反渗透设计计算及ROSA模拟
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24
不同水量平衡方法反渗透系统能耗比较
30 27.5
进水压力 (bar)
25 22.5 20 17.5 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
7500ppm NaCl, 25'C, 75%回收率, BW30-400
膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
常规设计 段间增压7bar 1段产水背压7bar
设计 常规设计 段间增压7bar 1段产水背压7bar
1段进水压力(bar) 2段进水压力(bar) 24.4 23 20.6 26.1 27.6 26.1
平均NDP*(bar) 11.18 11.02 15.69
吨水能耗(kWh/m³) 1.15 1.11 1.30
1
2
• 产水背压调节
3
• 段间增压
19
不同膜元件组合配置
标准产水量的膜元件，比如BW30FR系列
两段采用不同的膜元件 或 段内采用不同的膜元件
产水量偏大的膜元件，比如XFRLE等低压膜系 列 • 一些组合的例子:
– A Municipal WRU plant for agricultural irrigation
• BW30XFR-400/34i & XFRLE-400/34i
– Island Water Association, Sanibel, FL
• BW30-440i & XLE-440i
– Ft. Pierce Utilities, Ft Pierce, FL
• BW30-400 & NF90-400
设计导则
系统及单支膜元件运行参数的限制
防治膜元件物理性损坏
限制首支膜元件最大进水流量 限制给水压力 限制最大压差
减少浓差极化及潜在污染
最大通量的限制 单支膜元件最大回收率的限制 最小浓水流量的限制
4
设计导则
影响运行参数限制值的因素
进水水质概况及污染程度 膜元件有效膜面积 膜元件流道宽度
1. 可调整不同段的产水流量 分布 2. 不可实时连续调节 3. 需采用多种类型的膜元件 4. 由于采用低压膜元件，可 降低系统总能耗；水质有 可能会略有下降
20
产水背压调节
1. 增加产水背压可调整不同段的产水流量分布 2. 可实时连续调节 3. 能耗偏高（高压泵需提高压力以克服前段产水的背压）
21
给水压力 (bar)
14.73 9.34
吨水能耗 (kWh/m³)
0.60 0.38
产水TDS (ppm)
0.39 0.34
产水NO3 (ppm)
0.13 0.06
注释
极低能耗，高脱盐
40
高含盐量－7500ppm
41
高含盐量－常规设计
42
43
高含盐量－1段产水背压
44
45
高含盐量－段间增压
2段平均通 量(LMH)
9.01 16.27 16.28 15.69
吨水能耗 (kWh/m³)
1.14 1.29ห้องสมุดไป่ตู้1.11 0.96
产水TDS (ppm)
111.86 101.11 101.09 456.29
注释
50
浓水反渗透设计
1. 浓水反渗透进水含盐量较低（比如浓水反渗透进水1500ppm左右）
0.40 0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
2000ppm NaCl 4000ppm NaCl 3000ppm NaCl 最大产水流量
1.00 0.80
0.60
0.40
2000ppm NaCl, 75%回收率, BW30-400
11
进水温度的影响
盐截留率 (通量恒定)
透过液 通量 (压力恒定) 进水温度 假如压力、回收率、含盐量恒定
12
进水含盐量的影响
盐截留率
渗透液通量
进水含盐量 (TDS) 假如压力、温度、回收率恒定
13
回收率的影响
盐截留率
渗透液通量
回收率
假如压力、温度、含盐量恒定
14
pH值的影响
盐截留率
渗透液通量
产水TDS (ppm)
2.58 1.84 2.44
产水NO3 (ppm)
1.13 0.62 0.77
产水SiO2 (ppm)
0.06 0.02 0.06
注释
低能耗，高脱盐 极低能耗，较高脱盐
36
2级膜元件选型考虑
37
38
39
2级膜元件选型综合比较
2级膜元件选型
BW30-400 HRLE-440i
反渗透设计计算及ROSA模拟
1
RO设计计算
1. 设计基础/导则 2. RO本体设计十步法
2
设计基础
原水水质：类型、来源、性质、数值 预处理：方法、期望产水水质 反渗透系统
产水量 产水用途及水质要求 回收率 运行条件及可行性
场地
其它要求，如化学清洗
项目投资
3
2
pH值
12
假如压力、温度、含盐量、回收率恒定
15
反渗透系统中膜元件产水分布规律
进水
第一段
第二段
平均产水量＝22m /d
3
浓水
3 产水流量 (m /d)
产水流量 (gpd)
回收率%
水流方向
