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化工企业大型反渗透系统的设计方案选择
    针对目前化肥企业锅炉用水采用传统的离子交换法存在酸碱消耗大、污染严重、水质稳定性差、自动化程度低、设备运行有维修费用高等缺点,大多数企业在水处理系统改造时逐渐采用反渗透技术。由于化肥企业锅炉及工艺用水具有用水量大、水质要求高、原水水质较差且系统投资大等特点,反渗透系统设计方案是否科学合理将会直接影响到系统的安全、经济、平稳、可靠运行。

     处理系统设计

    反渗透系统能否安全有效运行,预处理系统的设计是否合理至关重要。一般而言,地下水水质含盐量大、水质稳定,污染指数SDI低,微生物含量低,预处理较为简单,但需加强原水阻垢处理。地表水含盐量低但水质不稳定,随季节变化大,悬浮物、胶体、有机物和微生物含量高,SDI高,极易产生膜的污堵,对它的预处理要比地下水复杂的多。

    设计者应根据用户提供的水源常规分析项目水中的各类阴、阳离子、及综合分析项目(SDI、浊度、BOD、COD)指标来确定合理的预处理方案。

    设计多介质过滤器时地表水应确保滤速小于10m/h,地下水水质较好时可控制在15 m/h以下。

    处理还原态井水中的二价铁,通常采用的方法是曝气法和锰砂过滤除铁法。

    使用市政自来水作为原水时要特别注意游离氯的含量,当游离氯的含量大于0.1mg/L时应进行脱氯处理,余氯可以通过活性炭或化学还原剂还原为无害的氯离子,一般在小型系统中采用活性炭法,而在大型系统中通常采用化学还原剂法。

     
活性炭脱氯的反应过程如下:
        C+2CI2+2H2O    4HCI+CO2


        在有些情况下,炭床被可能成为微生物的滋生场所,微生物也会引起膜的污染,所以还需要采取措施降低微生物的生长。

        偏亚硫酸钠(SMBS)是最常用于脱除游离氯的还原剂,其它的还原剂如二氧化硫,但与SMBS相比,价格没有竞争力。偏亚硫酸钠(SMBS)溶于水时形成亚硫酸钠(SBS):    Na2S2O5+H2O   2NaHSO3

       
然后SBS按如下反应还原成盐酸:
        NaHSO3+HOCI=HCI+NaHSO4


        SMBS虽然脱氯速度很快,为了保证完全反应,推荐使用表态混合器,以使溶液充分混合均匀。  

        为了安全起见还应在混合下游安装氧化还原电极(ORP)检测氯的含量,当检测到余氯时,电极信号将激活报警并停止高压

        针对一些水质较差的地表水,应考虑采用超滤(UF)作为预处理,超滤能够有效地去除水中的悬浮物、胶体、有机大分子、细菌、微生物等杂质,经超滤处理后水的SDI<1,但超滤(UF)装置投资较大,操作维护较复杂。

        进水来自经混凝、澄清处理后的地表水,水温随季节变化较大,而反渗透系统的产水量受水温的变化影响较大,在压力恒定的条件下,水温每变化1℃,其产水量大致增减2.7%;为了弥补因冬季水温较低而致使反渗透系统产水水量下降的情况,同时考虑运行成本,应考虑采用热交换器将原水加热使其维持在20℃左右。如暂时无换热条件,在设计反渗透系统时应特别注意温度这一因素。

        为了防止在反渗透膜浓水侧溶解性物质因不断浓缩达到过饱和状态而析出(结垢),在大型系统中防止结垢的办法通常采用添加阻垢剂。

        阻垢剂的选型及投加量取决于原水水质,大型系统推荐选用进口多元共聚复合阻垢剂,它可以提高水中的难溶物质的饱和度。其作用机理分别为:抑制析出作用、分散作用、晶格扭曲作用、络合作用。

        预处理系统比较保守的设计,通常能使反渗透系统运行安全、稳定,能增强对水质变化的适应性;虽然保守的设计会使初期投资费用较高,但与系统稳定性及设备检修费用相比是有价值的。

        设计科学、完善的预处理,才能保证反渗透系统进水符合要求,从而降低膜的污染,延长膜的使用寿命,确保产水水质稳定。反之,如预处理达不到设计要求,则后果十分严重。

        反渗透系统设计



        反渗透系统的设计必须综合考虑到其运行的安全、稳定、技术经济合理性、易于操作和维护、设备空间限制及环境保护等诸多方面的要求。

        大多数膜的生产厂家为了方便用户进行系统设计,都有自己的设计软件,在进行系统设计时,选择水质类型是十分重要的。针对不同的水质设计软件有不同的设计边界条件(设计报警值)。从RO/UF的渗透液(SDI〈1),到井水(SDI〈3),到软化地表水(SDI=3)到地表水(SDI〈5〉等,水质逐渐变差,所以其边界条件渐趋严格。

