反渗透系统设计(4)

元件在系统中的位置(段位－元件在压力容器中的位置)

调整进口压力使得第一支BW30-8040（原BW30-330）元件的产水量为28.4m3/d（7,500gpd），此时为该元件在进水 为SDI15<3的井水时的最高允许产水量。

图11中最上面的变化曲线显示了每一支元件产水量很有规律地随元件在系统中的顺序递减，由第一段第一支元件的28.4m3/d（7,500gpd）到第二段最后一支元件的12.5m3/d（3300gpd），平均为22m3/d（5,800gpd），约为最高容许产水量的77%。

产水流量降低的原因是净渗透推动力，ΔP–Δπ均匀性地递减（ΔP为膜正面进水压力与膜背面产水压力之间的压差；Δπ为两者之间的溶液渗透压之差）。由图中最下面的两条变化曲线可明显地看出，上方的一条曲线表示每一支膜元件进水压力Pfi如何随每一支元件内上游浓水的压力损失而减低的。而下方的一条曲线表示，当含盐量低的产水不断从上游元件取出后，留下来越来越浓的浓水作为下一支元件的进水，这样下一支元件的进水渗透压πfi如何随之增加的。这两条压力曲线的差值大约等于净渗透过程的推动力。

图11的中间部分的曲线较不明显但表示两个很重要的效应，图的右坐标表示每一支元件的回收率如何按顺序变化的，变化曲线的中断处代表了从第一段进入第二段，一般而言，单支元件的回收率在每一段内均按顺序逐渐增加，但第一段增加得较明显，系统设计工程师在使用膜系统设计软件时，必须确认第一段最后一支元件不要超过规定的回收率极限。随着元件回收率的逐渐增加，由于浓差极化之故，膜元件将经受更高的实际渗透压，如果让其恶化下去，会导致产水量的降低，产生膜面结垢或污堵。

图中间部分的另一曲线对应右坐标的刻度，表明了膜元件的另一个有趣的现象，膜的水力渗透系数或简称A值，为盐浓度的可逆函数，在高盐度时A值降低，在低盐度时A值增加。在该12支膜元件的实例里，前后A值相比整整下降了15%，如要正确地设计系统产水流量，必须将这一点考虑进去。 11.2 设计方程与参数

某一具体的RO/NF系统性能包括给定进水压力条件下的系统产水量和脱盐率。简单地说，RO/NF系统的产水量Q与有效膜面积S和净渗透推动力ΔP–Δπ成正比，比例常数称为膜的水力渗透系数A值，水力渗透方程式如下： 盐份通过扩散作用透过膜正面，盐通量NA与膜正反两侧盐份的浓度差成正比，比例常数称为盐扩散系数B值。

其中Cfc＝进水和浓水间平均浓度 Cp＝产水浓度

基本上有如下两种方法计算某一具体设计的性能： 【元件逐渐逼近法】

这是一种最精确的计算方法，但采用人工手算相当麻烦，却适合采用电脑运算，第一支元件的所有操作条件包括进水压力，都必须预先假设。然后可以计算出该元件浓水的流量及压力，离开第一支元件的浓水就是第二支元件的进水。在计算完所有元件的结果之后，可能会发现原假设的进水压力过高或过低，因而必须假设一个新的第一支元件的进水压力，再次进行试差法计算。

采用陶氏FILMTEC反渗透系统分析软件，就可迅速获得上述试差法的精确结果，该软件可用于对系统的改进或优化设计。该软件的详细计算过程及方法在此不作具体叙述，但计算的方程式和参数列于表7中。

为了确定方程式（6）中的A，ΔP和Δπ值，产水量方程式（6）展开成方程式（8），经过转换方程式（7），产水浓度可由方程（17）导出，设计计算方程式列于表7，所有符号的定义列于表9。 【系统整体逼近法】

该方法较为容易，如果已知进水水质、温度、产水流量与元件数量，即可计算出进水压力与产水水质的平均值；如果已知进水压力而元件数目未知，则经过几次反复的计算即可推算出所需元件的数量，该法与元件逐渐逼近法计算结果的差距可在5%以内，设计计算方程式列于表8，所有符号的定义列于表9。

