АННОТАЦИЯ
Магистерская диссертация включает в себя введение, четыре главы,
заключение и список литературы.
В первой главе освещены проблемы повышения эффективности работы
мембранных
элементов
и
обратноосмотических
установок
в
схемах
кондиционирования рабочего тела на промышленных предприятиях.
Во второй главе приведены описание комбинированной установки
кондиционирования рабочего тела, как основного элемента промышленной
котельной и схемы подготовки пропиточных растворов технических тканей,
результаты исследования установки обратного осмоса разработанной схемы.
В третьей главе представлены результаты планирования эксперимента.
На основании полученных результатов выбраны оптимальные режимы работы
установки обратного осмоса производственной схемы кондиционирования
рабочего тела.
В четвертой главе представлен расчет экономической эффективности,
обеспеченной оптимизацией режимов работы установки обратного осмоса и
сокращением потребления исходной воды.
Объем диссертационной работы составляет 87 страниц, 20 иллюстраций,
21 таблица. В список литературы входит 35 источников.
ОГЛАВЛЕНИЕ
АННОТАЦИЯ.......................................................................................................... 1
ОГЛАВЛЕНИЕ ........................................................................................................ 2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ............................................................. 4
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6
1 АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА
ОБЕССОЛИВАНИЯ ОБРАТНЫМ ОСМОСОМ ……………………………..10
1.1 Достоинства и недостатки обратного осмосаОшибка!
Закладка
не
определена.
1.2 Основные пути оптимизации обратноосмотического процесса
обессоливания…………………………………………………………………...12
1.3 Использование мембранных методов для предварительной подготовки воды
перед обратным осмосом……………………………………………………..12
1.4 Модели переноса воды и солей через пористую мембрану ........... Ошибка!
Закладка не определена.
1.5 Типы обратноосмотических мембранных элементов и их конструктивные
особенности ................................................. Ошибка! Закладка не определена.
1.6 Установки обратного осмоса ............... Ошибка! Закладка не определена.
1.7 Главные характеристики процесса обратного осмосаОшибка! Закладка не
определена.
1.8
Факторы,
определяющие
эффективность
мембранных
систем
водоподготовки ........................................... Ошибка! Закладка не определена.
1.9 Обратноосмотические мембраны ........ Ошибка! Закладка не определена.
1.9.1 Загрязнения обратноосмотических элементов и мембран ........... Ошибка!
Закладка не определена.
1.10 Борьба с загрязнениями ...................... Ошибка! Закладка не определена.
1.10.1 Химическая мойка............................ Ошибка! Закладка не определена.
1.10.2 Реагенты химических моек мембранных аппаратовОшибка! Закладка не
определена.
1.10.4 Деминерализация воды .................... Ошибка! Закладка не определена.
1.11 Опыт применения мембранных установокОшибка!
Закладка
не
определена.
1.12 Патентный обзор ........................................................................................... 26
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ
УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В СХЕМЕ
ПОДГОТОВКИ ПРОПИТОЧНЫХ РАСТВОРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
.................................................... ОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.
2.1 Действующая схема кондиционирования рабочего телаОшибка!
Закладка
не определена.
2.1.1 Назначение и состав ВПУ ................. Ошибка! Закладка не определена.
2.1.2 Принцип работы установки умягчения водыОшибка!
Закладка
не
определена.
2.1.3 Принцип работы установки деминерализации водыОшибка! Закладка не
определена.
2.2 Исследование эффективности эксплуатации действующей установки
обратного осмоса ................................................................................................... 34
3.
ИССЛЕДОВАНИЕ
ВЛИЯНИЯ
РЕЖИМОВ
РАБОТЫ
УСТАНОВКИ
ОБРАТНОГО ОСМОСА НА КАЧЕСТВО ПЕРМЕАТА .................................. 39
3.1 Расчет второй ступени установки обратного осмосаОшибка! Закладка не
определена.
3.1.1 Исследование влияния технологических параметров установки обратного
осмоса на солесодержание ................................................................................... 52
3.1.2 Исследование влияния технологических параметров установки обратного
осмоса на солесодержание концентрата ... Ошибка! Закладка не определена.
4
РАСЧЕТ
УСЛОВИЯХ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ
ОПТИМИЗАЦИИ
РЕЖИМОВ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ
В
УСТАНОВКИ
ОБРАТНОГО ОСМОСА.......... ОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.
4.1 Расчет текущих затрат .......................... Ошибка! Закладка не определена.
4.2 Срок окупаемости ................................. Ошибка! Закладка не определена.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫОШИБКА!
ЗАКЛАДКА
НЕ
ОПРЕДЕЛЕНА.
ПРИЛОЖЕНИЕ А .................... ОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Выбор оптимальных режимов работы комбинированной установки кондиционирования
рабочего тела позволит сократить объем людских и материальных ресурсов в производстве
технической ткани, и повысить энергетическую эффективность мини-ТЭЦ промышленного
производства.
Известен опыт эксплуатации комбинированных схем кондиционирования рабочего тела.
Сочетание Na- катионитных фильтров и обратноосмотических установок проявляет достичь
исключительно стабильных результаты работы: качество фильтрата изменяется незначительно,
химические промывки установки обратного осмоса реже, чем в полгода [1].
Однако добиться нужного результата возможно при соблюдении ряда требований в
процессе проектирования и при эксплуатации обратноосмотических установок. Правильный выбор
режимов и сервисных интервалов работы оборудования, контроль рабочих параметров в процессе
эксплуатации должны осуществляться на стадии пилотных испытаний. Поскольку большинство схем
внедряются в производство без предварительного опробования, то оптимизацию работы
оборудования необходимо проводить в производственном процессе [2].
Объект исследования
Комбинированная установка кондиционирования рабочего тела промышленного
предприятия, включающая стадию обезжелезивания воды, Na- катионитные фильтры и
двухступенчатую установку обратного осмоса.
Цель исследования
Повышение эффективности эксплуатации комбинированной установки кондиционирования
рабочего тела
промышленного предприятия путем оптимизации режимов работы установки
обратного осмоса с целью.
Научная новизна работы заключается в постановке и решении задач:
1. Оптимизация режимов работы установки обратного осмоса;
2. Сокращение затрат на установку обратного осмоса за счет увеличения срока эксплуатации
мембранных элементов;
3. Повышение гидравлического КПД установки обратного осмоса, путем целевого
применения концентрата в комбинированной схеме кондиционирования рабочего тела.
Практическая значимость результатов работы состоит в оптимизации режимов работы
установки обратного осмоса позволяющих:
- снизить потребление воды на собственные нужды ВПУ;
- сократить объем концентрата после установки обратного осмоса;
- снизить затраты на закупку мембран;
- экономить энергоресурсы на участке кондиционирования рабочего тела промышленного
предприятия.
Результаты исследования обеспечат наиболее рациональную и эффективную работу
установки кондиционирования рабочего тела на мини-ТЭЦ, в паровой котельной и в основном
производственном процессе промышленного предприятия.
Степень разработанности проблемы
1.
Харченко С. П. Особенности работы водоподготовительной установки при переходе на
комбинированную схему с установкой обратного осмоса / С. П. Харченко // Инновационные
технологии в науке и образовании: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 7 авг. 2015
г.) / редкол.: О. Н. Широков [и др.]. - Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2015. - С. 200-202. - ISBN
978-5-906626-91-2.
2.
Проектные решения водоподготовительных установок на основе мембранных
технологий / А. Л. Пантелеев [и др.] // Теплоэнергетика. - 2012. - № 7. - С. 30-37 . - ISSN 0040-3636
3.
