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1、反渗透和纳滤的的工艺过反渗透和纳滤的的工艺过程设计程设计1 1 系统设计要求系统设计要求1.1 1.1 进水水质进水水质 水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。 对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不同时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原同时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原因。这对反渗透系统的有效设计（因。这对反渗透系统的有效设计（预处理、产水量、回预处理、产水量、回收率、脱除性能、压力、流速收率、脱除性能、压力、流速），正当的操作，诊），正当的操作，诊断系统存在的问题和准确评价系
2、统性能等方面至关重要。断系统存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求1.4 1.4 回收率回收率 回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。一般海水淡化回收率在一般海水淡化回收率在30304545，纯水制备在，纯水制备在70708585；而实际设计过程中应根据预处理、进；而实际设计过程中应根据预处理、进水水质等的条件确定。水水质等的条件确定。 工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求1.5 1.5 产水量的衰减产水
3、量的衰减 反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长，膜反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长，膜的产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在的产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在高温高高温高压压下运行，在温度和压力的协同作用下，会出现膜的压下运行，在温度和压力的协同作用下，会出现膜的压密化现象，其结果会造成产水量下降或系统操作压力上密化现象，其结果会造成产水量下降或系统操作压力上升。压密化是膜性能的不可逆衰减，事实上，复合膜比升。压密化是膜性能的不可逆衰减，事实上，复合膜比醋酸纤维素膜更耐压密化。醋酸纤维素膜更耐压密化。 膜污染膜污染也是造成膜产水通量的衰减的主要原因。也是造成膜产水通量的
4、衰减的主要原因。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求 通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜率。率。式中，式中，m为产水量下降斜率；为产水量下降斜率；t为运行时间，为运行时间，h；Q0和和Qt分分别为运行初期和运行别为运行初期和运行t小时后的产水量。小时后的产水量。 通常通常CA类膜类膜m-0.03-0.05，复合膜的，复合膜的m=-0.01-0.02。即。即CA类膜产水量年均下降类膜产水量年均下降10左右，复合膜约为左右，复合膜约为5左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。 工艺过程设计系统
5、设计要求工艺过程设计系统设计要求tmQQtlglg01.6 1.6 截留率的衰减截留率的衰减 随于反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生随于反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生物或化学因素的作用，膜面材质会发生疏松化，物或化学因素的作用，膜面材质会发生疏松化，导致膜的截留率衰减。导致膜的截留率衰减。 通常通常CACA类膜的年透盐增长率为类膜的年透盐增长率为2020左右，复左右，复合膜约为合膜约为1010左右。当然系统预处理如果不合适左右。当然系统预处理如果不合适或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增大。或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增大。 工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求1
