反渗透水处理装置之设计计算

2006.10中国青岛火力发电节水技术研讨会1反渗透水处理装置的设计计算DesignCalculationofWaterTreatmentDeviceinReverseOsmosis李青（华能威海发电有限责任公司，264205）摘要：分析了反渗透装置设计的主要问题，举例说明了反渗透水处理装置的设计计算方法，并根据设计计算结果，安装投运了反渗透水处理装置，运行情况良好。关键词：反渗透；水处理；设计；应用1反渗透水处理装置的设计计算反渗透装置设计的首要问题是选择反渗透膜的产水量。在给定的膜元件数量的条件下，要提高透水量，必须提高运行压力。虽然大多数反渗透膜元件允许的最大运行压力大于7MPa，但在实际设计过程中，最大允许运行压力为6.895MPa（1000psi）。因为依靠提高运行压力来提高透水量，将会导致膜表面污染速度加快，从而造成频繁的清洗。另一方面，有些设计者和承包商，为了降低工程造价，按照膜元件透水量的规定极限选取较少的膜元件数量，缩短了膜的使用寿命。因此膜供应商从实践中总结出来的设计导则必须遵守。根据进水类型，Filmtec/DOW膜元件设计推荐导则见表1。表1规定了膜元件的最大进水流量和最小浓水流量。限制最高进水流量的目的是保护压力容器始端的第一根膜元件的进水——浓水压力降不超过0.07MPa。过高的进水流量可能会使膜元件中出水端凸出和隔水网变形，从而损坏膜元件。又因为浓水流量小，亦即膜的浓水侧表面水流速度小，浓差极化易发生，膜元件易受到污染，因此需要对最小浓水流量进行限制。表1规定了膜元件的最大回收率，提高水的回收率，有利于减少浓水排放量，但是过高的回收率可能引起两方面的问题。首先是原水中难溶盐类在膜表面沉积结垢问题，其次是浓水流量太小引起浓差极化问题。表1Filmtec8in元件在水处理应用中的设计导则地表水废水（过滤市政污水）海水给水类型RO产水井水连续微滤传统过滤连续微滤传统过滤沉井取水表面取水给水SDI＜1＜3＜3＜5＜3＜5＜3＜5元件最大回收率%3019171514121310典型水通量GFD2319161512108.87.3最大产水流量GPD320ft2元件100007500650059005300470075006400365ft2元件1000083007200650059005200--380ft2元件120008600750068005900520088007600390ft2元件1060089007700700063005500--400ft2元件1100091007900720064005700--440ft2元件12000100008700790071006300--2006.10中国青岛火力发电节水技术研讨会2地表水废水（过滤市政污水）海水给水类型RO产水井水连续微滤传统过滤连续微滤传统过滤沉井取水表面取水元件类型最小浓水流量/最大给水流量(m3/h)BW365ft23.6/173.6/153.6/144.1/133.6/123.6/12--BW400ft23.6/193.6/173.6/174.1/154.1/144.6/14--NF400ft23.6/193.6/173.6/174.1/154.1/144.1/14--BW440ft23.6/193.6/173.6/174.1/154.1/144.6/14--Full-Fit390ft25.7/195.7/175.7/175.7/155.7/145.7/14--SW320ft23.6/173.6/153.6/144.1/133.6/124.1/123.6/144.1/13SW380ft23.6/183.6/163.6/164.1/153.6/134.1/133.6/164.1/14注：1GFD=1.70L/（m2·h）=0.0408m3/（m2·d），1GPD=0.003785m3/d，1ft=0.3048m，1ft2=0.0929m2。