5. 系统设计
* 陶氏化学公司商标 FILMTEC  膜 • FilmTec 公司是陶氏化学公司的全资子公司
目
录
5-1 设计导则说明.........................................................................................................................................5－3
5-1.1
陶氏FILMTEC™中等尺寸膜元件系统设计导则.....................................................................5－4 5-1.2
陶氏FILMTEC™8英寸膜元件系统设计导则.........................................................................5－6 5-1.3 系统设计资料及原水分析报告................................................................................................5－8 5-2 分批过程与连续过程.............................................................................................................................5－10 5-3 单组件系统...........................................................................................................................................5－11 5-4 单段系统...............................................................................................................................................5－
12 5-5 多段系统...............................................................................................................................................5－12 5-6 原水一次通过式系统与浓水循环系统...................................................................................................5－12 5-7 多级系统...............................................................................................................................................5－15 5-8 特殊设计的可能性................................................................................................................................5－16 5-9 膜系统的设计步骤................................................................................................................................5－17 5-10 系统性能预测.......................................................................................................................................5－19
5-10.1
系统操作特性.......................................................................................................................5－19 5-10.2 设计方程与参数....................................................................................................................5－21 5-10.3 ROSA 设计软件下载方法.....................................................................................................5－25 5-10.4 ROSA 5设计软件使用指南..................................................................................................5－30
5-10.4.1 ROSA 5.0安装要求.............................................................................................5－30
5-10.4.2 ROSA 5.0界面组成.............................................................................................5－30
5-10.4.3 ROSA 5.0使用方法.............................................................................................5－34
5-10.4.4 ROSA 5.0使用要点.............................................................................................5－35
5-10.4.5 ROSA 5.0设计打印结果解读..............................................................................5－43
5-10.4.6 ROSA 5.0与ROSA 4.3的比较...........................................................................5－46
5-11 试    验..................................................................................................................................................5－47
5-11.1
筛选试验..............................................................................................................................5－47 5-11.2 应用试验..............................................................................................................................5－47 5-11.2.1 确定操作压力.......................................................................................................................5－47 5-11.2.2 确定浓缩倍率和回收率.........................................................................................................5－47 5-11.3
模拟试验..............................................................................................................................5－47 5-12 系统主要部件.......................................................................................................................................5－48 5-12.1 高压泵..................................................................................................................................5－48
5-12.1.1 正位移泵(柱塞泵).................................................................................................5－48
5-12.1.2 离心泵..................................................................................................................5－48
5-12.2
压力容器..............................................................................................................................5－48 5-12.3 紧急开关..............................................................................................................................5－48
5. 系统设计
