乎不存在浓差极化时的水 通量)。 工艺过程设计浓差极化 )( 31 a w bU Je x p)( 31 a w bU Je xp 降低脱盐率 比较上述相应情况下的 脱盐率方程 可知 , 同样因 1, 使脱盐率由 r降为了 robs。 导致膜上沉淀污染和增加流道阻力 由于膜表面浓度增加,使那些水中的 微溶盐 ( CaCO3和 CaSO4等)沉淀, 增加膜的透水阻力 和 流道 压力降 ,使膜的水通量和脱盐率进一步降低。极化严重 的化,导致反渗透膜性能的急剧恶化。 工艺过程设计浓差极化 awbUJe xp ( 2) 降低浓差极化的途径 反渗透过程中的浓差极化 不能消除只能降低 。 其途径 如下所述 。 合理设计和精心制作反渗透基本单元膜元 ( 组 ) 件 , 使之流体分布均匀 , 促进湍流等 。 适当控制操作流速 , 改善流动状态 , 使膜溶液相 界面层的厚度减至适当的程度 , 以降低浓差极化度 。 通 常浓差极化度有一个合理的值 , 约为 1.2。 适当提高温度 , 以降低流体粘度和提高溶质的扩散 系数 。 工艺过程设计浓差极化 3 溶度积和饱和度 在后面的预处理章节中详细讲述。 4 反渗透和纳滤过程的基本方程 4.1 渗透压 渗透压 随溶质种类、溶液浓度和温度而变,表示方法 和表达式很多。 (1) 式中 cp为 溶质的摩尔浓度 ; xf为 溶质的摩尔分数 ; 为 渗透压系数 ; Mi为 溶质的摩尔浓度 ;对于 稀溶液 可 取 0.93。 工艺过程设计过程基本方程 fpi BxK T cMKT (2) 此式可以估算 的近似值。 (3) 查表得到溶液的渗透压 (4) 式中 K0为系数 2 4 10-5, T为温度 , cf为进料浓 度 mg/L。 工艺过程设计过程基本方程 410)/(7 1 4.0)( LmgT D SM P a fcTKP s i )27 3()( 0 工艺过程设计过程基本方程 (5) 对 NaCl水溶液,可以根据下式计算: 式中, c为 NaCl溶液浓度, mg/L 4.2 水通量 Jw A为水的渗透性常数, NDP为净驱动压力。 pf和 pp分别为进料和产水压力, p为进出口降, avg 为平均渗透压。 Qp为产水量, S为膜面积 1 0 0 0 1 0 0 0 )2 7 3(106 4 1.2)( 4 c TcM P a a v gpf pppN D P 5.0 p Bp p Bp p p ppSAND PSAQ 22 工艺过程设计过程基本方程 4.3 盐通量 Js B为盐的透过性常数 , cs为膜两侧盐浓度差 。 盐透量 Qs S为膜面积。 4.4 产水盐浓度 cp 4.5 盐透过率 SP cfm为平均进料浓度。 ssss cBccBJ )( p bp ss c ccSBcSBQ 2 w s p J Jc p c p s fm p Q Q c cSP %1 0 0 工艺过程设计过程基本方程 4.6 脱盐率 SR或 r 4.7 回收率 R和流量平衡 Qp为产水流速, Qf为进料流速, Qr为浓缩液流速 4.8 浓缩因子 CF pp s fm p cQ Q c cSPrSR 111 %1 00 f p Q QR prf QQQ RCF 1 1 工艺过程设计过程基本方程 4.9 浓差极化因子 CPF ca为膜表面盐浓度 , Kp为与元件构型有关的常数 , Ri 为膜元件回收率 。 对于 1m长的元件 , 18 的回收率时 , CPF取 1.2。 4.10 膜元件产水量 Qp Qps为标准条件下的产水量, TCF为温度校正因子, NDPf为现场条件下的净驱动力, S为膜面积。 i i p f a v g p p b a R RK Q QK c cC PF 2 2e x pe x p A S ND PND PND PT CFQQ a f psp 工艺过程设计过程基本方程 4.11 产水盐度 cp SPs为标准条件下的 SPc 4.12 系统平均渗透压 f s sfp ND P ND PSPCFcc R R fa v g 1 1 ln 5 工艺流程及其特征方程 反渗透系统是由基本单元膜组件以一定配 臵方式组装而成 。 装臵的流程根据应用对象和规 模大小 , 通常课采用 连续式 、 部分循环式 和 循环 式 三种 。 由反渗透的物料平衡和透(产)水、浓水的 浓度与进水浓度的关系式,可导出各种流程的特 征方程。