1.1原水的渗透压力为了使反渗透装置正常运行，盐水侧的压力必须高于渗透压力ΔH。渗透压可用范德华(VantHoff)方程计算ΔH=RCTΣCi(atm)=0.101RCTiCi（MPa）式中:ΣCi——各离子浓度Ci总和，mol/L；T——进水绝对温度，K，T=273+t(℃)；RC——理想气体常数，又叫摩尔气体常数RC=0.082056atm.L/(mol.K)；i——渗透系数，对于非电解质i=1，对于完全电解的电解质溶液i=2；ΔH——溶液的渗透压，atm或MPa。以山东中部某电厂反渗透水处理装置为例，说明其设计计算方法，该厂设计参数为25℃时河水含盐量浓度为900mg/L，操作压力1.2MPa，水的回收率75%，产品水含盐量18mg/L，产品水产量为45m3/h。渗透压计算如下设电离出x(mg/L)Na+、y(mg/L)Cl-NaCl→Na++Cl-58.52335.5900xy所以x=353.8mg/L，y=546.2mg/LC（Na+）=1000238.353×=0.0154mol/LC（Cl-）=10005.352.546×=0.0154mol/LΣCi=C（Cl-）+C（Na+）=0.0308mol/LH=0.1013×0.0821×（273+25）×0.0308=0.076MPa。在实际应用中，由于浓水侧浓度很大，因此加在溶液上的压力必须远远大于按淡水侧浓度计算的渗透压。1.2脱盐率脱盐率是指进水浓度和产品水浓度之差与进水浓度的比值，其计算公式为2006.10中国青岛火力发电节水技术研讨会3ε=fpfCCC−×100%式中Cf——给水进口浓度，mg/L；Cp——产品水出口浓度，mg/L；ε——反渗透器脱盐率，%。仍以山东中部某电厂反渗透水处理装置为例，本例脱盐率ε=90018900−×100%=98%，因为是处理河水，考虑到河水受工业污染日益严重，因此可以选择BW30-365FR抗污染高脱盐率复合膜元件。1.3产水率产水率也叫回收率，即产品水流量与给水流量之比。Y=fPQQ×100%=mPPQQQ+×100%式中QP——淡水（产品水）流量，m3/h；Qf——进水（给水）流量，m3/h；Qm——浓水流量，m3/h；Y——水的回收率或产水率，%。本例QP=45m3/h，Y=fPQQ×100%=75%，所以给水流量Qf=75.045=60m3/h浓水流量Qm=Qf-QP=60-45=15m3/h为了防止浓差极化，引起膜表面溶液的渗透压增大，从而导致水透过反渗透膜的阻力增加，降低膜的透水量，或者使难以溶解的盐类沉淀在膜表面上，引起膜表面的结垢问题。因此生产膜元件的厂商对膜组件或膜元件的最大回收率都做了规定，在设计中应严格遵守，UOP和DOW公司生产的卷式膜组件最大回收率见表2。表2UOP和DOW公司生产的卷式膜组件最大回收率膜规格膜组件数/每个压力容器123456最大回收率允许值%1629394449538221HRФ8in×40inUOP公司CA膜最大回收率理论值%16.929.440.750.258.264.9最大回收率允许值%203647558231HRФ8in×60inUOP公司CA膜最大回收率理论值%20364959BW30-8040Ф8in×60inD0W公司复合膜最大回收率%19注：1in=25.4mm膜组件是由一个或多个膜元件串联起来，放置在压力容器内组成，为了达到一定的回收率，必须在装置内将膜组件分段，根据表2可知水流经过内装4个40in（1016mm）长膜元件的组件（称4m膜组件），回收率可达40%；水流经过内装6个40in（1016mm）或4个60in（1524mm）长膜元件的组件，回收率可达50%。要达到75%的回收率，水流必须经过3段4m长的膜组件；对于6m长的膜组件，必须有2段，方可达到75%的回收率。