Techniki membranowe

Opracowanie układu modułów membranowych w procesie jednostopniowej osmozy odwróconej

IChiP III

Kamil Adamaszek

Część teoretyczna

1. Wprowadzenie

Przedmiotem projektu jest instalacja do odsalania wody morskiej z wykorzystaniem technik membranowych, a dokładniej osmozy odwróconej (RO).

1. Zakres projektu:

W projekcie określić należało:

- średnie stężenie permeatu

- wymaganą powierzchnię membran

- moc układu pompowego

- zużycie energii

1. Założenia projektowe:

Przed dostarczeniem wody do instalacji RO, woda powinna zostać oczyszczona i pozbawiona zanieczyszczeń rozpuszczalnikami, wolnego chloru (poniżej 1mg/l) i bakterii, gdyż zastosowana membrana jest podatna na niszczące działanie tych czynników. Zanieczyszczenia koloidalne powodują zapychanie się membran tzw. Fouling. Należy także kontrolować pH, które powinno być w zakresie 3-7

Przepustowość układu m_n - 6 000 Mg / dobę = 69,5 kg /s

Stopień zatrzymania soli R - 98%

Stężenie początkowe soli w_n - 19 * 10³ ppm = 1,9 %

Stopień wykorzystania instalacji -⌀=0,94

Wydajność układu – φ=0,54

t = 20 °C b= 8 bar / %_mas

ΔP ≥ Π

Gęstość nadawy ρ_n = 1012 kg/m³

Założono moduł membranowy
z Membraną FT 30 HR (octan celulozy)

A=2,15*10^-7 m/(s* bar) B= 2,92 * 10^-5 kg/(m²*s)

F_m = 27,3 m²/moduł

10% naddatku ciśnienia, aby w każdym punkcie modułu ciśnienie osmotyczne było przekroczone, by nie dopuścić do sytuacji ΔP ≤ Π co zatrzymało by proces osmozy odwrócone i spowodowało osmozę naturalną..

Straty ciśnienia na instalacji wlotowej 3 bar

Obliczenia wykonano na podstawie notatek z zajęć oraz książki
R. Rautenbach - Procesy membranowe. Podstawy projektowania modułów i instalacji.

Część obliczeniowa

DANE	OBLICZENIA	WYNIK
Wn - 19 * 10^3 ppm = 1,9 % R= 0,98	Stężenie soli w permeacie Przy wlocie $${R = 1 - \frac{w_{p}}{w_{n}}\ \backslash n}{w_{\text{wp}} = \left( 1 - R \right)c_{n}}$$ wwp = (1−0,98) 1, 9 %	wwp = 0, 038%
b= 8 bar / %mas wn - 19 * 10^3 ppm = 1,9 %	Ciśnienie osmotyczne Π Na wlocie do membrany Π = b (w retentatu - wp perm) Π= 8* 1,9	Πw= 7,2 bar
	Stężenie soli w retentacie
Wn - 19 * 10^3 ppm = 1,9 % R= 0,98 φ =  0, 54	$$\frac{\text{Wr}}{\text{Wn}} = 1 + \ \varphi R/(1 - \varphi)$$ $$w_{R} = \left( 1 + \frac{\text{φR}}{1} - \varphi \right)*w_{n}$$ $w_{R} = \left( 1 + \frac{0,54*0,98}{1\ 0,54} \right)*1,9$%	wR = 4, 1%
Wn - 19 * 10^3 ppm = 1,9 % Wr - = 4,1 % R= 0,98	Stężenie soli w permeacie Przy wylocie z membrany $${R = 1 - \frac{w_{p}}{w_{r}}\ \backslash n}{w_{\text{wy\ p}} = \left( 1 - R \right)w_{r}}$$ wwy p = (1−0,98) 4, 1 %	wwy p = 0, 082%
b= 8 bar / %mas wr – 4,1 %	Ciśnienie osmotyczne Π Przy wylocie membrany Πwy = b (wp retentatu - wp perm) Πwy= 8* (4,1-0,082)	Πwy= 32,2 bar

Πwy= 32,2 bar

Potrzebne nadciśnienie w układzie P = 1, 1 * Πwy = 1, 1 * 32, 2 bar P = 35, 4 bar Pcalkowite = 35, 4 + 3 bar Pcalkowite = 38, 4 bar

Pcalkowite = 38, 4 bar

Membrana FT 30 HR b= 8 bar/% A=2,15*10^-7 m/(s* bar) mp= 37,82 kg/s ρ = 998, 2 kg/m^3 Wn = 1,9 % Wr = 4,1 %

