info@medfilter.ru

Установки серии УВОИ-«МФ»-1812 для получения «Воды очищенной» по ФС 2.2.020.15

Конструкции установок для реализации процессов обратного осмоса и нанофильтрации отличаются лишь типом используемых мембран и рабочим давлением исходного раствора, в остальном они аналогичны и ниже будут рассмотрены на примере обратноосмотических установок, как наиболее распространенных.

Обратноосмотические установки собирают из большого числа одиночных мембранных элементов, объединяя их в определенную схему, которая может быть расширена до любых размеров. Например, в Саудовской Аравии действуют опреснительные установки с производительностью 38500 и 46000 м3/сутки, содержащие тысячи мембранных элементов.

Мембранные элементы, помещенные в корпуса – фильтродержатели (рис. 3.49), представляют собой единичный базовый элемент – модуль. Модули, в свою очередь, собираются в параллельные и (или) последовательные схемы. Каждый модуль рассчитан на определенную производительность, селективность и гидравлический КПД (параметры, зависящие не только от самих мембран, но и от условий их эксплуатации).

Схема установки водоподготовки с одним мембранным модулем показана на рис. 5.10. Она содержит картриджный микрофильтр 1 с рейтингом 5 мкм, насос высокого давления 2 , мембранный модуль 3 , вентили 4 и 5 . Мембранный модуль может содержать от 1 до 8 элементов, через которые последовательно проходит очищаемая вода. Поскольку рекомендуемый съем с каждого элемента не должен превышать 15 % от значения расхода питающей воды, то последовательное размещение нескольких элементов позволяет существенно увеличить гидравлический КПД установки водоподготовки в целом.

Возможность повышения гидравлического КПД ограничивается требованиями к допустимым значениям скорости протока вдоль мембран. При запредельном значении КПД – т.е. при сверхнормативном отборе пермеата – в хвостовых элементах скорость протока вдоль мембран будет меньше необходимой для преодоления концентрационной поляризации, что приведет к формированию отложений на мембранах, а стремление обеспечить минимально необходимый расход воды через хвостовые элементы может спровоцировать превышение допустимого расхода питающей воды для головных элементов модуля, что может привести к их механическому разрушению.

Рис. 5.10. Типичная гидравлическая схема установки с одним мембранным модулем:

1 – картриджный микрофильтр; 2 – насос высокого давления; 3 – мембранный модуль; 4 и 5 – регулировочные вентили

Поэтому для увеличения гидравлического КПД модуля или мембранной установки водоподготовки применяют рециркуляцию концентрата при относительно небольшом съеме с каждого элемента. Но следует иметь ввиду, что это техническое решение приводит к ухудшению качества пермеата, поскольку увеличивается солесодержание обрабатываемой воды по сравнению с исходной. При рециркуляции концентрата вентилем 4 регулируется давление концентрата и его расход через установку, а вентилем 5 – рециркуляция, т.е. количество концентрата, возвращаемого на вход установки.

Рассмотрим случай, когда коэффициент концентрирования мембранного модуля CF равен K , а коэффициент выхода концентрата N (т.е. концентрат составляет 1/ N от всего потока выходящего из мембранного модуля, а остальной поток возвращается на вход установки). Если исходный поток на установку равен J0 , а поток концентрата из установки равен Jc , из баланса потоков получаем:

А для полного коэффициента концентрирования мембранного модуля вместе с петлей рециркуляции имеем:

. (5.8)

Если бы сам мембранный модуль имел такой коэффициент концентрирования, то поток в выходной его части составлял бы J с при том же входном потоке, т.е. в N раз ниже, чем в установке с рециркуляцией.

Для повышения производительности установки проще всего модули соединить параллельно. В этом случае все они работают в равных условиях: при одном и том же давлении и одинаковом гидравлическом КПД (рис. 5.11).

а

б

Рис. 5.11. Одноступенчатая однокаскадная установка обратного осмоса с параллельно установленными модулями:

а – схема: 1 – картриджный микрофильтр; 2 – насос высокого давления;
3 – мембранный модуль; 4 – вентиль; б – общий вид: 1 – микрофильтры;
2 – блок управления; 3 – насосы высокого давления; 4 – блок мембранных модулей

Чтобы иметь возможность более четкого описания схемных решений в архитектуре обратноосмотических установок, вводятся понятия каскада и ступени .

Каскад – это параллельно установленные в пределах одной ступени модули, объединенные общими коллекторами по исходной воде, пермеату и концентрату.