Piero D. Lessieur. Процессы опреснения: наилучшее технико-экономическое решение //
Сантехника. 2007.№1
Апробация и личный вклад автора
Результаты работы принята к публикации в сборник материалов Международной заочной
онлайн-конференции «Современные концепции техники и технологии: проблемы, состояние и
перспективы», 23 октября 2016 года.
Публикации
Статья принята к публикации.
Белкина Е.А., Одоевцева М.В. Исследование влияния режимов работы установки обратного
осмоса на качество пермеата // Современная техника и технологии. 2016. № 10 [Электронный
ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/?p=10754 (дата обращения: 22.10.2016).
ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов кондиционирования рабочего тела в промышленности во многом связано
с внедрением мембранных технологий. Применение установок обратного осмоса, является
эффективным, экономичным и надежным в эксплуатации. Несмотря на это, существует
определенный перечень вопросов, например, индивидуальная схема предочистки воды перед
установкой обратного осмоса, режим работы установки обратного осмоса, выбор необходимого
оборудования и так далее, ответы, на которые приходится искать самому эксплуатационному
персоналу, конкретно для каждой схемы, для конкретного качества исходной воды и с учетом
экономических возможностей конкретного производства.
Предприятия используют много людских и материальных ресурсов для обеспечения
требуемого качества воды. Кондиционирование рабочего тела для любого производства - залог
качественной долговечной работы теплообменного и котельного оборудования, а также качества
целевого продукта.
Анализ современных подходов к решению проблемы повышения качества рабочего тела в
схемах кондиционирования рабочего тела показывает, что применение новых технологических схем
обработки воды с комбинированным использованием обратноосмотических и традиционных
методов очистки является одним из наиболее перспективных направлений развития водоподготовки
в теплоэнергетике и в схемах основного производственного цикла.
1 АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА
ОБЕССОЛИВАНИЯ ОБРАТНЫМ ОСМОСОМ
1.1 Достоинства и недостатки обратного осмоса
Сравнение мембранных методов с традиционными методами очистки
позволяют выделить следующие преимущества:
компактность оборудования, причем площадь занимаемая установкой
очень мало зависит от производительности, что позволяет свободно изменять,
эксплуатационные характеристики оборудования;
исключение применения высококонцентрированных кислот и щелочей,
в данных методах производится отделение примесей в растворе без
использования фазовых переходов, что позволяет осуществить процессы, при
минимальном расходе энергии
обратный осмос –это непрерывный процесс, за исключением периодов
очистки мембран носят непрерывный характер;
минимальное количество используемых химических реагентов, т.е
экологичность процесса (в связи с возможностью сброса концентрата УОО с
солесодержанием до ПДК и отсутствием постоянных высоко минерализованных
стоков);
отсутствие необходимости в специальном подогреве исходной воды;
аппараты для реализации мембранных процессов относительно просты в
конструктивном исполнении и не имеют движущихся частей;
для проведения обратного осмоса требуется электроэнергии, как правило,
не более 4—6,5 кВтч на 1 м3 обрабатываемой воды;
возможность получения воды высокого качества путем применения
двухступенчатого
дообессоливания;
обратного
осмоса
без
финишного
химического
возможность осуществления схемы с высоким КПД путем повторного
использования концентрата;
высокая степень автоматизации.
Основные недостатки обратного осмоса:
- высокие требования к качеству воды, подаваемой на установку
обратного осмоса, которые трудно обеспечить на «традиционной» предочистке
с использованием осветлителей
в задачах получения глубокообессоленной воды (проводимостью ≤ 0,5
мкСм/см) возникает необходимость применения химического (ФСД или H-OHионирования) или электрохимического обессоливания (электродеионизация);
большие расходы воды на собственные нужды ≈ 25% (установки
обратного осмоса первой ступени);
низкий уровень эксплуатации;
высокая чувствительность мембран к загрязнениям;
ограниченный температурный интервал применения (5-35°С).
1.2 Основные пути оптимизации обратноосмотического процесса
обессоливания
Возможности существенного снижения капитальных затрат ограничены.
Максимальный эффект может быть достигнут за счет снижения энергозатрат,
что достигается путем использования более мощных и эффективных насосов,
усовершенствования системы предподготовки воды с целью минимизации
образования осадков, приводящих к необходимости поддержания более
высокого
рабочего
давления,
а
также
улучшения
проницаемости
и
селективности мембран.
Снижение расходов на энергию. Расходы на энергию при обессоливании
напрямую связаны с соленостью исходной воды и могут достигать 33...40 % от
эксплуатационных расходов. Преобразователи энергии концентрата могут
понизить потребление энергии на 10...50 %. Мембраны стали более
энергосберегающими вследствие повышенной способности удалять соли и
работать при более высоких выходах пермеата, а установки могут быть
расположены так, чтобы обеспечить максимальную степень конверсии.
Модификация обратноосмотических систем идет по пути увеличения скорости
потока и повышения селективности мембран, снижения давления исходной
воды. При повышении скорости потока значительно снижается давление, что
приводит к уменьшению расхода энергии (разница в потреблении энергии
высокоселективной и низконапорной мембранами составляет 8... 10 %).
Повышение производительности мембранных элементов. Разработанный в
2005 г. фирмой DOW экспериментальный мембранный обратно- осмотический
элемент SW-12500 для обессоливания морской воды с проницаемостью 69 л/(м 2
• бар • сут) и селективностью по NaCl 99,7 % позволяет производить в
стандартных условиях 47 м3/сут воды [149]. Для сравнения проницаемость
мембраны SW30HR-380 при тех же условиях для морской воды составляет 40
л/(м2 • бар • сут) с селективностью. Снижение рабочего давления в результате
использования элементов с высокой производительностью и селективностью
позволяет сэкономить примерно 3,5 % затрат.
Варьирование способов соединения мембранных элементов. Во многих
случаях
потенциальная
производительность
новых
высокопродуктивных
мембран не может быть полностью реализована из-за ограничения в
традиционном аппаратурном оформлении заводов. Производительность первого
элемента в напорном корпусе может соответствовать или не соответствовать
требуемому операционному давлению в системе. Предлагаемое решение
проблемы — соединение разных типов мембранных элементов и варьирование
последовательности их соединения — позволяет изменять поток внутри
напорного корпуса. Преимущество такого подхода — повышение конверсии,
снижение
риска
образования
осадков
в
начале
корпуса,
большая
производительность в конце корпуса и снижение капитальных затрат по
сравнению с традиционным дизайном. Экономический эффект составляет в
среднем от 12 до 17 % от полной цены воды благодаря росту конверсии с 40 до
55 % .
Увеличение размеров мембранных элементов. Технология изготовления и
конструкционные материалы те же, что и для стандартных элементов
диаметром
8",
что
обеспечивает
идентичность
их
проницаемости
и
селективности. Однако применение элемента большого диаметра позволяет
получить на той же воде при одинаковом давлении и расположении внутри
корпуса в 7 раз больше пермеата, чем с элемента диаметром 8"; капитальные
затраты при использовании больших элементов меньше примерно на 24 %.
Увеличение числа мембранных элементов в корпусе позволяет решить
проблему низкой скорости потока концентрата в последнем элементе. Число
мембранных элементов в корпусе увеличено с 6 до 7 или для некоторых заводов
даже до 8. По сравнению с традиционным способом решения этой проблемы —
применение двухстадийного потока с шестью мембранными элементами в
напорном корпусе — такой подход является более эффективным. При росте
числа элементов в корпусе на единицу (было п элементов, а стало п + 1)
экономия составляет около 5 % от полных расходов на обратноосмотическое
опреснение.
1.3 Использование мембранных методов для предварительной
подготовки воды перед обратным осмосом
Решающим этапом при обработке воды обратным
обеспечение
системы
предварительной
фильтрации.
