Techniki membranowe

Opracowanie układu modułów membranowych w procesie jednostopniowej osmozy odwróconej

IChiP III

Anna Brożyna

1. Zakres projektu:

W projekcie określić należało:

- średnie stężenie permeatu

- wymaganą powierzchnię membran

- moc układu pompowego

- zużycie energii

1. Założenia projektowe:

Przepustowość układu m_n - 9 000 Mg / dobę = 104,2 kg /s

Stopień zatrzymania soli R - 95%

Stężenie początkowe soli w_n - 24 * 10³ppm = 2,4 %

Stopień wykorzystania instalacji -⌀=0,93

Wydajność układu = 0,5

t = 20 °C

b= 8 bar / %_mas

ΔP ≥ Π

Gęstość nadawy ρ_n = 1015 kg/m³

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

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

F_m = 28 m²/moduł

Część obliczeniowa

DANE	OBLICZENIA	WYNIK
Wn - 24 * 10^3ppm = 2,4 % R= 0,95	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 = (1−0,95) 2, 4 %	wwp = 0, 012%
b= 8 bar / %mas wF = 24 * 10^3ppm = 2,4 %	Ciśnienie osmotyczne Π Na wlocie do membrany Π = b (wpretentatu- wp perm) Π= 8* 2,4	Πw= 19,2 bar
	Stężenie soli w retentacie
WF = 24 * 10^3ppm = 2,4 % R= 0,95 φ =  0, 5	$$\frac{\text{Wr}}{\text{Wn}} = 1 + \ \varphi R/(1 - \varphi)$$ $$w_{R} = \left( 1 + \frac{\text{φR}}{1} - \varphi \right)*w_{F}$$ $w_{R} = \left( 1 + \frac{0,5*0,95}{1\ 0,5} \right)*2,4$%	wR = 4, 68%
Wn – 2,4 * 10^3ppm = 2,4 % Wr - = 4,68 % R= 0,95	Stężenie soli w permeacie Przy wylocie membrany $${R = 1 - \frac{w_{p}}{w_{r}}\backslash n}{w_{\text{wy\ p}} = \left( 1 - R \right)w_{r}}$$ wwy p = (1−0,95) 4, 68 %	wwy p = 0, 234%
b= 8 bar / %mas wr – 4,68 %	Ciśnienie osmotyczne Π Przy wylocie membrany Πwy = b (wpretentatu - wp perm) Πwy= 8* (4,68-0,234)	Πwy= 35,5 bar

Πwy= 35,5 bar Założenie 1. 10% naddatku ciśnienia, aby w każdym punkcie modułu ciśnienie osmotyczne było przekroczone. Założenie 2. Straty ciśnienia na instalacji wlotowej 3 bar	Potrzebne ciśnienie w układzie P = 1, 1 * Πwy = 1, 1 * 35, 5 bar P = 39, 05 bar Pcalkowite = 39, 05 + 3 bar Pcalkowite = 42, 05 bar	Pcalkowite = 42, 05 bar

Membrana FT 30 HR b= 8 bar/% A=2,15*10^-7m/(s* bar) mp=52,1 kg/s ρ = 998, 2 kg/m^3 Wn = 2,4 % Wr = 4,68 %	Wyznaczenie powierzchni membran Średnie ciśnienie $$\overset{\overline{}}{P} = \frac{P_{calkowite} + P_{}}{2} = \frac{42,05 + 39,05}{2} = 40,5\text{\ bar}$$ Średnie ciśnienie osmotyczne $${\Pi_{sr} = bw}_{sr} = b\frac{w_{r} - w_{n}}{ln\frac{w_{r}}{w_{\text{n\ }}}} = 8\frac{\text{bar}}{\%}*\frac{4,68\% - 2,4\%}{\ln\frac{4,68\%}{2,4\%}} = 27,31\text{\ bar}$$ Średnia napędowa różnica ciśnień $$\overset{\overline{}}{P} - \Pi_{sr} = 40,5 - 27,31 = 13,9\text{\ bar}$$ Powierzchnia membran $$F_{m} = \frac{m_{p}}{\rho*A*(P - \Pi_{sr})} = \frac{52,1\ kg/s}{998,2\ *2,15*10^{- 7}*13,9\ )}$$ Fm = 17465 m^2 Powierzchnia całkowita membran uwzględniająca Stopień wykorzystania instalacji F = Fm/ ⌀ = 17465 m^2 / 0,93 =18779 m^2	$$\overset{\overline{}}{P} - \Pi_{sr} = 13,9\text{\ bar}$$ Fm = 17465 m^2 F=18779 m^2

