孫　毅，鄭增建，單繼宏，張建中

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州，311122)

基于船用反滲透海水淡化裝置的壓力與溫度參數(shù)優(yōu)化

孫毅1，鄭增建1，單繼宏1，張建中2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州，311122)

摘要：為解決海上船舶的用水資源及其空間狹小與能源限制等問題,針對船用反滲透海水淡化處理裝置中的反滲透膜元件的壓力與溫度等影響因素，通過其對膜性能的作用進行仿真分析與計算，獲得了較優(yōu)的工作參數(shù)，并基于優(yōu)化結(jié)果，形成了一種新型船用反滲透海水淡化裝置設(shè)計方案.研究結(jié)果表明：當(dāng)給水壓力為4 MPa、給水溫度為30 ℃時，系統(tǒng)的產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)較為理想，且產(chǎn)水能耗較低.

關(guān)鍵詞：反滲透；海水淡化；給水壓力；給水溫度

目前海水淡化的主要方法有多級閃蒸、低溫多效蒸餾、反滲透和電滲析.其中反滲透海水淡化過程更適用于海水或苦咸水，且規(guī)模不限、大中小型均能適應(yīng)，作為一種節(jié)能的新型海水淡化方法，近年來發(fā)展迅速[1].有研究表明：給水溫度是確保反滲透海水淡化系統(tǒng)能夠在最佳條件下高效運行的一個重要參數(shù)，大部分反滲透海水淡化裝置實際應(yīng)用中，給水溫度都設(shè)定在30 ℃左右；給水壓力與給水流量的變化對海水淡化裝置的單位產(chǎn)水能耗具有影響，發(fā)現(xiàn)給水壓力增大會使得裝置的能耗下降，在4～5.7 MPa的操作壓力范圍內(nèi)裝置能耗從6.6 kWh/m3減小到6 kWh/m3[2-3].反滲透海水淡化系統(tǒng)在不同的應(yīng)用場合、不同的給水條件下的工作情況皆不相同，針對給定的水質(zhì)參數(shù)，利用ROSA7.0膜設(shè)計軟件分析其工作狀況，以產(chǎn)水量、能耗、回收率和含鹽量(TDS)為評價指標，探討不同給水壓力和給水溫度對反滲透膜元件的影響，獲得較佳的工作參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出船用反滲透海水淡化裝置的設(shè)計方案，并通過試驗驗證了設(shè)計方案的可行性.

1反滲透系統(tǒng)膜元件

1.1給水壓力與溫度對膜元件的影響

反滲透是一種以壓力差為推動力的膜分離過程.Kedem Katchalsky提出的膜傳遞模型被用于反滲透分離過程的研究，模型表述的膜通量與溶質(zhì)通量的關(guān)系[4]為

(1)

式中：Jv為膜通量；Js為溶質(zhì)流率；Lp為水力滲透系數(shù)；σ為反射系數(shù)；ω為溶質(zhì)滲透系數(shù)；(CS)m為膜前后溶液濃度平均值；Δp為跨膜壓差；Δπ為滲透壓差.

式(1)表明提高給水壓力有助于膜通量的增大，膜透過水的速率比鹽分快，有利于膜元件的脫鹽效率，但超過一定壓力值時將不再增加.

膜元件對給水溫度的變化非常敏感，當(dāng)溫度升高時，水分子的粘度會減小，鹽分透過膜的速率會加快，則水通量增大，膜元件的脫鹽率下降[4].

1.2膜元件的設(shè)計

膜元件是反滲透系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)依據(jù)原水狀況、產(chǎn)水要求和應(yīng)用條件進行選擇.反滲透膜元件的基本形式有板框式、管式、中空纖維式和卷式，其中卷式膜元件體積較小，且耗能低，污堵的可能性小，在工程上應(yīng)用較為普遍[5].如常見的DOW，HYDECANME，TORAY，GE等多種品牌[6].陶氏FILMTCE系列船用海水反滲透卷式膜元件是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，由多葉膜袋組成，其SW30XHR膜元件相關(guān)信息，如表1所示.

表1　SW30XHR膜元件信息

標準條件下的膜通量為19 L/(m2·h)，其與海水溫度有關(guān)，一般試驗條件的溫度為25 ℃，當(dāng)溫度升高時粘度減小，溫度降低時粘度增大[7].膜通量與溫度的關(guān)系式為

J=J0×1.03t-25

(2)

式中：t為水溫；J0為標準條件下的膜通量；J為t溫度下的海水膜通量.