6、.7 1.7 产水量随温度的变化产水量随温度的变化 反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生较大的变化。通常根据下式进行计算：较大的变化。通常根据下式进行计算：T T为温度，为温度，即，即每一度变化使产水量变化每一度变化使产水量变化3 3左右左右。也。也可用温度校正因子（可用温度校正因子（TCFTCF）表示。）表示。Kt为与膜材料有关的常数。为与膜材料有关的常数。 工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求25003. 1TQQ29812731exp(TKTCFt 温度对膜的通量影响较大，在进行设计过程中要充温度对膜的通量影响较大，在进行设
7、计过程中要充分考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施（分考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施（进出水进出水换热等换热等）减少温度对系统产水效率的的影响。）减少温度对系统产水效率的的影响。 工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求温度温度/校正因子校正因子CA膜膜TFC膜膜50.5900.534100.6850.630150.7860.739200.8900.861251.0001.000301.1151.155351.2351.328401.3661.5202 浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响2.1 浓差极化的概念浓差极化的概念 在反渗透过程中，由于膜
8、的选择渗透性，溶在反渗透过程中，由于膜的选择渗透性，溶剂（通常为水）从高压侧透过膜，而溶质则被膜剂（通常为水）从高压侧透过膜，而溶质则被膜截留，其浓度在膜表面处上升高；同时发生从膜截留，其浓度在膜表面处上升高；同时发生从膜表面向本体的回扩散，当这两种传质过程达到动表面向本体的回扩散，当这两种传质过程达到动态平衡时，膜表面处的浓度态平衡时，膜表面处的浓度c2高于主体溶液浓度高于主体溶液浓度c1，这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比，这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比率率c2/c1称为浓差极化度。称为浓差极化度。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化 根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下
9、根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下图所示。图所示。 浓差极化理论模型浓差极化理论模型 工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化2.1 浓差极化的计算浓差极化的计算浓差极化度可根据膜液相界面层邻近膜面传质的质浓差极化度可根据膜液相界面层邻近膜面传质的质量平衡的微分方程加以积分，然后将边界条件代入求得。量平衡的微分方程加以积分，然后将边界条件代入求得。主要表达式有：主要表达式有：质量平衡的微分方程：质量平衡的微分方程： cJdxdcDJwabUJcckJccccwwexp)(exp)(313132awwbUJkJexp)(exp)(313132根据边界条件积分可得：根据边界条件积分可得： 或或
10、 工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化 由以上推导的结果可知当流速由以上推导的结果可知当流速 时，时，几乎不存在浓差极化。此时膜高压侧的浓度才几几乎不存在浓差极化。此时膜高压侧的浓度才几乎是均一的，即乎是均一的，即c=c2=c1或相应的渗透压或相应的渗透压=2=1，而在通常的反渗透过程中，流速，而在通常的反渗透过程中，流速U不能太高，因为随着流速不能太高，因为随着流速U的提高，流道的阻力的提高，流道的阻力升高，能耗增加。这样，通常取适当的流速升高，能耗增加。这样，通常取适当的流速U操操作，于是存在一定的浓差极化，即作，于是存在一定的浓差极化，即c=c2c1或或=21。 工艺过程设计浓差极化
11、工艺过程设计浓差极化U2.3 2.3 浓差极化下的传质方程浓差极化下的传质方程（1 1）水通量）水通量（2 2）脱盐率）脱盐率工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化awwbUJPAPAJexp)()(31322323231321exp)(/)(/cccccbUJPBAAPBAAraw13131311)(/cccccPBAArobs（3 3）真实脱盐率）真实脱盐率r r与表观脱盐率与表观脱盐率r robsobs的关系的关系 由上述的浓差极化方程可以推出：由上述的浓差极化方程可以推出： 在半对数坐标纸上作在半对数坐标纸上作 图。在保持图。在保持Jw不变情况下，测定不同不变情况下，测定不同U时的时