进水
单支膜元件净驱动压(NDP)≈膜面压力-渗透压 单支膜产水流量正比于净驱动压
浓水
产力(psi)
膜面压力 净驱动压(NDP)
某国内反渗透项目运行情况
20.00 18.00
标准化进水压力 (bar)
16.00 14.00 12.00
10.00 8.00
FF 0.7 FF 1.0
6.00 4.00 2.00 0.00
FF 1.3
日期
标准化进水压力
• 膜元件发生污堵时，为达到设计产水量，理论上需要更高的进水压力。ROSA软 件在计算时需要选择污堵因子约0.7，计算出来的反渗透进水压力才和实际吻合 。所以软件设计时需要根据进水情况留有一定余量。
30
低含盐量－250ppm
31
1级膜元件选型
32
33
34
35
1级膜元件选型综合比较
1级膜元件选型
BW30FR-400/34i BW30XFR-400/34i XFRLE-400/34i
给水压力 (bar)
14.97 13.31 8.66
吨水能耗 (kWh/m³)
0.70 0.62 0.41
5. 确定所需膜元件数量；
6. 确定压力容器容纳膜元件数量； 7. 选择段数； 8. 确定系统排列； 9. 平衡产水通量及回收率； 10.按设计导则考察运行参数限定值，进而优化系统设计。
8
系统性能影响因素
9
影响性能的因素
10
进水压力的影响
盐截留率
透过液通量
进水压力
假如温度、回收率、温度、含盐量恒定
*标准化进水压力：实际运行工况，达到设计产水量时所需要的进水压力
27
流量因子的选择
进水水源 地表水/地下水
废水 一级反渗透产水（二级给水） 海水
流量因子选择 0.7~0.85
0.7~0.8 0.9 0.7~0.8
28
RO设计模拟
1. 含盐量的影响 2. 浓水反渗透设计 3. 流量因子(FF)
29
膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
75% Recovery 85% Recovery 80% Recovery 最大产水流量
17
产水分布影响因素
因素 含盐量
温度 膜渗透性 回收率
因素变化趋势 ↑
↑ ↑ ↑
产水分布变得平衡 ↓
↓ ↓ ↓
18
在系统中获得均衡水量分布的三种方法 • 不同膜元件组合配置
0.0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
膜元件位置(1-6,第一段;7-12,第 2段) 7500ppm, 段间无增压
600ppm, 段间无增压
7500ppm, 段间增压7bar
元件最大回收率
• 含盐量从600ppm升至7500ppm时，回收率的分布变得非常不平衡 • 段间增压7bar后，整体回收率分布平衡。单支膜元件回收率没有超过建议最大值。
• 含盐量从600ppm升至7500ppm时，产水分布变得非常不平衡 • 段间增压7bar后，2段产水量增加，1段产水量下降，整体产水分布平衡。单支膜元件 产水量没有超过建议最大值。
23
段间增压改变膜元件回收率分布
20.0%
单支膜元件回收率 %
15.0%
10.0%
5.0%
25'C, 75%回收率，BW30-400
0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
25 'C 33 'C 40 'C 最大产水流量
1.60
膜元件类型影响
1.40 1.20
回收率影响
1.40
产水流量 (m3/h)
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
46
47
高含盐量－不同膜元件组合
48
49
产水分布平衡方法对比
设计
常规设计 1段产水背压 段间增压 不同膜元件组合
1段进水 2段进水 1段平均通 压力(bar) 压力(bar) 量(LMH)
24.22 27.42 20.42 20.33 23.27 26.4 26.39 19.3 26.67 23.03 23.03 22.93
影响因素 温度，膜渗透性，通量，（渗透压） 温度，入口盐含量及组成，回收率 温度，膜面流速，流道宽度 iLEC连接/传统连接 做为安全系数，表征膜运行一定时间后发生污堵导致的 进水压力升高。给设备选型留有余量
* 另外，单支膜元件产水量存在正负偏差，但数量多时会互相抵消
流量因子(FF)
26
实际产水量和软件模拟值比较（流量因子FF）
25 *NDP(Net Driving Pressure):净驱动压
流量因子(FF)的原理和选择
• 反渗透膜压力容器入口压力Pf 组成
P NDP / FF NDOP DP DPP f
进水压力组成 膜净推动压 (NDP) 净渗透压 (NDOP) 压差 (DP) 产水侧压损 (DPP) 流量因子（FF)
– 50~60%回收率设计方法： – 2段6芯，或1段7芯
2. 浓水反渗透进水含盐量较高（比如浓水反渗透进水15000ppm左右）
段间增压
进水 压力容器
浓水
段间增压
压力容器 压力容器
产水
1. 2. 3. 4.
