Wojciech Piątkiewicz
Maciej Szwast
Zasady projektowania
instalacji odwróconej osmozy
Preskrypt na prawach rękopisu
do użytku wewnętrznego
dla studentów WIChiP
Warszawa 2008
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
2
Spis treści
1.
PRZEDMOWA............................................................................................................. 3
2.
SPIS SYMBOLI............................................................................................................ 4
3.
WPROWADZENIE DO TECHNIK MEMBRANOWYCH..................................... 6
4.
ODWRÓCONA OSMOZA........................................................................................ 10
5.
MODUŁ MEMBRANOWY I JEGO DOBÓR ........................................................ 12
6.
OBLICZENIA INśYNIERSKIE .............................................................................. 14
6.1.
P
RZEWODNOŚĆ I STĘśENIA W UKŁADZIE
.............................................................. 17
6.2.
P
OŁĄCZENIA MODUŁÓW
...................................................................................... 17
6.3.
R
OZKŁAD CIŚNIEŃ I PRZEPŁYWÓW
....................................................................... 21
6.4.
A
NALIZA CIEPLNA
............................................................................................... 22
6.5.
E
NERGOCHŁONNOŚĆ I KOSZTY EKSPLOATACYJNE
............................................... 23
6.6.
K
ALKULACJA KOSZTÓW INWESTYCYJNYCH
......................................................... 24
7.
DOBÓR NORMALIÓW I PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH.......................... 25
8.
SCHEMAT INSTALACJI......................................................................................... 27
9.
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA................................ 29
10.
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA ........................................................................ 31
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
3
1.
Przedmowa
Od kilkunastu lat obserwuje się rosnące zainteresowanie membranami i
membranowymi technikami rozdziału. Początkowo droga technika wraz z
większą dostępnością i niższą ceną materiałów polimerowych zyskuje coraz
większe uznanie. Ze względu na fakt stosowania membran i technik
membranowych w praktycznie wszystkich gałęziach przemysłu, od
medycznego, spożywczego i kosmetycznego, aż do energetycznego,
konieczne stało się zapoznanie studentów z tymi zagadnieniami.
W ramach przedmiotu Aparatura Procesowa prowadzonego na Wydziale
Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej studenci
zapoznają się w praktyce z techniką mikrofiltracji i odwróconej osmozy.
Dodatkowo, na kierunku Inżynieria Chemiczna, studenci wykonują projekt
dotyczący instalacji odwróconej osmozy. Skrypt ten kierowany jest głownie
do tej grupy studentów, stanowić może jednak także źródło dodatkowej
wiedzy dla chętnych, a w przyszłości może stać się podręcznym poradnikiem
w pracy projektowej.
Warszawa, 2008 rok
Autorzy
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
4
2.
Spis symboli
c
- stężenie roztworu w zbiorniku buforowym,
3
dm
mol
n
c
- stężenie roztworu w strumieniu nadawy,
3
dm
mol
p
c
- stężenie roztworu w strumieniu permeatu,
3
dm
mol
r
c
- stężenie roztworu w strumieniu retentatu,
3
dm
mol
s
c
- stężenie roztworu w strumieniu surówki,
3
dm
mol
w
c
- ciepło właściwe,
⋅
K
kg
J
i
- współczynnik zależny od rodzaju substancji,
[ ]
−
M
- masa molowa,
mol
kg
N
- moc pompy,
[ ]
W
T
N
- moc przekazywana cieczy przez pompę w postaci ciepła,
[ ]
W
TM
p
- ciśnienie transmembranowe,
[ ]
Pa
n
Q
- przepływ nadawy,
s
m
3
p
Q
- przepływ permeatu,
s
m
3
r
Q
- przepływ retentatu,
s
m
3
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
5
'
r
Q
- przepływ retentatu zawracanego,
s
m
3
''
r
Q
- przepływ retentatu odprowadzanego,
s
m
3
s
Q
- przepływ surówki,
s
m
3
r
- współczynnik zatrzymania,
[ ]
−
R
- stała gazowa,
⋅
K
mol
J
m
R
- opór membrany,
⋅
s
m
kg
4
S
- pole powierzchni membrany,
[ ]
2
m
SV
- współczynnik przesiewalności,
[ ]
−
T
- temperatura w zbiorniku buforowym,
[ ]
K
e
T
- temperatura otoczenia,
[ ]
K
n
T
- temperatura nadawy,
[ ]
K
s
T
- temperatura surówki,
[ ]
K
UFC
- współczynnik filtracji,
⋅
kg
s
m
2
V
- objętość roztworu w zbiorniku buforowym,
[ ]
3
m
α
- współczynnik kierunkowy,
[ ]
−
Π
- ciśnienie osmotyczne,
[ ]
Pa
ρ
- gęstość,
3
m
kg
τ
-czas,
[ ]
s
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
6
3.
