skrypt

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Spis treści

PRZEDMOWA............................................................................................................. 3

SPIS SYMBOLI............................................................................................................ 4

WPROWADZENIE DO TECHNIK MEMBRANOWYCH..................................... 6

ODWRÓCONA OSMOZA........................................................................................ 10

MODUŁ MEMBRANOWY I JEGO DOBÓR ........................................................ 12

OBLICZENIA INśYNIERSKIE .............................................................................. 14

6.1.

RZEWODNOŚĆ I STĘśENIA W UKŁADZIE

.............................................................. 17

6.2.

OŁĄCZENIA MODUŁÓW

...................................................................................... 17

6.3.

OZKŁAD CIŚNIEŃ I PRZEPŁYWÓW

....................................................................... 21

6.4.

NALIZA CIEPLNA

............................................................................................... 22

6.5.

NERGOCHŁONNOŚĆ I KOSZTY EKSPLOATACYJNE

............................................... 23

6.6.

ALKULACJA KOSZTÓW INWESTYCYJNYCH

......................................................... 24

DOBÓR NORMALIÓW I PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH.......................... 25

SCHEMAT INSTALACJI......................................................................................... 27

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA................................ 29

10.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA ........................................................................ 31

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Przedmowa

Od kilkunastu lat obserwuje się rosnące zainteresowanie membranami i

membranowymi technikami rozdziału. Początkowo droga technika wraz z

większą dostępnością i niŜszą ceną materiałów polimerowych zyskuje coraz

większe uznanie. Ze względu na fakt stosowania membran i technik

membranowych w praktycznie wszystkich gałęziach przemysłu, od

medycznego, spoŜywczego i kosmetycznego, aŜ do energetycznego,

konieczne stało się zapoznanie studentów z tymi zagadnieniami.

W ramach przedmiotu Aparatura Procesowa prowadzonego na Wydziale

InŜynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej studenci

zapoznają się w praktyce z techniką mikrofiltracji i odwróconej osmozy.

Dodatkowo, na kierunku InŜynieria Chemiczna, studenci wykonują projekt

dotyczący instalacji odwróconej osmozy. Skrypt ten kierowany jest głownie

do tej grupy studentów, stanowić moŜe jednak takŜe źródło dodatkowej

wiedzy dla chętnych, a w przyszłości moŜe stać się podręcznym poradnikiem

w pracy projektowej.

Warszawa, 2008 rok

Autorzy

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Spis symboli

- stęŜenie roztworu w zbiorniku buforowym,









mol

- stęŜenie roztworu w strumieniu nadawy,









mol

- stęŜenie roztworu w strumieniu permeatu,









mol

- stęŜenie roztworu w strumieniu retentatu,









mol

- stęŜenie roztworu w strumieniu surówki,









mol

- ciepło właściwe,













⋅

- współczynnik zaleŜny od rodzaju substancji,

[ ]

−

- masa molowa,









mol

- moc pompy,

[ ]

- moc przekazywana cieczy przez pompę w postaci ciepła,

[ ]

- ciśnienie transmembranowe,

[ ]

- przepływ nadawy,













- przepływ permeatu,













- przepływ retentatu,













W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

- przepływ retentatu zawracanego,













- przepływ retentatu odprowadzanego,













- przepływ surówki,













- współczynnik zatrzymania,

[ ]

−

- stała gazowa,









⋅

mol

- opór membrany,













⋅

- pole powierzchni membrany,

[ ]

- współczynnik przesiewalności,

[ ]

−

- temperatura w zbiorniku buforowym,

[ ]

- temperatura otoczenia,

[ ]

- temperatura nadawy,

[ ]

- temperatura surówki,

[ ]

UFC

- współczynnik filtracji,













⋅

- objętość roztworu w zbiorniku buforowym,

[ ]

- współczynnik kierunkowy,

[ ]

−

- ciśnienie osmotyczne,

[ ]

- gęstość,









-czas,

[ ]

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Wprowadzenie do technik membranowych

Techniką membranową przyjęło się nazywać te procesy, w których

istotną funkcję spełnia specjalna selektywna przegroda, zwana membraną.

Ogólnie, membranę przyjęło się definiować w następujący sposób:

Membrana - przegroda wykazująca selektywność

transportu

przez

nią

wybranych

substancji z jednej strony na drugą.

KaŜdą membranę charakteryzują dwa parametry: selektywność i

wydajność. Selektywność rozumiana jest jako zdolność do przepuszczania

poprzez membranę niektórych substancji, zaś zatrzymywanie pozostałych.

Wydajność natomiast oznacza strumień substancji przechodzącej przez

membranę. Spełnienie jednocześnie obu powyŜszych warunków (istnienia

selektywności i niezerowej wydajności) pozwala nazywać materiał

membraną.

Procesy membranowe sklasyfikować moŜna ze względu na siły

napędowe. I tak wyróŜnić moŜna takie siły napędowe jak: róŜnica ciśnień po

obu stronach membrany, róŜnica stęŜeń, róŜnica pręŜności par, a takŜe

natęŜenie pola elektrycznego.

Do najbardziej rozpowszechnionych technik membranowych, ze względu

na ich zastosowanie, naleŜą te procesy, w których siłą napędową jest róŜnica

ciśnień panujących po obu stronach membrany. Ze względu na tematykę

skryptu dalsze rozwaŜania ograniczą się do procesów ciśnieniowych. Zalicza

się do nich:

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

•

mikrofiltrację

•

ultrafiltrację

•

nanofiltrację

•

odwróconą osmozę.