Wyznaczenie powierzchni membran Średnie ciśnienie po stronie nadawy $$\overset{\overline{}}{P} = \frac{P_{calkowite} - P_{}}{2} = \frac{38,4\ bar + 35,4}{2} = 36,9\ bar$$ Średnie ciśnienie osmotyczne $${\Pi_{sr} = bw}_{sr} = b\frac{w_{r} - w_{n}}{\ ln\ \frac{w_{r}}{w_{\text{n\ }}}} = 8\frac{\text{bar}}{\%}*\frac{4,1\% - 1,9\%}{\ln\frac{4,1\%}{1,9\%}} = 22,88\ bar$$ Średnia napędowa różnica ciśnień $$\overset{\overline{}}{P} - \Pi_{sr} = 36,9 - 22,88 = 14,2\ bar$$ Powierzchnia membran $$F_{\text{me}} = \frac{m_{p}}{\rho*A*(P - \Pi_{sr})} = \frac{\ 37,82\ kg/s}{998,2\ *2,15*10^{- 7}*14,2\ )}$$ Fme = 12 410 m^2 Powierzchnia całkowita membran uwzględniająca Stopień wykorzystania instalacji F = Fme/ ⌀= 12 410 m^2 / 0,94 =13203 m^2

$$\overset{\overline{}}{P} - \Pi_{sr} = 14,2\ bar$$ Fm = 12 410 m^2 F=13203 m^2

F=13203 m^2 Fm = 27,3 m^2/moduł	Wyznaczenie ilości potrzebnych modułów membranowych $n = \frac{F_{}}{F_{m}}$=$\frac{13203}{27,3}$ n=484 moduły	n=484 moduły
A=2,15*10^-7 m/(s* bar) B= 2,92 * 10^-5 kg/(m^2*s) ρ = 998, 2 kg/m^3	Średnie stężenie po stronie nadawy Wśr n $= \frac{w_{r} - w_{n}}{\ ln\ \frac{w_{r}}{w_{\text{n\ }}}} = 8\frac{\text{bar}}{\%}*\frac{4,1\% - 1,9\%}{\ln\frac{4,1\%}{1,9\%}} = 2,86\%$ Średnie stężenie soli w permeacie $w_{sr\ p} = \frac{\text{B\ }w_{\text{sr\ n}}}{A\rho\ (\overset{\overline{}}{P} - \Pi_{sr)}}$= $\frac{= \ 2,92\ *\ 10^{- 5}*2,86\%}{2,15*10^{- 7}\ *\ 998,2*14,2}$=0,027%

wsr p= 0,027 % wR = 4, 1% wn = 1,9 %

Wyznaczenie strumieni masowych permeatu i retentatu (wykorzystując prawo zachowania masy) wsr p *mp + wr *mr = wn­ * mn mp + mr = mn 0,027% mp + 4,1% mr = 1,9% * 69,5 kg/s $$\left\{ \begin{matrix} 0,027\% m_{p} + 4,1\%\ m_{r} = 1,3205\ kg/s\ \\ m_{p} + m_{r} = 69,5kg/s \\ \end{matrix} \right.\ $$

mp= 37,54 kg/s mr= 31,96 kg/s

Zapotrzebowanie na moc pompy

$N_{\text{pompy}} = \frac{m_{n}P}{\rho_{n}\varphi_{\text{pompy}}} - \frac{m_{r}P_{r}\varphi_{\text{turbiny}}}{\rho_{\text{r\ }}}$= $\frac{69,5*\ 38,4*10^{5}}{1012*0,92} - \frac{31,96*35,4*10^{5}*0,7}{1026,8}$= = 274,7- 77,2= 193,5 kW

Pcalkowite = 38, 4 bar ρ n =1012 kg/m^3 mn =69,5 kg/s φpompy = 0, 92 φprzekladni = 0, 94 ρ r= 1026,8 φturbiny = 0, 7 mr= 31,96 kg/s wr =4,1% Pr= 35,4 bar

Zapotrzebowanie na moc silnika $$N_{\text{silnika}} = \frac{N_{p}}{\varphi_{przekladni}} = \frac{193,5\ }{0,94}$$ Nsilnika = 205, 4 kW Nsilnika= 205,4 kW

Dobór pompy

Dobrano pompę wielostopniową wysokociśnieniową o konstrukcji członowej MTC A 32 / 8E -- 2.1 12.65 (SP)

Dane robocze

Wielkości DN 32 do 150

Wydajność Q do 850 m3/h, 236 l/s

Wysokość podnoszenia H do 630 m,

Temperatura robocza t -10 °C do +200 °C

Ciśnienie robocze p2 do 63 bar

Charakterystyka pracy pompy

Odczytana wydajność pompy dla warunków pracy pompy 300m³/h

Dobór silnika dla układu pompowego

typ silnika TAMEL	4Sg 355M-2A-IE2
Typ Brook Crompton	WU-DF355MJ IE2
Moc 3000 rpm.	250 kW
Prędkość obrotowa /min	2980
Napięcie V	400V
Liczba biegunów	2
Rozłącznik (wyłącznik)	0-1 lub 0-Y-Δ
Masa kg	2200
Średnica osi mm	75
Klasa izolacji	F
Stopień ochrony	IP55