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.
Każdą 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 powyższych warunków (istnienia
selektywności i niezerowej wydajności) pozwala nazywać materiał
membraną.
Procesy membranowe sklasyfikować można ze względu na siły
napędowe. I tak wyróżnić można takie siły napędowe jak: różnica ciśnień po
obu stronach membrany, różnica stężeń, różnica prężności par, a także
natężenie pola elektrycznego.
Do najbardziej rozpowszechnionych technik membranowych, ze względu
na ich zastosowanie, należą te procesy, w których siłą napędową jest różnica
ciśnień panujących po obu stronach membrany. Ze względu na tematykę
skryptu dalsze rozważania ograniczą się do procesów ciśnieniowych. Zalicza
się do nich:
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
7
•
mikrofiltrację
•
ultrafiltrację
•
nanofiltrację
•
odwróconą osmozę.
Podział powyższy wynika na rozmiar cząstek zatrzymywanych na
membranach. Różnicę pomiędzy poszczególnymi ciśnieniowymi technikami
membranowymi wyjaśnia Rys.1.
Istotą procesów membranowych jest czysto fizyczny rozdział substancji.
Brak
jest
jakichkolwiek
przemian
chemicznych.
W
przypadku
membranowego oczyszczania wody ma to o tyle duże znaczenie, że jakość
filtratu nie zależy od składu cieczy wchodzącej do układu, a w odróżnieniu
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
_____________________________________________________________________________________________
8
membrany nazywa się permeatem, zaś strumień zatrzymany przez membranę
– retentatem.
Rys.2. Zasada prowadzenia ciśnieniowego procesu membranowego.
Mówiąc o ciśnieniowych metodach rozdziału na membranach należy
znać zależność między różnicą przyłożonych ciśnień po obu stronach
membrany a wydajnością procesu liczoną strumieniem permeatu. Zależność
ta opisana jest równaniem Darcy’ego:
m
TM
p
R
p
Q
=
(1)
Na wartość oporu membrany R
m
wpływ ma wiele czynników, takich jak
rozmiary porów, krętość porów, czy też wreszcie ilość tych porów
przypadająca na jednostkę powierzchni membrany, czyli tzw. porowatość.
Należy mieć świadomość, że wraz z czasem trwania procesu, membrana
zwiększa swój opór, czego przyczyną jest zatykanie się porów membrany,
czy też 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
_____________________________________________________________________________________________
9
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 krzyżowoprądowym (tzw. filtracji
krzyżowej). 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 też
wartość wektora prędkości nadawy jest jednym z istotnych parametrów,
którym należy się kierować przy projektowaniu instalacji membranowych.
Dla projektanta instalacji membranowych istotniejsza niż zależność (1)
jest znajomość przepływu permeatu przez określoną powierzchnię membrany,
przy zadanym ciśnieniu. Każda 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:
S
p
Q
UFC
TM
p
⋅
=
(2)
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
10
4.
Odwrócona osmoza
Odwrócona osmoza jest procesem, którego opracowania należy szukać w
występującym naturalnie w przyrodzie zjawisku prostej osmozy. Osmoza jest
zjawiskiem polegającym na przenikaniu przez półprzepuszczalną błonę
(membranę) rozpuszczalnika z roztworu mniej stężonego do roztworu
bardziej stężonego. Ma to swoje podstawy w dążności do zachowania
równowagi potencjałów chemicznych w kontaktujących się ze sobą poprzez
membranę dwóch roztworach. Dzięki temu zjawisku, między innymi,
możliwy jest transport wody w roślinach w kierunku od korzeni do liści.
Wnikanie rozpuszczalnika do roztworu o wyższym stężeniu ustanie w chwili
wyrównania potencjałów chemicznych po obu stronach membrany.