Podział powyŜszy wynika na rozmiar cząstek zatrzymywanych na

membranach. RóŜnicę pomiędzy poszczególnymi ciśnieniowymi technikami

membranowymi wyjaśnia Rys.1.

Istotą procesów membranowych jest czysto fizyczny rozdział substancji.

Brak

jest

jakichkolwiek

przemian

chemicznych.

przypadku

membranowego oczyszczania wody ma to o tyle duŜe znaczenie, Ŝe jakość

filtratu nie zaleŜy od składu cieczy wchodzącej do układu, a w odróŜnieniu

od klasycznych (chemicznych) metod oczyszczania wód, w technikach

membranowych nie powstają produkty uboczne.

Rys.1. Ciśnieniowe techniki membranowe i ich zastosowanie.

Ogólna zasada prowadzenia membranowego procesu ciśnieniowego

przedstawiona została na Rys.2. Strumieniem wejściowym poddawanym

rozdziałowi jest nadawa. Strumień, który przeszedł na drugą stronę

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

membrany nazywa się permeatem, zaś strumień zatrzymany przez membranę

– retentatem.

Rys.2. Zasada prowadzenia ciśnieniowego procesu membranowego.

Mówiąc o ciśnieniowych metodach rozdziału na membranach naleŜy

znać zaleŜność między róŜnicą przyłoŜonych ciśnień po obu stronach

membrany a wydajnością procesu liczoną strumieniem permeatu. ZaleŜność

ta opisana jest równaniem Darcy’ego:

(1)

Na wartość oporu membrany R

wpływ ma wiele czynników, takich jak

rozmiary porów, krętość porów, czy teŜ wreszcie ilość tych porów

przypadająca na jednostkę powierzchni membrany, czyli tzw. porowatość.

NaleŜy mieć świadomość, Ŝe wraz z czasem trwania procesu, membrana

zwiększa swój opór, czego przyczyną jest zatykanie się porów membrany,

czy teŜ tworzenie placka filtracyjnego.

Zwiększenie oporu membrany skutkuje zmniejszeniem wydajności

procesu, a zatem jako niekorzystne powinno być eliminowane. Znane są

metody usuwania placka filtracyjnego i oczyszczania porów membrany

poprzez tzw. płukanie wsteczne. Metoda ta nie ma jednak zastosowania w

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

przypadku odwróconej osmozy. Wynika to bezpośrednio z budowy modułów

membranowych do odwróconej osmozy. Znajdująca się na podkładzie

membrana osmotyczna, podczas płukania wstecznego uległaby odklejeniu od

tego podkładu.

Inną metodą eliminacji zwiększania oporu membranowego jest

prowadzenie filtracji w układzie krzyŜowoprądowym (tzw. filtracji

krzyŜowej). W procesie tym strumień nadawy przepływa równolegle do

powierzchni membrany, zaś strumień permeatu prostopadle do tej

powierzchni. Taki układ wektorów prędkości strumieni cieczy, przy

odpowiednim doborze ich wartości, powoduje zmywanie z membrany

powstającego placka filtracyjnego przez strumień nadawy. Dlatego teŜ

wartość wektora prędkości nadawy jest jednym z istotnych parametrów,

którym naleŜy się kierować przy projektowaniu instalacji membranowych.

Dla projektanta instalacji membranowych istotniejsza niŜ zaleŜność (1)

jest znajomość przepływu permeatu przez określoną powierzchnię membrany,

przy zadanym ciśnieniu. KaŜda membrana charakteryzuje się tzw.

współczynnikiem filtracji, zwanym z angielskiego UFC (ultrafiltration

coefficient). Nazwa ta, choć zawiera słowo „ultrafiltracja”, odnosi się do

wszystkich membranowych procesów ciśnieniowych. Współczynnik ten

definiuje się następująco:

UFC

⋅

(2)

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Odwrócona osmoza

Odwrócona osmoza jest procesem, którego opracowania naleŜy szukać w

występującym naturalnie w przyrodzie zjawisku prostej osmozy. Osmoza jest

zjawiskiem polegającym na przenikaniu przez półprzepuszczalną błonę

(membranę) rozpuszczalnika z roztworu mniej stęŜonego do roztworu

bardziej stęŜonego. Ma to swoje podstawy w dąŜności do zachowania

równowagi potencjałów chemicznych w kontaktujących się ze sobą poprzez

membranę dwóch roztworach. Dzięki temu zjawisku, między innymi,

moŜliwy jest transport wody w roślinach w kierunku od korzeni do liści.

Wnikanie rozpuszczalnika do roztworu o wyŜszym stęŜeniu ustanie w chwili

wyrównania potencjałów chemicznych po obu stronach membrany.

Wiadomo jednak, Ŝe potencjał chemiczny jest funkcją nie tylko stęŜenia, ale

takŜe ciśnienia cząstkowego. Zatem wyrównanie potencjałów chemicznych

po obu stronach membrany nie zawsze wiąŜe się z wyrównaniem stęŜeń. W

przypadku równości po obu stronach membrany potencjałów chemicznych

przy jednoczesnym braku równości stęŜeń, występującą róŜnicę ciśnień

cząstkowych nazywa się ciśnieniem osmotycznym.

Wartość ciśnienia osmotycznego wyznaczyć moŜna z zaleŜności van’t

Hoffa:

⋅

∆

⋅

(3)

Występująca we wzorze (3) róŜnica stęŜeń roztworów oznacza róŜnicę stęŜeń

roztworów po obu stronach rozdzielającej ich membrany.