表7方程式中的下标i表示系统水流方向n支元件相串联中的第ith元件，为了计算出精确的系统性能，必须采用方程式8，根据一组进水条件对每一支元件进行逐渐地计算，计算结果取决于每一支膜元件上的质量平衡，每支元件参数关系式如下：方程式12计算浓水浓度，方程式17计算产水浓度，方程式25c计算进水和浓水间平均流体阻力Pfc，方程式14计算温度校正系数TCF，方程式15计算浓差极化系数pfi和方程式26计算产水水力渗透系数Ai(πi)。这些结果通常涉及进水和产水侧的运行压力和渗透压的平均值。对于单元件低回收率系统，仅仅利用进出口间条件的算术平均值，就可以得到很高精确度的计算结果，即使在这种情况下，如果不能知道出口条件时，仍需采用试差逐步逼近计算法。

表9 RO系统性能设计计算方程：单支元件的性能

方程编号 计算项目 方程式 产水流量 进水和浓水间平均渗透压 产水侧平均渗透压 比值：i元件进水和浓水间浓度 算术平均值与进水浓度之比 比值：i元件浓水与进水浓度之比 进水渗透压 8 9 10 11 12 13 FT30膜温度校正系数 14a,b FILMTEC8英寸元件浓差极化系数 系统回收率 产水浓度 表10 RO系统性能设计方程：系统平均性能

方程编号 18 比值：进水和浓水间系统 平均浓度值与进水浓度之比 19 17 15 16 计算项目 方程式 总产水量 极限系统回收率 进水和浓水间系统对数平均 浓度值与进水浓度近似比值 平均元件回收率 平均极化系数 进水和浓水间系统 平均渗透压值 8 英寸两段系统 进水和浓水间系统压降平均值 单支8 英寸元件或单段系统 进水和浓水间压降 进水和浓水间平均渗透压 函数的膜水力渗透系数 产水浓度

表11 符号定义

Q 元件i 产水量(gpd) 25 oC 时元件i 水力渗透系数，它Aiπi 是进水和浓水间平均渗透压的函数(gfd/psi) Y 系统回收率 Σj 所有离子总和 20 21 22 23 24 25a,b 26a,b,c 27 SE 元件膜面积(ft2) n Q NE Qi n 项串联乘积 串联元件数量 系统产水量(gpd) 系统中元件数量 元件平均产水量(gpd) = Q/NE TCF 膜产水温度校正系数 FF 膜污堵因子 元件i 进水和浓水间平均压降(psi) Pfi 元件i 进水压力(psi) ΔPfci Ppi 元件i 产水侧压力(psi) πi 进水和浓水间平均渗透压(psi) πfi 元件i进水渗透压(psi) πpi 元件i产水侧渗透压(psi) pfi 元件i 浓差极化系数 Ri Cfci 元件i脱盐率=进水浓度-产水浓度/进水浓度 元件i进水和浓水间平均浓度(ppm) 25oC时水力渗透系数，它是进水和Aπ 浓水间 平均渗透压的函数(gfd/psi) Cfc 进水和浓水间系统平均浓度(ppm) R π 系统平均脱盐率 系统进水和浓水间平均渗透压(psi) ΔPfc 进水和浓水间系统平均压差(psi) YL Yi pf qfc NV NV1 NV2 （最大）极限系统回收率 平均元件回收率 平均浓差极化系数 进水和浓水间算术平均流量(gpm) （=1/2(进水流量 + 浓水流量)） 系统中6 芯压力容器数量(≈NE/6) 两段系统中第一段的压力容器数量(≈1/3 NV) 两段系统中第二段的压力容器数量(≈NV/3) Cfi 元件i进水浓度(ppm) Cci 元件i浓水浓度(ppm) Yi 元件i回收率=产水流量/进水流量 πf 待处理进水渗透压(psi) T mj 进水温度( oC) 第jth种离子摩尔浓度 NVr 段间压力容器排列比(=NVI/NV2) 13 试 验

对一来源和组成都清楚的一般水源的脱盐系统，其系统性能可以电脑设计软件ROSA很准确地预测出来，但在某些情况下，推荐经过试验来帮助获得合适的系统设计，这些试验包括：

— 无法了解进水水质 — 特殊的产水水质要求

— 无法了解进水水质的波动情况

— 极高的系统回收率（>80%）

— 特殊或新应用领域，如新过程或废水处理 — 大型系统，>500m3/h（3.5 mgd） 试验通常按下列不同层次依次进行。 13.1 筛选试验13.1筛选试验

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