Wiadomo jednak, że potencjał chemiczny jest funkcją nie tylko stężenia, ale
także ciśnienia cząstkowego. Zatem wyrównanie potencjałów chemicznych
po obu stronach membrany nie zawsze wiąże się z wyrównaniem stężeń. W
przypadku równości po obu stronach membrany potencjałów chemicznych
przy jednoczesnym braku równości stężeń, występującą różnicę ciśnień
cząstkowych nazywa się ciśnieniem osmotycznym.
Wartość ciśnienia osmotycznego wyznaczyć można z zależności van’t
Hoffa:
T
R
c
i
⋅
⋅
∆
⋅
=
Π
(3)
Występująca we wzorze (3) różnica stężeń roztworów oznacza różnicę stężeń
roztworów po obu stronach rozdzielającej ich membrany.
Po przyłożeniu po stronie roztworu bardziej stężonego ciśnienia
przekraczającego wartość ciśnienia osmotycznego obserwuje się przepływ
rozpuszczalnika przez membranę w kierunku od roztworu bardziej stężonego
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
11
do roztworu mniej stężonego. Proces ten, wymuszony ciśnieniem, nazywa się
odwróconą osmozą. Zatem można powiedzieć:
Odwrócona osmoza – to wymuszony ciśnieniem proces
polegający na przepływie przez
membranę
rozpuszczalnika
z
roztworu bardziej stężonego do
roztworu mniej stężonego.
W literaturze anglosaskiej proces odwróconej osmozy znany jest pod
nazwą reverse osmosis, stąd często spotykany również w polskojęzycznej
literaturze skrót RO.
Odwrócona osmoza jest membranowym procesem ciśnieniowym, co już
zostało zaznaczone w Rozdziale 3. Różni 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 także rozpuszczone w
niej gazy. Proces filtracji membranowej można scharakteryzować
parametrem, jakim jest współczynnik przesiewalności (ang. sieving
coefficient) wyrażony wzorem:
n
p
C
C
SV
=
(4)
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
12
Parametr ten mówi o selektywności membrany odnosząc stężenie substancji
w permeacie do stężenia substancji w nadawie. Im mniejsza wartość SV tym
bardziej selektywna membrana. Drugim, komplementarnym parametrem
charakteryzującym membranę jest współczynnik zatrzymania, będący
dopełnieniem SV do całości:
n
p
c
c
SV
r
−
=
−
=
1
1
(5)
Membrany osmotyczne są zwykle strukturami delikatnymi, dlatego też
należy chronić je przed kontaktem z cząstkami zawieszonymi w nadawie.
Dobrą praktyką inżynierską 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, że membrany osmotyczne nie są w rzeczywistości
doskonałą barierą, w niektórych przypadkach wodę oczyszczoną przy użyciu
procesu RO doczyszcza się na złożach żywicznych lub elektrodializą.
5.
Moduł membranowy i jego dobór
Membrany, a zwłaszcza służące 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 także
zapewnienie dystansu pomiędzy kolejnymi warstwami membrany przy
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
13
użyciu specjalnych przekładek. Całość zespołu, na który składa się
membrana, elementy ją podtrzymujące i rozdzielające nazywa się modułem
membranowym. W zależności od rodzaju membran i sposobu ich
umieszczenia w takich modułach wyróżnia 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 należy dokonać przeglądu oferty katalogowej firm
oferujących moduły. Znając parametry pracy instalacji dobieramy moduł
najbliższy naszym wymaganiom (najlepiej z naddatkiem niż 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 należy zwrócić uwagę na następujące
informację:
•
zastosowanie membrany – produkowane są membrany, różniące
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 należy wbudować w instalację,
•
przepływ permeatu (product flow rate) – parametr ten mówi o
ś
redniej wartości przepływu permeatu. Chęć zwiększenia
przepływu permeatu ponad wartość katalogową spowodować
może utratę własności selektywnych przez membranę, a w
ostateczności szybkie jej zniszczenie,
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
14
•
maksymalne ciśnienie operacyjne – jest to ciśnienie wejściowe
(nadawy), którego przekroczyć nie można ze względu na
możliwość uszkodzenia membrany,
•
maksymalna temperatura nadawy – ze względu na wytrzymałość
materiału z jakiego wykonana jest membrana oraz na własności
selektywne membrany nie należy przekraczać tej temperatury,
•
zakres pH nadawy – wartość odczynu roztworu dla pracy ciągłej
membrany,
•
współczynnik zatrzymania (salt rejection) – zwykle wyrażony w
procentach współczynnik zatrzymania substancji przez membranę.