5-12.4 阀门..................................................................................................................................5－49 5-12.5 控制仪表..............................................................................................................................5－49 5-12.6 水箱..................................................................................................................................5－50 5-12.6.1 原水水箱..............................................................................................................5－50
5-12.6.2 产水水箱..............................................................................................................5－50
5-12.6.3 产水回吸水箱(drawback tank).............................................................................5－50
5-12.6.4 加药箱..................................................................................................................5－50
5-12.6.5 清洗水箱..............................................................................................................5－50
5-12.6.6 可选设备..............................................................................................................5－51 5-13材质选择和腐蚀控制.............................................................................................................................5－52 5-14便于今后排除系统故障的设计建议.......................................................................................................5－53 5-14.1 装卸及故障排除空间............................................................................................................5－53 5-14.2 设有能探测单支元件和单个压力容器的取样接口.................................................................5－53 5-14.3 段间性能监视仪表................................................................................................................5－53 5-14.4 在线标准化...........................................................................................................................5－53 5-14.5 每段能够单独清洗................................................................................................................5－53 5-14.6 能够进行产水冲洗................................................................................................................5－53 5-14.7 SDI测量装置及其测量点.....................................................................................................5－54 5-14.8 现场试验台...........................................................................................................................5－54 5-14.9 单元件测试装置....................................................................................................................5－54
5. 系统设计
5-1 设计导则说明
完整的反渗透(RO)和纳滤(NF)水处理系统一般由预处理部分，膜处理部分和后处理部分组成，前面一章已经讨论了预处理的方法，为了达到最终产品水的水质要求，有时还需要采用后处理步骤。进行海水淡化时，后处理通常是进行pH值调节、重新调整水中的硬度含量并进行杀菌处理；在超纯水制备过程中，膜系统的产水后处理通常是采用离子交换深度除盐。
本章将讨论膜装置本身，包括膜元件、以一定方式排列的含膜元件的压力外壳、给膜压力外壳供水的高压泵、仪表、管道、阀门和装置支架等。系统设计还应包括设置就地清洗系统，对膜进行化学清洗。
表征RO/NF膜系统的性能通常采用两个参数：产水流量和产水品质，而这些参数总是针对给定的进水水质、进水压力和系统回收率而言的，RO/NF的设计者的主要职责是针对所需的产水量，使所设计的系统尽可能降低操作压力和膜元件的成本，但尽可能提高产水量和回收率以及系统的长期稳定性与清洗维护费用(故障率低，可采用低廉药品进行有效清洗)。
优化设计取决于上述各方面，苦咸水膜系统的回收率大小取决于难溶盐的溶解度，最大值大约为90%；在海水淡化系统，由于浓水中渗透压和元件耐压能力的制约，一般回收率为45%左右。
正则化长细比超限怎么调整
应根据对系统脱盐率的要求为依据选择膜元件，FILMTEC™NF纳滤膜和FT30反渗透膜系列按NF270，NF200， NF90，XLE，LP，BW30LE，BW30，SW30和SW30HR的顺序脱盐率依次增加，当然同时所需的进水压力也按相同顺序增加，因此，从NF到BW30LE范围的膜元件一般适用于进水TDS最高为2,000mg/L的低盐度自来水或苦咸水，BW30适用于最高不大于10,000mg/L的苦咸水，而SW30和SW30HR适用于最高含盐量到50,000mg/L的海水等。
针对所选择的膜元件，达到设计产水量所需的进水压力取决于产水通量值的选择，设计时选择的通量值越大，则所需的进水操作压力就越高，海水淡化系统在膜元件最大允许的操作压力下，且产水通量值相对较低，但是对于苦咸水膜元件而言，一般不可能超过膜元件规定的最高41bar的极限压力时，产水通量就可能太高了。虽然为了减低膜元件的成本，设计时总是试图选择高的产水通量值，但是产水通量值的选择是有上限的，规定该上限的目的为了减少今后膜设备内的结垢和污染。
根据经验，系统的通量设计极限是应由进水的潜在污染程度而定，随着产水通量和元件回收率的增加，膜面上的污染物的浓度也随之增加，产水通量值高的系统其污染速率和清洗频率就高。经过预处理后的出水淤积密度指数(SDI，又称污堵指数)与水中残留污堵物质的含量有相当好的对应关系。只有凭丰富的经验针对不同水源类型设定合理的产水通量和元件的回收率标准，当对某一特定进水水源设计膜系统时，最好能了解其它膜系统处理该水型时的运行情况。但是，通常未必有这类膜系统可供参照，此时可以遵循本章所推荐的系统设计导则。
这些设计导则中的建议参数是基于设计考虑周全、运行管理良好、每年进行4次化学清洗且为连续运行模式这样的假设，如果超过所建议的参数极限将会产生更频繁的化学清洗，产水量会快速下降，进水压力会增加，膜的寿命会缩短，进而增加系统的故障率和运行成本。反之，过高估计发生污堵的可能性，即选择了保守的设计方式，就会获得长久无故障运行和更长膜寿命的效果。系统设计者应根据项目特点进行设计优化，在设计之前必须充分收集原水水质分析报告等系统设计资料，资料越齐全，系统的设计就越有针对性，也就越能满足用户的需要。
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5. 系统设计
* 陶氏化学公司商标
FILMTEC  膜 • FilmTec 公司是陶氏化学公司的全资子公司                                文件号：609－00374－102QRP  5-1.1 陶氏FILMTEC™中等尺寸膜元件系统设计导则
在轻工业和小型商业水处理系统中，选用2.5英寸或4英寸FILMTEC 膜元件时，由于对系统的要求有所不同。请按照所推荐的相应RO/NF 系统设计导则设计膜系统。
【轻工业和小型海水淡化系统】表5-1建议的轻工业和小型海水淡化系统的系统设计导则基于这类系统与大型系 统有着同样的要求，即要求系统性能的稳定性数年以上。在建造大型系统之前通常将它用作连续中试或小试，并配有CIP(就地清洗)清洗设备，不设(或很少量的)浓水循环。预期膜元件的寿命超过3年。轻工业和小型海水淡化系统设计导则推荐如下：
表5-1：FILMTEC 膜元件在轻工业及小型海水淡化系统中的设计导则
给水类型                  RO 产水      井  水                地  表  水                  废        水                    海        水___                                                                                                            (过滤市政污水)