Po przyłoŜeniu po stronie roztworu bardziej stęŜonego ciśnienia

przekraczającego wartość ciśnienia osmotycznego obserwuje się przepływ

rozpuszczalnika przez membranę w kierunku od roztworu bardziej stęŜonego

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

do roztworu mniej stęŜonego. Proces ten, wymuszony ciśnieniem, nazywa się

odwróconą osmozą. Zatem moŜna powiedzieć:

Odwrócona osmoza – to wymuszony ciśnieniem proces

polegający na przepływie przez

membranę

rozpuszczalnika

roztworu bardziej stęŜonego do

roztworu mniej stęŜonego.

W literaturze anglosaskiej proces odwróconej osmozy znany jest pod

nazwą reverse osmosis, stąd często spotykany równieŜ w polskojęzycznej

literaturze skrót RO.

Odwrócona osmoza jest membranowym procesem ciśnieniowym, co juŜ

zostało zaznaczone w Rozdziale 3. RóŜni się ona jednak od pozostałych

procesów ciśnieniowych sposobem transportu substancji. Przenikanie

substancji na drugą stronę membrany nie zachodzi na zasadzie efektu

sitowego, lecz na zasadzie rozpuszczania i dyfuzji. Model transportu nie

wpływa bezpośrednio na metodykę projektowania instalacji RO, dlatego nie

będzie szczegółowo omawiany.

Jak pokazuje Rys.1. przez membranę osmotyczną przenika wyłącznie

rozpuszczalnik, np. woda. W rzeczywistym układzie razem z wodą

przechodzi część substancji rozpuszczonej, np. sole, a takŜe rozpuszczone w

niej gazy. Proces filtracji membranowej moŜna scharakteryzować

parametrem, jakim jest współczynnik przesiewalności (ang. sieving

coefficient) wyraŜony wzorem:

(4)

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Parametr ten mówi o selektywności membrany odnosząc stęŜenie substancji

w permeacie do stęŜenia substancji w nadawie. Im mniejsza wartość SV tym

bardziej selektywna membrana. Drugim, komplementarnym parametrem

charakteryzującym membranę jest współczynnik zatrzymania, będący

dopełnieniem SV do całości:

−

(5)

Membrany osmotyczne są zwykle strukturami delikatnymi, dlatego teŜ

naleŜy chronić je przed kontaktem z cząstkami zawieszonymi w nadawie.

Dobrą praktyką inŜynierską jest stosowanie w instalacjach RO filtracji

wstępnej zabezpieczającej moduł membranowy przed szybkim zniszczeniem.

Niekiedy, w przypadku bardzo zanieczyszczonych cieczy, przed

zastosowaniem odwróconej osmozy stosuje się stopnie filtracyjne zbudowane

z membran mikrofiltracyjnych lub ultrafiltracyjnych czy nanofiltracyjnych.

Mając na uwadze fakt, Ŝe membrany osmotyczne nie są w rzeczywistości

doskonałą barierą, w niektórych przypadkach wodę oczyszczoną przy uŜyciu

procesu RO doczyszcza się na złoŜach Ŝywicznych lub elektrodializą.

Moduł membranowy i jego dobór

Membrany, a zwłaszcza słuŜące do prowadzenia procesu odwróconej

osmozy, są materiałami zwykle delikatnymi i jako takie nie mogą

samodzielnie spełniać swojej roli. Istnieje zatem potrzeba umieszczania

membran w uchwytach czy na podporach. Konieczne często jest takŜe

zapewnienie dystansu pomiędzy kolejnymi warstwami membrany przy

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

uŜyciu specjalnych przekładek. Całość zespołu, na który składa się

membrana, elementy ją podtrzymujące i rozdzielające nazywa się modułem

membranowym. W zaleŜności od rodzaju membran i sposobu ich

umieszczenia w takich modułach wyróŜnia się moduły płytowo-ramowe,

rurowe, kapilarne czy najbardziej powszechne w technice RO – moduły

spiralne.

Dobór modułu membranowego jest często czynnością iteracyjną. Po

wstępnym obliczeniu liczby potrzebnych w projektowanej instalacji

modułów membranowych naleŜy dokonać przeglądu oferty katalogowej firm

oferujących moduły. Znając parametry pracy instalacji dobieramy moduł

najbliŜszy naszym wymaganiom (najlepiej z naddatkiem niŜ z niedoborem) i

przeliczamy dla tego modułu ponownie całą instalację sprawdzając

poprawność projektu.

Karty katalogowe osmotycznych modułów membranowych zawierają

szereg parametrów procesowych, dla których moduł działa prawidłowo.

Dobierając moduł membranowy naleŜy zwrócić uwagę na następujące

informację:

•

zastosowanie membrany – produkowane są membrany, róŜniące

się swoimi właściwościami, z przeznaczeniem do oczyszczania

wód, odsalania wód, koncentracji serwatki, itp.,

•

powierzchnia membrany w jednym module – wielkość ta

decyduje o liczbie modułów, którą naleŜy wbudować w instalację,

•

przepływ permeatu (product flow rate) – parametr ten mówi o

redniej wartości przepływu permeatu. Chęć zwiększenia

przepływu permeatu ponad wartość katalogową spowodować

moŜe utratę własności selektywnych przez membranę, a w

ostateczności szybkie jej zniszczenie,

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

•

maksymalne ciśnienie operacyjne – jest to ciśnienie wejściowe

(nadawy), którego przekroczyć nie moŜna ze względu na

moŜliwość uszkodzenia membrany,

•

maksymalna temperatura nadawy – ze względu na wytrzymałość

materiału z jakiego wykonana jest membrana oraz na własności

selektywne membrany nie naleŜy przekraczać tej temperatury,

•

zakres pH nadawy – wartość odczynu roztworu dla pracy ciągłej

membrany,

•

współczynnik zatrzymania (salt rejection) – zwykle wyraŜony w

procentach współczynnik zatrzymania substancji przez membranę.