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 段 和 级 概念的区分 在膜分离工艺流程中常常会遇到 “ 段 ” 与 “ 级 ” 的 概念。 段 :指膜组件的 浓缩液(浓水) 流入到下一组膜组 件进行处理。流经 n组膜组件,即称为 n段; 级 :指膜组件的产水进入到下一组膜组件处理, 透 过液(产品水) 经过 n组膜组件处理,称为 n级。 可以将 “ 段 ” 和 “ 级 ” 分别理解为对 “ 浓水分级 ” ( 分段 )和对 “ 产水分级 ” ( 分级 )。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 工艺过程设计工艺流程及特征方程 分段式工艺流程 分级式工艺流程 进 水 高 压 泵 第 一 段 第 二 段 产 水 浓 水 进 水 高 压 泵 1 第 一 级 第 二 级 产 水 浓 水 高 压 泵 2 5.1 连续式分段式(浓水分段) (1) 流程说明 将 前一段的浓水作为下一段的进水 , 最后 一段 的浓水 排放废弃 ,而各段产水汇集利用。 这一流程适合用于处理 量大、回收率高 的应用 场合。通常用于 苦咸水的淡化 和 低盐度水 或 自 来水 的净化。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 工艺过程设计工艺流程及特征方程 Q和 c分别表示流量和浓度;下标 f、 p和 r分别指进水、产水 和浓水;下标 1, 2, , n为段号。 进 水 第 一 段 第 二 段 第 n 段 浓 水 Q f , c f Q p 1 c p 1 Q p 2 c p 2 Q p n c p n Q r 1 c r 1 Q f 1 c f 1 Q r 1 c r 1 Q f ( n - 1 ) c r ( n - 1 ) 产 水 Q p , c p Q r , c r 工艺过程设计工艺流程及特征方程 (2) 特征方程 装臵及其各段的进水流量 Qf、 Qfi 通式: 1 0 0 1 0 )1( )0;3,2,1,0;n,3,2,1()1( i j j p i j jffi R R Q RnjiRQQ 设 工艺过程设计工艺流程及特征方程 通常采用两段式的流程,于是: 式中, 和 分别为装臵和第 j段 的回收率。 f p Q QR fj pj f Q QR R Q RQRQ R Q QQ p ff p ff )1()1( 112 1 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵及其各段的浓水流量 Qr, Qri 通式: 二段式: i j i p nr i j ifri R R Q QQjiRQQ 1 1 )1( );n,3,2,1,()1( 设 )1)(1( )1( 212 11 RR R Q QQ R R Q Q p rr p r 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵的回收率 R与各段回收率 Ri、 Rj的关系 通式: 二段式: )0;3,2,1,0;n,3,2,1( )1( 0 1 01 Rnji RRR i j j n i i 设 211 )1( RRRR 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵及其各段的产水浓度 cp, cpj 通式: 式中 Ri、 Rj分别为 i段和 j段组件以进、出口积分平 均进水浓度计的脱盐率。 二段式: )0( )1( )1()1(1)1( 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 R RR RRR c n i j j ji i j r j r i n i i j j p jj 设 211 1 2 1 1 1 1 )1( )1(1)1()1(1 211 RRR RRRc rrr p 工艺过程设计工艺流程及特征方程 通式: 二段式: )0()1()1(1 01 1 01 1 1 1 RRR Rcc ji rj i j r fp 设 2 1 2 1 1 1 2 2 1 1 )1(1 )1( )1(1 R R Rcc R R cc r ffp r fp 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵及其各段的浓水浓度 cri、 crj 通式: 二段式: )0;,2,1,:( )1( 0 1 Rnji Rcc i j r jfri j 设 21 1 )1()1( )1( 212 11 rr frr r fr RRccc Rcc 工艺过程设计工艺流程及特征方程 5.2 连续式分级式(产水分级) (1) 流程说明 分级式流程通常为二级。