2006.10中国青岛火力发电节水技术研讨会41.4膜进水侧的溶质平均浓度由于进水在反渗透膜表面上流动时间较长，在流动过程中，必须考虑进水由于渗出淡水而导致进水侧盐浓度逐渐增加的情况，根据物料平衡关系，可算出膜进水侧的溶质平均浓度为Cav=)()(PffbPfffQQQCQQCQ−+−+Cb=PfpPffQQCQCQ−−式中Cf——给水进口浓度，mg/L；Cp——产品水出口浓度，mg/L；Cb——浓水的含盐量，mg/L；Cav——膜进水侧的溶质平均浓度，mg/L。本例Cb=PfPPffQQCQCQ−−=4560184590060−×−×=3546mg/LCav=)()(PffbPfffQQQCQQCQ−+−+=)4560(603546)4560(90060−+−+×=1429.2mg/L1.5膜的平均渗透压ΔHC（Na+）=10005.58×avC=10005.582.1429×=0.02443mol/L本例平均渗透压ΔH=0.1013iRCT（MPa）=0.1013×0.0821×（273+25）×0.02443×2=0.121MPa为了保证一定的透水速度，反渗透装置需要在较高的压力下运行。例如海水淡化反渗透压力一般在5.2MPa～6.9MPa范围内，苦咸水河水反渗透压力在1.0MPa～2.5MPa范围内。操作压力1.2MPa＞0.121MPa，满足反渗透压力要求。1.6膜的产水量产水量是指单位时间内透过膜元件的水量，也叫产水流量。膜的产水量计算公式为Qpd=0.0408AS×QW式中Qpd——反渗透膜每天的产水量，m3/d；AS——膜的表面积，m2；QW——膜的典型水通量，即单位有效膜面积的产品水流量，gal/(ft2.d)。例如BW30-365膜的有效面积AS=365×0.0929=33.91m2，在地表水处理时的典型水通量QW=15GFD，因此反渗透膜每天的产水量Qpd=0.0408×33.91×15=20.75m3/d。每一类型的膜元件均有其允许的最大产水量Qpmax，设计时不能超过此极限。考虑到组合成系统运行一年后膜的污染等因素，设计膜的平均产水量pdQ通常按75%Qpmax计算。查设计导则表1，BW30-365膜在地表水处理时的最大产水量6500GPD，设计时一般以平均产水量为设计依据。平均产水量pdQ=0.75×6500GPD=0.75×6500×0.003785m3/d=18.45m3/d=0.769m3/h。2006.10中国青岛火力发电节水技术研讨会51.7膜元件数根据平均产水量求出需要的膜元件数NY=pdPQQ=769.045=58.5只，实际设计时元件数量应考虑取大于58.5的整数，且是4或6的倍数，此例取60只膜元件。压力容器个数计算：每个压力容器一般装有膜元件数为4只（60in长/膜元件）。本设计膜元件长60in，每个压力容器装4只膜元件，共需压力容器NZ=4YN=460=15个。2反渗透装置应用实例2.1原化学水处理系统存在的问题山东中部某电厂化学水处理系统分为原水预处理、电渗析预脱盐和离子交换除盐系统三部分，电渗析八台(二台一组,共四组,规格800×1600×1)，总出力75t/h，经除盐泵送至2台135MW锅炉。原水处理系统存在的主要问题是电渗析预脱盐系统设计不合理和设备老化严重等问题。电渗析预脱盐系统没有设置有机物除出装置，由于水源水质污染的加剧，电渗膜和树脂污染严重，电渗析膜运行寿命不足三年，脱盐率直线下降，由更换初期的60%脱盐率，运行一年后，即下降到35%左右。预脱盐系统有机物得不到有效的去除，又污染了除盐系统的离子交换树脂，造成阳、阴床运行周期缩短，制水能力下降，再生频繁。不仅浪费了酸碱，增加了制水成本，而且使本来制水能力不足的问题更得以加剧，给机组的安全可靠供水造成威胁。综上所述，无论是从安全生产，还是从经济角度，改造现有的水处理预脱盐系统，解决目前水处理系统出力不足，制水成本高等问题，都是非常必要的。2.2改造方法将八台电渗析全部去掉，加装反渗透装置，反渗透系统共两套并联运行，每套出力45t/h，水处理总能力为90t/h。将改造现有的四台φ2500的砂过滤器为细砂过滤器，新增四台活性炭过滤器，以除去水中