12、的robs，计算不同计算不同U时时的的 ，并与相应的，并与相应的 作图，其所得的图线为作图，其所得的图线为直线。直线。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化awobsobsbUJrrrr303.211lg)1 (lgawobsobsUJrr)1 (lgobsobsrr)1 (lgawUJ 将直线外推之将直线外推之，其与纵坐标的，其与纵坐标的截距截距 为为 ，从而，从而可得真实的脱盐率可得真实的脱盐率r；直线的；直线的斜率为斜率为 ，其中流速指数，其中流速指数a=0.3（层流）或（层流）或0.8（湍流）。这样由直线的斜率可求出（湍流）。这样由直线的斜率可求出比例常比例常数数b及及传质系数传质系
13、数k。 工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化rr)1 (lgb303. 21可以求出反渗透工程上实际存在的浓差极化度可以求出反渗透工程上实际存在的浓差极化度 通常由浓差极化度与能耗权衡，取浓差极化度为通常由浓差极化度与能耗权衡，取浓差极化度为 =1.2。这样，若实验测定得到。这样，若实验测定得到robs=0.950时时r为多为多少？根据上式可知：少？根据上式可知：工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化3132ccccrrrrrrccccobsobsobs1)1 (1)1 (11)1 (131323132cccc958. 095. 0195. 02 . 1195. 0195. 02 . 1
14、11131323132obsobsobsobsrrccccrrccccr2.4 浓差极化对反渗透的影响和缓解措施浓差极化对反渗透的影响和缓解措施 (1)浓差极化对反渗透的影响浓差极化对反渗透的影响 降低水通量降低水通量 根据存在或几乎不存在浓差极化的情况下导出的水通根据存在或几乎不存在浓差极化的情况下导出的水通量方程可知，由于浓差极化时的溶液渗透压项由原先的量方程可知，由于浓差极化时的溶液渗透压项由原先的 变为变为 ，而，而 1，因而，因而此时的水通量此时的水通量JwJw（Jw为几乎不存在浓差极化时的为几乎不存在浓差极化时的水通量）。水通量）。 工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化)(31
15、awbUJexp)(31awbUJexp 降低脱盐率降低脱盐率 比较上述相应情况下的比较上述相应情况下的脱盐率方程脱盐率方程可知，同样因可知，同样因 1，使脱盐率由，使脱盐率由r降为了降为了robs。 导致膜上沉淀污染和增加流道阻力导致膜上沉淀污染和增加流道阻力 由于膜表面浓度增加，使那些水中的由于膜表面浓度增加，使那些水中的微溶盐微溶盐（CaCO3和和CaSO4等）沉淀，等）沉淀，增加膜的透水阻力增加膜的透水阻力和和流道流道压力降压力降，使膜的水通量和脱盐率进一步降低。极化严重，使膜的水通量和脱盐率进一步降低。极化严重的化，导致反渗透膜性能的急剧恶化。的化，导致反渗透膜性能的急剧恶化。 工艺
16、过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化awbUJexp（2）降低浓差极化的途径）降低浓差极化的途径 反渗透过程中的浓差极化反渗透过程中的浓差极化不能消除只能降低不能消除只能降低。其途径。其途径如下所述。如下所述。 合理设计和精心制作反渗透基本单元膜元（组）合理设计和精心制作反渗透基本单元膜元（组）件，使之流体分布均匀，促进湍流等。件，使之流体分布均匀，促进湍流等。 适当控制操作流速，改善流动状态，使膜溶液相适当控制操作流速，改善流动状态，使膜溶液相界面层的厚度减至适当的程度，以降低浓差极化度。通界面层的厚度减至适当的程度，以降低浓差极化度。通常浓差极化度有一个合理的值，约为常浓差极化度有一个合理
17、的值，约为1.2。 适当提高温度，以降低流体粘度和提高溶质的扩散适当提高温度，以降低流体粘度和提高溶质的扩散系数。系数。 工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化3 溶度积和饱和度溶度积和饱和度 在后面的预处理章节中详细讲述。在后面的预处理章节中详细讲述。4 反渗透和纳滤过程的基本方程反渗透和纳滤过程的基本方程4.1 渗透压渗透压 渗透压渗透压随溶质种类、溶液浓度和温度而变，表示方法随溶质种类、溶液浓度和温度而变，表示方法和表达式很多。和表达式很多。(1) 式中式中cp为为溶质的摩尔浓度溶质的摩尔浓度；xf为为溶质的摩尔分数溶质的摩尔分数；为为渗透压系数渗透压系数；Mi为为溶质的摩尔浓度溶质的