6.
Obliczenia inżynierskie
Istotą prawidłowego wykonania projektu jest wykonanie prawidłowych
obliczeń. Te jednak poprzedzone muszą być analizą układu i ułożeniem
odpowiednich równań, przeważnie różniczkowych, i ich rozwiązanie. Ogólny
schemat instalacji RO przedstawia Rys.3.
Na podstawie tego ogólnego schematu instalacji rozważyć można inne
układy. I tak, jeśli do zbiornika nie będzie dostarczana surówka i całość
retentatu będzie zawracana do zbiornika, czyli
0
=
s
Q
oraz
0
''
=
r
Q
, układ
będzie służył do zatężania składnika zawartego w roztworze. Natomiast jeśli
0
≠
s
Q
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
_____________________________________________________________________________________________
15
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 możliwie dużej ilości rozpuszczalnika z
roztworu (retentat unosi dużą ilość rozpuszczalnika), a jednocześnie
zapewnienie modułowi minimalnego przepływu wymaganego do jego
właściwej pracy (patrz Rozdział 5).
W zależności od realizacji układu, determinowanego przez cel filtracji,
równania
opisujące
proces
przyjmą
różną
postać.
Przykładowo
przedstawiono poniżej równania dla układu z Rys.3:
- bilans strumieni masy całkowitej wokół układu:
ρ
ρ
ρ
τ
ρ
''
)
(
r
p
s
Q
Q
Q
d
V
d
−
−
=
(6)
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
16
- bilans strumieni masy składnika wokół układu:
M
c
Q
M
c
Q
M
c
Q
d
M
c
V
d
r
p
f
s
s
r
''
)
(
−
−
=
τ
(7)
- bilans strumieni energii wokół układu:
T
e
n
w
r
e
n
w
p
e
s
w
s
e
w
N
T
T
c
Q
T
T
c
Q
T
T
c
Q
d
T
T
c
V
d
+
−
−
−
−
−
=
−
)
(
)
(
)
(
)]
(
[
''
ρ
ρ
ρ
τ
ρ
(8)
Powyższe równania bilansów pozwalają na zasadzie analogii ułożyć
równania dla innych realizacji układu filtracyjnego.
Wobec słuszności wzorów (2) i (3) wnioskować można o zależności
między strumieniem permeatu a stężeniem roztworu filtrowanego. Zależność
ta ma szczególne znaczenie w procesach zatężania, gdzie stężenie nadawy
jest zmienne w czasie trwania procesu. Zauważyć należy, że strumień
permeatu występuje jako zmienna we wszystkich powyższych równaniach
bilansowych (6), (7) i (8). Konieczne staje się wówczas wprowadzenie
kolejnego równania wiążącego strumień permeatu ze stężeniem nadawy.
Takim równaniem może być empiryczna zależność opisana wzorem:
)
1
log(
)
0
(
n
c
p
p
c
Q
Q
n
+
⋅
−
=
=
α
(9)
Często okazuje się, że ułożone równania nie posiadają rozwiązania
analitycznego.
Wówczas
należy
zastosować
metody
numeryczne
rozwiązywania równań różniczkowych. Dobrym narzędziem jest metoda
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
17
Rungego-Kutty opisana w podręczniku
„Matematyka stosowana w inżynierii
chemicznej” M. Mączyńskiego i W. Traczyka.
6.1.
Przewodność i stężenia w układzie
W przypadku instalacji odwróconej osmozy często operuje się
przewodnością właściwą cieczy. Natomiast we wzorze van’t Hoffa (3) na
ciśnienie osmotyczne występuje stężenie roztworu. Należy zatem potrafić
przeliczyć przewodność na stężenie. W odniesieniu do roztworu NaCl
przeliczenia tego dokonać można na podstawie wykresu przedstawionego na
Rys.4.
