淺談汽車涂裝雙級反滲透純水系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

吳明鋒，張富家，潘辰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230000）

淺談汽車涂裝雙級反滲透純水系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

吳明鋒，張富家，潘辰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230000）

純水系統(tǒng)是汽車涂裝生產(chǎn)線的重要系統(tǒng)之一，主要作用是為前處理電泳系統(tǒng)、輸調(diào)漆系統(tǒng)、空調(diào)噴淋加濕系統(tǒng)以及化驗(yàn)室等區(qū)域提供合格的純水。文章對汽車涂裝線的雙級反滲透純水系統(tǒng)的工作原理、工藝流程、工藝參數(shù)、設(shè)備規(guī)格計算以及常見問題進(jìn)行介紹。

汽車涂裝；純水系統(tǒng)；雙級反滲透

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-52-04

引言

在汽車涂裝生產(chǎn)線生產(chǎn)中，純水主要應(yīng)用在前處理電泳系統(tǒng)、輸調(diào)漆系統(tǒng)、空調(diào)噴淋加濕系統(tǒng)以及化驗(yàn)室等區(qū)域。為了減少水中所帶雜質(zhì)對汽車車身表面涂裝質(zhì)量的影響，對原水的電導(dǎo)率、PH值、含鹽量、懸浮物、濁度等參數(shù)有嚴(yán)格的要求。結(jié)合汽車涂裝對純水系統(tǒng)的要求，本文結(jié)合汽車車身涂裝過程中對純水的要求，對汽車涂裝線使用的雙級反滲透純水系統(tǒng)的工作原理、工藝流程、工藝參數(shù)、設(shè)備設(shè)計計算方法以及設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)常見問題進(jìn)行介紹。

1 雙級反滲透純水系統(tǒng)工藝流程

圖1 雙級反滲透純水系統(tǒng)工作原理圖

按照純水的反滲透模組級別分類，純水系統(tǒng)主要包含單級反滲透純水系統(tǒng)、雙級反滲透純水系統(tǒng)、三級反滲透純水系統(tǒng)等。在汽車涂裝生產(chǎn)線領(lǐng)域，主要應(yīng)用的是雙級反滲透純水系統(tǒng)，其主要由預(yù)處理系統(tǒng)、雙級反滲透模組系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成，雙級反滲透純水系統(tǒng)簡單工作流程如圖1。

2 雙級反滲透純水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

純水系統(tǒng)設(shè)備主要由水箱、水泵、多介質(zhì)過濾器系統(tǒng)、雙級反滲透模組系統(tǒng)、板式換熱器、反滲透高壓泵、藥劑添加系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、過濾器、紫外線殺菌器、電控系統(tǒng)以及閥組、管路等組成。

多介質(zhì)過濾器系統(tǒng)包含沙濾過濾器和活性碳過濾器，其作用是初步降低水中的有機(jī)污染物、大部分膠體、懸浮物、濁度及SDI等污染成分，對原水進(jìn)行首次過濾。

雙級反滲透模組系統(tǒng)包含一級反滲透脫鹽模組和二級反滲透脫鹽模組，其主要作用去除水中各種溶解固形物、膠體硅及有機(jī)物。

由于冬季原水的溫度較低，影響純水系統(tǒng)的產(chǎn)水率，板式換熱器可以保證冬天供水溫度能達(dá)到15—20℃之間，以保障反滲透系統(tǒng)不因?yàn)樘鞖夂退疁氐淖兓巩a(chǎn)水量下降。

藥劑添加系統(tǒng)設(shè)三套加藥裝置：第一套在多介質(zhì)過濾器前投加高絮凝劑以加速水中雜質(zhì)的凝聚以便多介質(zhì)過濾器的有效截留；第二套在精密過濾器前投加液態(tài)阻垢劑能分散鐵、鋁等膠體，提高飽和臨界值，減輕膠體污染，防止膜面結(jié)垢，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；第三套在二級反滲透前，加堿對純水進(jìn)行最終PH的調(diào)節(jié)。

清洗系統(tǒng)包括清洗箱和清洗泵，與雙級反滲透模組系統(tǒng)直接連接，可隨時進(jìn)行反滲透膜元件的清洗工作。清洗系統(tǒng)的作用是為反滲透裝置提供就地的化學(xué)清洗。清除反滲透膜中的污染物，以恢復(fù)膜的原有使用特性。