F=18779 m^2 Fm = 28 m^2/moduł	Wyznaczenie ilości potrzebnych modułów membranowych $n = \frac{F_{}}{F_{m}}$=$\frac{18779}{28}$ n=671 moduły	n=671 moduły
A=2,15*10^-7m/(s* bar) B= 2,92 * 10^-5 kg/(m^2*s) ρ = 998, 2 kg/m^3	Średnie stężenie po stronie nadawy Wśr n $= \frac{w_{r} - w_{n}}{ln\frac{w_{r}}{w_{\text{n\ }}}} = \frac{4,68\% - 2,4\%}{\ln\frac{4,68\%}{2,4\%}} = 3,41\%$ Średnie stężenie soli w permeacie $w_{sr\ p} = \frac{\text{B\ }w_{\text{sr\ n}}}{A\rho\ (\overset{\overline{}}{P} - \Pi_{sr)}}$= $\frac{2,92\ *\ 10^{- 5}*3,41\%}{2,15*10^{- 7}\ *\ 998,2*13,9}$=0,033%

wsr p= 0,033 % wR = 4, 68% wn = 2,4 %	Wyznaczenie strumieni masowych permeatu i retentatu (wykorzystując prawo zachowania masy) wsr p *mp+ wr *mr = wn­ * mn mp + mr = mn 0,033% mp + 4,68% mr = 2,4% * 104,2 kg/s $$\left\{ \begin{matrix} 0,033\% m_{p} + 4,68\%\ m_{r} = 2,455\ kg/s\ \\ m_{p} + m_{r} = 104,2\ kg/s \\ \end{matrix} \right.\ $$	mp=52,1 kg/s mr=52,1 kg/s

Zapotrzebowanie na moc pompy

$N_{\text{pompy}} = \frac{mP}{\rho\varphi_{\text{pompy}}}$= $\frac{52,1*\ 42,05*10^{5}}{1015*0,96}$= 224,8 kW

Pcalkowite = 42, 05 bar ρ n =1015 kg/m^3 mn =52,1 kg/s φpompy = 0, 96 φprzekladni = 0, 94		Zapotrzebowanie na moc silnika $$N_{\text{silnika}} = \frac{N_{p}}{\varphi_{przekladni}} = \frac{274,7\ }{0,94} = 239,1\text{\ kW}$$

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 1), (80 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 kW 3000 rpm.	315
Prędkość obrotowa /min	2980
Napięcie V	500V
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= 293 kW	Roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną $N_{elektr/rok} = N_{\text{silnika}}*24*365 = 293*24*\frac{365}{3600} = \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = 256\ 680\ kWh/rok$	Nelektr/rok = 256 680 kWh/rok

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

Nelektr/rok = 256 680 kWh/rok C= 0,75 zł/ kWh	Roczne koszty energii elektrycznej K = 256 680 * 0, 75 K= 1 925 010 zł/rok	K= 1 925 010 zł/rok

Wszystkie założenia projektowe

Założenie 1.

10% naddatku ciśnienia, aby w każdym punkcie modułu ciśnienie osmotyczne było przekroczone.

Założenie 2. Straty ciśnienia na instalacji wlotowej 3 bar

Membrana FT 30 HR

A=2,15*10^-7m/(s* bar)

http://www.technologia.gda.pl/dydaktyka/index/l/tchmemb_tch/pdf_z/cw3DemineralizacjaWody.pdf