根據(jù)式(2)可得在20 ℃時的膜通量J為0.862J0.

膜元件計算式為

(3)

式中：NE為理論膜元件數(shù)；Qp為設(shè)計產(chǎn)水量；J為溫度t下的海水的膜通量；SE為所選膜元件的有效面積.以1 m3/h為設(shè)計產(chǎn)水量，根據(jù)式(3)可以計算出本裝置所需膜元件數(shù)量為2.

小型反滲透裝置因為膜元件數(shù)量少，系統(tǒng)回收率普遍偏低，排水量較大，削弱了裝置運行的經(jīng)濟及環(huán)保效益[8].為提高回收率，可以采用一級二段式的膜元件排列方式，如圖1所示.

圖1　反滲透一級二段式流程Fig.1　Reverse osmosis for the one-stage two-pass process

2仿真計算

DOW(陶氏)ROSA7.0膜設(shè)計軟件能模擬膜元件的工作狀況，根據(jù)仿真計算結(jié)果進行經(jīng)濟、技術(shù)性比較分析，可以幫助得到系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案.針對反滲透膜元件工作中的給水壓力與給水溫度影響因素，以產(chǎn)水量1 m3/h為目標，產(chǎn)水含鹽量(TDS)≤500 mg/L為產(chǎn)水水質(zhì)的評價指標，回收率期望為30%以上，對膜性能的影響規(guī)律進行了仿真計算分析.以舟山六橫島東部地表海水的水質(zhì)情況作為給水水質(zhì)參數(shù)，如表2所示，海水含鹽量(TDS)為28 000～30 000 mg/L，濁度為70.10 NTU，pH值為7.22.

表2　給水水質(zhì)主要參數(shù)

2.1不同給水壓力對膜元件的影響

為了研究膜元件的最佳給水壓力值，分析在2～5 MPa給水壓力范圍內(nèi)系統(tǒng)的產(chǎn)水量、能耗、回收率和TDS.設(shè)定給水溫度為25 ℃，給水流量為3 m3/h，得到仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表3及圖2，3所示.

表3　不同給水壓力對膜元件的影響

圖2　給水壓力與產(chǎn)水量、能耗曲線Fig.2　Curves of water yield, energy consumption with feed pressure

圖3　給水壓力與回收率、產(chǎn)水TDS曲線Fig.3　Curves of recovery, water production TDS with feed pressure

由圖2可以看出：產(chǎn)水量隨給水壓力的增大而增大，當(dāng)給水壓力為4.3 MPa時，產(chǎn)水量達到0.96 m3/h，

滿足設(shè)計目標.同時單位產(chǎn)水的能耗也會減小，所以在較高壓力下運行有利于能耗的降低，但是不能超過反滲透膜元件的給水壓力最高值，否則會造成破壞.由圖3可以看出：給水壓力增大時回收率也會增大，當(dāng)給水壓力為4.0 MPa時，回收率達到28%.隨著給水壓力的增加，產(chǎn)水TDS一直減小，這是因為在較高的給水壓力下，鹽離子相對更多地被反滲透膜截留.當(dāng)給水壓力達到2.5 MPa時，產(chǎn)水TDS為491.13 mg/L，滿足產(chǎn)水水質(zhì)TDS≤500 mg/L的要求，即給水壓力不得小于2.5 MPa.在考慮膜元件的最大允許壓力和設(shè)計目標時，實際操作過程中，可以設(shè)定給水壓力為4.3 MPa左右.

2.2不同給水溫度對元組件的影響

為研究在10～40 ℃給水溫度范圍內(nèi)對元組件的產(chǎn)水量、能耗、回收率和TDS的影響，根據(jù)壓力參數(shù)的仿真結(jié)果，設(shè)定給水壓力為4 MPa，給水流量為3 m3/h，得到仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表4及圖4，5所示.

由圖4可以看出：隨著給水溫度的升高，產(chǎn)水量逐漸增大同時能耗在下降，在30 ℃時，產(chǎn)水量達到0.91 m3/h.由圖5可知：給水溫度升高時，回收率增大，當(dāng)溫度為30 ℃時達到30%，產(chǎn)水TDS也在增大，即產(chǎn)水水質(zhì)在下降，當(dāng)給水溫度為40 ℃時，產(chǎn)水TDS達到472.89 mg/L，接近產(chǎn)水水質(zhì)要求的臨界值.所以對產(chǎn)水水質(zhì)要求較高的前提下，在一定范圍內(nèi)升高給水溫度，對于整個系統(tǒng)是經(jīng)濟可靠的，實際操作中給水溫度可以設(shè)定為30 ℃.