        大型系统设计时系统回收率是用户比较关心的一个重要参数,回收率设定太高,浓水侧难溶盐的浓度(浓水pH、LSI、离子强度、HCO3-、CO2、总碱度),也会相应增大,这些参数超过设计报警值时需要调节进水PH值或进水中加阻垢剂。

        根据生产厂家提供的反渗透膜元件的选用导则确定膜的类型及数量,在确定了压力容器的排列方式时,通常二段排列容器比为2:1,三段排列容器比为4:2:1。

         一个设计模型的建立往往要经过反复比较、修改才能完成,经过多次调整设计参数,设计软件将计算结果不断地与边界条件比较,直到各边界条件均收敛,同时满足各限制范围要求,系统设计的理论模型才算建立完毕。

         一个完整的设计计算结果包含九部分内容:1.文件头信息;2.系统主要参数;3.各段具体参数;4.系统各部分离子浓度;5.系统设计报警;6.溶解度报警;7.结垢计算结果;8.段内详细参数;9.法律说明.判断系统设计是否有问题应首先查看系统设计和溶解度有没有报警。

         反渗透系统机架不宜设计太高,一般高度应控制在2米以下,以便于膜及配套阀的安装、拆卸及维修。阀布置应充分考虑操作、调节及维修方便,应尽量集中布置。

         反渗透系统高压道通常采用不锈钢,对于一般的苦咸水或自来水采用SS(SUS)304或1Cr18Ni9Ti(国产),水的流速>1.5m/s。低压道采用钢衬胶、ABS、U-PVC均可。
每只膜出水端应设置取样阀,以方便监测单支膜水质,判断膜的污染情况。

         系统的运行状况如流量、压力、水质必须实时监测和控制,有关仪表可分为测量仪表和控制仪表。

        
在线测量仪表包括:

        1.流量仪表:测定浓水和产水流量。

        2.压力仪表:测定保安过滤器进出口压力,反渗透组件进出口压力,高压入口压力,产水压力。

        3.水质仪表:测定进水SDI,进水、产水电导率,进水、产水PH,进水余氯,进水温度。

        控制仪表包括:


        1.低压开关:置于高压进水端,以免高压因缺水而损坏;

        2.高压开关:置于反渗透膜进水端,以免高压造成膜元件损坏;

        3.氧化还原反应(ORP)仪:检测进水游离氯含量;

        4.高温开关:进水侧装置,以免水温过高造成膜元件损坏;

        5.电导率开关:产水侧设置,产水电导过高则排放,以保护下游设备;

        6.高、低、PH值开关;进水侧装置,防止装置结垢或膜水解。

         还可根据实际情况增设其它测量和监测仪表。

        
控制系统

         控制系统包括硬件系统和软件系统。

         硬件系统由现场过程仪表、液位开关、电机控制装置、可编程控制器、触摸屏等组成。

         软件控制系统主要是根据反渗透系统运行要求进行顺序控制和联锁,对于自动化程度较高的企业控制系统可与全厂DCS系统连接。

        控制系统对高压的控制一项主要内容是防止高压启动、停止时产生的液压冲击。通常采用的方法是在高压出口安装电动慢开阀、高压采用软启动器或变频器控制等方法,具体采用那一种控制方式,应根据高压水的流量、压力、功率等因素决定。

        控制系统的另一项主要任务反渗透膜的定时冲洗,为防止反渗透系统运行一定时间后浓水侧亚稳态的结垢物质出现结垢,需定期以低压、大流量的进水对膜进行冲洗,以保护反渗透膜。

        软件控制系统还会根据需要提供流程控制画面、声光报警、运行数据检索、报表打印、自动开关机等功能。

        清洗、冲洗系统


        无论预处理如何彻底,反渗透经过长期使用后,膜表面仍会受到结垢的污染;因此,必须在反渗透系统中设计一套在线清洗(CIP)系统。

        反渗透清洗系统作用是根据反渗透膜污染的情况,配制一定浓度的特定的清洗溶液,清除反渗透膜中的污染物质,以恢复膜的原有特性。

       总之,化肥企业大型反渗透系统的设计方案的选择是多方面因素综合考虑的结果,系统设计时既要考虑工艺的科学性、合理性、技术先进性、也要考虑设备投资的性价比,以节约设备投资、降低产水成本;而且应根据企业现有的设备条件尽量合理改造现有预处理设备,减少占地面积,合理而已设备,以便操作维护。

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作者:大河水网/发布日期:2008-7-4 15:45:00
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