多介質(zhì)過濾器包含保安過濾器、終端過濾器。保安過濾器的作用是防止較大顆粒進(jìn)入反滲透裝置，確保水質(zhì)達(dá)到反滲透膜的進(jìn)水指標(biāo)SDI15≤4，以免破壞膜組件。終端過濾器的作用是對產(chǎn)生的二級純水進(jìn)行最后一道的除菌作用，保證二級純水細(xì)菌數(shù)量≤3個/L。

3 雙級反滲透純水系統(tǒng)產(chǎn)水指標(biāo)要求

為了減少純水對汽車車身表面涂裝質(zhì)量的影響，需要對純水的電導(dǎo)率、PH值、脫鹽率、懸浮物、濁度、含鹽量等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，特別是電導(dǎo)率、脫鹽率、PH值、剩余不容物、細(xì)菌水等參數(shù)方面進(jìn)行檢測。純水系統(tǒng)產(chǎn)生的純水分為一級純水和二級純水，通過一級反滲透脫鹽裝置產(chǎn)生的一級純水參數(shù)指標(biāo)需要滿足以下要求：

◇ 電導(dǎo)率＜15μs/cm；

◇ 脫鹽率＞97% ；

◇ 通過二級反滲透脫鹽裝置后，產(chǎn)生的二級純水參水指標(biāo)需要滿足以下要求：

◇ 電導(dǎo)率＜5μs/cm；

◇ PH值：6.0-7.0；

◇ 脫鹽率＞99%；

◇ 硅含量＜0.5mg/L；

◇ 剩余不溶物＜4.5mg/L；

◇ 細(xì)菌數(shù) ＜3個/L。

4 雙級反滲透純水系統(tǒng)設(shè)備及電控選型要求

4.1 原水箱

原水箱的作用是儲存原水，為后續(xù)設(shè)備提供穩(wěn)定的水源。純水系統(tǒng)設(shè)置原水箱為一般不銹鋼或者PVC材質(zhì)，一臺，容積根據(jù)需求而定，一般原水箱的存水體積滿足涂裝生產(chǎn)線 2個小時純水制水需求。水箱中設(shè)有高低液位開關(guān)和進(jìn)水自動慢開閉閥門，以保證供水的穩(wěn)定，水箱中設(shè)有遠(yuǎn)傳液位計，可傳送液位信號到主控制柜上，在觸摸屏上顯示液位,并能產(chǎn)生高低液位報警信號。設(shè)上、中、下三段液位開關(guān)控制，高位進(jìn)水電動閥門自動關(guān)閉，中位進(jìn)水電動閥門自動開啟，以保證供水的穩(wěn)定，低位原水泵停，保護(hù)水泵，保證有水運(yùn)行。

4.2 原水泵

原水泵，我公司通常采用進(jìn)口或者國內(nèi)知名品牌泵業(yè)生產(chǎn)的不銹鋼單機(jī)械離心泵。一般設(shè)計2臺并聯(lián)，正常運(yùn)行時一臺運(yùn)行，反洗工藝時二臺同時運(yùn)行，加強(qiáng)反洗強(qiáng)度，提供預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行的動力。原水泵參數(shù)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線需求而定。

4.3 全自動多介質(zhì)過濾器

通常采用不銹鋼立式過濾器，配套反洗監(jiān)視鏡、人工取樣閥、排氣電磁閥、自動氣動蝶閥組。通過PLC控制定時反清洗和正洗、運(yùn)行等。內(nèi)部管道的設(shè)計保證使通過整個多介質(zhì)過濾器的流量的收集和分配均勻，避免在局部產(chǎn)生過高的流速和偏流。濾料選用優(yōu)質(zhì)石英砂，材料要求堅硬抗機(jī)械損傷且可反復(fù)清洗使用。

4.4 全自動活性炭過濾器

活性炭過濾器主要用于吸附水中部分有機(jī)物和水中余氯。一般采用不銹鋼立式過濾器，配套反洗監(jiān)視鏡、人工取樣閥、排氣電磁閥、自動氣動蝶閥組。通過PLC控制定時反清洗和正洗、運(yùn)行等。內(nèi)部管道的設(shè)計要求保證使通過整個活性炭過濾器的流量的收集和分配均勻，避免在局部產(chǎn)生過高的流速和偏流。濾料選用優(yōu)質(zhì)果殼凈水碳。

多介質(zhì)過濾器和活性炭過濾器共用一臺反洗泵進(jìn)行清洗，清洗使用的水來自于原水箱，反洗泵參數(shù)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線需求而定。