осмосом является
Ее
использование
позволяет предотвратить появление на поверхности мембран отложений,
повреждение поверхности различными химическими агентами (кислотами,
щелочами), а также обеспечить, за счет качества воды, увеличение срока
эксплуатации
конверсии,
установки
улучшение
характеристик
производительность,
процесса
селективность),
(степень
уменьшение
производственных затрат.
В настоящее время для предварительной фильтрации используется
стандартный набор оборудования на основе коагуляции и различных видов
фильтрации. Основные проблемы таких систем: большой расход химических
реагентов, в том
числе на обратные промывки, достаточно сложное
обслуживание и контроль. Основными альтернативами указанных выше
методов на данный момент являются следующие способы подготовки:
контактное осветление, применение различных отстойников (трубчатых,
пластинчатых),
флотация,
медленная
седиментации,
микро-
и
ультрафильтрация. Наибольший интерес вызывает микро- и ультрафильтрации.
Данные методы позволяют добиться тонкой очистки воды от коллоидных и
взвешенных частиц, бактерий, мутности
без использования коагулянтов и
изменения PH воды.
Одной из основных проблем при использовании мембранных методов
обессоливания является удержание коллоидного индекса (SDI)
Коллоидные частицы имеют размеры в диапазоне от 0,01 до 1 микрометра
и могут иметь как органическую, так и неорганическую природу. Коллоиды
загрязняют мембраны установок для очистки воды с помощью обратного
осмоса, и уменьшают сопротивление воды (электрическое). Коллоидные
частицы при очистке воды удаляются с помощью анионообменных смол,
ультрафильтрацией, путём обратного осмоса и перегонкой (дистилляцией).
Исследования показывают, что традиционно используемые
схемы
предварительной очистки воды, поддерживают значения SDI в пределах 4-5.
Между тем, как следует из данных производителей мембран, снижение SDI
индекса позволяет увеличить удельную производительность по пермеату в 1,52 раза. Это, в свою очередь, дает возможность сделать УОО более
компактными.
Таким образом, более выигрышным решением в области предподготовки
становится внедрение
в обычные схемы предварительной очистки метода
ультрафильтрации.
Сравнение традиционного (многоступенчатая напорная фильтрация на
зернистых фильтрах) и перспективного (микрофильрация и ультрафильтрация)
методов предварительной подготовки воды перед обратным осмосом
Показатель
Сравнительный анализ
Капитальные
Капитальные затраты выше от 0 до 20% в зависимости от
затраты
производительности установки
Площадь
Поверхность зависит от качества воды, и , составляет , как
установки
правило, от 25до 50%
площади, занимаемой напорными
фильтрами
Затраты
энергии Затраты, обычно выше, из-запреодоления сопротивления
на предподготовку мембран
Затраты
реагенты
на Более низкие затраты для микрофильтрации, особенно когда
не
требуется
коагулянт.
При
работе
с
высокой
проницаемостью по фильтрату некоторым мембранам
может потребоваться коагулянт в зависимости от качества
исходной воды
Капитальные
затраты
Благодаря тому что при микрофильтрации достигается
на
более низкий уровень NTU и SOI, обратноосмотические
опреснение
мембраны имеют проницаемость на 5...15 % выше, что
обратным осмосом
снижает капитальные затраты
Эксплуатационные
При микрофильтрационной очистке среднее давление
затраты
исходной воды на обратноосмотических установках
на
обессоливание
меньше, частота промывок снижается на 10...
100 %, увеличивается время эксплуатации обратноосмотических мембран
Приведенные к температуре 25 °С значения проницаемости
обратноосмотических мембран при различных способах подготовки воды: 1традиционном, 2-микрофильтрационном.
Допустимый удельный съем (л/м2/ч) для обратноосмотических
мембран в зависимости от значения коллоидного индекса SDI исходной воды
Использование ультрафильтрации перед обратным осмосом вместо
комбинации осветлителя и
механического фильтра
позволяет получить
значение коллоидного индекса входной воды SDI от 0,9 до 3. При этом качество
фильтрата практически не зависит от качества исходной воды. Кроме
увеличения удельной производительности мембран, такое решение позволяет
снизить количество химических моек установки осмоса в 4-6 раз.
В настоящее время в ряде работ разработаны методики оптимизации
процесса обессоливания обратным осмосом, позволяющие получить в процессе
эксплуатации наиболее адекватную рабочую точку процесса обратного осмоса.
Данный подход основан на оптимизации общей относительной стоимости воды,
добываемой за 24 часа, с учетом ожидаемых вариаций параметров мембраны.
В этих работах используется компьютерная модель процесса обратного
осмоса, включающая две подмодели: первую для процесса диффузии раствора,
а вторую для эффектов обрастания мембраны. Затем формулируется задача
оптимальной работы и преобразуется в математическую оптимизационную
задачу, основанную на минимизации удельного расхода энергии: затем
предлагается компьютерный подход, позволяющий периодически рассчитывать
комбинацию разности давлений на мембране и расходов питательной воды,
которая минимизирует расход энергии, с учетом заданных эксплуатационных
ограничений.
УРЭ 
Затраты энергии, связанные с
WН
QР
деминерализацией, представляются как
электрическая энергия, необходимая для производства кубического метра
пермеата.
Для
упрощения
подхода
предполагается,
что
электрической энергией является работа насоса высокого давления.
где Qр –поток пермеата, м3/ч.
WH 
P  Q f
H
где Р  Р f  Po
Р f давление воды на входе в мембранный модуль ,
Po - давление сырой воды
Q f - объемный расход потока питания.
требуемой
В уравнении (2) все переменные могут быть измерены (и предсказаны).
КПД насоса может быть определен по характеристической кривой насоса, и
определен измерениями. Для простоты здесь предполагается, что она постоянна
в рассматриваемом масштабе времени и диапазоне параметров, но ее вариации
могут быть легко учтены в предлагаемом подходе.
Модель, используемая для оценки общих затрат воды, основана на двух
подмоделях: одна для раствора и диффузии на мембранном уровне, а другая для
эффекта обрастания. Первый из них теперь представлен.
В модели раствор-диффузия предполагается, что растворенное вещество и
растворитель растворяются в однородном непористом поверхностном слое
мембраны и затем транспортируются диффузией под градиентом химического
потенциала несвязанным образом. Поток растворителя (воды) Jw определяется
как объем воды, проходящий через единицу площади мембраны. Поток воды Jw
и
поток
растворенного
вещества
Js
в
соответствии
с
механизмом
диффузионного переноса растворенного вещества приведены
J W  a  P    
 QS
S
J S  b  C  C P 
 -разница осмотического давления растворенного вещества через
мембрану,
С концентрация растворенного вещества на поверхности мембраны,
С Р концентрация растворенного вещества на стороне пермеата
константы a и b являются коэффициентами проницаемости растворителя
(мембраны) и растворенного вещества (соли) соответственно. Коэффициент
массопереноса
J W  a  P    
 QS
S
1.5 Методы рекуперации энергии при обессоливании обратным осмосом
Рекуперация энергии. Использование турбин для рекуперации сокращает
потребление энергии на 25...30 %, или 1,9 кВтч/м3. Для утилизации энергии
потока концентрата, находящегося при выходе из обратноосмотической
системы под давлением, используются устройства для рекуперации энергии,
которые основаны на двух принципиально различных подходах. Первый тип
устройств
рекуперации
—
устройства,
основанные
на
использовании
центробежной силы (турбины Пелтона, Франциса, гидравлический турбонаддув
и гидравлический наддув). Эффективность современных систем лежит в
диапазоне 65...85 % . Второй тип — нагнетательные устройства в виде
импульсных турбин, которые имеют эффективность от 90 до 95 %, поскольку
переводят энергию концентрата непосредственно в энергию исходной воды.