Znajomość przewodności lub stężenia roztworu w różnych punktach
instalacji jest konieczna dla poprawnego doboru modułów membranowych i
pomp. Rozpatrując układ z Rys.3 znajdujący się w stanie ustalonym, można
zauważyć następujące zależności:
n
n
r
r
s
s
c
Q
c
Q
c
Q
⋅
=
⋅
+
⋅
'
(10)
p
p
r
r
n
n
c
Q
c
Q
c
Q
⋅
+
⋅
=
⋅
(11)
( )
n
p
c
r
c
⋅
−
=
1
(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. Przeważnie 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
_____________________________________________________________________________________________
18
w tzw. „choinkę”). Przykładowe rodzaje połączeń modułów przedstawiono
na Rys.5.
Rys.4. Zależność między koncentracją soli
a przewodnością roztworu NaCl (T = 298 K).
Powstaje zatem pytanie kiedy jaki układ połączeń należy stosować.
Zauważyć należy, że w szeregowym połączeniu nadawą dla kolejnego
modułu jest retentat z modułu poprzedniego. Mając na uwadze równania (11)
i (12) wnioskować można, że permeat z każdego kolejnego modułu jest coraz
niższej jakości. W granicznej sytuacji może zdarzyć się, że stężenie nadawy
podawanej na kolejny moduł będzie tak duże, że ciśnienie cieczy nie będzie
w stanie przekroczyć ciśnienia osmotycznego. W przypadku połączenia
równoległego modułów osmotycznych jakość permeatu jest taka sama dla
wszystkich modułów. Jednak należy zapewnić odpowiednio duży przepływ
nadawy, aby każdy moduł zasilony był odpowiednim strumieniem.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
19
a)
b)
c)
Rys.5. Rodzaje połączeń modułów membranowych:
a)
szeregowe, b) równolegle, c) mieszane („choinka”).
Zaznaczyć należy, że moduły membranowe do procesu odwróconej
osmozy ze względu na pracę przy wysokim ciśnieniu muszą być wbudowane
w obudowy ciśnieniowe. Obudowy do modułów spiralnych można opisać
jako rury o średnicy wewnętrznej równej średnicy zewnętrznej modułów.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
20
Produkowane są obudowy ciśnieniowe na różną liczbę modułów od 1 do 7.
Budowa obudowy determinuje fakt, że moduły w takiej obudowie muszą być
połączone szeregowo. Ponieważ obudowa ciśnieniowa jest znaczącym
elementem w kosztorysie instalacji należy unikać takich połączeń modułów,
które wymuszają użycie większej liczby obudów.
Powyższe rozważania dowodzą również, że należy w obliczeniach
uwzględniać przewodności permeatu i retentatu za każdym modułem.
Pozwala to na kontrolowanie dopuszczalnej liczby modułów w obudowie.
Omawiając rodzaje połączeń modułów należy wspomnieć także 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 że 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 zatężanie. W tym pierwszym przypadku nadawą dla kolejnego stopnia
jest permeat poprzedniego, zaś produktem końcowym permeat ostatniego
stopnia. W przypadku zatężania nadawę dla stopnia kolejnego stanowi
retentat stopnia poprzedniego, a produktem końcowym jest retentat
ostatniego stopnia.
Ze względu na fakt, że 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 każdego
kolejnego stopnia, całkowita powierzchnia membran na kolejnych stopniach
powinna być mniejsza niż na stopniach poprzednich. Zwyczajowo przyjmuje
się, że na kolejnym stopniu powierzchnia membran nie powinna przekraczać
50% powierzchni membran na stopniu go poprzedzającym.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
21
6.3.
Rozkład ciśnień i przepływów
Proces odwróconej osmozy, jak to wspomniano w Rozdziale 4, zachodzi
po przyłożeniu po stronie roztworu bardziej stężonego ciśnienia
przekraczającego ciśnienie osmotyczne. W tym celu w instalacjach RO
stosuje się pompy wysokociśnieniowe. Aby dobrać odpowiednią do instalacji
pompę (lub pompy) należy dokładnie wyznaczyć ciśnienia osmotyczne na
poszczególnych modułach membranowych. W przypadku niewielkich
instalacji, gdzie filtrowany roztwór nie jest wysoko stężony, 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 każdego modułu
oraz spadek ciśnienia dla każdej 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 można, że
im wyższe ciśnienie wytworzy pompa, tym otrzyma się większy strumień
permeatu. Na uwadze mieć należy dwa aspekty. Pierwszy z nich to ciśnienie
maksymalne, jakie wytrzyma moduł oraz obudowa ciśnieniowa. Drugi to
zależność jakości permeatu od ciśnienia transmembranowego. Im wyższe
ciśnienie, tym gorsza jakość permeatu.