Obliczenia inŜynierskie

Istotą prawidłowego wykonania projektu jest wykonanie prawidłowych

obliczeń. Te jednak poprzedzone muszą być analizą układu i ułoŜeniem

odpowiednich równań, przewaŜnie róŜniczkowych, i ich rozwiązanie. Ogólny

schemat instalacji RO przedstawia Rys.3.

Na podstawie tego ogólnego schematu instalacji rozwaŜyć moŜna inne

układy. I tak, jeśli do zbiornika nie będzie dostarczana surówka i całość

retentatu będzie zawracana do zbiornika, czyli

oraz

, układ

będzie słuŜył do zatęŜania składnika zawartego w roztworze. Natomiast jeśli

≠

oraz strumień retentatu nie będzie zawracany przed pompę (do

zbiornika) wówczas będzie to układ filtracji bez tzw. „powrotu”.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Rys.3. Ogólny schemat instalacji odwróconej osmozy.

W procesach, w których produktem końcowym ma być permeat (np.

czysta woda) stosuje się układ przedstawiony na Rys.3. Stosowanie w takim

przypadku zbiornika buforowego nie jest konieczne, natomiast istotne jest

zawracanie części retentatu przed pompę, a tym samym przed moduł

membranowy. Jest to tzw. układ z powrotem retentatu. Celem takiej

realizacji procesu jest odzyskanie moŜliwie duŜej ilości rozpuszczalnika z

roztworu (retentat unosi duŜą ilość rozpuszczalnika), a jednocześnie

zapewnienie modułowi minimalnego przepływu wymaganego do jego

właściwej pracy (patrz Rozdział 5).

W zaleŜności od realizacji układu, determinowanego przez cel filtracji,

równania

opisujące

proces

przyjmą

róŜną

postać.

Przykładowo

przedstawiono poniŜej równania dla układu z Rys.3:

- bilans strumieni masy całkowitej wokół układu:

)

(

−

(6)

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

- bilans strumieni masy składnika wokół układu:

)

(

−

(7)

- bilans strumieni energii wokół układu:

−

)

(

)

(

)

(

)]

(

[

(8)

PowyŜsze równania bilansów pozwalają na zasadzie analogii ułoŜyć

równania dla innych realizacji układu filtracyjnego.

Wobec słuszności wzorów (2) i (3) wnioskować moŜna o zaleŜności

między strumieniem permeatu a stęŜeniem roztworu filtrowanego. ZaleŜność

ta ma szczególne znaczenie w procesach zatęŜania, gdzie stęŜenie nadawy

jest zmienne w czasie trwania procesu. ZauwaŜyć naleŜy, Ŝe strumień

permeatu występuje jako zmienna we wszystkich powyŜszych równaniach

bilansowych (6), (7) i (8). Konieczne staje się wówczas wprowadzenie

kolejnego równania wiąŜącego strumień permeatu ze stęŜeniem nadawy.

Takim równaniem moŜe być empiryczna zaleŜność opisana wzorem:

)

log(

)

(

⋅

−

(9)

Często okazuje się, Ŝe ułoŜone równania nie posiadają rozwiązania

analitycznego.

Wówczas

naleŜy

zastosować

metody

numeryczne

rozwiązywania równań róŜniczkowych. Dobrym narzędziem jest metoda

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Rungego-Kutty opisana w podręczniku

„Matematyka stosowana w inŜynierii

chemicznej” M. Mączyńskiego i W. Traczyka.

6.1.

Przewodność i stęŜenia w układzie

W przypadku instalacji odwróconej osmozy często operuje się

przewodnością właściwą cieczy. Natomiast we wzorze van’t Hoffa (3) na

ciśnienie osmotyczne występuje stęŜenie roztworu. NaleŜy zatem potrafić

przeliczyć przewodność na stęŜenie. W odniesieniu do roztworu NaCl

przeliczenia tego dokonać moŜna na podstawie wykresu przedstawionego na

Rys.4.

Znajomość przewodności lub stęŜenia roztworu w róŜnych punktach

instalacji jest konieczna dla poprawnego doboru modułów membranowych i

pomp. Rozpatrując układ z Rys.3 znajdujący się w stanie ustalonym, moŜna

zauwaŜyć następujące zaleŜności:

⋅

(10)

⋅

(11)

( )

⋅

−

(12)

6.2.

Połączenia modułów

Równania (10-12) słuszne są dla układu, w którym blok RO z Rys.3

traktowany jest jako jeden moduł membranowy. PrzewaŜnie w instalacjach

odwróconej osmozy stosuje się wiele modułów. Poszczególne moduły mogą

być połączone ze sobą szeregowo, równolegle, bądź w sposób mieszany (np.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

w tzw. „choinkę”). Przykładowe rodzaje połączeń modułów przedstawiono

na Rys.5.

Rys.4. ZaleŜność między koncentracją soli

a przewodnością roztworu NaCl (T = 298 K).

Powstaje zatem pytanie kiedy jaki układ połączeń naleŜy stosować.