4.5 加藥系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)三套加藥裝置：一套在砂濾前投加高絮凝劑以加速水中雜質(zhì)的凝聚以便多介質(zhì)過濾器的有效截留；一套在精密過濾器前投加液態(tài)阻垢劑能分散鐵、鋁等膠體，提高飽和臨界值，減輕膠體污染，防止膜面結(jié)垢，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；一套在二級反滲透前，加堿進(jìn)行PH的調(diào)節(jié)。

我公司通常采用美國米頓羅隔膜計量泵，與RO連鎖加藥。

4.6 板式換熱器

純水系統(tǒng)需要設(shè)計一套不銹鋼板式換熱器，保證冬天供水溫度能達(dá)到15℃以上，20℃左右，以保障反滲透系統(tǒng)不因?yàn)樘鞖夂退疁氐淖兓巩a(chǎn)水量下降。熱水進(jìn)口設(shè)置電磁閥，換熱器出口要求設(shè)置溫控儀，超過設(shè)定溫度電磁閥自動關(guān)閉，低于設(shè)定溫度熱水電磁閥可自動開啟，保證供水溫度的穩(wěn)定。

4.7 保安過濾器

該過濾器的作用是防止較大顆粒進(jìn)入反滲透裝置，確保水質(zhì)達(dá)到反滲透膜的進(jìn)水指標(biāo)SDI15≤4，以免破壞膜組件。精密過濾器包括進(jìn)出口閥門，排水閥，排氣閥，儀表取樣接口等。

我公司保安過濾器濾芯通常選用美國進(jìn)口5μm精度的聚丙烯噴濾芯，濾芯為 40寸，當(dāng)過濾器進(jìn)出口壓差大于過0.05MPa時，將更換濾芯。

4.8 反滲透脫鹽系統(tǒng)

純水系統(tǒng)的核心組件，經(jīng)預(yù)處理后的水進(jìn)入兩級反滲透脫鹽系統(tǒng)進(jìn)行脫鹽，去除水體中的溶解離子及小分子有機(jī)物。主機(jī)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定。此套系統(tǒng)采用雙級控制，從而更加有效地保證脫鹽率和提高回收率。

反滲透的動力水源由高壓泵提供，高壓泵我公司選用丹麥進(jìn)口的立式多級離心泵，高壓泵的進(jìn)出口設(shè)有高、低壓保護(hù)開關(guān)，直接與高壓泵聯(lián)鎖，保護(hù)高壓泵的穩(wěn)定運(yùn)行。反滲透膜元件采用原裝進(jìn)口復(fù)合膜，保證運(yùn)行的穩(wěn)定。高壓泵設(shè)軟啟動。一級高壓泵參數(shù)和二級高壓泵參數(shù)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線需求而定。

4.9 反滲透主機(jī)儀表

通常包含以下儀表種類——

◇ 流量計：反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)品水和濃水設(shè)有流量計，可監(jiān)測瞬時流量；

◇ 在線流量計：我公司通常采用GF-SIGNET等品牌；

◇ 電導(dǎo)率儀：我公司通常采用SUNTEX等公司遠(yuǎn)傳電導(dǎo)檢測儀表。原水和產(chǎn)品水側(cè)分別設(shè)有電導(dǎo)率儀，監(jiān)測產(chǎn)品水的水質(zhì)，并將產(chǎn)水電導(dǎo)率輸送到PLC、觸摸屏上，能超標(biāo)報警，使不合格水自動排放；

◇ 壓力表：反滲透系統(tǒng)的各段分別設(shè)有壓力表，可方便觀察系統(tǒng)壓力的變化；整套反滲透裝置的管道、閥門均整齊、有序地布置在機(jī)架上。

4.10 反滲透清洗系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括清洗箱、清洗泵及相關(guān)的儀表和閥門管道等。該系統(tǒng)的作用是為反滲透裝置提供就地的化學(xué)清洗和一級RO膜的自動沖洗。清除反滲透膜中的污染物，以恢復(fù)膜的原有使用特性。

4.11 中間水箱

經(jīng)一級RO設(shè)備脫鹽的一級純水進(jìn)入中間水箱貯存，材質(zhì)為SUS不銹鋼或者PVC組合式中間水箱一個，水箱內(nèi)設(shè)有高低液位開關(guān)。與反滲透系統(tǒng)連鎖，可實(shí)現(xiàn)反滲透系統(tǒng)的自動啟動和停止。水箱中設(shè)有遠(yuǎn)傳液位計一臺，可傳送液位信號到主控制柜上，在觸摸屏上顯示液位。并能產(chǎn)生高低液位報警信號。