段间增压可调整不同段的产水流量分布 可实时连续调节 增加设备投资及系统运行复杂程度 能耗较低（只对前段的浓水进行增压，不增加高压泵负荷；增压 泵流量较低，功率较低）
22
段间增压改变膜元件产水量分布
1.6 1.4
单支产水流量 (m3/h)
原水水质概况
RO产水
井水
地表水（传统预处理） 地表水（MF/UF/MBR预处理） 废水（传统预处理）
废水（MF/UF/MBR预处理）
海水（表面取水） 海水（沙滩井取水）
5
设 计 导 则
6
RO设计计算
1. 设计基础/导则 2. RO设计十步法
7
RO设计十步法
1. 考察原水水质及产水水质要求，确定预处理方案；确定进水量或 产水量、系统回收率； 2. 选择级数，勾画系统配置图及水量平衡图； 3. 选择膜元件型号； 4. 设定平均通量；
含盐量的影响
1. 低含盐量－250ppm
– 相对容易（无产水流量平衡问题） – 1级膜元件选型 – 2级反渗透时，2级膜元件选型考虑
2. 高含盐量－7500ppm
– 较高回收率时，通常会有产水分布不平衡问题，需采取相应方法
3. 中等含盐量
– 需考虑其他因素，比如设计温度，回收率等 – 根据实际情况考虑调整
渗透压
元件在系产中的位置 (段位－元件在产力容器中的位置 )
产力(psi)
16
净驱动压(NDP)
膜水透产系产 -A产
产水分布影响因素
1.60
含盐量影响
1.40
温度影响
产水流量 (m3/h)
1.40 1.20
1.20
产水流量 (m3/h)
25'C, 75%回收率, BW30-400
1.00 0.80 0.60
1.2 1
0.8
0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
25'C, 75%回收率，BW30-400
膜元件位置(1-6,第一段;7-12,第 2段) 7500ppm, 段间无增压
600ppm, 段间无增压
7500ppm, 段间增压7bar
元件最大产水流量
BW30-400 LE-400 NF90-400 最大产水流量
产水流量 (m3/h)
1.00
0.80 0.60
0.40
0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
2000ppm NaCl, 25'C, BW30-400
2000ppm NaCl, 25'C, 75%回收率
不同水量平衡方法反渗透系统能耗比较
30 27.5
进水压力 (bar)
25 22.5 20 17.5 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
7500ppm NaCl, 25'C, 75%回收率, BW30-400
膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
常规设计 段间增压7bar 1段产水背压7bar
设计 常规设计 段间增压7bar 1段产水背压7bar
1段进水压力(bar) 2段进水压力(bar) 24.4 23 20.6 26.1 27.6 26.1
平均NDP*(bar) 11.18 11.02 15.69
吨水能耗(kWh/m³) 1.15 1.11 1.30
1
2
• 产水背压调节
3
• 段间增压
19
不同膜元件组合配置
标准产水量的膜元件，比如BW30FR系列
两段采用不同的膜元件 或 段内采用不同的膜元件
产水量偏大的膜元件，比如XFRLE等低压膜系 列 • 一些组合的例子:
– A Municipal WRU plant for agricultural irrigation
• BW30XFR-400/34i & XFRLE-400/34i
– Island Water Association, Sanibel, FL
• BW30-440i & XLE-440i
– Ft. Pierce Utilities, Ft Pierce, FL
• BW30-400 & NF90-400
设计导则
系统及单支膜元件运行参数的限制
防治膜元件物理性损坏
限制首支膜元件最大进水流量 限制给水压力 限制最大压差
减少浓差极化及潜在污染
最大通量的限制 单支膜元件最大回收率的限制 最小浓水流量的限制
4
设计导则
影响运行参数限制值的因素
进水水质概况及污染程度 膜元件有效膜面积 膜元件流道宽度
1. 可调整不同段的产水流量 分布 2. 不可实时连续调节 3. 需采用多种类型的膜元件 4. 由于采用低压膜元件，可 降低系统总能耗；水质有 可能会略有下降
20
产水背压调节
1. 增加产水背压可调整不同段的产水流量分布 2. 可实时连续调节 3. 能耗偏高（高压泵需提高压力以克服前段产水的背压）
21
给水压力 (bar)
14.73 9.34
吨水能耗 (kWh/m³)
0.60 0.38
产水TDS (ppm)
0.39 0.34
产水NO3 (ppm)
0.13 0.06
注释
极低能耗，高脱盐
40
高含盐量－7500ppm
41
高含盐量－常规设计
42
43
高含盐量－1段产水背压
44
45