主要是为了提高 系统的回收率和产水水质, 将浓度低于或等于 装臵进水的第二级浓水返回到第一级进口处, 第一级产水作为第二级进水 ;第二级产水就是 装臵的产水;第一级浓水排放。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 Q和 c分别表示流量和浓度;下标 f、 p和 r分别指进水、产 水和浓水;下标 1, 2分别指第一段和第二段。 进水 第一级 第二级 浓水 Q f c f Q r ( Q r 1 ) c r ( c r 1 ) Q r 2 c r 2 Q f1 c f1 Q f 2 c f 2 Q p ( Q p 2 ) Cp ( c p 2 ) 产水 Q p 1 c p 1 工艺过程设计工艺流程及特征方程 该流程常用于下列情况: 原水 含盐量特别高 ,一级反渗透难以得到稳定 的产水水质。如特别高浓度的 海水 淡化等; 水源 水质经常发生较大变化 时(如沿海地区地 下水不时受到海水倒灌的影响,含盐量波动较 大),仅以常规的一级分段式反渗透不适应这 种情况,需要考虑其临时变换应急的二级反渗 透的多功能流程。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 当 一级反渗透达不到最终产水的水质 (如电导 或电阻率)的指标时,二级反渗透可以省略通 常的离子交换而能达到上述水质指标,且 简化 了水处理系统的流程和操作(如中高压锅炉的 用水等)。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 ( 2) 特征方程 装臵的进水流量 Qf 装臵(第一级)的浓水流量 Qr( Qr1) pf QRR RRQ 21 21 )1(1 21 1 )1(1 RR Q RQQ prr 工艺过程设计工艺流程及特征方程 第二级浓(循环)水的流量 Qr2 装臵的回收率 R与第一、二级的回收率 R1、 R2的关系 pr QR RQ 2 2 )1( 2 )1(1 21 21 1 RR RR Q Q R p 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵的进水浓度 cf 式中, r1和 r2分别为以第一、二级组件的进、出 口平均浓度计的第一级和第二级组件的脱盐率。 第一级进水浓度 cf1 prr rr f cRR RR RR RRc )1(1)1(1)1(1 )1()1(11 21 21 1 2 1 1 1 2 1 1 21 21 prrf cR R R Rc 211 1 2 2 1 1 1 )1(1)1(1 工艺过程设计工艺流程及特征方程 第一级产水浓度 cp1(第二级进水浓度 cr2) 装臵(第一级)的浓水浓度 cr( cr1) 第二级(循环)水的浓度 cr2 )( )1(1 )1(1 22 2221 1 2 2 1 2 2 pppr prfp ccc R R c R R cc prr r rr cR R R RRcc 21 1 1 1 2 2 1 1 1 1 )1(1)1(1)1( pr r r cR RRc 2 2 2 1 2 2 2 )1(1)1( 工艺过程设计工艺流程及特征方程 5.3 部分循环式部分透过水循环 (1) 流程说明 部分透过水 循环至装臵 进口处 与其原始的进水相 混合作为装臵的进水,浓水连续排放废弃,部分透过 水作为产水收集。 这一流程便于控制产水的水质和水量,适用于水 源水质经常波动、在反渗透浓水中有可能出现微溶盐 (如 CaCO3和 CaSO4等)沉淀和在无加温条件下要求 连续 额定产水量 等小规模应用的情况。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 Q和 c分别表示流量和浓度;下标 f、 p和 r分别指进 水、产水和浓水;下标 fm、 pc和 pp分别指混合进水、 循环透过水和产水。 