4.12 純水箱

經(jīng)二級 RO設(shè)備脫鹽的純水進(jìn)入純水箱貯存，材質(zhì)為SUS不銹鋼或者PVC，水箱內(nèi)設(shè)有高低液位開關(guān)。與反滲透系統(tǒng)連鎖，可實(shí)現(xiàn)反滲透系統(tǒng)的自動啟動和停止。水箱中設(shè)有遠(yuǎn)傳液位計一臺，可傳送液位信號到主控制柜上，在觸摸屏上顯示液位。并能產(chǎn)生高低液位報警信號。設(shè)上、中、下三段液位開關(guān)控制，與RO連鎖控制水位，高位報警， RO自動關(guān)閉；中位RO自動開啟，以保證供水的穩(wěn)定；低位報警，且純水泵停，保護(hù)水泵。

為保證使用壽命，水箱要求采用不銹鋼板材質(zhì)及加強(qiáng)筋加強(qiáng)。

4.13 純水泵

純水泵我公司通常采用丹麥格蘭富等進(jìn)口品牌的不銹鋼SUS304離心泵。將產(chǎn)品水送至用水點(diǎn)。本系統(tǒng)需要配置 2臺純水泵，正常工作時一用一備，在給純水槽注槽時可2臺泵同時開啟工作。通過純水泵出口壓力傳感器及水箱內(nèi)的液位開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)將純水箱內(nèi)的純水恒壓自動轉(zhuǎn)移到用水點(diǎn)，保證供水壓力恒定和充分。純水泵參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)線需求而定。

4.14 紫外線殺菌器

采用紫外線殺菌器以防止純水箱和輸送管道的二次污染，確保不使細(xì)菌超標(biāo)的水送入電泳槽等各工藝用水點(diǎn)。

4.15 終端過濾器

該過濾器的作用是除菌和隔離菌絲。除菌精密過濾器包括進(jìn)出口壓力表、閥門，排水閥，排氣閥，取樣接口等。終端過濾器濾芯我公司通常選用美國進(jìn)口0.45μm精度的聚丙烯折疊膜濾芯，濾芯為40寸，當(dāng)過濾器進(jìn)出口壓差大于設(shè)定值時，將更換濾芯。

4.16 電控部分

4.16.1 電控部分的組成

本控制系統(tǒng)包含PLC、觸摸屏控制，斷路器、接觸器、繼電器、按鈕等電氣元件。系統(tǒng)自動化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作維護(hù)簡便易行，減小操作者的勞動強(qiáng)度。整套系統(tǒng)設(shè)有一臺電控柜，可在觸摸屏實(shí)行對設(shè)備的操作和設(shè)定。用觸摸屏顯示流量、液位、電導(dǎo)及流程顯示，對以上參數(shù)進(jìn)行全程監(jiān)控。

整套系統(tǒng)要求可以自動運(yùn)行、自動反洗、自動再生并可由以太網(wǎng)將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)輸送給中央控制室（包括：泵運(yùn)行狀態(tài)、水箱液位、氣動、電動閥門狀態(tài)、電導(dǎo)率值、系統(tǒng)故障報警等信息）。

4.16.2 反滲透運(yùn)行控制要求

◇ 本系統(tǒng)控制設(shè)計為手動和自動方式控制；

◇ 手動方式中可通過現(xiàn)場控制箱的按鈕、開關(guān)實(shí)現(xiàn)對控制單元的控制，此方式主要及維護(hù) 時使用；

◇ 自動方式通過系統(tǒng)中的各種信號（如液位、壓力等信號）通過PLC中的程序控制各控制單元運(yùn)行及停止；

◇ 原水箱高液位開關(guān)與原水泵連鎖；

◇ 高壓泵采用軟啟動，平穩(wěn)啟閉，保護(hù)膜和泵。

5 純水系統(tǒng)設(shè)計計算方法

5.1 反滲透高壓水泵流量

純水系統(tǒng)二級純水出水量Q二級純水由涂裝車間每小時消耗的平均純水量而定。依據(jù)二級純水制水量Q二級純水，二級純水供給泵的流量Q二級純水泵與Q二級純水相同。二級反滲透高壓泵的流量Q二級泵數(shù)值與Q一級純水相同。根據(jù)一級純水的產(chǎn)水率η1和一級純水的輸入量Q一級純水，可以計算得出輸入到一級反滲透模組的原水量Q原水。一級反滲透高壓泵的流量Q一級泵數(shù)值與Q原水相同。