W przypadku instalacji większych, wielostopniowych konieczne staje się
często stosowanie więcej niż jednej pompy. Wówczas każdy stopień
rozpatrujemy osobno powtarzając rozumowanie przedstawione powyżej.
Podobnie jak ciśnienia kontrolować należy w obliczeniach przepływy
poszczególnych strumieni. Pamiętać należy o tym, że dla prawidłowego
działania modułu membranowego należy mu zapewnić odpowiedni przepływ.
Znając wymagane ciśnienia i przepływy w układzie możliwy jest na
podstawie tych danych dobór pomp i ich punktu pracy. Zagadnienie doboru
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
22
pomp studenci WIChiP poznają w ramach przedmiotu
Hydraulika, dlatego
też nie będzie to omawiane w tym miejscu.
6.4.
Analiza cieplna
Jednym z parametrów pracy modułów membranowych jest maksymalna
temperatura nadawy. Jednocześnie należy pamiętać o tym, że 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 spożywczych (np. mleko), których zagrzanie jest
niekorzystne z punktu widzenia obróbki.
Powyższe 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
założenia nie można jednak uczynić dla instalacji, które pracować będą na
słońcu, zwłaszcza w ciepłych krajach (np. instalacje do odsalania wód
morskich). W takim przypadku istotne również będzie energia dostarczana z
otoczenia. Ograniczając się wyłącznie do pompy jako źródła energii należy
zauważyć, że każda 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 też w wyniku tarcia cieczy o rury, którymi
płynie. Dużo ciepła wydziela się zwłaszcza na zwężkach, złączkach,
zaworach, przegubach itp. Należy mieć świadomość, że energia ta pochodzi
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
23
również od pompy, która napędza ciecz. Dlatego dla obliczeń inżynierskich
nie jest błędem przyjęcie całej nominalnej mocy pompy jako mocy
powodującej wzrost temperatury filtrowanej cieczy. Założenie to zawiera w
sobie już 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 zatężania.
W przypadku, gdy temperatura w projektowanym układzie może
przekraczać temperatury dopuszczalne należy zastosować chłodnicę.
Chłodnicę należy zastosować najlepiej w takim miejscu układu, gdzie
ciśnienie cieczy jest najmniejsze. Takim miejscem jest powrót retentatu.
Metodyka obliczania chłodnic opisana jest np. w podręczniku „
Inżynieria
Chemiczna. Inżynieria Procesowa” J. Ciborowskiego.
6.5.
Energochłonność i koszty eksploatacyjne
Zamawiający
instalację
zainteresowany
jest
oprócz
kosztów
inwestycyjnych kosztami użytkowania 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, że najczęściej wymieniane będą moduły membranowe. Należy
oszacować trwałość membran w zależności od parametrów ich pracy.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
24
Każda instalacja wymaga również okresowego czyszczenia. Do kosztów
tej operacji zaliczyć należy energię zużytą przez pompy myjące oraz koszt
cieczy myjących.
Równie istotną, co powyższe, jest energia ludzka. Za energochłonną uzna
się instalację, która wymaga obsługi przez dużą liczbę osób. Im bardziej
wykwalifikowana kadra będzie musiała obsługiwać instalację, tym będzie
ona bardziej energochłonna.
Ważnym 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 należy tak umiejscowić w przestrzeni różne 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 należy rozumieć jako cenę, jaką za instalację zapłacić
będzie musiał zamawiający. Koszt ten składa się z wielu składowych. Należą
do nich koszty materiałowe, a zatem koszty membran, obudów
ciśnieniowych, pomp, przyrządów pomiarowych, układu sterowania,
orurowania. Do kosztów inwestycyjnych należy doliczyć koszt projektu
(pracy projektanta), robociznę przy budowie instalacji, koszt transportu, a
także zysk producenta. Istnieją różne gotowe algorytmy liczenia kosztów
inwestycyjnych, jak np. metoda współczynników Langa, lecz przynajmniej
przy pierwszych projektach należy sumiennie zsumować wszystkie
rzeczywiste składowe kosztów i na tej podstawie dokonać wyceny instalacji.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
25
7.