Считают, что будущее за этими устройствами из-за их высочайшей
эффективности, тем не менее современные опреснительные заводы в основном
укомплектованы турбинами Пелтона и Фрэнсиса.
Турбина Фрэнсиса или насос обратного хода является одним из наиболее
используемых устройств
для рекуперации при обратном осмосе, из-за
простоты и легкости в использовании. Это одна из первых систем,
используемых для передачи кинетической энергии от концентрата к двигателю
насоса высокого давления, что меньшая энергия будет потеряна в передаче.
Турбина Фрэнсиса
не очень популярна в основном из-за того, что ее
эффективность ниже, чем у конкурирующих устройств,
максимальная
эффективность около 75% имеет узкий диапазон давлений и расхода, при
которых достигается наибольшая эффективность, с вытекающими отсюда
потерями и не вырабатывают энергию до тех пор, пока не будет достигнуто
40% проектного давления.
Турбина Пелтона
Турбина Пелтона работает на том же принципе, как и турбины Френсиса,
но имеет большую эффективность. Высокое давление концентрата подается в
колесо
гидравлической
активной турбины, которая вращаясь,
выдает
выходную мощность, используемую для подпитки электрического двигателя
насоса высокого давления. Система очень проста в управлении и состоит из
входного регулируемого сопла, преобразующего давление воды в кинетическую
энергию
высокоскоростной
металлических
лопастей,
струи,
которая направляется к серии
вращающихся
на
кинетическую энергию в энергию вращения.
валу
и
преобразующих
Данная турбина часто
используется, и считается более эффективной и экономичной, чем турбина
Френсиса. Однако, имеет те же недостатки, что предыдущее устройство, хоть и
в меньшей степени, особенно вне номинальных параметров.
Гидравлический турбокомпрессор
Турбонагнетатель был специально разработан для систем
обратного
осмоса. Это устройство передает гидравлическую энергию от одного потока
жидкости - концентрата, ко второму - подаваемой воде. Эти два потока могут
иметь различные давления и скорости. Эта система полностью приводится в
действие
концентратом.
Турбокомпрессор
состоит
из
совмещенных
гидротурбины и насоса, представляя собой единый центробежный
насос.
Турбинная секция представляет собой одноступенчатую радиальную турбину
(подобную турбине Френсиса).
Сторона
насоса представляет собой одноступенчатый
центробежный
насос с рабочим колесом, установленным на валу турбины. Передача энергии
приводит к увеличению давления подачи воды. Весь вращающий механизм
динамически сбалансирован как единое целое.
Прибор имеет байпас
позволяющий оператору контролировать и балансировать поток.
Это необходимо, при значении потока концентрата больше, чем требуется для
давления подачи, особенно когда температура входной воды испытывает
большие колебания по температуре или при старении мембраны.
Здесь экономия энергии достигается за счет снижения необходимого давления
нагнетания насоса. Установка имеет заявленный КПД до 70% в зависимости от
используемой мощности.
Обменники давления
Обменники
давления
-
устройства,
использующие
принцип
положительного смещения. Два основных группы, доминирующих на рынке;
одна из которых использует клапаны и поршни для своей работы, и другая
группа,
использующая одиночный цилиндрический ротор. Два основных
представителя в данной области - теплообменник рекуперации энергии Desalco
(DWEER) представляет бывший, и Energy Recovery Inc.обменник давления
(PX). Утверждается, устройства имеют плоскую кривую производительности,
но, как правило, менее эффективны на более высокой отсечке воды.
Энергосбережение
достигается
за
счет
производительности, требуемой от основного
составляет 91 -96%.
снижения
насоса
объемной
высокого давления и
Так заявленная для обменника давления
PX эффективность
потери возникают при смешивании питательной воды
- 95% ,
и концентрата. Он
хорошо работает с более низким восстановлением системы, как главный насос
подпитки должны быть равны к количеству проникнуть.
Технология
заключается в пропускании концентрата через блок и передаче энергия
давления непосредственно входящему поток . После чего поток морской воды,
почти равный по объему сливному потоку , после этого проходит через малый
насос подкачки, который компенсирует гидравлическое потери через систему
обессоливания. Этот поток морской воды затем присоединяется к потоку воды
от главного насоса высокого давления. Таким образом, производительность
насоса соответствует потоку пермеата, а не полному потоку.
PX состоит из вала с керамическим ротором со множеством протоков,
гидростатически подвешенного на
давление
от
концентрата
керамической втулке. Ротор передает
напрямую.
Высокая
мощность
достигается
параллельным подключением нескольких блоков. Поскольку основной поток
насоса высокого давления равен потоку пермеата, экономия энергии
фактически достигается при более низких коэффициентах конверсии. Общая
потребление энергии установок, использующих
обменник давления
имеет
минимум обычно при конверсии между 30-40%. За пределами завод начинает
потреблять больше энергии.
Преимущества: В отличие от турбин нет потерь трансформации,
стабильная эффективность в широком диапазоне конверсии, отсутствие
традиционных
уплотнений
и
подшипников.
Недостатки:
сложность
проектирования, эксплуатации и обслуживания, смешивание, смазка потоком,
большой перепад давлений.
работает аналогично PX, однако здесь вместо ротора используются
поршни. DWEER передает давление концентрата к давлению подаваемой воды
через поршень, уменьшающий смешивание фида и концентрата. Для поршня,
сконструированного с минимальным сопротивлением, передача энергии равна
почти 100%. По этой причине обмен энергией между сливом и водой подача
более эффективна, чем в центробежных устройствах с преобразованием
мощности на валу. Однако, в реальной системе RO, существует
падение
давления между питанием входа в модуль RO и выходом из мембраны и его
входом в устройство. Из-за этих потерь жидкость не может напрямую течь
через обменник на вход мембраны. Также, мембранный поршень должен быть
размещен в сосуде высокого давления имеющий ограниченный размер, поэтому
клапана переключают 2 сосуда между собой при завершении цикла поршня.
Для доведения давления выхода с устройства до давления подаваемой воды
используется насос подкачки. Преимущества: концентрат и исходная вода
разделяются поршнем, обеспечивая минимальное смешивание, для поршня с
минимальным сопротивлением передача энергия почти 100%.
1.6 Патентный обзор
Исследование существующих патентов показывает, что для повышения
эффективности установок, применяют различные конструктивные решения.
Известны
патенты
многочисленных
работах
подчеркивается
необходимость сокращения расхода воды на собственные нужды [73-74]. Один
из таких способов заключается в использовании перед УОО нанофильтрации. В
результате, съем с обратноосмотического мембранного элемента позволяет
достигать 80-90%, что существенным образом позволяет экономить воду.
Установка для водоподготовки, содержащая блок предварительной
подготовки, содержащая установку ультрафильтрации отличающаяся тем, что
блок
предварительной
подготовки
связан
последовательно
с
блоками
нанофильтрации, блоком умягчения воды и блоком корректировки pH и
содержит блок обратного осмоса, связанный с блоком предварительной
подготовки и выходом блока нанофильтрации.
Известно устройство для выработки высокочистой воды по принципу
обратного осмоса содержит фильтр обратного осмоса, который посредством
мембраны обратного осмоса разделен на первичную камеру и вторичную
камеру, и насос, который прокачивает жидкость через первичную камеру, а
также расположенное выше по потоку от мембраны обратного осмоса,
необходимое для создания давления в первичной камере гидравлическое
сопротивление. В первичном контуре находятся по меньшей мере одна камера
очистки с устройствами для умягчения воды и сливной клапан, причем поток
жидкости в первичном контуре регулируется с помощью клапана и первичный
контур выполнен с возможностью промывки его объема по типу подтопления
путем
открывания
клапанов.
Технический
результат
–
увеличение
эффективности очистки и снижение энергозатрат.