5.2 多介質(zhì)過濾器直徑

多介質(zhì)過濾器包含沙濾過濾器和活性碳過濾器，流經(jīng)兩個過濾器的原水流量Q與原水量Q原水?dāng)?shù)值相同。沙濾過濾器的直徑D沙濾與流經(jīng)過濾層的水流速度v、原水流量Q有關(guān)，一般v取值8-15m/s。 碳濾過濾器的直徑D碳濾計算與沙濾過濾器的直徑D沙濾計算方式相同，在這里不再贅敘。

5.3 反滲透膜設(shè)計和數(shù)量

作為純水系統(tǒng)最核心的設(shè)備之一，反滲透模分為一級和二級，每只膜每小時的透水量Q膜與膜的面積S膜、膜的設(shè)計通量q有關(guān)，一般一級反滲透膜設(shè)計通量q是13-24 L/㎡.h，二級反滲透膜設(shè)計通量是34-51 L/㎡.h。模組的設(shè)計數(shù)量N膜利用每小時流經(jīng)模組的總水流量Q、每只膜的透水量Q膜計算得出。

5.4 管路系統(tǒng)的設(shè)計

純水管路應(yīng)合理設(shè)計鋪設(shè)，在滿足純水輸送條件下，使管路長度為最少，盡量減少截面和方向上的變化。不銹鋼材質(zhì)的管路焊接采用氬弧焊滿焊形式，焊接后進(jìn)行試漏和酸洗處理，保證管路的密封性良好。

純水管路直徑D管路與流經(jīng)管路的水量Q、管路允許的水流速度V水有關(guān)，一般管路允許的水流速度V水在2-4.5m/s。

5.5 原水加熱裝置的設(shè)計

由于局部地區(qū)的冬季水溫降低，水的粘性增加，水的擴(kuò)散性減弱，導(dǎo)致純水的產(chǎn)水率降低。在相同的壓力下，水溫每下降一攝氏度，產(chǎn)水率將下降2%-4%，為了保證冬季純水的產(chǎn)水率，需要對與原水進(jìn)行加熱升溫。板式換熱器形式有管殼、盤管、套管、板式等。在純水系統(tǒng)中，一般采用板式換熱器對原水進(jìn)行升溫，板式換熱的面積 S選型按照公式計算得出，其中Q為換熱量（J），t1和t2為板式換熱器間壁兩側(cè)的介質(zhì)溫度，k為換熱器傳熱系數(shù)

Q數(shù)值按照公式Q=c*m* (t1-t2)計算，c為25°C水的比熱容4.2kJ/(kg.°C)，m為水的質(zhì)量，t1為原水需要升到的溫度，t2為原水的實(shí)際溫度。

6 純水系統(tǒng)設(shè)備常見問題及分析

純水系統(tǒng)在日常生產(chǎn)運(yùn)行中，出現(xiàn)一些常見的設(shè)備問題，針對不同系統(tǒng)可能出現(xiàn)的部分問題進(jìn)行分類、分析、總結(jié)，并且提出相應(yīng)的解決預(yù)防方案，具體見表1。

表1 純水系統(tǒng)設(shè)備常見問題及解決方法

7 結(jié)束語

純水系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如汽車制造、制藥工業(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)、食品加工等，各個領(lǐng)域?qū)兯乃|(zhì)要求也不盡相同。通過對汽車涂裝雙級反滲透純水系統(tǒng)工藝設(shè)計的分析，對汽車涂裝純水系統(tǒng)的設(shè)計和要求有了初步的了解，在將來我們對純水生產(chǎn)線在使用穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可靠等方面提出更高的要求。

[1] 王方.反滲透-電去離子脫鹽系統(tǒng)[J].工業(yè)水處理,2002（10）.

[2] 任彬.超純水系統(tǒng)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)與故障診斷[D].東北大學(xué),2008.

[3] 范祖堯.非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

Design and application of double stage reverse osmosis pure water system for automobile coating

Wu Mingfeng, Zhang Fujia, Pan Chen
( Anhui Jianghuai Automobile Group Limited by Share Ltd Technology Center, Anhui Hefei 230000 )

The water system is an important system of the automobile coating production line, the main role is for the treatment of electrophoresis system, transmission system, mixing air conditioning spray humidification system and laboratory area to provide qualified water. This paper introduces the working principle, technological process, process parameters, equipment specification calculation and common problems of double stage reverse osmosis pure water system for automobile coating line.

Automobile painting; upw; Two-stage reverse osmosis

U466

：A

：1671-7988 (2017)11-52-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.018

吳明鋒，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。