进水 浓水 Q f c f Q pc c p Q fm c fm 产水 Q r c r Q p c p Q pp c p 工艺过程设计工艺流程及特征方程 ( 2) 特征方程 装臵的 原 (进)水流量 Qf R为以混合进水流量计算的回收率,其值 为 式中, Kf为透过水循环率,其值为 装臵的进(混合)水流量 Qfm fm p Q QR f pc f Q Q K pp ff f fm QKKR KQ )1( 1 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵的透过水循环量 Qpc 装臵的透过水流量 Qp 装臵的浓水流量 Qr pp ff f pc QKKR KQ )1( pp ff f p QKKR KRQ )1( )1( pp ff f r QKKR RKQ )1( )1)(1( 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵的回收率 Rf 式中, Rf为以原(进)水流量计算的回 收率,其值为 。 装臵的进(混合)水浓度 cfm 式中, r为以组件进水的平均浓度计的脱盐率。 fff KRKR )1( f pp f Q QR rffffm RKKR Rcc 1)1(1)1( 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装置的透过(产)水浓度 cp 装置的浓水浓度 cr r ff r f r fmp RKKR R c R R cc 1 1 1 )1(1)1( )1(1 )1(1 rff r f r fmr RKKR RR c Rcc 1)1(1)1( )1( )1( 工艺过程设计工艺流程及特征方程 5.4 部分循环式部分浓缩液循环 (1) 流程说明 在反渗透过程中,将连续加入的 原料液 与反渗透 部分浓缩液 相 混合 作为反渗透 进料液 ,其余的浓缩液 作为产品液连续收集;其透过液连续排放或重复利用。 这一流程用于某些 料液连续除溶剂(水)浓缩 的 应用场合,如废液的浓缩处理等。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 进 料 液 透 过 液 Q f c f Q p r c r Q f m c f m 浓 缩 液 Q p c p Q r c r Q r p c r Qr Qpr Qrp 工艺过程设计工艺流程及特征方程 ( 2) 特征方程 装臵的原料液流量 Qf 式中, Kr为浓缩液的循环率,其值为 。 装臵的进料液流量 Qfm rp r f QKRQ )1(1 1 f rm r Q QK rp r r fm QKR KQ )1(1 1 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装臵的透过液流量 Qp 装臵的浓缩循环液流量 Qrp 装臵的浓缩液流量 Qr rp r r p QKR RKQ )1(1 )1( rp r r rp QKR KQ )1(1 rp r r r QKR RKQ )1(1 )1)(1( 工艺过程设计工艺流程及特征方程 装置的混合进料液浓度 cfm 装置的浓缩液浓度 cr 装置的透过液浓度 cp rrrfm RKcc )1(11 1 rr r r r fmr RK RcRcc )1(11 )1()1( r r r r r fmp RKR R c R R cc )1(11 1)1(1 )1(1 1 工艺过程设计工艺流程及特征方程 5.5 循环式补加稀释剂的浓缩液循环 (1) 流程说明 在运行过程中,连续 向原料液 中 补加相当于透过 液流量的稀释剂 , 浓缩液 全部循环, 透过液 连续排放, 直至反渗透料液的浓度达到预定的值时,作为成品收 集,透过液排放或重复利用。 这一流程用于溶液中物质的分离,使产品有较高 的收率和纯度。 工艺过程设计工艺流程及特征方程 Q0和 cf0分别表示原料液的体积和浓度; Qw、 Qfw、 Qp和 Qr分 别为稀释剂、进料液、透过液和浓缩液的流量; cw、 cf0、 cp和 cr 分别为与上述料液相应的浓度。 稀 释 剂 透 过 液 Q 0 , c f 0 Q w c w Q f m c f m 浓 缩 液 Q p c p Q r c r 工艺过程设计工艺流程及特征方程 ( 2) 特征方程 进料(成品)液与原料液的浓度比率 式中 R为装臵的回收率, R , S为处理单位体积 原料液所需稀释剂的消耗量,即稀释剂比耗,其值为 S , t为运行时间。 