Устройства для предварительной обработки необходимы для предотвращения блокирования мембран нерастворимыми или осадкообразующими компонентами. Как правило, необходимо учитывать следующие возможные проблемы:
- осаждение солей жесткости и солей кремниевой кислоты;
- отложение гидроксидов металлов, прежде всего железа;
- отложение пленки микроорганизмов и микроводорослей;
- выведение окислителей, прежде всего хлора;
- блокирование мембраны механическими частицами, прежде всего оксидами
кремния.
В зависимости от конкретных обстоятельств в состав мембранных установок включают блок предварительной обработки различной комплектации: механические фильтры (зернистого слоя или патронные, иногда мембранные); адсорбционные колонны (активированный уголь, цеолиты, сульфоуголь); дозаторы и смесители вспомогательных реагентов (кислота или щелочь, ингибиторы осадкообразования, коагулянты и флокулянты).
Регенерация мембран и мойка оборудования
Для каждого конкретного случая выбирается метод регенерации мембран и режим мойки оборудования, что определяет комплектацию установки. Рассмотрим различные варианты этих решений.
Регенерация мембран предназначена для периодического освобождения их поверхности от осадков и отложений и восстановления первоначальной производительности установки. Обычно это производят по достижении некоторого критического минимума производительности, после чего регенерация начинается автоматически. Среди применявшихся в промышленных условиях известны следующие:
- регенерация обратным током пермеата. Способ весьма эффективен, но возможен только в тех случаях, когда обеспечены условия сохранения целостности мембраны. Импульс обратного тока создается на очень короткое время – до 10 секунд, т.е. по сути представляет собой гидравлический удар. Создают его сжатым воздухом, давление которого должно быть на 2-5 ат выше рабочего, т.е. мембранная установка продолжает работать. В состав установки необходимо включить компрессор, ресивер и гидроаккумулятор (рис. 5.18).
Рис. 5.18. Схема узла регенерации мембран обратным током пермеата:
1 – мембранный аппарат; 2 – гидроаккумулятор; 3 – ресивер;
4 – компрессор; 5 – клапаны
Компрессор 4 постоянно поддерживает в ресивере 3 необходимое давление сжатого газа. При одновременном срабатывании клапанов 5 открывается линия сжатого газа, и закрывается линия пермеата. Импульс избыточного давления и часть пермеата из гидроаккумулятора 2 направляется из под мембраны в проточную камеру мембранного аппарата 1. Отслоившиеся загрязнения уносятся потоком концентрата;
- регенерация реверсивным током концентрата. Схему осуществления этого способа рассматривали ранее (рис. 3.15). В комплектацию установки включается циркуляционный контур со специальным двухсторонним поршневым насосом;
- регенерация наложением различного рода вибраций. В состав установки включаются генераторы и излучатели колебаний;
- регенерация подачей в проточные камеры пузырей воздуха или углекислого газа. Исходный поток насыщается растворенным газом под давлением выше рабочего, а перед мембранным аппаратом давление понижается до рабочего, и растворенный газ выделяется пузырями. Установка оснащается компрессором, сатуратором и дросселирующим устройством. В качестве сатуратора может быть использован мембранный аппарат с микрофильтрационными керамическими мембранами.
Чаще всего на практике используют химические методы регенерации мембран, которые и являются мойкой. Эффективность этих методов обусловлена правильностью выбора реагентов, переводящих отложения на мембранах в растворимую форму, но не взаимодействующих с материалом мембран. Выбор реагентов является важной частью разработки общей технологии мембранного разделения на новых объектах.
Обычно процедура мойки многоступенчата и занимает довольно продолжительное время. Для ее осуществления в состав установки включают моечную станцию, в которой имеется оборудование для приготовления растворов (емкости с мешалками), их фильтрования и дозирования.
Рекуперация энергии
Вопрос о рекуператорах энергии в составе мембранных установок возник в связи с тем, что поток концентрата, который может составлять до 75,0% от исходного, несёт в себе потенциальную энергию сжатия. Её можно использовать повторно, что позволит существенно снизить общие энергетические затраты на разделение. На рисунке 5.19 показана принципиальная схема мембранной установки с рекуператором энергии. Рассмотрим на примере, о каком энергетическом выигрыше идет речь.
Рис. 5.19. Схема мембранной установки с рекуператором энергии
Пример 5.1. Для опреснения воды Черного моря (Со=32 г/л) проектируется мембранная установка обратного осмоса производительностью по пермеату 100 м3/ч. Используются рулонные мембранные элементы на полиамидной мембране, рассчитанные на рабочее давление 55 бар, с наблюдаемой селективностью по NaCl 98,2%. Площадь мембраны в рулонном модуле – 3 м2. Удельная производительность этой мембраны в предварительных испытаниях, проведенных на водопроводной воде (0,5 г/л по NaCl), при рабочем давлении 15 ат, составила 55 л/м2ч.
Усредненная концентрация продукта не должна превышать 0,75 г/л. К.п.д. насоса – 0,65, к.п.д. рекуператора энергии – 0,75. Гидравлическое сопротивление установки – 5 бар.
Рассчитать необходимую площадь мембран и количество модулей. Определить удельный расход энергии (кВт/м3) без рекуперации и с рекуперацией.
1) Из результатов предварительных испытаний определяем коэффициент удельной производительности мембран КG:
G = KG (P – π); KG = G/(P – π);
π – осмотическое давление водопроводной воды рассчитано ранее, π = 0,4 бар = 4 ∙104 Па.
KG = ────── = 3,77 л/м2ч ∙ бар;
15,0 – 0,4