ZauwaŜyć naleŜy, Ŝe w szeregowym połączeniu nadawą dla kolejnego

modułu jest retentat z modułu poprzedniego. Mając na uwadze równania (11)

i (12) wnioskować moŜna, Ŝe permeat z kaŜdego kolejnego modułu jest coraz

niŜszej jakości. W granicznej sytuacji moŜe zdarzyć się, Ŝe stęŜenie nadawy

podawanej na kolejny moduł będzie tak duŜe, Ŝe ciśnienie cieczy nie będzie

w stanie przekroczyć ciśnienia osmotycznego. W przypadku połączenia

równoległego modułów osmotycznych jakość permeatu jest taka sama dla

wszystkich modułów. Jednak naleŜy zapewnić odpowiednio duŜy przepływ

nadawy, aby kaŜdy moduł zasilony był odpowiednim strumieniem.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Produkowane są obudowy ciśnieniowe na róŜną liczbę modułów od 1 do 7.

Budowa obudowy determinuje fakt, Ŝe moduły w takiej obudowie muszą być

połączone szeregowo. PoniewaŜ obudowa ciśnieniowa jest znaczącym

elementem w kosztorysie instalacji naleŜy unikać takich połączeń modułów,

które wymuszają uŜycie większej liczby obudów.

PowyŜsze rozwaŜania dowodzą równieŜ, Ŝe naleŜy w obliczeniach

uwzględniać przewodności permeatu i retentatu za kaŜdym modułem.

Pozwala to na kontrolowanie dopuszczalnej liczby modułów w obudowie.

Omawiając rodzaje połączeń modułów naleŜy wspomnieć takŜe o

instalacjach wielostopniowych. O wielostopniowej instalacji mówi się

wówczas, gdy retentat lub permeat z jednego bloku modułów

membranowych stanowi nadawę dla kolejnego bloku. Połączenie szeregowe

modułów membranowych nie powinno być traktowane jako instalacja

wielostopniowa, mimo Ŝe retentat poprzedniego modułu stanowi nadawę dla

kolejnego, ze względu na fakt łączenia strumieni permeatu z tych modłów.

Celem instalacji wielostopniowej jest jeden z dwóch procesów: oczyszczanie

lub zatęŜanie. W tym pierwszym przypadku nadawą dla kolejnego stopnia

jest permeat poprzedniego, zaś produktem końcowym permeat ostatniego

stopnia. W przypadku zatęŜania nadawę dla stopnia kolejnego stanowi

retentat stopnia poprzedniego, a produktem końcowym jest retentat

ostatniego stopnia.

Ze względu na fakt, Ŝe na kolejny stopień wielostopniowej instalacji RO

jako nadawa podawany jest tylko jeden ze strumieni wyjściowych stopnia

poprzedniego, a więc strumień nadawy jest coraz mniejszy dla kaŜdego

kolejnego stopnia, całkowita powierzchnia membran na kolejnych stopniach

powinna być mniejsza niŜ na stopniach poprzednich. Zwyczajowo przyjmuje

się, Ŝe na kolejnym stopniu powierzchnia membran nie powinna przekraczać

50% powierzchni membran na stopniu go poprzedzającym.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

6.3.

Rozkład ciśnień i przepływów

Proces odwróconej osmozy, jak to wspomniano w Rozdziale 4, zachodzi

po przyłoŜeniu po stronie roztworu bardziej stęŜonego ciśnienia

przekraczającego ciśnienie osmotyczne. W tym celu w instalacjach RO

stosuje się pompy wysokociśnieniowe. Aby dobrać odpowiednią do instalacji

pompę (lub pompy) naleŜy dokładnie wyznaczyć ciśnienia osmotyczne na

poszczególnych modułach membranowych. W przypadku niewielkich

instalacji, gdzie filtrowany roztwór nie jest wysoko stęŜony, często wystarcza

jedna pompa. Wówczas, aby określić ciśnienie, jakiego oczekuje się od

pompy, wystarczy obliczyć jakie wytworzy się ciśnienie osmotyczne na

membranie, a następnie dodać do tego spadek ciśnienia dla kaŜdego modułu

oraz spadek ciśnienia dla kaŜdej obudowy (te dwie wielkości podawane są

przez producenta) oraz oszacować opory hydrauliczne orurowania. Tak

otrzymana wartość ciśnienia jest wartością minimalną, aby proces

odwróconej osmozy zaszedł. Na podstawie wzoru (2) stwierdzić moŜna, Ŝe

im wyŜsze ciśnienie wytworzy pompa, tym otrzyma się większy strumień

permeatu. Na uwadze mieć naleŜy dwa aspekty. Pierwszy z nich to ciśnienie

maksymalne, jakie wytrzyma moduł oraz obudowa ciśnieniowa. Drugi to

zaleŜność jakości permeatu od ciśnienia transmembranowego. Im wyŜsze

ciśnienie, tym gorsza jakość permeatu.

W przypadku instalacji większych, wielostopniowych konieczne staje się

często stosowanie więcej niŜ jednej pompy. Wówczas kaŜdy stopień

rozpatrujemy osobno powtarzając rozumowanie przedstawione powyŜej.

Podobnie jak ciśnienia kontrolować naleŜy w obliczeniach przepływy

poszczególnych strumieni. Pamiętać naleŜy o tym, Ŝe dla prawidłowego

działania modułu membranowego naleŜy mu zapewnić odpowiedni przepływ.

Znając wymagane ciśnienia i przepływy w układzie moŜliwy jest na

podstawie tych danych dobór pomp i ich punktu pracy. Zagadnienie doboru

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

pomp studenci WIChiP poznają w ramach przedmiotu

Hydraulika, dlatego

teŜ nie będzie to omawiane w tym miejscu.