0f f c c m SR Rc c r f f m 1)1(1e x p 1 0 mf p Q Q 00 Q tQ Q tQ wp 工艺过程设计工艺流程及特征方程 浓缩液的浓度 cr 透过液的浓度 cp SR R Rc cRc rr f f r r m 1)1( 1 e x p)1( )1( 1 0 SR RR Rc R Rcc rr f r fp m 1)1( 1e x p)1(1)1(1 1 0 工艺过程设计工艺流程及特征方程 进料液流量 Qfm 浓缩(循环)液流量 Qr 稀释液、透过液的流量 Qw、 Qp 0 ln 1)1( 1 1 0 f f rf c c Rf QQ m m 0 ln1)1( 1)1( 10 f f rfr c c Rf QRQQ m m 0 ln1)1( 10 f f rfpw c c R R f QRQQQ m m 工艺过程设计工艺流程及特征方程 5.6 循环式浓缩液循环 (1) 流程说明 该流程与“补加稀释剂的浓缩液循环”流程相同, 所不同的时 补加的不是稀释剂而是原料液 。其流量和 浓度分别为 Qf和 cf0操作过程液与上述流程相同。 这一流程用于 溶质的浓缩和分离 。 ( 2)特征方程 进料(成品)液与原料液的浓度比率 0f f c c m 工艺过程设计工艺流程及特征方程 根据不同的运行时间反渗透的质量平衡可得下列 微分式: ( 1) 反渗透的透过液、浓缩液的浓度与进料浓度的关系: ( 2) ( 3) 将式( 2)代入式( 1)经变换整理得: ( 4) )()( )( 0 00 prpfp ppfffm QQdtccQ dtQcQcdcQ fm r p cR Rc 1)1(1 fmrr cRc 1)1( dt Q Q R R c R R c c R R cd p r fm r f fm r f 0 1 1 0 1 0 )1(1 )1(1 ) )1(1 ( 工艺过程设计工艺流程及特征方程 将积分边界条件带入式( 4): t=0时, cfm=cf0 t=t时, cfm=cfm 整理后得: 浓缩液的浓度 cr 由式( 3)和式( 5)得 0 111 )1(1 e x p)1(111)1(1 0 Q Q R R R R R R c c prrr f fm 0 11 1 11 )1(1 e x p )1(1 11 )1(1 )1()1(1 0 Q Q R R R R R R RccRc p rr r r ffm r r 工艺过程设计工艺流程及特征方程 透过液得浓度 cp 由式( 2)和( 5)得: 原料液(透过液)得流量 Qr( Qp) 由式( 5)得: t Q Q R R R R cc R R c p r r ffm r r 0 1 11 )1(1 e x p )1(1 11 )1(1 0 R R c c R R t Q R R QQ r f fm r r pf 1 1 0 1 )1(1 1 )1(1 1 ln )1(1 0 工艺过程设计工艺流程及特征方程 进料液流量 Qfm 浓缩液流量 Qr R R c c R R t Q RR Q Q r f fm r r p fm 1 1 0 1 )1(1 1 )1(1 1 ln )1(1 1 0 R R c c R R t Q R R QRQ r f fm r rfmr 1 1 0 1 )1(1 1 )1(1 1 ln )1(1 1 )1( 0 6 装臵的组件配臵和性能 6.1 膜元(组)件的操作性能( 脱盐率 和 水通量 ) ( 1)膜元(组)件的脱盐率 元(组)件在使用过程中膜的进水侧和产 水侧的浓度沿流道变化情况见下图。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 工艺过程设计工艺流程及特征方程 进 水 c f , Q f c f 1 , Q f 1 膜 c p 1 , Q p 1 c f 2 , Q f 2 c p 2 , Q p 2 c f n , Q f n c p n , Q p n 进 水 流 道 产 水 流 道 排 水 c r , Q r rrrrmr ccccc 12 rrmr QQQQQ 1 产 水 c p , Q p 12 pppn ccc pnpp QQQ 21 计算脱盐率的流道模型 根据产水的质量平衡可得元(组)件总产水的浓度为: p pppppp p Q cQcQcQc rr 2211 欲得到元(组)件真实得脱盐率 r,必须知道整个流 道的积分平均浓度 。