Другое изобретение относится к установкам обратного осмоса для сырой
воды, используемым для получения бедного солями пермеата. Установка
содержит, по меньшей мере, один модуль обратного осмоса, в установке
предусмотрены трубопровод рециркуляции для повторного пропускания
пермеата, В насосе для подачи сырой воды
или между насосом и входом
предусмотрено устройство регулирования давления, которое устанавливает
давление сырой воды в зависимости от предварительно заданного давления
пермеата. Устройство регулирования давления содержит преобразователь
частоты для управления насосом, таким образом, что насос может непрерывно
регулироваться или быть установлен в диапазоне давлений от 2 до 140 бар.
Предложенное изобретение позволяет получать воду с низким содержанием
солей. В установке предотвращается засаливание модулей обратного осмоса и
развитие микроорганизмов при уменьшении энергетических и конструктивных
затрат.
Известна также мембранная установка для разделения растворов,
содержащая
последовательно
соединенные
трубопроводами
емкость
разделяемого раствора, центробежный очиститель, мембранный аппарат,
разделяющий
раствор
на
концентрат
и
пермеат,
емкость
пермеата,
вакуумирующее устройство, установленное на трубопроводе для выхода
пермеата, а также запорно-регулирующие клапаны [27].
Недостатком
данного
устройства
является
ограниченный
ресурс
мембранного аппарата вследствие телескопического сдвига мембранного
элемента
при
включении
центробежного
очистителя,
что
вызывает
механическую деформацию мембранного элемента и, как следствие, уменьшает
ресурс его работы.
Известна
установка
обратного
осмоса,
патент,
в
которой
предусматривается частичная рециркуляция пермеата, что обеспечивает
уменьшение засаливания мембран обратного осмоса. Также посредством
частичной рециркуляции пермеата может устанавливаться затребованное
конечными пользователями количество пермеата, что позволяет отказаться от
промежуточной накопительной емкости.
Другое устройство [7] для очистки воды для медицинских целей,
включающее узел с мембраной обратного осмоса, расходно-накопительный
бак, емкость с химическим агентом, вентильный переключатель режимов,
первую, вторую, третью и четвертую магистрали, позволяющий производить
автоматическую
химическую
мойку
мембран
обратного
осмоса,
с
использованием накопленной обессоленной воды.
Изобретение содержит устройство обратного осмоса, емкость усреднитель очищенной воды, насос, магнитные клапаны, запорную
арматуру, расширительный бак, сетчатый фильтр, устройство обратного
осмоса первой ступени, отстойник обратного осмоса, накопительную
емкость концентрата с погружным насосом, устройство обратного осмоса
второй ступени, при этом используют обратноосмотические мембраны
рулонного
типа
с
открытым
каналом,
в
которых
отсутствует
турбулизирующая сетка, а устройство обратного осмоса второй ступени
выполнено с возможностью циркуляции в нем концентрата. Технический
результат - очистка сточных вод без доочистки с возможностью выхода
фильтрата (чистой воды) до 99% от исходной, отсутствие реагентной
обработки
воды,
автоматизированная
работа
без
постоянного
обслуживающего персонала. Требуемый технический результат достигается:
путем использования фильтрования через обратноосмотические мембраны с
«открытым
каналом»,
регулярными
гидравлическими
промывками,
с
помощью магнитных клапанов и постоянного сокращения объема путем
двухступенчатой очистки, в которой вторая ступень используется только
для циркуляции в ней концентрата.
Водоподготовительная установка тепловой электроцентрали, содержащая
последовательно включенные блок предварительной очистки воды, блок
умягчения воды, блок обратного осмоса, а также деаэратор, соединенный с
паровым котлом высокого давления, и установку подготовки химически
очищенной воды, блок обратного осмоса содержит установку обратного осмоса
с линиями отвода концентрата и пермеата, линия отвода умягченной воды
соединена с установкой подготовки химически очищенной воды, причем линия
отвода пермеата установки обратного осмоса соединена с фильтром Hионирования, при этом бак-нейтрализатор и линия отвода концентрата
установки обратного осмоса соединены с установкой подготовки химически
очищенной воды.
Исходная вода, предварительно прошедшая грубую очистку (тонкость
фильтрации 1мм) на сетчатом фильтре при помощи насосной станции
направляется на сетчатый фильтр с автоматической промывкой Multipur 80A
(тонкость фильтрации 100 мкм). Он защищает водопроводные трубы и блоки
управления фильтров от инородных частиц (кусочки ржавчины, стружка, песок
и т. д.). Для очистки фильтрующего элемента производится автоматическая
обратная промывка, которая запускается по истечении установленного
интервала, Если в течение настроенного интервала между промывками из-за
сильного загрязнения фильтрующего элемента значение дифференциального
давления
превысит
установленное
значение
(прибл.
0,8
бар),
датчик
дифференциального давления запустит промывку или раньше, если загрязнится
фильтрующий элемент (по датчику дифференциального давления). Процесс
фильтрования воды не прерывается во время обратной промывки.
Схема действующей установки обессоливания воды приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема действующей установки обессоливания воды:
1 – емкости водопроводной воды; 2 – самопромывной фильтр 100 мкм;
3 – песчано-гравийный фильтр BIRM; 4 – фильтры 50 и 20 мкм;
5 – Na-катионитный фильтр; 6 – угольный фильтр; 7 – фильтры 5 и 1 микрон;
Далее вода через картриджные фильтры (тонкость фильтрации 50 и 20
мкм) направляется на окислительно-осветлительный фильтр, предназначенный
для удаления из воды механических примесей (песок, мелкие механические
частицы, окисленное железо) и коллоидных взвесей путем осаждения в
фильтрующем слое и сбросом накопленных загрязнений в дренажную линию во
время обратной промывки. Фильтр имеет блок управления с регенерацией по
времени. В состав такого блока входит электронный таймер, который через
определенные промежутки времени выдает сигнал на начало регенерации. В
качестве фильтрующей загрузки применяется кварцевый песок и Birm - это
фильтрующий материал промышленного производства, состоящий из легкого
кремниевого ядра со специальным покрытием, содержащим диоксида марганца,
который служит катализатором реакции окисления соединений железа
растворенным в воде кислородом. Нерастворимые соединения железа,
появляющиеся в воде в результате окисления, осаждаются в слое загрузки и
могут быть легко отфильтрованы. Для контроля качества воды предусмотрены
проботборные краны перед установкой и после фильтров.
Далее вода подается на сорбционную установку Основой фильтрующего
элемента является активированный уголь и чистый кварцевый песок: частицы
песка задерживают мельчайшие органические примеси, а уголь выступает в
качестве адсорбента, поглощающего растворенные химические соединения.
Здесь происходит удаление органических соединений, растворенных газов и
свободного хлора. Также периодически для взрыхления фильтрующего
материала, проводится его промывка обратным током исходной воды.
Промывка фильтров осуществляется без применения специальных насосов за
счет давления исходной воды. Требуемая периодичность промывки фильтров
определяется при пуско-наладочных работах.
Для умягчения водопроводной воды в схеме предусмотрен Naкатионитный фильтр. Na-катионирование – это процесс ионного обмена, в
котором катионы Са2+, Мg2+, содержащиеся в обрабатываемой воде,
заменяются на катионы Na+, находящиеся на катионите. После исчерпания
ионообменной способности катионита, необходима его регенерация. Смола
регенерируется 10% раствором поваренной соли NаСl.
Одноступенчатое
Nа-катионирование
обеспечивает
остаточную
жестко¬сть воды с 0 до 0,1 мг-экв/дм3.
После натрий - катионитных фильтров умягченная вода поступает на
патронные фильтры тонкой очистки (тонкость фильтрации 5 и 1 мкм) и далее
непосредственно на одноступенчатую УОО.
