基于船用反渗透海水淡化装置的压力与温度参数优化

孙　毅，郑增建，单继宏，张建中

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122)

基于船用反渗透海水淡化装置的压力与温度参数优化

孙毅1，郑增建1，单继宏1，张建中2

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122)

摘要：为解决海上船舶的用水资源及其空间狭小与能源限制等问题,针对船用反渗透海水淡化处理装置中的反渗透膜元件的压力与温度等影响因素，通过其对膜性能的作用进行仿真分析与计算，获得了较优的工作参数，并基于优化结果，形成了一种新型船用反渗透海水淡化装置设计方案.研究结果表明：当给水压力为4 MPa、给水温度为30 ℃时，系统的产水量、产水水质较为理想，且产水能耗较低.

关键词：反渗透；海水淡化；给水压力；给水温度

目前海水淡化的主要方法有多级闪蒸、低温多效蒸馏、反渗透和电渗析.其中反渗透海水淡化过程更适用于海水或苦咸水，且规模不限、大中小型均能适应，作为一种节能的新型海水淡化方法，近年来发展迅速[1].有研究表明：给水温度是确保反渗透海水淡化系统能够在最佳条件下高效运行的一个重要参数，大部分反渗透海水淡化装置实际应用中，给水温度都设定在30 ℃左右；给水压力与给水流量的变化对海水淡化装置的单位产水能耗具有影响，发现给水压力增大会使得装置的能耗下降，在4～5.7 MPa的操作压力范围内装置能耗从6.6 kWh/m3减小到6 kWh/m3[2-3].反渗透海水淡化系统在不同的应用场合、不同的给水条件下的工作情况皆不相同，针对给定的水质参数，利用ROSA7.0膜设计软件分析其工作状况，以产水量、能耗、回收率和含盐量(TDS)为评价指标，探讨不同给水压力和给水温度对反渗透膜元件的影响，获得较佳的工作参数，在此基础上提出船用反渗透海水淡化装置的设计方案，并通过试验验证了设计方案的可行性.

1反渗透系统膜元件

1.1给水压力与温度对膜元件的影响

反渗透是一种以压力差为推动力的膜分离过程.Kedem Katchalsky提出的膜传递模型被用于反渗透分离过程的研究，模型表述的膜通量与溶质通量的关系[4]为

(1)

式中：Jv为膜通量；Js为溶质流率；Lp为水力渗透系数；σ为反射系数；ω为溶质渗透系数；(CS)m为膜前后溶液浓度平均值；Δp为跨膜压差；Δπ为渗透压差.

式(1)表明提高给水压力有助于膜通量的增大，膜透过水的速率比盐分快，有利于膜元件的脱盐效率，但超过一定压力值时将不再增加.

膜元件对给水温度的变化非常敏感，当温度升高时，水分子的粘度会减小，盐分透过膜的速率会加快，则水通量增大，膜元件的脱盐率下降[4].

1.2膜元件的设计

膜元件是反渗透系统的核心部件，应依据原水状况、产水要求和应用条件进行选择.反渗透膜元件的基本形式有板框式、管式、中空纤维式和卷式，其中卷式膜元件体积较小，且耗能低，污堵的可能性小，在工程上应用较为普遍[5].如常见的DOW，HYDECANME，TORAY，GE等多种品牌[6].陶氏FILMTCE系列船用海水反渗透卷式膜元件是一种复合结构，由多叶膜袋组成，其SW30XHR膜元件相关信息，如表1所示.

表1　SW30XHR膜元件信息

标准条件下的膜通量为19 L/(m2·h)，其与海水温度有关，一般试验条件的温度为25 ℃，当温度升高时粘度减小，温度降低时粘度增大[7].膜通量与温度的关系式为

J=J0×1.03t-25

(2)

式中：t为水温；J0为标准条件下的膜通量；J为t温度下的海水膜通量.

根据式(2)可得在20 ℃时的膜通量J为0.862J0.

膜元件计算式为

(3)

式中：NE为理论膜元件数；Qp为设计产水量；J为温度t下的海水的膜通量；SE为所选膜元件的有效面积.以1 m3/h为设计产水量，根据式(3)可以计算出本装置所需膜元件数量为2.