Dobór normaliów i przyrządów pomiarowych
Instalacja odwróconej osmozy oprócz omawianych już 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 należy rury, złączki, zwężki, zawory, uszczelki,
itp. Przy doborze normaliów najlepiej używać katalogu jednego producenta,
o ile to możliwe. Związane jest to z przyjmowaniem przez producentów
różnych norm, i tak dla przykładu rura o średnicy nominalnej 200 mm u
różnych producentów ma średnicę od 200 mm do 219 mm. Zakup rur i
złączek o jednakowej średnicy nominalnej, zaś różnej średnicy rzeczywistej
będzie przyczyną kłopotów przy montażu instalacji.
Na etapie projektowania należy również rozważyć, 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 należy połączenia gwintowane
(rura w rurę lub poprzez mufę) czy połączenia kołnierzowe. Wadą tych
połączeń jest ich niełatwy demontaż, a także mała tolerancja błędu
współosiowości. Do wygodniejszych i obecnie popularniejszych metod
należy zaliczyć połączenia typu „tri-clamp”, stosowane w przemyśle
spożywczym oraz posiadające dużą tolerancję na błąd współosiowości
połączenia „victualic”. Ostateczna decyzja odnośnie rodzaju połączeń należy
do projektanta.
Dobór materiału, z jakiego wykonane będą rury i ich połączenia w dużej
mierze zależy 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
_____________________________________________________________________________________________
26
filtracji niektórych cieczy niemożliwym. Wówczas należy rozważyć
zastosowanie kosztownych, ale trwałych i odpornych rur ze stali nierdzewnej.
Po wyborze materiału rur pozostaje kwestia doboru średnicy rur.
Wiadomym jest, że 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
wiążą się większe straty energetyczne w postaci ciepła wytworzonego na
skutek tarcia oraz efekty akustyczne w instalacji („szumienie”). W przypadku
dużych wartości przepływów objętościowych, gdy takie rozumowanie
prowadziłoby do konieczności stosowania rur o bardzo dużej średnicy,
dopuszcza się odstępstwa od tej zasady. Podobnie jak w wielu innych etapach
projektowania, tak i w tym dużo zależy od „wyczucia” konstrukcyjnego
projektanta.
Dobierając zawory należy 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. Także
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 należy dokonać dodatkowej analizy. Do obsługi zaworów
sterowanych automatycznie można użyć siłowników elektrycznych,
elektromagnetycznych lub pneumatycznych. Jeśli w zakładzie, gdzie ma
pracować instalacja znajduje się sieć sprężonego powietrza, dobrym
rozwiązaniem wydaje się zastosowanie siłowników pneumatycznych. W
przeciwnym wypadku należy rozważyć rodzaj siłownika.
Podobnie jest z przyrządami pomiarowymi – ich dobór zależy od
zastosowań i sposobu obsługi instalacji. W instalacjach odwróconej osmozy
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
27
znaleźć można takie przyrządy pomiarowe jak manometry, rotametry,
termometry, pH-metry, konduktometry i inne. W instalacji sterowanej
automatycznie należy zastosować przyrządy pomiarowe dające sygnał
pomiarowy w postaci prądu lub napięcia, co następnie może być łatwo
przetworzone przez sterownik. W przypadku instalacji obsługiwanej
manualnie wystarczające bywają analogowe przyrządy pomiarowe.
Dokonując wyboru przyrządów pomiarowych, analogowych bądź cyfrowych,
należy zwrócić uwagę na ich zakres pomiarowy, dokładność, a także warunki
pracy (temperatura, odczyn, itp.).
Należy mieć świadomość, że 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.
8.
Schemat instalacji
Schemat instalacji RO, jak każdy 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 może 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
_____________________________________________________________________________________________
28
Rys.6. Przykładowe oznaczenia na schematach instalacji RO.
Rys.7. Przykładowy schemat dwustopniowej instalacji RO.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
29
9.