Умягченная вода подается по трубопроводу на вход установки обратного
осмоса (УОО). УОО состоит из трех мембранных модулей, соединенных
последовательно. УОО предназначена для получения частично-обессоленной
воды. В аппаратах обратного осмоса установлено по одной мембране Filmtec
TW30-4040. Производитель мембран - DOW Chemical, США; материал
мембран: полиамид; рабочая площадь мембраны: 7.2 m2; д иаметр 4 дюйма;
давление: 15 бар; производительность 9,1 м3 в сутки; селективность 99,5%;
максимальное рабочее давление 0,41 МПа; максимальный перепад давления на
элементе-
0,9 бар; максимальная температура эксплуатации - 45 ° C;
содержание свободного хлора: <0.1 мг/л; индекс максимальной плотности ила в
потоке(SDI): 5.
В установке происходит разделение потока на мембранном модуле: пермеат
(вода, прошедшая через мембраны) направляется в накопительную емкость объемом
1500 л, а концентрат непрерывно отводится в канализацию. Обессоливание
достигается за счет свойства полупроницаемых мембран, способных пропускать
воду и задерживать ионы растворенных солей.
Вода с помощью высоконапорного насоса подается в мембранный модуль, на
котором происходит разделение потока: пермеат (вода, прошедшая через
мембраны) направляется в накопительную емкость объемом 1500 л, а концентрат
непрерывно отводится в канализацию.
Электропроводность
контролируется
с
помощью
датчика
электропроводности, сигнал с которого поступает на центральный контроллер.
Эксплуатационные режимы
Выход пермеата: 250 л/час на модуль при 10 °C (включая 2 бар
противодавление пермиата)
Выход пермиата зависит от температуры входящей воды, рабочей разности
давления, числа используемых модулей и их состояния (плотность отложений).
Температура среды 10 °-25 ° C,
Температура подаваемой воды 10 ° - 25 ° C
Подается мягкая вода, остаточная жесткость воды ниже 1.0 dH
Давление
воды
на
входе:
динамическое
>
2
бар
с
литровой
производительностью (выход пермиата устройств + 1300 л)
2.2
Исследование
эффективности
эксплуатации
действующей
установки обратного осмоса
Оценка
эффективности
работы
баромембранной
установки
осуществлялась по величинам: конверсия и электропроводность пермеата УОО
в период с 2012 по 2016 годы.
По результатам исследования (рисунки 2, 3, 4) можно заключить, что
действующая установка работает с достаточно высоким показателем конверсии
- 74% в летние месяцы. Высокое значение конверсии на первых этапах
эксплуатации УОО не влияло на качество пермеата. Однако в 2016году
качество пермеата снизилось в два раза (до 10 мкСм/см).
Рис. 2. Изменение расхода пермеата за 2013-2016гг: 1 - 2013г., 2 - 2014г.,
3 - 2015., 4 - 2016г.
Рис. 3. Изменение проводимости пермеата за 2013-2016гг: 1 - 2013г., 2 2014г., 3 - 2015., 4 - 2016г.
Рис. 4. Изменение конверсии за 2013-2016гг: 1 - 2013г., 2 - 2014г., 3 2015., 4 - 2016г.
Для выявления оптимального режима в программе «Hydranautics» были
исследованы
действующий и предлагаемые режимы работы установки
обратного осмоса (таблицы 1, 2). Производительность УОО по пермеату
принималась постоянной.
Таблица 1.
Технологические параметры установки обратного осмоса в
действующей и предлагаемых режимах.
Показатели
рНисх
Действующий
Режим 1
Режим 2
режим
7,6
7,6
7,6
Gперм, м3/ч
0,57
0,57
0,57
Gо, м3/ч
0,8
1,1
1,8
Gконц, м3/ч
0,2
0,6
1,3
10
10
10
74
50
31
Количество мембран
3
3
3
Индекс Ланжелье
0,2
-0,6
-1
t,оС
Конверсия, %
Таблица 2.
Рассчитанные показатели качества пермеата и концентрата
установки обратного осмоса при действующем и предлагаемых режимах.
Показатели,
Исходная Действующий
Режим 1
ионы
вода
Режим 2
П
К
П
К
П
К
2,0
0,006
7,7
0,005
4
0,004
2,9
119,6
1,8
454,8
1,3
238
1,2
173
164,7
3,7
622,8
2,7
327
2,5
238
72
0,2
276
0,2
144
0,15
104
31,9
0,4
100
0,3
63,5
0,3
46
Сс,
396
Концентрационная
6,2
1,76
1506
4,5
788
4
572
1,13
1,29
поляризация
Ужесточение режима работы установки сопровождается ухудшением
качества пермеата. Величина электропроводности пермеата каждый год
увеличивается
на
15%
что,
вероятно,
обусловлено
ростом
значения
концентрационной поляризации, изменением структуры и сокращением срока
эксплуатации мембран.
При режиме 1 –конверсия остается достаточно высокой 50% при
небольшом увеличении доли исходной воды на 37,5%, индекс Ланжелье
отрицательный, что говорит об отсутствии условий осадкообразования на
мембранах, качество пермеата на 27% лучше, чем при действующем режиме.
При режиме – 2 снижение конверсии до 31% обеспечивает улучшение
качества пермеата на 35 %. Солесодержание концентрата снижается до 573
мг/дм3. В полученном концентрате преобладает содержание ионов натрия (173
мг/дм3).
4. РАСЧЕТ НОРМИРОВАННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСТАНОВКИ
ОБРАТНОГО ОСМОСА
Поэтому контроль значения SDI является важным фактором для
обеспечения высокого качества,
надежности и продолжительности работы
мембран обратного осмоса.
Измерение значений SDI производилось установкой встроенной в
трубопровод
перед
блоком
обратного
осмоса.
Определение
индекса
производится путем фильтрования определенного объема воды (как правило,
500 мл), прошедшей предварительную очистку через калиброванную мембрану
с диаметром поровых каналов 0,45 мкм при давлении 2 атм. Диаметр поровых
каналов обоснован тем фактом, что величина эквивалентного диаметра
микрочастиц 0,45 мкм является переходной от растворенного состояния к
взвешенному.
Схема установки для определения коллоидного индекса.
Е1 – емкость с исследуемой водой; ОК – обратный клапан; Н — насос;
Др – дроссель; Р – редуктор; М – манометр; В – регулировочный вентиль; Ф –
фильтродержатель с мембранным фильтром 0,45 мкм; Е2 – мерная емкость для
сбора фильтрата
Коллоидный индекс рассчитывается по формуле:
КИ =
100
Т
𝑡
× (1 − 0 ),
𝑡𝑇
где Т – общее время фильтрования в минутах (обычно 5, 10 или 15 минут); t 0 –
время отбора 500 мл воды в начале эксперимента; t T – время отбора 500 мл
воды через Т минут фильтрования.
При определении SDI-индекса производятся два замера: – время (cек.)
фильтрования первых 500 мл исходной воды (t1); – время (сек) фильтрования
следующих 500 мл исходной воды (t2), которое замеряется через 5 - 15 мин
после окончания первого замера, в зависимости от качества исходной воды. Где
T - суммарное время фильтрования. Для вод с высоким содержанием
взвешенных частиц контрольный фильтр 0,45 мкм может быть полностью
экранирован слоем загрязнений еще до завершения фильтрования 500 мл
второго образца. В этом случае устанавливают более короткий (но не менее 5
минут) интервал между двумя замерами. Если выражение (1 – t1/t2) больше
0,75, это означает, что величина T недостаточна и ее следует скорректировать в
сторону увеличения.