小型反渗透装置因为膜元件数量少，系统回收率普遍偏低，排水量较大，削弱了装置运行的经济及环保效益[8].为提高回收率，可以采用一级二段式的膜元件排列方式，如图1所示.

图1　反渗透一级二段式流程Fig.1　Reverse osmosis for the one-stage two-pass process

2仿真计算

DOW(陶氏)ROSA7.0膜设计软件能模拟膜元件的工作状况，根据仿真计算结果进行经济、技术性比较分析，可以帮助得到系统的优化设计方案.针对反渗透膜元件工作中的给水压力与给水温度影响因素，以产水量1 m3/h为目标，产水含盐量(TDS)≤500 mg/L为产水水质的评价指标，回收率期望为30%以上，对膜性能的影响规律进行了仿真计算分析.以舟山六横岛东部地表海水的水质情况作为给水水质参数，如表2所示，海水含盐量(TDS)为28 000～30 000 mg/L，浊度为70.10 NTU，pH值为7.22.

表2　给水水质主要参数

2.1不同给水压力对膜元件的影响

为了研究膜元件的最佳给水压力值，分析在2～5 MPa给水压力范围内系统的产水量、能耗、回收率和TDS.设定给水温度为25 ℃，给水流量为3 m3/h，得到仿真数据结果如表3及图2，3所示.

表3　不同给水压力对膜元件的影响

图2　给水压力与产水量、能耗曲线Fig.2　Curves of water yield, energy consumption with feed pressure

图3　给水压力与回收率、产水TDS曲线Fig.3　Curves of recovery, water production TDS with feed pressure

由图2可以看出：产水量随给水压力的增大而增大，当给水压力为4.3 MPa时，产水量达到0.96 m3/h，

满足设计目标.同时单位产水的能耗也会减小，所以在较高压力下运行有利于能耗的降低，但是不能超过反渗透膜元件的给水压力最高值，否则会造成破坏.由图3可以看出：给水压力增大时回收率也会增大，当给水压力为4.0 MPa时，回收率达到28%.随着给水压力的增加，产水TDS一直减小，这是因为在较高的给水压力下，盐离子相对更多地被反渗透膜截留.当给水压力达到2.5 MPa时，产水TDS为491.13 mg/L，满足产水水质TDS≤500 mg/L的要求，即给水压力不得小于2.5 MPa.在考虑膜元件的最大允许压力和设计目标时，实际操作过程中，可以设定给水压力为4.3 MPa左右.

2.2不同给水温度对元组件的影响

为研究在10～40 ℃给水温度范围内对元组件的产水量、能耗、回收率和TDS的影响，根据压力参数的仿真结果，设定给水压力为4 MPa，给水流量为3 m3/h，得到仿真数据结果如表4及图4，5所示.

由图4可以看出：随着给水温度的升高，产水量逐渐增大同时能耗在下降，在30 ℃时，产水量达到0.91 m3/h.由图5可知：给水温度升高时，回收率增大，当温度为30 ℃时达到30%，产水TDS也在增大，即产水水质在下降，当给水温度为40 ℃时，产水TDS达到472.89 mg/L，接近产水水质要求的临界值.所以对产水水质要求较高的前提下，在一定范围内升高给水温度，对于整个系统是经济可靠的，实际操作中给水温度可以设定为30 ℃.

表4　不同给水温度对元组件的影响

图4　给水温度与产水量、能耗曲线Fig.4　Curves of water yield, energy consumption with feed temperature

图5　给水温度与回收率、产水TDS曲线Fig.5　Curves of recovery, water production TDS with feed temperature

3船用海水淡化装置的设计与试验

3.1装置的设计方案

船用反渗透海水淡化装置设计目标的产水量为1 m3/h，脱盐率≥99%，产水含盐量(TDS)≤500 mg/L.装置主要分为四部分，即海水取水、预处理、反渗透海水淡化及后处理.

首先在预处理阶段去除海水中的污染物，可以有效防止反渗透膜的堵塞和污染，延长使用寿命[9].应根据水源的水质条件和对产水水质的要求，选择合适的预处理方式.本装置在使用时获取的海水远离近海岸，一般情况下水质较稳定，受污染小，海水中可能含有微生物、有机物、胶体和悬浮物颗粒，可以采取较为简单的过滤预处理.