Komputerowe wspomaganie projektowania
Wraz z rozwojem numerycznych metod rozwiązywania zagadnień
inżynierskich wzrasta liczba aplikacji komputerowych wspomagająca prace
projektowe. Istnieją także aplikacje służące pomocą przy projektowaniu
instalacji do odwróconej osmozy. Wymienić można na przykład takie
programy jak Carol, Rosa, ROdesign, WinFlows czy ROpro.
Są to programy bardzo pomocne w pracy inżyniera projektanta, ale
jednocześnie wymagają od użytkownika 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 niezauważone.
Koncepcja ogólna większości z tych programów jest podobna i powiela
schemat projektowania bez użycia komputera. Pierwszą czynnością, jaką
należy wykonać jest analiza strumienia cieczy oczyszczanej. W zależności od
aplikacji będą to okna dialogowe o nazwie „water type” lub „analysis”. W
tabelach znajdujących się w tych oknach należy określić skład jonowy
nadawy, jej temperaturę, odczyn, mętność i inne wskaźniki, jak na przykład
SDI. Zaletą takich programów jest dokonywanie automatycznych obliczeń
różnych wielkości, jak ciśnienie osmotyczne i przewodność, a także
dokonywanie bilansu jonowego. Program także może poprawić bilans
jonowy sugerując użytkownikowi poszczególne rozwiązania. Wówczas
należy 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
także stopień foulingu i przewidywany czas użytkowania.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
30
Z danych wprowadzonych wcześniej program proponuje wstępny projekt
instalacji. Dobiera (czasem konsultując z użytkownikiem) rodzaj
zastosowanych modułów i ich liczbę. Obecnie będące w użyciu programy nie
potrafią
same
podejmować
decyzji
odnośnie
rodzaju
połączeń
poszczególnych sekcji membran, a także o ilości stopni instalacji. Tu
wskazana jest interwencja w działanie programu projektanta mającego już
doświadczenie w projektowaniu instalacji RO.
Zaznaczyć należy, że wszystkie dostępne programy są aplikacjami
stworzonymi przez producentów membran i podczas doboru modułu
membranowego dokonują selekcji spośród oferty danego producenta. Uznać
to należy za istotną wadę tych programów, ale z marketingowego punktu
widzenia jest to całkowicie zrozumiałe.
Wstępnie zaproponowana przez program komputerowy instalacja
odwróconej osmozy może być przez użytkownika poprawiana i zmieniana na
różne sposoby. Na tym etapie wymagane jest duże doświadczenie projektowe,
które zdobywa się przy samodzielnym projektowaniu bez użycia
komputerów.
Coraz więcej z programów wspomagających projektowanie instalacji
odwróconej osmozy oferuje kalkulację kosztów, zarówno inwestycyjnych jak
i eksploatacyjnych.
Decydując się na projektowanie przy użyciu aplikacji komputerowych
należy mieć świadomość ograniczeń programu i braku jego uniwersalności.
Należy także odpowiedzieć sobie na pytanie czy własne umiejętności i
doświadczenie w projektowaniu instalacji RO jest wystarczające na
współpracę z programem.
Na koniec należy zaznaczyć, że często poprawne zaprojektowanie
instalacji do odwróconej osmozy jest dużo prostsze przy użyciu kartki i
ołówka niż aplikacji komputerowej.
W. Piątkiewicz, M. Szwast, Zasady projektowania instalacji odwróconej osmozy
_____________________________________________________________________________________________
31
10.
Literatura uzupełniająca
1. Praca zbiorowa pod red. A. Narębskiej,
Membrany i membranowe techniki
rozdziału, Toruń, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, 1997
2. R Rautenbach,
Procesy membranowe, Warszawa, WNT, 1996
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
06 pamięć proceduralna schematy, skrypty, ramyid 6150 ppt
geodezja satelitarna skrypt 2 ppt
Mój skrypt 2011
Mechanika Techniczna I Skrypt 2 4 Kinematyka
MNK skrypt
bo mój skrypt zajebiaszczy
praktyka skrypt mikrobiologia id 384986
Leki przeciwbakteryjne skrypt
Patrologia Ćwiczenia Skrypt
Mechanika Techniczna I Skrypt 4 2 4 Układ belkowy złożony
Biochemia skrypt AGH
Prawo publiczne gospodarcze, Skrypt 2015
jezyk C skrypt cz 1
kontrola skrypt
eb1 zadania ze skryptu
więcej podobnych podstron