$V_{p} = \frac{300m^{3}}{h}$ = 0,083 $\frac{m^{3}}{s}$ mn =69,5 kg/s ρ n =1012 kg/m^3

Ilość potrzebnych pomp n pomp = $\frac{m_{n}}{\rho_{n}*V_{p}} = \frac{69,5}{1012*0,083}\sim 1$

n pomp=1

Nsilnika= 205,4 kW kW

Roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną $\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }N_{elektr/rok} = N_{\text{silnika}}*24*365 = 293*24*\frac{365}{3600} = \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = 256\ 680\ kWh/rok$

Nelektr/rok = 1 798 595 kWh/rok

Nelektr/rok = 1 798 595 kWh/rok C= 0,75 zł/ kWh

Roczne koszty energii elektrycznej K = 1 798 595 * 0, 75 K= 1 348 946 zł/rok

K= 1 348 946 zł/rok

Schemat poboru i przygotowania wody do instalacji osmozy odwróconej

Schemat układu membranowego oraz punktów kontroli i automatyki

Wykaz oznaczeń na schemacie

P- pomiar ciśnienia

F- pomiar strumienia objętości

Q- pomiar stężenia
C- sterowanie automatyczne

A- Sygnalizacja przekroczonej wartości, H (górnej) L (dolnej)

Wykaz oznaczeń

R – retencja

w – stężenie

m – strumień masy

Π – ciśnienie osmotyczne

φ- Wydajność układu

P_calkowite = Cisnienie nadawy

$$\overset{\overline{}}{P} - srednie\ cisnienie\ po\ stronie\ nadawy$$

⌀ − stopien wykorzystania instalacji

F_me = powierzchnia modulow membranowych dla ⌀=1

F_m = powierzchnia 1 modulu

F − powierzchnia modulow membranowych dla ⌀=0, 94

ρ − gestosc

φ − sprawnosc

N – zapotrzebowanie na moc

K- koszt energii

C- koszt 1 kWh= 3 600 J energii elektrycznej

Indeksy

_p – permeat

_n–nadawa

_r–retentat

_wy – od strony retentatu

w – od strony permeatu

Wydajność pompy jest regulowana za pomocą falownika.

Dobór przyrządów pomiarowych

Do pomiaru ciśnienia

MANOMETR CYFROWY ECO 1Zakres – 0 - 50 bar

Rozdzielczość 100 mbar

Dokładność 1% zakr. Max

Do pomiaru zdalnego

Manometr ogólnego stosowania
typ M160R model 111.20.160 klasa 1,6 
Zakres:  0-60BAR
Tarcza 160mm
Szyba: szkło

Oprawa: stal malowana

Do pomiaru lokalnego

Przepływomierze

PRZEPŁYWOMIERZ ELEKTROMAGNETYCZNY FLOMAT MX

Zakresy pomiarowe:	2300 l/h ... 110000 m3/h
Ciśnienie robocze:	PN16
Dokładność:	±3,5%
Temperatura cieczy:	-20°C ... 120°C
Temperatura otoczenia:	-20°C ... 60°C
Metoda pomiarowa:	Elektromagnetyczna
Przyłącza:	TF Tecfluid standard flange 2 ¼” BSP-F DN40 PN16 EN 1092-1
Średnice:	DN 40 ... DN 2000
Wyświetlacz:	Ciekłokrystaliczny
Materiały obudowy:	Aluminium Poliwęglan
Materiały złączy:	EN 1.4404 (AISI 316L)
Producent:	Tecfluid

Pomiar zdalny

Pomiar stężenia soli

Miernik przewodności Greisinger GLF 100RW

• Zakres pomiarowy, specyficzny opór: 0,01 - 20,00 M

Zakres pomiarowy temp.	od -5 do +100 °C
Waga netto	155 g
Zakres pomiarowy konduktywności	0.000 - 100.0 ?S/cm
Wysokość netto	30 mm
Dokładność	±(1% + 1 jednostka)

W projekcie określono

- średnie stężenie permeatu, które wyniosło 0,027% = 270 ppm

- wymaganą powierzchnię membran, która wyniosła F=13 203 m²

- moc układu pompowego = 250 kW

- zużycie energii N_elektr/rok = 1 798, 6 MWh/rok

- roczny koszt energii elektrycznej 1 349 000 zł/rok