机械过滤器采用石英砂为过滤介质，除去颗粒、悬浮物和胶体，处理结果达到SDI≤5[10].为防止未能完全除去的悬浮颗粒进入膜元件，需在机械过滤器后加增加滤芯式保安过滤器，其孔径的最低要求为小于10 μm.

本装置除了过滤器、膜元件之外，还包括高压泵、压力表、流量计和阀门等仪器仪表配套件.船用反渗透海水淡化装置的整体工艺路线如图6所示.

图6　装置工艺流程Fig.6　Process of the reverse osmosis desalination plant

3.2试验与分析

在上述仿真计算及设计方案的基础上，通过选择具体设备，组建成的反渗透海水淡化装置的试验平台如图7所示.为了验证装置在进行海水淡化的工作过程中实际的运行情况，是否能够满足设计目标，在3.5～4.6 MPa的给水压力范围内进行了试验研究，并采集5组试验数据进行分析.试验海水为舟山六横岛东部的地表海水，海水含盐量(TDS)为29 570.09 mg/L，与仿真模拟计算所设定的给水参数数据条件一致.

图7　试验平台Fig.7　The test platform

启动试验装置后，待系统运行达到稳定状态后，调节调压阀，逐渐提高系统的操作压力，并观察压力表和流量计的示数，记录试验数据，整理后如表5及图8，9所示.

表5不同给水压力对膜元件的影响

Table 5Influence of difference feed pressure on the membrane module

性能指标给水压力/MPa3.03.44.04.34.6产水流量/(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产水TDS/(mg·L-1)291.11234.52201.71188.41169.90

图8　给水压力与产水量、能耗曲线Fig.8　Curves of water yield, energy consumption with feed pressure

图9　给水压力与回收率、产水TDS曲线Fig.9　Curves of recovery, water production TDS with feed pressure

由图8可以看出：在实际操作中，当给水压力达到4 MPa以上时，产水量达到1 m3/h，满足装置的设计目标.同时，单位产水能耗随压力的增大而减小.由图9可以看出：4 MPa以上的给水压力，系统回收率均在30%以上.产水TDS随着给水压力的增大而减小，且在试验过程中的产水水质均符合水质要求.试验结果表明，装置运行规律与仿真结果基本一致.

根据温度参数对膜元件的性能影响的仿真结果可知，在一定范围内升高给水温度，有利于提高装置的产水量并降低能耗，但是加热过程的能耗支出会提高产水的成本.在后续研究过程中，将会结合船舶的余热废能，对本装置进行管路改造，利用船舶余热为驱动能源对给水进行预热.

4结论

利用ROSA反渗透软件探究了反渗透系统与给水压力、给水温度的变化规律，通过仿真计算结果表明：给水压力越大，系统产水量越高，产水TDS、单位产水能耗越低，当给水压力为4.3 MPa时，产水量达到0.96 m3/h，在考虑压力不能超过膜元件允许的最高压力的条件下，在实际操作中设置给水压力为4.3 MPa时最具经济性；给水温度越高，系统产水量越高，但是产水水质会下降，所以可以适当地将给水温度提升至30 ℃以提高产水效率.通过试验得到了装置的性能曲线，在4 MPa的操作压力下运行时，可以满足1 m3/h的设计目标，且产水水质较好，验证了仿真结论的可靠性.

参考文献：

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[4]于梦婕.操作因素对反渗透膜分离性能的影响及模型参数分析[D].北京：北京交通大学，2009.

[5]刘银.风光互补反渗透海水淡化系统优化设计研究[D].上海：上海海洋大学，2014.

[6]侯立安，张雅琴.海水淡化反渗透膜组件系统的研究现状[J].水处理技术，2015(10)：21-25.

[7]李哲,张霞云,陈原伟.船用集成膜海水淡化装置的设计[J].过滤与分离，2014(3)：25-30.

[8]沈钢,由世俊,王文杰.超滤、反渗透排水梯级回收再生利用实践[J].中国给水排水，2012(16)：99-102.

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[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.

(责任编辑：陈石平)

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

基金项目：浙江省重大专项资助项目(2012C13SA190005)

作者简介：孙毅(1966—)，男，浙江慈溪人，教授，博士生导师，研究方向为粉体制造、水处理和海洋工程等特种装备设计与智能控制，E-mail：sunyi@zjut.edu.cn.

中图分类号：TV734

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)04-0359-05