MF 1        传统过滤      MF 1      传统过滤      沉井/MF 1  表面取水 给水SDI                    SDI<1      SDI<3        SDI<3        SDI<5      SDI<3      SDI<5        SDI<3        SDI<5 元件最大回收率％      30              19              17              15            141            12              13              10 典型通量gfd(l/m².h)  22(37)      18(30)        16(27)      14(24)        13(22)      11(19)        13(22)      11(19) 最大产水流量                                                              gpd(m ³/d)
2.5英寸直径            800(
3.0)    700(2.6)    600(2.3)    500(1.9)    500(1.9)    400(1.5)    700(2.6)    600(2.3)
4.0英寸直径            2300(8.7)  1900(7.2)  1700(6.4)  1500(
5.7)  1400(5.3)  1200(4.5)  1800(
6.8)  1500(5.7)元件类型                                                              最小浓水流量 gpm(m³/h)
2.5英寸                    1(0.2)        1(0.2)          1(0.2)          1(0.2)      1(0.2)      1(0.2)        1(0.2)      1(0.2)  4.0英寸(除Full-Fit)    4(0.9)        4(0.9)          4(0.9)          4(0.9)      5(1.1)      6(1.4)        4(0.9)      5(1.1)    Full- Fit 4040            6(1.4)        6(1.4)          6(1.4)          6(1.4)      7(1.6)      8(1.8)          NA            NA
元件类型                    有效面积                最大给水流量              单元件最大压降                最大给水压力                                      ft²(m²)                    gpm(m³/h)                    psig(bar) ²                        psig(bar) 胶带外壳2540            28(2.6)                          6(1.4)                        13(0.9)                            600(41) 玻璃钢外壳2540        28(2.6)                          6(1.4)                        15(1.0)                            600(41) 海水2540                    29(2.7)                          6(1.4)                        13(0.9)                          1000(69) 胶带外壳4040            82(7.6)                        14(3.2)                        13(0.9)                            600(41) 玻璃钢外壳4040          82(7.6)                        16(3.6)                        15(1.0)                            600(41) 玻璃钢SW4040          80(7.4)                        16(3.6)                        15(1.0)                          1000(69) Full-Fit 4040                85(7.9)                        18(4.1)                        15(1.0)                            600(41) 1
MF ：连续微滤工艺，膜孔径 < 0.5µm 。 2 我们推荐新元件或无污染元件的压降应小于上表所列最大值的20%。
注：上述极限值已引入ROSA （Reverse Osmosis System Analysis ）设计软件中。当系统设计超过导则允许值时，在ROSA 的计算结果
中就会有报警信息。
注：系统设计人员在应用上述信息时必须充分阅读产品选择指南。当用于超纯水时，请参考UPW 系统设计导则。
5. 系统设计
【小型商用系统】表5-2建议的典型小型商用系统使用1～6支中小型膜元件，它们或者定期更换，或者定期频繁清洗(每半年或一年)，或者允许较快的性能下降速度。膜元件的预期寿命小于3年。常常为间歇运行的系统，这是一个低成本的紧凑型水处理方案，小型商用系统设计导则推荐如下：
表5-2：FILMTEC膜元件在小型商业应用系统中的设计导则
给水类型                      RO产水经软化的自来水井水地表水或市政自来水
给水SDI                        SDI<1                          SDI<3                        SDI<3                              SDI<5
元件最大回收率％            30                                30                              25                                    20
典型通量gfd(l/m².h)        30(51)                          30(51)                        25(42)                              20(34)
最大产水流量                                                              gpd(m³/d)
2.5英寸直径                1100(4.2)                    1100(4.2)                    900(
3.4)                          700(2.7)
4.0英寸直径                3100(11.7)                  3100(11.7)                  2600(9.8)                        2100(7.9)
元件类型最小浓水流量 gpm(m³/h)
2.5英寸直径                  0.5(0.11)                    0.5(0.11)                      1(0.2)                                1(0.2)              4.0英寸直径                    2(0.5)                        2(0.5)                        4(0.9)                                4(0.9)
元件类型有效面积最大给水流量单元件最大压降最大给水压力
ft²(m²)                        gpm(m³/h)                psig(bar)3                          psig(bar)
胶带外壳2540              28(2.6)                          6(1.4)                      13(0.9)                              600(41)
玻璃钢外壳2540          28(2.6)                          6(1.4)                        15(1.0)                              600(41)
海水2540                      29(2.7)                          6(1.4)                      13(0.9)                            1000(69)
胶带外壳4040              82(7.6)                        14(3.2)                      13(0.9)                              600(41)
玻璃钢外壳4040          82(7.6)                        16(3.6)                        15(1.0)                              600(41)
玻璃钢SW4040            80(7.4)                        16(3.6)                      15(1.0)                            1000(69)
3
我们推荐新元件或无污染元件的压降应小于上表所列最大值的20%。
注：上述限制值已引入ROSA（Reverse Osmosis System Analysis）设计软件中。当系统设计超过导则允许值时，在ROSA的计算结果中就会有报警信息。
注：系统设计人员在应用上述信息时必须充分阅读产品选择指南。当用于超纯水时，请参考UPW系统设计导则。
对膜系统设计影响最大的因素是给水的污堵倾向，膜污堵是由于给水中存在有机物、颗粒物和胶体等物质并在膜面浓缩造成沉积，污堵物的浓度随着产水通量(单位膜面积上的产水流量)和元件回收率(元件产水流量与其给水流量之比)的增加而增加。因此，高产水通量的系统很容易产生更高的污堵速率和更频繁的化学清洗。预处理后的给水SDI值与污堵物的数量紧密相关。
本导则推荐的参数值是基于FILMTEC膜多年的应用经验。系统设计时，如果低估了给水的污堵倾向，膜系统可能需要更频繁的清洗，或者系统因污堵必须降低运行出力。反之，选择了保守的设计参数即过高的预估了可能出现污堵的倾向，将会得到无故障系统运行结果和更长的膜寿命。

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