反渗透和纳滤的的工艺过程设计.ppt

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