表4　不同給水溫度對元組件的影響

圖4　給水溫度與產(chǎn)水量、能耗曲線Fig.4　Curves of water yield, energy consumption with feed temperature

圖5　給水溫度與回收率、產(chǎn)水TDS曲線Fig.5　Curves of recovery, water production TDS with feed temperature

3船用海水淡化裝置的設(shè)計與試驗

3.1裝置的設(shè)計方案

船用反滲透海水淡化裝置設(shè)計目標的產(chǎn)水量為1 m3/h，脫鹽率≥99%，產(chǎn)水含鹽量(TDS)≤500 mg/L.裝置主要分為四部分，即海水取水、預(yù)處理、反滲透海水淡化及后處理.

首先在預(yù)處理階段去除海水中的污染物，可以有效防止反滲透膜的堵塞和污染，延長使用壽命[9].應(yīng)根據(jù)水源的水質(zhì)條件和對產(chǎn)水水質(zhì)的要求，選擇合適的預(yù)處理方式.本裝置在使用時獲取的海水遠離近海岸，一般情況下水質(zhì)較穩(wěn)定，受污染小，海水中可能含有微生物、有機物、膠體和懸浮物顆粒，可以采取較為簡單的過濾預(yù)處理.

機械過濾器采用石英砂為過濾介質(zhì)，除去顆粒、懸浮物和膠體，處理結(jié)果達到SDI≤5[10].為防止未能完全除去的懸浮顆粒進入膜元件，需在機械過濾器后加增加濾芯式保安過濾器，其孔徑的最低要求為小于10 μm.

本裝置除了過濾器、膜元件之外，還包括高壓泵、壓力表、流量計和閥門等儀器儀表配套件.船用反滲透海水淡化裝置的整體工藝路線如圖6所示.

圖6　裝置工藝流程Fig.6　Process of the reverse osmosis desalination plant

3.2試驗與分析

在上述仿真計算及設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，通過選擇具體設(shè)備，組建成的反滲透海水淡化裝置的試驗平臺如圖7所示.為了驗證裝置在進行海水淡化的工作過程中實際的運行情況，是否能夠滿足設(shè)計目標，在3.5～4.6 MPa的給水壓力范圍內(nèi)進行了試驗研究，并采集5組試驗數(shù)據(jù)進行分析.試驗海水為舟山六橫島東部的地表海水，海水含鹽量(TDS)為29 570.09 mg/L，與仿真模擬計算所設(shè)定的給水參數(shù)數(shù)據(jù)條件一致.

圖7　試驗平臺Fig.7　The test platform

啟動試驗裝置后，待系統(tǒng)運行達到穩(wěn)定狀態(tài)后，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，逐漸提高系統(tǒng)的操作壓力，并觀察壓力表和流量計的示數(shù)，記錄試驗數(shù)據(jù)，整理后如表5及圖8，9所示.

表5不同給水壓力對膜元件的影響

Table 5Influence of difference feed pressure on the membrane module

性能指標給水壓力/MPa3.03.44.04.34.6產(chǎn)水流量/(m3·h-1)0.540.781.081.201.38能耗/(kWh·m-3)5.895.244.954.784.80回收率/%20.0026.5333.9638.4641.82產(chǎn)水TDS/(mg·L-1)291.11234.52201.71188.41169.90

圖8　給水壓力與產(chǎn)水量、能耗曲線Fig.8　Curves of water yield, energy consumption with feed pressure

圖9　給水壓力與回收率、產(chǎn)水TDS曲線Fig.9　Curves of recovery, water production TDS with feed pressure

由圖8可以看出：在實際操作中，當(dāng)給水壓力達到4 MPa以上時，產(chǎn)水量達到1 m3/h，滿足裝置的設(shè)計目標.同時，單位產(chǎn)水能耗隨壓力的增大而減小.由圖9可以看出：4 MPa以上的給水壓力，系統(tǒng)回收率均在30%以上.產(chǎn)水TDS隨著給水壓力的增大而減小，且在試驗過程中的產(chǎn)水水質(zhì)均符合水質(zhì)要求.試驗結(jié)果表明，裝置運行規(guī)律與仿真結(jié)果基本一致.