高含盐量－段间增压
2段平均通 量(LMH)
9.01 16.27 16.28 15.69
吨水能耗 (kWh/m³)
1.14 1.29ห้องสมุดไป่ตู้1.11 0.96
产水TDS (ppm)
111.86 101.11 101.09 456.29
注释
50
浓水反渗透设计
1. 浓水反渗透进水含盐量较低（比如浓水反渗透进水1500ppm左右）
0.40 0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
2000ppm NaCl 4000ppm NaCl 3000ppm NaCl 最大产水流量
1.00 0.80
0.60
0.40
2000ppm NaCl, 75%回收率, BW30-400
11
进水温度的影响
盐截留率 (通量恒定)
透过液 通量 (压力恒定) 进水温度 假如压力、回收率、含盐量恒定
12
进水含盐量的影响
盐截留率
渗透液通量
进水含盐量 (TDS) 假如压力、温度、回收率恒定
13
回收率的影响
盐截留率
渗透液通量
回收率
假如压力、温度、含盐量恒定
14
pH值的影响
盐截留率
渗透液通量
产水TDS (ppm)
2.58 1.84 2.44
产水NO3 (ppm)
1.13 0.62 0.77
产水SiO2 (ppm)
0.06 0.02 0.06
注释
低能耗，高脱盐 极低能耗，较高脱盐
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2级膜元件选型考虑
37
38
39
2级膜元件选型综合比较
2级膜元件选型
BW30-400 HRLE-440i
反渗透设计计算及ROSA模拟
1
RO设计计算
1. 设计基础/导则 2. RO本体设计十步法
2
设计基础
原水水质：类型、来源、性质、数值 预处理：方法、期望产水水质 反渗透系统
产水量 产水用途及水质要求 回收率 运行条件及可行性
场地
其它要求，如化学清洗
项目投资
3
2
pH值
12
假如压力、温度、含盐量、回收率恒定
15
反渗透系统中膜元件产水分布规律
进水
第一段
第二段
平均产水量＝22m /d
3
浓水
3 产水流量 (m /d)
产水流量 (gpd)
回收率%
水流方向
进水
单支膜元件净驱动压(NDP)≈膜面压力-渗透压 单支膜产水流量正比于净驱动压
浓水
产力(psi)
膜面压力 净驱动压(NDP)
某国内反渗透项目运行情况
20.00 18.00
标准化进水压力 (bar)
16.00 14.00 12.00
10.00 8.00
FF 0.7 FF 1.0
6.00 4.00 2.00 0.00
FF 1.3
日期
标准化进水压力
• 膜元件发生污堵时，为达到设计产水量，理论上需要更高的进水压力。ROSA软 件在计算时需要选择污堵因子约0.7，计算出来的反渗透进水压力才和实际吻合 。所以软件设计时需要根据进水情况留有一定余量。
30
低含盐量－250ppm
31
1级膜元件选型
32
33
34
35
1级膜元件选型综合比较
1级膜元件选型
BW30FR-400/34i BW30XFR-400/34i XFRLE-400/34i
给水压力 (bar)
14.97 13.31 8.66
吨水能耗 (kWh/m³)
0.70 0.62 0.41
5. 确定所需膜元件数量；
6. 确定压力容器容纳膜元件数量； 7. 选择段数； 8. 确定系统排列； 9. 平衡产水通量及回收率； 10.按设计导则考察运行参数限定值，进而优化系统设计。
8
系统性能影响因素
9
影响性能的因素
10
进水压力的影响
盐截留率
透过液通量
进水压力
假如温度、回收率、温度、含盐量恒定
*标准化进水压力：实际运行工况，达到设计产水量时所需要的进水压力
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流量因子的选择
进水水源 地表水/地下水
废水 一级反渗透产水（二级给水） 海水
流量因子选择 0.7~0.85
0.7~0.8 0.9 0.7~0.8
28
RO设计模拟
1. 含盐量的影响 2. 浓水反渗透设计 3. 流量因子(FF)
29
膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
75% Recovery 85% Recovery 80% Recovery 最大产水流量
17
产水分布影响因素
因素 含盐量
温度 膜渗透性 回收率
因素变化趋势 ↑
↑ ↑ ↑
产水分布变得平衡 ↓
↓ ↓ ↓
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在系统中获得均衡水量分布的三种方法 • 不同膜元件组合配置
0.0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
膜元件位置(1-6,第一段;7-12,第 2段) 7500ppm, 段间无增压
600ppm, 段间无增压
7500ppm, 段间增压7bar
元件最大回收率