6.4.

Analiza cieplna

Jednym z parametrów pracy modułów membranowych jest maksymalna

temperatura nadawy. Jednocześnie naleŜy pamiętać o tym, Ŝe wraz ze

wzrostem temperatury wzrasta ciśnienie osmotyczne - patrz wzór (3). Wzrost

ciśnienia osmotycznego powoduje spadek siły napędowej procesu, zatem jest

efektem niekorzystnym.

W przypadku filtracji niektórych cieczy niekontrolowany wzrost

temperatury jest niedopuszczalny. Dotyczy to zwłaszcza cieczy lotnych (np.

alkoholi) lub cieczy spoŜywczych (np. mleko), których zagrzanie jest

niekorzystne z punktu widzenia obróbki.

PowyŜsze powody uzasadniają konieczność przeprowadzenia analizy

cieplnej w fazie projektowania instalacji. Jak wynika z Rys.3 oraz wzoru (8)

jedynym źródłem energii jest pompa znajdująca się w układzie. Takiego

załoŜenia nie moŜna jednak uczynić dla instalacji, które pracować będą na

słońcu, zwłaszcza w ciepłych krajach (np. instalacje do odsalania wód

morskich). W takim przypadku istotne równieŜ będzie energia dostarczana z

otoczenia. Ograniczając się wyłącznie do pompy jako źródła energii naleŜy

zauwaŜyć, Ŝe kaŜda pompa ma swoją sprawność. Ta część energii

elektrycznej, która nie zostanie przetworzona na pracę tłoczenia cieczy

dyssypuje się w postaci ciepła. Niewielka część tego ciepła zostaje

odprowadzona do otoczenia, zaś pozostała część ciepła wnika do cieczy

filtrowanej. Ciepło powstaje teŜ w wyniku tarcia cieczy o rury, którymi

płynie. DuŜo ciepła wydziela się zwłaszcza na zwęŜkach, złączkach,

zaworach, przegubach itp. NaleŜy mieć świadomość, Ŝe energia ta pochodzi

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

równieŜ od pompy, która napędza ciecz. Dlatego dla obliczeń inŜynierskich

nie jest błędem przyjęcie całej nominalnej mocy pompy jako mocy

powodującej wzrost temperatury filtrowanej cieczy. ZałoŜenie to zawiera w

sobie juŜ wymagany w projektowaniu współczynnik bezpieczeństwa.

Wpływ grzania cieczy w układzie widoczny jest zwłaszcza dla układów,

w których występuje powrót części strumienia retentatu przed pompę, a

szczególnie w procesie zatęŜania.

W przypadku, gdy temperatura w projektowanym układzie moŜe

przekraczać temperatury dopuszczalne naleŜy zastosować chłodnicę.

Chłodnicę naleŜy zastosować najlepiej w takim miejscu układu, gdzie

ciśnienie cieczy jest najmniejsze. Takim miejscem jest powrót retentatu.

Metodyka obliczania chłodnic opisana jest np. w podręczniku „

InŜynieria

Chemiczna. InŜynieria Procesowa” J. Ciborowskiego.

6.5.

Energochłonność i koszty eksploatacyjne

Zamawiający

instalację

zainteresowany

jest

oprócz

kosztów

inwestycyjnych kosztami uŜytkowania instalacji. Projektant powinien umieć

oszacować koszty eksploatacyjne instalacji.

Jednym z nich jest pobór energii elektrycznej. Obliczenia te sprowadzają

się do zsumowania mocy wszystkich odbiorników elektrycznych

znajdujących się w układzie. Odbiornikami takimi są pompy, sterowniki,

zawory elektryczne lub elektromagnetyczne, wskaźniki świetlne itp.

Kolejnym kosztem eksploatacyjnym jest okresowa wymiana elementów.

Zakłada się, Ŝe najczęściej wymieniane będą moduły membranowe. NaleŜy

oszacować trwałość membran w zaleŜności od parametrów ich pracy.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

KaŜda instalacja wymaga równieŜ okresowego czyszczenia. Do kosztów

tej operacji zaliczyć naleŜy energię zuŜytą przez pompy myjące oraz koszt

cieczy myjących.

Równie istotną, co powyŜsze, jest energia ludzka. Za energochłonną uzna

się instalację, która wymaga obsługi przez duŜą liczbę osób. Im bardziej

wykwalifikowana kadra będzie musiała obsługiwać instalację, tym będzie

ona bardziej energochłonna.

WaŜnym parametrem instalacji jest tzw. „foot print”. Jest to wielkość

mówiąca o ilości miejsca zajmowanego przez instalację w zakładzie

przemysłowym. Im mniej instalacja będzie zajmowała miejsca, tym zysk

netto z jednego metra kwadratowego powierzchni będzie większy.

Projektując instalację naleŜy tak umiejscowić w przestrzeni róŜne jej

elementy, aby stanowiła ona jak najbardziej zwartą bryłę przy jednoczesnym

zapewnieniu łatwości dostępu do poszczególnych jej części.

6.6.