根據(jù)溫度參數(shù)對膜元件的性能影響的仿真結(jié)果可知，在一定范圍內(nèi)升高給水溫度，有利于提高裝置的產(chǎn)水量并降低能耗，但是加熱過程的能耗支出會提高產(chǎn)水的成本.在后續(xù)研究過程中，將會結(jié)合船舶的余熱廢能，對本裝置進行管路改造，利用船舶余熱為驅(qū)動能源對給水進行預(yù)熱.

4結(jié)論

利用ROSA反滲透軟件探究了反滲透系統(tǒng)與給水壓力、給水溫度的變化規(guī)律，通過仿真計算結(jié)果表明：給水壓力越大，系統(tǒng)產(chǎn)水量越高，產(chǎn)水TDS、單位產(chǎn)水能耗越低，當(dāng)給水壓力為4.3 MPa時，產(chǎn)水量達到0.96 m3/h，在考慮壓力不能超過膜元件允許的最高壓力的條件下，在實際操作中設(shè)置給水壓力為4.3 MPa時最具經(jīng)濟性；給水溫度越高，系統(tǒng)產(chǎn)水量越高，但是產(chǎn)水水質(zhì)會下降，所以可以適當(dāng)?shù)貙⒔o水溫度提升至30 ℃以提高產(chǎn)水效率.通過試驗得到了裝置的性能曲線，在4 MPa的操作壓力下運行時，可以滿足1 m3/h的設(shè)計目標，且產(chǎn)水水質(zhì)較好，驗證了仿真結(jié)論的可靠性.

參考文獻：

[1]高從堦.海水淡化及海水與苦咸水利用[M].北京：高等教育出版社,2007.

[2]FRANCIS M J, PASHLEY R M. The effects of feed water temperature and dissolved gases on permeate flow rate and permeate conductivity in a pilot scale reverse osmosis desalination unit[J]. Desalination and water treatment,2011,36(1/2/3):363-373.

[3]DIMITRIOU E, MOHAMED E S, KARAVAS C, et al. Experimental comparison of the performance of two reverse osmosis desalination units equipped with different energy recovery devices[J]. Desalination and water treatment,2015,55(11):3019-3026.

[4]于夢婕.操作因素對反滲透膜分離性能的影響及模型參數(shù)分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[5]劉銀.風(fēng)光互補反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究[D].上海：上海海洋大學(xué)，2014.

[6]侯立安，張雅琴.海水淡化反滲透膜組件系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J].水處理技術(shù)，2015(10)：21-25.

[7]李哲,張霞云,陳原偉.船用集成膜海水淡化裝置的設(shè)計[J].過濾與分離，2014(3)：25-30.

[8]沈鋼,由世俊,王文杰.超濾、反滲透排水梯級回收再生利用實踐[J].中國給水排水，2012(16)：99-102.

[9]BAKR A A, MAKLED W A. New pretreatment media filtration for SWRO membranes of desalination plants[J]. Desalination and water treatment,2015,55(3):718-730.

[10]PLANTIER S, CASTAING J B, SABIRI N E, et al. Performance of a sand filter in removal of algal bloom for SWRO pre-treatment[J]. Desalination and water treatment,2013,51(7/8/9):1838-1846.

(責(zé)任編輯：陳石平)

Parameters optimization of pressure and temperature based on the marine reverse osmosis desalination device

SUN Yi1, ZHENG Zengjian1, SHAN Jihong1, ZHANG Jianzhong2

(1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Powerchina Huangdong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

Abstract:When ship sails on the ocean for different tasks, there are some problems such as scarcity of freshwater resources, limited space and energy restriction. For the marine reverse osmosis desalination device, this paper presents a simulation analysis and calculation on the change characteristics of system with different feed pressure and temperature. Performance parameters are calculated using the ROSA7.0 simulation software. Based on these results, a new marine reverse osmosis desalination device is designed. The experimental results show that the designed system has ideal water production and quality with low energy consumption when the feed pressure is 4 MPa and temperature is at 30 ℃.

Keywords:reverse osmosis (RO); seawater desalination; feedpressure; feed temperature

收稿日期：2015-12-25

基金項目：浙江省重大專項資助項目(2012C13SA190005)

作者簡介：孫毅(1966—)，男，浙江慈溪人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為粉體制造、水處理和海洋工程等特種裝備設(shè)計與智能控制，E-mail：sunyi@zjut.edu.cn.

中圖分類號：TV734

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)04-0359-05