年产1万吨淡水的反渗透膜系统设计全解

《膜分离技术及应用》

过程考核二——淡水反渗透膜系统设计

题目：年产1万吨淡水反渗透膜系统设计

系别：化学与材料工程系

班级：12化工（3）班

姓名：唐楠楠李飞龙

学号： 1203023002 1203023041

队员：唐楠楠李飞龙

教师：胡科研

日期：2015-10-27

年产1万吨淡水的反渗透膜系统设计

一、概述

水是人类赖以生存而不可缺少的重要物质。它在人体内占2／3以上的重量。为了维持生命，一个人平均每天饮水量是1.21L，至于其他的生活用水则至少是饮用水的200倍。

地球上的水约97％是海水（不能引用），而淡水尽仅占3％，不过70％被南极、北极的冰河和万年积雪所固定。因此，实际可供人类享用的生活用水、农业用水及工业用水等淡水，还不到总量的0.8％。

随着城市人口的不断增加、工农业的飞速发展和日常生活用水的与日俱增，地球上的淡水资源空前匮乏，水荒日趋严重，如何开源节流，开辟新水源，已成为当务之急。

为了缓解用水的窘困局面，多年来，人们在水的精制、提纯、回收和淡化等方面做了大量工作，采用了各种手段和高新技术，例如闪蒸法、电渗析法、反渗透法、冷冻法及渗透蒸发法等，并取得了可喜的成果。近年来，随着国际能源的紧张，燃料和金属及电力价格的大幅度提高，同闪蒸法及点什渗析法相比，反渗透法有突出的特点。

RO不仅能处理任何水，而且发现它能成功的处理NBC毒剂污染的水。70年代中期，开始了基于RO的水处理装置的工作，并且1979年完成了第一个ROWPU 设计。

二、基本原理

当纯水和盐水的被理想的半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧上述现象就是水的反渗透（RO）处理的基本原理。

渗透压可用下式计算

Π=CRT

上式是通过热力学定律推导出来的，因此只对极稀薄溶液才是准确的，c为水中离子的浓度。

各种溶液在含量为1000mg/L,温度为25摄氏度时的渗透压如下：

氯化钠约为77.5Kpa；硫酸钠约为41.2Kpa；硫酸镁约为24.5Kpa;氯化钙约为56.9Kpa；氯化镁约为65.7Kpa。

三、设计思路

工艺流程图

生产淡水流程图

3.1 如何设计反渗透系统

首先根据用户用水情况情况确定RO装置的总容量和分为几个单元，因为RO 单元总是需要清洗和维修而需要停运。

一般容量较大时，均选用卷式反渗透膜组件。对于电站，因反渗透后还要进行除盐，如经详细技术经济论证，往往会得出宜选用复合元件的结论，然后确定采用哪个厂家的膜元件及其型号，然后确定系统回收率，根据系统回收率选用压力容器。一般，如回收率为75％，则可考虑采用6个膜元件的压力容器，采用两段反渗透来达到回收率75％。

根据膜元件生产厂家提供的设计导则，根据原水水源和给水的SDI确定采用

的水通量数值。

例如选用海德能公司CPA3膜元件，每个膜元件面积为400ft2，乘以水通量得出平均一个膜元件的产水量。

每根反渗透膜元件的设计产水量与其标准产水量无关，只与其有效膜面积、进水水源、SDI值等有关，CPA3的设计产水量不应该是11000gpd，而只能是该公司设计导则建议的，即

设计产水量＝平均水通量＊膜元件的有效面积

以一级反渗透系统的产水作为二级反渗透的进水时，CPA3膜元件的设计水量为1.26-1.89t/h。

如果设计人员要设计一个产水量为100t/h的反渗透系统时，设计选用CPA3膜元件，以地表水为进水水源，则所需CPA3膜元件的数量可估算为膜元件数量＝系统产水量／CPA3膜元件的设计产水量

即膜元件数量＝（100t/h）／（0.50-0.88t/h）=200-114支。

假设每只压力容器中装膜元件6支，则可取6的倍数，本系统设计模膜元件数量应为198～114支。

以一级反渗透系统的产水作为二级反渗透的进水时，本系统设计膜元件数量应为84～54只。

3.2 反渗透系统设计前应考虑哪些方面的情况

设计最终目的是为了运行，设计必须考虑运行的安全、可靠、经济、易于操作和维护以及环境保护等方面。其中安全包括人身和设备安全，在设计考虑时应放在首位。

综上所述，RO系统的设计，除了RO给水需要有完善的预处理以外，膜的水通量和膜元件回收率对RO系统本身来说就是首要问题，元件的水通量和回收率过高可能造成膜的污染速度过高和过于频繁的化学清洗。

RO装置的运行，对产水量和系统回收率的控制非常重要，根据产品水流量表和排水流量表控制高压泵出口阀和RO排水阀，要维持表计的准确性，表计需要校准。

四、操作方法

4.1 反渗透法

在海水反渗透商用的膜组件中，主要有中空纤维式和螺旋卷式。

一般来说，反渗透海水淡化的成本主要取决于设备的投资费用和能源费用。近年来，反渗透脱盐技术的主要进展之一就是膜组件价格的下降和能耗的明显降低。

反渗透海水淡化（SWRO）技术自20世纪70年代进入海水淡化市场后，发展十分迅速，现在已经占全世界淡化水总产量的44％，世界上将近80％的海水淡化装置都采用的是反渗透膜技术。

目前，反渗透海水淡化系统的单位能耗已经降到3kW.h/m3淡水以下。此外，新型反渗透膜组件的设计，例如大直径卷式的膜组件以及高通量反渗透膜等，也在一定程度上降低了系统的运行成本。

4.2 正渗透法

系统分为正渗透和驱动液分离两部分，正渗透部分采用碳酸氢铵／氨水混合溶液为驱动液，将海水中的淡水从高化学势侧“吸”到低化学式势侧。被稀释的驱动液通过适度加热（约60摄氏度），使铵盐的分解为氨和二氧化碳，并循环使用，剩下的稀盐水通过蒸馏的方法得到纯水。

正渗透作为一种新兴的膜技术，与反渗透相比，具有低能耗、低污染等优点，越来越受到人们的关注。目前，人们利用正渗透技术在海水淡化、绿色能源等多个领域开展研究，其中，减压渗透发电技术已进入中试阶段，工业化前前景五、主要设备选型

膜组件主要有以下几种，包括板框式、管式、卷式、中空纤维四种形式，本次设计主要以板框式膜组件为例，通过四种膜组件对比，综合考虑采用板框式组件。板框式组件结构：膜被放置在多孔的支撑板上，支撑板上也可垫有滤纸，两分蘖期多孔支撑板叠压在一起形成料液流道空间，构成一个膜组件，组件与组件之间可并联或串联，结构如下：