Kalkulacja kosztów inwestycyjnych

Koszt inwestycyjny naleŜy rozumieć jako cenę, jaką za instalację zapłacić

będzie musiał zamawiający. Koszt ten składa się z wielu składowych. NaleŜą

do nich koszty materiałowe, a zatem koszty membran, obudów

ciśnieniowych, pomp, przyrządów pomiarowych, układu sterowania,

orurowania. Do kosztów inwestycyjnych naleŜy doliczyć koszt projektu

(pracy projektanta), robociznę przy budowie instalacji, koszt transportu, a

takŜe zysk producenta. Istnieją róŜne gotowe algorytmy liczenia kosztów

inwestycyjnych, jak np. metoda współczynników Langa, lecz przynajmniej

przy pierwszych projektach naleŜy sumiennie zsumować wszystkie

rzeczywiste składowe kosztów i na tej podstawie dokonać wyceny instalacji.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Dobór normaliów i przyrządów pomiarowych

Instalacja odwróconej osmozy oprócz omawianych juŜ wcześniej

modułów membranowych, obudów ciśnieniowych i pomp składa się z

szeregu innych elementów, które zalicza się do grupy tzw. normaliów oraz z

opomiarowania.

Do normaliów zaliczyć naleŜy rury, złączki, zwęŜki, zawory, uszczelki,

itp. Przy doborze normaliów najlepiej uŜywać katalogu jednego producenta,

o ile to moŜliwe. Związane jest to z przyjmowaniem przez producentów

róŜnych norm, i tak dla przykładu rura o średnicy nominalnej 200 mm u

róŜnych producentów ma średnicę od 200 mm do 219 mm. Zakup rur i

złączek o jednakowej średnicy nominalnej, zaś róŜnej średnicy rzeczywistej

będzie przyczyną kłopotów przy montaŜu instalacji.

Na etapie projektowania naleŜy równieŜ rozwaŜyć, jaki rodzaj połączeń

rur będzie najlepszy. Niekiedy z pomocą przychodzą projektantowi normy,

które do zastosowań danego przemysłu dopuszczają tylko wybrane rodzaje

połączeń. Warto zatem aby projektant miał rozeznanie w normach

dotyczących przemysłu, dla którego projektuje instalację.

Do tradycyjnych połączeń rur zaliczyć naleŜy połączenia gwintowane

(rura w rurę lub poprzez mufę) czy połączenia kołnierzowe. Wadą tych

połączeń jest ich niełatwy demontaŜ, a takŜe mała tolerancja błędu

współosiowości. Do wygodniejszych i obecnie popularniejszych metod

naleŜy zaliczyć połączenia typu „tri-clamp”, stosowane w przemyśle

spoŜywczym oraz posiadające duŜą tolerancję na błąd współosiowości

połączenia „victualic”. Ostateczna decyzja odnośnie rodzaju połączeń naleŜy

do projektanta.

Dobór materiału, z jakiego wykonane będą rury i ich połączenia w duŜej

mierze zaleŜy od substancji, która będzie przez te rury przepływała. Mało

kosztownym rozwiązaniem jest stosowanie rur PCV, PP lub PE, lecz przy

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

filtracji niektórych cieczy niemoŜliwym. Wówczas naleŜy rozwaŜyć

zastosowanie kosztownych, ale trwałych i odpornych rur ze stali nierdzewnej.

Po wyborze materiału rur pozostaje kwestia doboru średnicy rur.

Wiadomym jest, Ŝe im większa średnica rury, tym mniejsze opory przepływu.

Ale wraz ze wzrostem średnicy rury rośnie jej koszt za jednostkę długości.

Przyjęło się tak dobierać średnicę rur, aby pozorna prędkość przepływającej

przez nią cieczy wynosiła ok. 2-3 m/s. Z większą prędkością pozorną cieczy

wiąŜą się większe straty energetyczne w postaci ciepła wytworzonego na

skutek tarcia oraz efekty akustyczne w instalacji („szumienie”). W przypadku

duŜych wartości przepływów objętościowych, gdy takie rozumowanie

prowadziłoby do konieczności stosowania rur o bardzo duŜej średnicy,

dopuszcza się odstępstwa od tej zasady. Podobnie jak w wielu innych etapach

projektowania, tak i w tym duŜo zaleŜy od „wyczucia” konstrukcyjnego

projektanta.

Dobierając zawory naleŜy wiedzieć, jakie jest przeznaczenie instalacji i

czy ma być ona obsługiwana manualnie czy automatycznie. Istotny jest

rodzaj zaworu, czy ma to być zawór iglicowy, kulowy czy motylkowy. TakŜe

w przypadku doboru rodzaju zaworu często wybór determinują normy z

danej gałęzi przemysłu. W przypadku obsługi manualnej wybrany zostanie

zawór z rączką lub pokrętłem, zaś w przypadku instalacji obsługiwanej

automatycznie naleŜy dokonać dodatkowej analizy. Do obsługi zaworów

sterowanych automatycznie moŜna uŜyć siłowników elektrycznych,

elektromagnetycznych lub pneumatycznych. Jeśli w zakładzie, gdzie ma

pracować instalacja znajduje się sieć spręŜonego powietrza, dobrym

rozwiązaniem wydaje się zastosowanie siłowników pneumatycznych. W

przeciwnym wypadku naleŜy rozwaŜyć rodzaj siłownika.

Podobnie jest z przyrządami pomiarowymi – ich dobór zaleŜy od

zastosowań i sposobu obsługi instalacji. W instalacjach odwróconej osmozy

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

znaleźć moŜna takie przyrządy pomiarowe jak manometry, rotametry,

termometry, pH-metry, konduktometry i inne. W instalacji sterowanej

automatycznie naleŜy zastosować przyrządy pomiarowe dające sygnał

pomiarowy w postaci prądu lub napięcia, co następnie moŜe być łatwo

przetworzone przez sterownik. W przypadku instalacji obsługiwanej

manualnie wystarczające bywają analogowe przyrządy pomiarowe.

