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，鄭增建，單繼宏，張建中

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(wèn)題,針對(duì)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(guò)其對(duì)膜性能的作用進(jìn)行仿真分析與計(jì)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(jì)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(shí)，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(jí)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(guò)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(lái)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(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，大部分反滲透海水淡化裝置實(shí)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(duì)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(huì)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(chǎng)合、不同的給水條件下的工作情況皆不相同，針對(duì)給定的水質(zhì)參數(shù)，利用ROSA7.0膜設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，探討不同給水壓力和給水溫度對(duì)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(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(duì)膜元件的影響

反滲透是一種以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程.Kedem Katchalsky提出的膜傳遞模型被用于反滲透分離過(guò)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(guò)水的速率比鹽分快，有利于膜元件的脫鹽效率，但超過(guò)一定壓力值時(shí)將不再增加.

膜元件對(duì)給水溫度的變化非常敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，水分子的粘度會(huì)減小，鹽分透過(guò)膜的速率會(huì)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(jì)

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(jìn)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(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)條件的溫度為25 ℃，當(dāng)溫度升高時(shí)粘度減小，溫度降低時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)的膜通量J為0.862J0.

膜元件計(jì)算式為

(3)

式中：NE為理論膜元件數(shù)；Qp為設(shè)計(jì)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(jì)產(chǎn)水量，根據(jù)式(3)可以計(jì)算出本裝置所需膜元件數(shù)量為2.

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

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

2仿真計(jì)算

DOW(陶氏)ROSA7.0膜設(shè)計(jì)軟件能模擬膜元件的工作狀況，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)性比較分析，可以幫助得到系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.針對(duì)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(biāo)，產(chǎn)水含鹽量(TDS)≤500 mg/L為產(chǎn)水水質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，回收率期望為30%以上，對(duì)膜性能的影響規(guī)律進(jìn)行了仿真計(jì)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(duì)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(duì)膜元件的影響

圖2　給水壓力與產(chǎn)水量、能耗曲線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，產(chǎn)水量達(dá)到0.96 m3/h，

滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo).同時(shí)單位產(chǎn)水的能耗也會(huì)減小，所以在較高壓力下運(yùn)行有利于能耗的降低，但是不能超過(guò)反滲透膜元件的給水壓力最高值，否則會(huì)造成破壞.由圖3可以看出：給水壓力增大時(shí)回收率也會(huì)增大，當(dāng)給水壓力為4.0 MPa時(shí)，回收率達(dá)到28%.隨著給水壓力的增加，產(chǎn)水TDS一直減小，這是因?yàn)樵谳^高的給水壓力下，鹽離子相對(duì)更多地被反滲透膜截留.當(dāng)給水壓力達(dá)到2.5 MPa時(shí)，產(chǎn)水TDS為491.13 mg/L，滿(mǎn)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(jì)目標(biāo)時(shí)，實(shí)際操作過(guò)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(duì)元組件的影響

為研究在10～40 ℃給水溫度范圍內(nèi)對(duì)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(shí)能耗在下降，在30 ℃時(shí)，產(chǎn)水量達(dá)到0.91 m3/h.由圖5可知：給水溫度升高時(shí)，回收率增大，當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)達(dá)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(shí)，產(chǎn)水TDS達(dá)到472.89 mg/L，接近產(chǎn)水水質(zhì)要求的臨界值.所以對(duì)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可靠的，實(shí)際操作中給水溫度可以設(shè)定為30 ℃.

表4　不同給水溫度對(duì)元組件的影響

圖4　給水溫度與產(chǎn)水量、能耗曲線(xiàn)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(xiàn)Fig.5　Curves of recovery, water production TDS with feed temperature

3船用海水淡化裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1裝置的設(shè)計(jì)方案

船用反滲透海水淡化裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)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(zhǎng)使用壽命[9].應(yīng)根據(jù)水源的水質(zhì)條件和對(duì)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(shí)獲取的海水遠(yuǎn)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(jī)物、膠體和懸浮物顆粒，可以采取較為簡(jiǎn)單的過(guò)濾預(yù)處理.

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

本裝置除了過(guò)濾器、膜元件之外，還包括高壓泵、壓力表、流量計(jì)和閥門(mén)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(xiàn)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(yàn)與分析

在上述仿真計(jì)算及設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇具體設(shè)備，組建成的反滲透海水淡化裝置的試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示.為了驗(yàn)證裝置在進(jìn)行海水淡化的工作過(guò)程中實(shí)際的運(yùn)行情況，是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，在3.5～4.6 MPa的給水壓力范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并采集5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.試驗(yàn)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(jì)算所設(shè)定的給水參數(shù)數(shù)據(jù)條件一致.

圖7　試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7　The test platform

啟動(dòng)試驗(yàn)裝置后，待系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)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(jì)的示數(shù)，記錄試驗(yàn)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(duì)膜元件的影響

Table 5Influence of difference feed pressure on the membrane module

性能指標(biāo)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(xiàn)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(xiàn)Fig.9　Curves of recovery, water production TDS with feed pressure

由圖8可以看出：在實(shí)際操作中，當(dāng)給水壓力達(dá)到4 MPa以上時(shí)，產(chǎn)水量達(dá)到1 m3/h，滿(mǎn)足裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo).同時(shí)，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(yàn)過(guò)程中的產(chǎn)水水質(zhì)均符合水質(zhì)要求.試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置運(yùn)行規(guī)律與仿真結(jié)果基本一致.

根據(jù)溫度參數(shù)對(duì)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(guò)程的能耗支出會(huì)提高產(chǎn)水的成本.在后續(xù)研究過(guò)程中，將會(huì)結(jié)合船舶的余熱廢能，對(duì)本裝置進(jìn)行管路改造，利用船舶余熱為驅(qū)動(dòng)能源對(duì)給水進(jìn)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(guò)仿真計(jì)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(shí)，產(chǎn)水量達(dá)到0.96 m3/h，在考慮壓力不能超過(guò)膜元件允許的最高壓力的條件下，在實(shí)際操作中設(shè)置給水壓力為4.3 MPa時(shí)最具經(jīng)濟(jì)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(huì)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(guò)試驗(yàn)得到了裝置的性能曲線(xiàn)，在4 MPa的操作壓力下運(yùn)行時(shí)，可以滿(mǎn)足1 m3/h的設(shè)計(jì)目標(biāo)，且產(chǎn)水水質(zhì)較好，驗(yàn)證了仿真結(jié)論的可靠性.

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(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(xiàng)目：浙江省重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012C13SA190005)

作者簡(jiǎn)介：孫毅(1966—)，男，浙江慈溪人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榉垠w制造、水處理和海洋工程等特種裝備設(shè)計(jì)與智能控制，E-mail：sunyi@zjut.edu.cn.

中圖分類(lèi)號(hào)：TV734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)04-0359-05