Отдельно стоит выделить понятие нормализованные показатели, которое
определяется
как
разница
между
фактическими
эксплуатационными
параметрами работы и заложенными проектными с учетом изменения исходных
данных или с учетом появления факторов, влияющих на рабочие параметры уже
в период работы.
К нормированным показателям можно отнести расход и солесодержание
пермеата, перепад давлений. Например, изменение температуры исходной воды
влияет на производительность установки. Но при незначительных колебаниях
этого показателя изменение потока пермеата будет незначительным, т.е.
установка будет производить нормализованный расход фильтрата. Используя
три
расчётных
значения
–нормализованный
поток
пермеата
(НПП),нормированную селективность мембран(НСМ) и нормализованный
перепад давления (НПД) – можно точно диагностировать потенциальные
проблемы обратноосмотических систем, связанные с количеством и качеством
производимой воды.
Формулы для расчета нормализованных параметров:
1) Нормализованный расход пермеата
где Рис. – давление подачи исходной воды;
PП – давление пермеата;
πИК – осмотическое давление смеси «исходная вода-концентрат»; TCF –
температурная
поправка,
производительности
применяемая
мембранных
определяется выражением: TCF=
элементов
для
от
учета
зависимости
температуры,
который
Q25
Qt
где Q25 и Qt – производительности мембранного элемента при температуре 25
°С и температуре t , соответственно.
Зависимость производительности от температуры для мембран типа Filmtec
компании « Dow Chemical » [311] показана в рисунке. 4.1.
Как следует из рисунка 5.1, производительность мембран при температуре
воды 4 °С примерно в два раза ниже, чем при 25 °С. Такая сильная зависимость
может быть критична, если производительность установки необходимо
поддерживать на заданном уровне независимо от возможного понижения
температуры входной воды. Необходимость работать при температуре 4 °С
может
потребовать
использования
почти
вдвое
большего
количества
мембранных элементов, чем при работе без понижения температуры, что
существенно увеличит стоимость установки.
Q – расход пермеата;
нижний индекс «с» - стандартные условия; нижний индекс «0» - условия
эксплуатации.
Проектные данные определяем, используя техническую документацию на
мембраны Filmtec BW30 4040
Производительность по пермеату и селективность определены для
Следующихтестовых условий: 1500 мг/л NaCl, при давлении 10,5 бар для LE40
40 и BW304040 и BW302540 , 25°C, с выходом по пермеату 15%.
Производительности по пермеату для различных элементов могут отличат
ься в пределах ±20 %.
TCFс=25С
Рис=10,3 бар
2) Нормализованное солесодержание пермеата
где: СП – концентрация пермеата, мг/л;
πП – осмотическое давление пермеата, бар.
3) Перепад давлений на мембранном корпусе (разница между давлением воды
на входе в корпус и давлением на выходе из корпуса)
где: Рмквх– давление воды на входе в мембранный корпус, бар; Рмквых – давление
на выходе из мембранного корпуса, бар.
Таблица 6- Оценка нормализованных значений производительности
установки обратного осмоса по пермеату
Произво-
Производи-
дитель-
Давление на
ность,
мембранах,
м /час..
атм.
3
тельность,
Температура
Конве-
пермеата, С.
рсия,
ное
приведеннае
к
нормализованному
виду,
22,5
3
29
55
55
м3/час.
0,602
0,28
0,523
21,5
3
75
0,91
0,715
18,5
0,515
21,5
29
16
75
65
0,63
0,567
0,606
19,5
29
65
0,567
0,480
22,0
3
65
0,98
0,550
20,0
16
75
0,63
0,395
23
16
55
0,48
0,380
23,5
0,450
Нормализованзначение
производительности
установки,
м3/час.
0,9
Таблица 7- Оценка нормализованных значений солесодержания пермеата
установки обратного осмоса.
Солесо-
Давление
держание
на
Температур
мембранах
а пермеата,
мг/л.
, атм.
С.
Конве
-рсия,
Солесодер-
Нормализованн
жание
ое значение
приведенное к
производитель-
нормализо-
ности
ванному виду,
установки,
мг/л.
мг/л.
29
55
55
11.5
21,5
3
75
7.4
1,9
18,5
1,3
21,5
29
16
75
65
12.8
12.6
1,6
19,5
29
65
11.1
1,1
22,0
3
65
7.2
1,2
20,0
16
75
11.8
0.8
23,5
1.5
22,5
1,4
1.3
3
5.5
16
55
12.5
23
Вывод: расчеты нормализованных эксплуатационных
15
значений
показывает, что при несоблюдении паспортных данных для мембран обратного
осмоса, их эксплуатационные характеристики выходят за пределы заявленных
производителями значений
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
УСТАНОВКИ ОБРАТНОГО ОСМОСА НА КАЧЕСТВО ПЕРМЕАТА
Наиболее эффективным методом получения математических моделей
многофакторного процесса является использование метода планирования
эксперимента. При его реализации оценивается роль факторов на которые
можно воздействовать (в нашем случае температура воды и конверсия –
соотношение между количеством фильтрата и концентрата) при исследовании и
оптимизации системы водоподготовки.
Задача
заключается
в
нахождении
регрессионного
уравнения,
пригодного для достаточно точного расчета параметров исследуемого процесса
в принятых интервалах изменения факторов. При выборе факторов и
интервалов их варьирования необходимо учитывать возможные ограничения
технологического, экологического и экономического характера.
Следует отметить, что очень сложно найти такое сочетание значений
влияющих факторов, при котором, одновременно достигаются экстремумы всех
интересующих экспериментатора функций отклика. Как влияющие факторы,
так и функции отклика могут изменяться только в определенных пределах.
Следовательно, оптимизацию процессов, как правило, осуществляют в
условиях ограничений на влияющие факторы и функции отклика.
Величина, характеризующая уровень оптимизации процесса, называется
критерием оптимальности. В частном случае критерием оптимальности может
быть одна из функций отклика, характеризующих процесс. Оптимизация
процесса представляет собой целенаправленный поиск значений влияющих
факторов, при которых достигается экстремум критерия оптимальности (с
учетом ограничений, наложенных на все влияющие факторы и функции
отклика).
Исследования проводились с учетом влияния двух факторов:
Фактор 1 – температура, обозначим Х1
Фактор 2 – конверсия, обозначим Х2
Температура была задана в пределах 3-29 0С
Конверсия – 55-75%
Величина рН изначально была задана в диапазоне от 7,5 до 8,2.
Схема планирования и расчет коэффициентов уравнения регрессии.
Принятые обозначения:
х i(ср) - средний уровень изменения фактора;
h – шаг варьирования;
х i 1(min)  х i ( ср )  h 


х i 1(min)  х i (ср )  h 

Формулы перевода в условный масштаб для х i(min) , х i(max) , х i( ср ) следующие:
x i (min)  ( xi (min)  xi ( ср ) ) / h  1 

x i (max)  ( xi (max)  xi ( ср ) ) / h  1

x i ( ср )  ( xi ( ср )  xi ( ср ) ) / h  0 
Любое значение хi, заключенное между х i(min) и х i(max) , переводится в
условный масштаб по формуле:
x i  ( x i  x i ( ср ) ) / h
где х i - значение изучаемого фактора в условном масштабе, а х i - в
физических. единицах.
Коэффициенты уравнения для двух переменных рассчитывают по
результатам испытания девяти опытов. Количество опытов – девять –
определяется числом возможных сочетаний факторов, которые варьируются на
трех уровнях.
Полученное при планировании уравнение регрессии имеет следующий
вид:
R  b 0  b1 x 1  b11 x 12  b 22 x 22  b12 x 1 x 2 ,
где b0, b1, b2, b11, b22, b12- коэффициенты уравнения, х1, х2 –
количественные величины исследуемых факторов в условном масштабе.