Dokonując wyboru przyrządów pomiarowych, analogowych bądź cyfrowych,

naleŜy zwrócić uwagę na ich zakres pomiarowy, dokładność, a takŜe warunki

pracy (temperatura, odczyn, itp.).

NaleŜy mieć świadomość, Ŝe nowoczesna instalacja RO sterowana jest

automatycznie i zawiera cały układ sterowania. Zawarty jest on zwykle w

tzw. szafce sterowniczej, a jego projekt i wykonanie jest zadaniem bardzo

odpowiedzialnym. Zagadnienie to wykracza jednak poza zakres niniejszego

opracowania.

Schemat instalacji

Schemat instalacji RO, jak kaŜdy inny schemat, powinien być wykonany

według określonych zasad i być zrozumiały dla osób korzystających z niego.

Nie istnieją ogólne normy rysowania schematów instalacji odwróconej

osmozy, lecz jego sporządzenie moŜe być intuicyjne przy zachowaniu

analogii do układu rzeczywistego i sporządzeniu legendy. Na Rys.6

przedstawiono przykładową legendę symboli stosowanych na schemacie, zaś

na Rys.7 przedstawiono przykładowy schemat dwustopniowej instalacji do

odsalania wody. Rysunki te mają wyłącznie charakter poglądowy i nie

powinny być traktowane jako obowiązująca norma.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Komputerowe wspomaganie projektowania

Wraz z rozwojem numerycznych metod rozwiązywania zagadnień

inŜynierskich wzrasta liczba aplikacji komputerowych wspomagająca prace

projektowe. Istnieją takŜe aplikacje słuŜące pomocą przy projektowaniu

instalacji do odwróconej osmozy. Wymienić moŜna na przykład takie

programy jak Carol, Rosa, ROdesign, WinFlows czy ROpro.

Są to programy bardzo pomocne w pracy inŜyniera projektanta, ale

jednocześnie wymagają od uŜytkownika dobrej znajomości projektowanego

zagadnienia. Dlatego nie poleca się korzystania z tych programów przy nauce

projektowania. Korzystanie z samouczków tych programów nie zawsze

pozwala uniknąć błędów projektowych, które przez początkującego

projektanta mogą pozostać niezauwaŜone.

Koncepcja ogólna większości z tych programów jest podobna i powiela

schemat projektowania bez uŜycia komputera. Pierwszą czynnością, jaką

naleŜy wykonać jest analiza strumienia cieczy oczyszczanej. W zaleŜności od

aplikacji będą to okna dialogowe o nazwie „water type” lub „analysis”. W

tabelach znajdujących się w tych oknach naleŜy określić skład jonowy

nadawy, jej temperaturę, odczyn, mętność i inne wskaźniki, jak na przykład

SDI. Zaletą takich programów jest dokonywanie automatycznych obliczeń

róŜnych wielkości, jak ciśnienie osmotyczne i przewodność, a takŜe

dokonywanie bilansu jonowego. Program takŜe moŜe poprawić bilans

jonowy sugerując uŜytkownikowi poszczególne rozwiązania. Wówczas

naleŜy mieć świadomość konsekwencji wyboru zaproponowanych opcji.

W dalszym etapie przechodzi się do okna „RO design”, gdzie podaje się

wartości stopnia odzysku, przepływu permeatu, a w niektórych programach

takŜe stopień foulingu i przewidywany czas uŜytkowania.

W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________

Z danych wprowadzonych wcześniej program proponuje wstępny projekt

instalacji. Dobiera (czasem konsultując z uŜytkownikiem) rodzaj

zastosowanych modułów i ich liczbę. Obecnie będące w uŜyciu programy nie

potrafią

same

podejmować

decyzji

odnośnie

rodzaju

połączeń

poszczególnych sekcji membran, a takŜe o ilości stopni instalacji. Tu

wskazana jest interwencja w działanie programu projektanta mającego juŜ

doświadczenie w projektowaniu instalacji RO.

Zaznaczyć naleŜy, Ŝe wszystkie dostępne programy są aplikacjami

stworzonymi przez producentów membran i podczas doboru modułu

membranowego dokonują selekcji spośród oferty danego producenta. Uznać

to naleŜy za istotną wadę tych programów, ale z marketingowego punktu

widzenia jest to całkowicie zrozumiałe.

Wstępnie zaproponowana przez program komputerowy instalacja

odwróconej osmozy moŜe być przez uŜytkownika poprawiana i zmieniana na

róŜne sposoby. Na tym etapie wymagane jest duŜe doświadczenie projektowe,

które zdobywa się przy samodzielnym projektowaniu bez uŜycia

komputerów.

Coraz więcej z programów wspomagających projektowanie instalacji

odwróconej osmozy oferuje kalkulację kosztów, zarówno inwestycyjnych jak

i eksploatacyjnych.

Decydując się na projektowanie przy uŜyciu aplikacji komputerowych

naleŜy mieć świadomość ograniczeń programu i braku jego uniwersalności.

NaleŜy takŜe odpowiedzieć sobie na pytanie czy własne umiejętności i

doświadczenie w projektowaniu instalacji RO jest wystarczające na

współpracę z programem.

Na koniec naleŜy zaznaczyć, Ŝe często poprawne zaprojektowanie

instalacji do odwróconej osmozy jest duŜo prostsze przy uŜyciu kartki i

ołówka niŜ aplikacji komputerowej.