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 pc Rr Rcc r rf )1( )1(1 1 R Rcc r rp 1)1(1 )1ln ( 1ln 1 R R c c r f p 另外,组件的脱盐率与膜常数和平均有效压力的关系: )(/1 1 )( )( PARRPA PAr ( 2) 膜元 ( 组 ) 件的水通量 工艺过程设计装置的组件配置和性能 进 水 P f , f ( c f ) P f 1 , f 1 ( c r 1 ) 膜 p 1 ( c p 1 ) , J w 1 进 水 流 道 产 水 流 道 排 水 ffnfff PPPPP 21 rfnfff 21 产 水 pnpp 21 P f 2 , f 2 ( c r 2 ) P f n , f n ( c r n ) p 2 ( c p 2 ) , J w 2 p n ( c p n ) , J w n P r , r ( c r ) P p , p ( c p ) wnww JJJ 21 若元(组)件的膜面积为 S( m2),则其产水流量: )()( PKPSAQ wp Kw为元(组)件产水流速的压力系数。 6.2 装臵中元(组)件的配臵 装臵内组件的 配臵原则 是 保持装臵内各组件的平 均流速(流量)大于或等于规格元(组)件在标准测 试条件下的值, 从而使装臵的浓差极化度不大于其元 (组)件的浓差极化度。 因此,无论是分段式还是分级式流程的装臵均 应逐段或逐级减少并联组件数,即所谓 锥形排列 。分 段式(两段)和分级式(两级)的装臵内各段或各级 组件的 分配比为 2: 1的流程。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 工艺过程设计工艺流程及特征方程 分段式工艺流程 分级式工艺流程 进 水 高 压 泵 第 一 段 第 二 段 产 水 浓 水 进 水 高 压 泵 1 第 一 级 第 二 级 产 水 浓 水 高 压 泵 2 6.3 装臵的性能 鉴于分段式流程应用较为普遍 , 在此简述其装臵的 性能 。 ( 1)产水量 装臵的产水性能通常为产水量 Qp 工艺过程设计装置的组件配置和性能 )( )( 1 1 1 jj n j mw n j jjm n j pp pNK pNSA QQ j j J Qp装臵的产水量 , m3/h; Qpi第 i段元 ( 组 ) 件的产水量 , m3/h; S 元 ( 组 ) 件的有效膜面积 , m2; A 元 ( 组 ) 件 的 透 水 性 常 数 , m3/(hm2MPa); Kw 元 ( 组 ) 件的产水量的压力系数 , m3/(hm2MPa); Nmj 第 i段元 ( 组 ) 件数; 第 i段元 ( 组 ) 件的平均操作压力差 , MPa; 第 i段元(组)件膜两侧溶液的平均渗 透压, MPa; jp j 工艺过程设计装置的组件配置和性能 ( 2) 脱盐率 将描述元 ( 组 ) 件脱盐性能的式中的 A以 Kw/S带之 , 可得装臵的脱盐率方程: )(/1 1 1 1 n j jjmn j m w pN NS K B r j j 装臵的产水量 Qp取决于元 ( 组 ) 件的膜常数 Kw和各段的元 ( 组 ) 件数 Nmj与相应的平均有效压力乘积的加和 。 就特定规格的元 ( 组 ) 件数以一定的配臵方式组装的装臵而言 , 其产水量与施加 在各段元 ( 组 ) 件的平均有效压力成正比 。 B 元 ( 组 ) 件的透水量 常数 , m/h; 装臵的元(组)件 总数。 nj mjN1 工艺过程设计装置的组件配置和性能 7 基本设计内容和过程 7.1 给出设计限制范围 这包括不同进水时的 平均水通量 ,水通量 年下降 百分率 ,不同膜类型的 盐透过率 , 盐透过的年增长率 , 浓水中 难溶盐的饱和极限 ,饱和指数的 限度 ,元件 最 大进水 和最低浓水 流速 7.2 设计的具体要求 设计目的是给定系统参数,得到最有效的成本设 计和经济操作。 主要系统参数:操作压力、回收率、产水水质、 产水水量、平均水通量、反渗透单元(膜元件数、排 列方式和操作模式)等。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 7.3 基本设计过程 ( 1)设定计量单位 包括压力 、 流速 、 通量 、 浓度 、 温度 。 ( 2) 建立新的进水记录 ( 工程名称 、 代号等 ) 输入设计参数:进水水质 、 水源类型 、 组成 、 离子 浓度 、 pH、 温度 、 浊度 、 SDI、 H2S、 Fe、 SiO2、 TOC、 TDS、 电导率 、 渗透压 。 ( 3) 数据计算和转换 计算渗透压 、 离子强度 、 结构盐的饱和值 , 比较进 水阴 、 阳离子当量平衡 , 误差在 10 以内 。 ( 4) 根据进水设臵预处理 , 达到所要求的 SDI。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 ( 5) 输入回收率 , 确立难溶盐的浓度限制 ( 浓水 pH、 LSI、 离子强度 , HCO3-、 CO32-、 CO2、 总碱度 ) , 确定调 pH或加防垢剂 。 ( 6) 选择膜元件类型 , 结合进水 , 确立盐透过率的年增 长率 、 水通量 , 水通量的年下降百分率等 。 ( 7) 输入产水流速 , 根据膜元件的面积和水通量可知膜 的元件数 , 压力容器数等;根据回收率等可初步给出 压力容器排列和段 ( 级 ) 数 工艺过程设计装置的组件配置和性能 ( 8) 总计算程序重复计算 原则是进水压力满足回收率 , 先计算第一 个元件的性能 , 其浓水为第二个元件的进水 , 计算第二个元件性能 , 将所有渗透水相加 , 与目标值比较 , 据此调节进水压力 , 直到收敛 为所要求的压力和回收率 , 同时满足各限制范 围要求 。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 ( 9) 计算结果 显示流量 、 压力 、 水通量 、 系数 、 产水水质 、 浓水饱和度; 超出设计限制时报警显示; 结果输出成计算书; 图形显示系统流程;操作压力 、 产水水质 、 回收 率 、 温度等曲线; 给出能耗和系统经济成本 , 据泵的压力 、 流量 、 回收率 、 效率和电机效率 , 得出电机功率;据输入的 投资 、 材料 、 劳务费用 , 再根据设计部分的有关资料 ( 产水量 、 功耗 、 膜元件 、 试剂用量等 ) , 可计算产 水的成本 。 工艺过程设计装置的组件配置和性能 设计优化和设计选择 基本设计; 渗透水与部分进水混合; 渗透水节流; 设臵级间泵; 部分浓水循环; 二级 ( 或二段 ) RO系统; 后处理: pH调节和脱气等 。 工艺过程设计基本设计过程 7.4 基本设计过程 在无设计软件的情况下,或为了先对项目有益简要的 把握,可根据上一小节的过程简要进行如下的处理: 水源类型 、 水质 、 所需的预处理 产水量 、 回收率 、 进水预处理 选择膜元件类型,计算所需元件的数量(安全系数 或污染因子 0.8) Ne为元件数目, Qp为产水量, qmax为元件最大产水量。 m a x8.0 q Q N pe 确定压力容器数 , 据回收率等 , 确定排列方 式 Nr为压力容器数目 , n为每个容器中元件 数 通常其二段排列容器比为 2: 1, 三段排列容 器比为 4: 2: 1。 n N N er 工艺过程设计基本设计过程 检验进水和最后浓水是否符合最高进水和最低排水量 的要求。 例 1:设计产水量 2160m3/d,水回收率 75,进水 500mg/L, 25 ,选用 Filmtec BW30 8040型元件, 1.6Mpa, 30m3/d,脱盐 98,选用压力容器长可容 6个元件, 初步估算 元件数 Ne 2160 0.8 3090 压力容器数 Nh=90 6=15 按二段回收率达 75,以 2: 1排列压力容器,即第 一段 10根,含 60个元件,第二段 5根,含 30个元件。用所要 求的最大进、最低出口水量来验证排列是否合适,以产水 水质和水量进一步看设计是否达到目的。 工艺过程设计基本设计过程 例 2:设计产水量 270m3/d,水回收率 75,进水 500mg/L, 25 ,选用 BW30 4040型元件, 1.6MPa, 7.5m3/d,脱盐 98, 选用压力容器长可容纳 4个元件,最低元件浓水 /淡水比为 6: 1。 