Ступень – это набор модулей или каскадов, объединенных общим пермеатным коллектором.

Из каскадов формируются ступени обратноосмотических установок, которые бывают одно- и многокаскадными (т.е. состоящими из одного или нескольких каскадов, при этом концентрат, образовавшийся на предыдущем каскаде, служит питающей водой для последующего. Многокаскадные (обычно двух- или трехкаскадные) схемы применяются для увеличения гидравлического КПД установки.

Пример схемы одноступенчатой двухкаскадной установки представлен на рис. 5.12, а . Концентрат после первого каскада служит питающей водой для второго каскада. Промежуточного насоса не требуется, так как потери напора по концентрату в каскаде невелики (обычно не превышают 0,2 МПа). Пермеат с первого каскада направляется в общий коллектор с пермеатом со второго каскада. Показатели селективности установки при этом несколько снижаются, т.к. качество пермеата со второго каскада очевидно хуже, чем качество пермеата с первого. Концентрат после второго каскада сбрасывается в дренаж, либо подается в качестве питающей воды на третий каскад.

Одноступенчатые двухкаскадные установки способны обеспечить значение гидравлического КПД на уровне 70–80 %, а трехкаскадные – 80–90 %.

Схемы многокаскадных установок часто именуют «елочками», т.к. количество подаваемой на каждый последующий каскад воды уменьшается примерно вдвое и, следовательно, для ее обработки требуется вдвое меньшее количество модулей (мембранных элементов).

Графики распределения показателей работы индивидуальных элементов в одноступенчатой двухкаскадной установке с соотношением числа модулей 2:1 показаны на рис. 5.12, б .

Подбирая количество элементов в модулях каскадов и число включенных параллельно модулей в каждом каскаде, удается обеспечить оптимальные условия работы всех элементов как по скорости потока в каждом из них, так и по эффективности их работы при заданном гидравлическим КПД и съеме с каждого элемента (рис. 5.12, в ).

Рис. 5.12а. Одноступенчатая двухкаскадная установка:

А, Б – модули первого каскада; В – модули второго каскада

Рис. 5.12б. Графики распределения показателей работы индивидуальных элементов в одноступенчатой двухкаскадной установке с соотношением числа модулей 2:1:

Р – давление на элементе; – осмотическое давление

Многоступенчатые установки применяются для увеличения глубины очистки пермеата, при этом пермеат с предыдущей ступени служит питающей водой для последующей ступени. В редких случаях количество ступеней в таких установках бывает более двух.

На рис. 5.13 показана простейшая схема двухступенчатой обратноосмотической установки. Пермеат после первой ступени очистки насосом подается на вход второй ступени в качестве питающей воды. Концентрат после второй ступени имеет меньшее солесодержание, чем исходная вода, и может направляться на вход установки для разбавления исходной воды. Его возврат в голову процесса позволяет повысить гидравлический КПД установки без снижения качества очистки воды.

При проектировании таких схем очень важно правильно рассчитать число параллельно включенных модулей на каждой ступени, поскольку количество воды после очередной ступени очистки уменьшается, как правило, в 2 раза. Поэтому на следующей ступени необходимо либо уменьшать вдвое число модулей, либо применять мембранные элементы меньшего диаметра.

Рис. 5.13. Двухступенчатая установка обратного осмоса:

1 (а, б, в) – модули первой ступени; 2 (а, б) – модули второй ступени

Многоступенчатые установки обратного осмоса также применяются для увеличения степени концентрирования. Гидравлический КПД 75–85 % является достаточно высоким показателем для установок обратного осмоса. Однако он значительно уступает показателям ионного обмена: 8–10 % сточных вод в параллельноточных схемах и 3–5 % – в противоточных. В ряде процессов степень использования воды является критическим параметром.

Возможно ли еще повысить КПД установки обратного осмоса? Проведенные нами исследования показали, что при специальной подготовке исходной воды это возможно. Для этого качество исходной воды должно быть достаточно высоким по содержанию коллоидных частиц КИ < 2, и параметры концентрата должны обеспечивать отсутствие выпадения осадка. Схема высокоэффективной обратноосмотической системы представлена на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Схема обратноосмотической установки с блоком концентрирования:

БПП – блок предподготовки; УОО-1 – обратноосмотическая установка; УОО-С – обратноосмотическая установка для доочистки концентрата с УОО-1 и возврата обессоленной воды в цикл