В качестве R будем рассматривать солесодержание фильтрата (через
проводимость
фильтрата), производительность системы обессоливания и
энергопотребление (через давление насоса).
Значения коэффициентов b0, b1, b2, b11, b22, b12 находят по формулам:
 10
 (0,67 b11 )  (0,67 b 22 )
9



b1  11 b 2  12 b11  13
6
6
2


b 22  14 b12  15
2
4
b0 
Таблица 1
Схема планирования эксперимента для факторов температуры и конверсии.
Исследуемые факторы – температура, конверсия
Номер опыта
условные единицы
х1
х2
физические единицы
х1, °С.
х2, %.
1
-1
-1
3
55
2
+1
-1
29
55
3
-1
+1
3
75
4
+1
+1
29
75
5
0
0
16
65
6
+1
0
29
65
7
-1
0
3
65
8
0
+1
16
75
9
0
-1
16
55
Переведем значения температуры в условные единицы
x (max)  29  С
x (min)  3  С .
x ( ср ) 
29  3
 16  C .
2
x i (min)  (3  16) / 13  1 

x i (max)  (29  16) / 13  1

x i ( ср )  (16  16) / h  0 
Переведем значения конверсии в условные единицы
x(max)  75%.
x(min)  55%.
x( ср ) 
75  55
 65%.
2
x i (min)  (55  65) / 10  1 

x i (max)  (75  65) / 10  1

x i ( ср )  (65  65) / 10  0 
Таблица 2
Уровни переменных в условных и натуральных единицах
Средний
Факторы
уровень,
(ед.
измерения )
Шаг
Значения уровней
варьирования,
переменных
(ед.
соответствующие условным
измерения )
единицам
-1
0
1
температура
16°С
13°С
3°С
16°С
29°С
конверсия
65%
10%
55%
65%
75%
3.1.1 Исследование влияния технологических параметров установки
обратного осмоса на солесодержание
На основании метода математического планирования эксперимента,
была построена таблица 11, в которой отражены результаты исследования
влияния температуры и конверсии на солесодержание пермеата.
Таблица 11 - Матрица планирования и результаты исследования
солесодержание пермеата.
Исследуемые факторы
пер,
мкСм/см.
Номер
опыта
В условных единицах
В физических величинах
Gэкспер,
Х1
Х2
Х1
Х2
1.
-1
-1
3
55
3,7
2.
+1
-1
29
55
7,2
3.
-1
+1
3
75
4,5
4.
+1
+1
29
75
8,0
5.
0
0
16
65
5,2
6.
+1
0
29
65
5,7
7.
-1
0
3
65
4,4
8.
0
+1
16
75
6,5
9.
0
-1
16
55
6,8
С
использованием
матрицы
планирования
были
определены
коэффициенты уравнения регрессии, который имеет вид:
R  5,78  1,45x1  0,864 x12  1,062 x22  0,1x1 x2  0,28х2
(23)
На рисунке 2.2 представлено влияние температуры и конверсии на
производительность установки обратного осмоса по пермеату.
Конверсия, %
t, °C
При анализе графика видно, что с ростом температуры и конверсии
электропроводность уходит в область значений, превышающих желаемое
значение
(5
мкСм/см),
заставляя,
переводить
значение
конверсии
в
экономически невыгодную область.
3.1.2 Исследование влияния технологических параметров процесса
обессоливания на производительность установки обратного осмоса
На основании метода математического планирования эксперимента,
была построена таблица 11, в которой отражены результаты исследования
влияния температуры и конверсии на производительность установки обратного
осмоса по пермеату.
Таблица 11 - Матрица планирования и результаты исследования
производительности установки обратного осмоса по пермеату
Номер
Исследуемые факторы
Gэкспер,
опыта
В условных единицах
В физических величинах
м3/ч
Х1
Х2
Х1
Х2
1
-1
-1
3
55
0,380
2
+1
-1
29
55
0,450
3
-1
+1
3
75
0,523
4
+1
+1
29
75
0,715
5
0
0
16
65
0,515
6
+1
0
29
65
0,606
7
-1
0
3
65
0,480
8
0
+1
16
75
0,550
9
0
-1
16
55
0,395
С
использованием
матрицы
планирования
были
определены
коэффициенты уравнения регрессии, который имеет вид:
R  0,454  0,073x1  0,04 x12  0,056 x22  0,031x1 x2  0,094 х2
(23)
Конверсия, %
t, °C
На рисунке 2.2 представлено влияние температуры и конверсии на
производительность установки обратного осмоса по пермеату.
Рисунок 2. Регрессионная зависимость производительности пермеата от
температуры и конверсии.
При снижении температуры входной воды, для поддержания требуемой
производительности (из-за снижения проницаемости мембран) необходимо
увеличивать конверсию, но эта операция практически не влияет на качество
производимого
селективности.
фильтрата,
поскольку
компенсируется
увеличением
3.1.2 Исследование влияния технологических параметров процесса
обессоливания на давление установки обратного осмоса
На основании метода математического планирования эксперимента,
была построена таблица 11, в которой отражены результаты исследования
влияния температуры и конверсии на давление установки обратного осмоса по
пермеату.
Таблица 11 - Матрица планирования и результаты исследования
давления на мембранах установки обратного осмоса
Исследуемые факторы
Номер
опыта
В условных единицах
Gэкспер,
В физических величинах
м3/ч
Х1
Х2
Х1
Х2
1
-1
-1
3
55
0,380
2
+1
-1
29
55
0,450
3
-1
+1
3
75
0,523
4
+1
+1
29
75
0,715
5
0
0
16
65
0,515
6
+1
0
29
65
0,606
7
-1
0
3
65
0,480
8
0
+1
16
75
0,550
9
0
-1
16
55
0,395
С
использованием
матрицы
планирования
были
определены
коэффициенты уравнения регрессии, который имеет вид:
R  21,47  1,08x1  0,57 x12  0,18x22  0,5x1 x2  1,5х2
(23)
На рисунке 2.2 представлено влияние температуры и конверсии на
давление
установки
обратного
осмоса
по
пермеату.
( x11 x22 y)
Конверсия, %
t, °C
Рисунок 3. Регрессионная зависимость давления на мембранах от
температуры и конверсии.
С точки зрения энергозатрат более выгодна работа на теплой воде,
поскольку обеспечивает большую производительность, при меньших давлениях
насоса (19-20 атм), кроме того, для обеспечения требуемого качества воды
необходимо снижать степень конверсии, что до определенной степени, также
уменьшает потребление энергии, но ведет за собой увеличение потребления
исходной воды.
При совмещении графиков потребления давления, производительности и
электропроводности, видно, что данные параметры, делятся на две большие
группы, со значительным сужением в районе соответствующей температуре 1415◦С, т. е. можно говорить о наличии для системы водоподготовки двух
различных режимах работы, обусловленных температурой входной воды.
Условно говоря, «зимний» и «летний» режимы. Они характерны тем, что для
того,
чтобы
добиться
значений
одного
из
значений
-
(давления,
производительности и электропроводности), характерных для другого режима,
необходимо неоправданно изменять значения оставшихся параметров.
Таким образом, для стабильной работы системы водоподготовки нужно
либо поддерживать температуру постоянной, организовав теплообменную
систему, либо при смене сезонов переходить на разработанные для данной
системы
обессоливания
технологические
режимы,
соответствующие
температуре воды.
Для требуемых от данной водоподготовки параметров работы (5мкСм/см,
400-500 л/час,) необходима температура не выше 10-12 С, повышение
температуры приводит к выходу электропроводности за допустимые границы,
излишнему завышению производительности, простаиванию оборудования и,
как следствие ускоренному росту биологических отложений и снижению
эксплуатационных показателей.