设:污染因子为 0.85,驱动力 1.5MPa,设计压力为 1.5MPa; 单元件产水率 0.85 1.5MPa 7.5m3/d 1.6MPa6.5m3/d 所需元件数 270 6.5 40 压力容器数 40 4 10 最低元件浓水流速 6.5 6 39m3/d 单个压力容器产水率 6.5 4 26m3/d 系统浓水流速总产水率 回收率总产水率 270 75 270 90 m3/d 工艺过程设计基本设计过程 最后一级进水流速单个压力容器产水率 压力容器数 浓水流速 26 2 90 142 m3/d 倒数第二级压力容器数 142 m3/d 39 m3/d 3.63或 4, 这里取 3 倒数第二级的进水流速 26 3 142 220 m3/d 倒数第三级压力容器数 220 m3/d 39 m3/d 5.65或 6, 这里取 5, 这样初步压力容器排列为 5 3 2。 同样根据所要求的元件最大进 、 最低进口水量验证排列 是否合理 , 以产水水质和水量进一步看设计是否达到目的 。 工艺过程设计基本设计过程 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 8 反渗透和纳滤系统预处理及运行 8.1 预处理系统 反渗透和纳滤进水种类多 、 成分复杂 , 为了确保反 渗透和纳滤过程的正常进行 , 必须对进水进行预处理 。 预处理的目的通常为: 除去悬浮固体 , 降低浊度; 抑制和控制微溶盐的沉淀; 调节和控制进水的温度和 pH; 杀死和抑制微生物的生长; 去除各种有机物; 防止铁 、 锰等金属氧化物和二氧化硅的沉淀等 。 8.1.1 除去悬浮固体和胶体,降低浊度 悬浮固体包括淤泥 、 铁的氧化物和腐蚀产物 、 MnO2、 与硬度有关的沉淀物 、 Al( OH) 3絮凝物 、 SiO2、 微细沙石 、 硅藻 、 细菌 、 有机胶体等 。 其中 胶 体最难处理 , 大多数胶体是荷电的 , 其同号电荷排斥 而稳定地悬浮于水中 , 稳定地胶体其 Zeta电位多大于 - 30mv, 当这类胶体凝结在膜表面上时 , 则引起膜地污 染 , 其凝结速率方程为: 式中 , K2为凝结速度常数; n为胶体的浓 度 。 2 2 nKdt dn 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 反渗透处理中采用污染密度指数 SDI (Silt Density Index)来判断进水的好坏,是胶体荷微粒浓度的一种 量度。 SDI值是进水质量的相对值 ,从这个数值中, 并不能明确看出膜污染速度或对膜性能造成的影响等 情况。通常该值是对进水质量和系统预处理工序的效 果进行检测的一个标准。它是进水 在 207Kpa的压力 下, 通过 0.45m Millipore滤膜的污染速率推算出来的。通 常反渗透要求进水的 SDI 3。井水的 SDI 1,顾不必 对其进行胶体的预处理,地表水的 SDI在 10 175,需 要认真进行针对性的预处理。 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 ( 1) SDI的测定 进 水 2 7 6 K p a 球 阀 或 第 一 级 调 节 阀 压 力 调 节 阀 压 力 表 0 . 4 5 m 滤 膜 排 气 阀 O 型 圈 量 桶 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 测试步骤 1 记录测试温度 。 在试验开始至结束的测试时 间内 , 系统温度变化不应超过 1 。 2 排除过滤池中的空气压力 。 3 用带有刻度的 500ml量筒接取滤过水以测量 透过滤膜的水量 。 4 全开球阀 , 测量从球阀全开到接满 100ml和 500ml注 1水样的所需时间并记录 。 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 5 五分钟后 , 再次测量收集 100ml和 500ml水样 的所需时间 , 十分钟及十五分钟后再分别进行 同样测量 。 6 如果接取 100ml水样所需的时间超过 60秒 , 则意味着约 90%的滤膜面积被堵塞 , 此时已无 需再进行实验 。 7 再次测量水温以确保与实验开始时的水温变 化不超过 1 。 8实验结束并打开滤池后,最好将实验后的滤 膜保存好,以备以后参考。 工艺过程设计反渗透和纳滤系统预处理及运行 计算公式 式中: SDI 污染密度指数 Ti 第一次取样所需时间 Tf 15分钟 ( 或更短时间 ) 以后取样所需时间 1
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