• 含盐量从600ppm升至7500ppm时，回收率的分布变得非常不平衡 • 段间增压7bar后，整体回收率分布平衡。单支膜元件回收率没有超过建议最大值。
• 含盐量从600ppm升至7500ppm时，产水分布变得非常不平衡 • 段间增压7bar后，2段产水量增加，1段产水量下降，整体产水分布平衡。单支膜元件 产水量没有超过建议最大值。
23
段间增压改变膜元件回收率分布
20.0%
单支膜元件回收率 %
15.0%
10.0%
5.0%
25'C, 75%回收率，BW30-400
0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
25 'C 33 'C 40 'C 最大产水流量
1.60
膜元件类型影响
1.40 1.20
回收率影响
1.40
产水流量 (m3/h)
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 膜元件位置 (1-6, 第 1段 ; 7-12, 第 2段 )
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47
高含盐量－不同膜元件组合
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产水分布平衡方法对比
设计
常规设计 1段产水背压 段间增压 不同膜元件组合
1段进水 2段进水 1段平均通 压力(bar) 压力(bar) 量(LMH)
24.22 27.42 20.42 20.33 23.27 26.4 26.39 19.3 26.67 23.03 23.03 22.93
影响因素 温度，膜渗透性，通量，（渗透压） 温度，入口盐含量及组成，回收率 温度，膜面流速，流道宽度 iLEC连接/传统连接 做为安全系数，表征膜运行一定时间后发生污堵导致的 进水压力升高。给设备选型留有余量
* 另外，单支膜元件产水量存在正负偏差，但数量多时会互相抵消
流量因子(FF)
26
实际产水量和软件模拟值比较（流量因子FF）
25 *NDP(Net Driving Pressure):净驱动压
流量因子(FF)的原理和选择
• 反渗透膜压力容器入口压力Pf 组成
P NDP / FF NDOP DP DPP f
进水压力组成 膜净推动压 (NDP) 净渗透压 (NDOP) 压差 (DP) 产水侧压损 (DPP) 流量因子（FF)
– 50~60%回收率设计方法： – 2段6芯，或1段7芯
2. 浓水反渗透进水含盐量较高（比如浓水反渗透进水15000ppm左右）
段间增压
进水 压力容器
浓水
段间增压
压力容器 压力容器
产水
1. 2. 3. 4.
段间增压可调整不同段的产水流量分布 可实时连续调节 增加设备投资及系统运行复杂程度 能耗较低（只对前段的浓水进行增压，不增加高压泵负荷；增压 泵流量较低，功率较低）
22
段间增压改变膜元件产水量分布
1.6 1.4
单支产水流量 (m3/h)
原水水质概况
RO产水
井水
地表水（传统预处理） 地表水（MF/UF/MBR预处理） 废水（传统预处理）
废水（MF/UF/MBR预处理）
海水（表面取水） 海水（沙滩井取水）
5
设 计 导 则
6
RO设计计算
1. 设计基础/导则 2. RO设计十步法
7
RO设计十步法
1. 考察原水水质及产水水质要求，确定预处理方案；确定进水量或 产水量、系统回收率； 2. 选择级数，勾画系统配置图及水量平衡图； 3. 选择膜元件型号； 4. 设定平均通量；
含盐量的影响
1. 低含盐量－250ppm
– 相对容易（无产水流量平衡问题） – 1级膜元件选型 – 2级反渗透时，2级膜元件选型考虑
2. 高含盐量－7500ppm
– 较高回收率时，通常会有产水分布不平衡问题，需采取相应方法
3. 中等含盐量
– 需考虑其他因素，比如设计温度，回收率等 – 根据实际情况考虑调整
渗透压
元件在系产中的位置 (段位－元件在产力容器中的位置 )
产力(psi)
16
净驱动压(NDP)
膜水透产系产 -A产
产水分布影响因素
1.60
含盐量影响
1.40
温度影响
产水流量 (m3/h)
1.40 1.20
1.20
产水流量 (m3/h)
25'C, 75%回收率, BW30-400
1.00 0.80 0.60
1.2 1
0.8
0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
25'C, 75%回收率，BW30-400
膜元件位置(1-6,第一段;7-12,第 2段) 7500ppm, 段间无增压
600ppm, 段间无增压
7500ppm, 段间增压7bar
元件最大产水流量
BW30-400 LE-400 NF90-400 最大产水流量
产水流量 (m3/h)
1.00
0.80 0.60
0.40
0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
2000ppm NaCl, 25'C, BW30-400
2000ppm NaCl, 25'C, 75%回收率