18、摩尔浓度；对于；对于稀溶液稀溶液可可取取0.93。 工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程fpiBxKTcMKT(2)此式可以估算此式可以估算的近似值。的近似值。(3) 查表得到溶液的渗透压查表得到溶液的渗透压(4) 式中式中K0为系数为系数2410-5，T为温度为温度，cf为进料浓为进料浓度度mg/L。 工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程410)/(714. 0)(LmgTDSMPafcTKPsi)273()(0工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程(5) 对对NaCl水溶液，可以根据下式计算：水溶液，可以根据下式计算： 式中，式中，c为为NaCl溶液浓度，
19、溶液浓度，mg/L 4.2 水通量水通量Jw A为水的渗透性常数，为水的渗透性常数，NDP为净驱动压力。为净驱动压力。 pf和和pp分别为进料和产水压力，分别为进料和产水压力，p为进出口降，为进出口降，avg为平均渗透压。为平均渗透压。 Qp为产水量为产水量 10001000)273(10641. 2)(4cTcMPaavgpfpppNDP5 . 0pBppBpppppSAASNDPQ22工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程4.3 盐通量盐通量Js B为盐的透过性常数，为盐的透过性常数，cs为膜两侧盐浓度差。为膜两侧盐浓度差。盐透量盐透量Qs S为膜面积。为膜面积。4.4 产水盐浓
20、度产水盐浓度cp 4.5 盐透过率盐透过率SP cfm为平均进料浓度。为平均进料浓度。 sssscBccBJ) (pbpsscccBScBSQ2wspJJc pcpsfmpQQccSP%100工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程4.6 脱盐率脱盐率SR或或r 4.7 回收率回收率R和流量平衡和流量平衡 Qp为产水流速，为产水流速，Qf为进料流速，为进料流速，Qr为浓缩液流速为浓缩液流速 4.8 浓缩因子浓缩因子CF ppsfmpcQQccSPrSR111%100fpQQRprfQQQRCF11工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程4.9 浓差极化因子浓差极化因子CPF c
21、a为膜表面盐浓度，为膜表面盐浓度，Kp为与元件构型有关的常数，为与元件构型有关的常数，Ri为膜元件回收率。对于为膜元件回收率。对于1m长的元件，长的元件，18的回收率时，的回收率时，CPF取取1.2。 4.10 膜元件产水量膜元件产水量Qp Qps为标准条件下的产水量，为标准条件下的产水量，TCF为温度校正因子，为温度校正因子，NDPf为现场条件下的净驱动力，为现场条件下的净驱动力，S为膜面积。为膜面积。 iipfavgppbaRRKQQKccCPF22expexpASNDPNDPNDPTCFQQafpsp工艺过程设计过程基本方程工艺过程设计过程基本方程4.11 产水盐度产水盐度cp SPs为
22、标准条件下的为标准条件下的SPc 4.12 系统平均渗透压系统平均渗透压 fssfpNDPNDPSPCFccRRfavg11ln5 工艺流程及其特征方程 反渗透系统是由基本单元膜组件以一定配置方式组装而成。装置的流程根据应用对象和规模大小，通常课采用连续式、部分循环式和循环式三种。 由反渗透的物料平衡和透（产）水、浓水的浓度与进水浓度的关系式，可导出各种流程的特征方程。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程段段和和级级概念的区分概念的区分 在膜分离工艺流程中常常会遇到在膜分离工艺流程中常常会遇到“段段”与与“级级”的的概念。概念。u 段段：指膜组件的：指膜组件的浓缩液（
23、浓水）浓缩液（浓水）流入到下一组膜组件流入到下一组膜组件进行处理。流经进行处理。流经n组膜组件，即称为组膜组件，即称为n段；段；u 级级：指膜组件的产水进入到下一组膜组件处理，：指膜组件的产水进入到下一组膜组件处理，透过透过液（产品水）液（产品水）经过经过n组膜组件处理，称为组膜组件处理，称为n级。级。 可以将可以将“段段”和和“级级”分别理解为对分别理解为对“浓水分级浓水分级”（分段分段）和对）和对“产水分级产水分级”（分级分级）。）。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程分段式工艺流程分段式工艺流程分级式工
24、艺流程分级式工艺流程5.1 5.1 连续式分段式（浓水分段）连续式分段式（浓水分段） (1) (1) 流程说明流程说明 将将前一段的浓水作为下一段的进水前一段的浓水作为下一段的进水，最后最后一段一段的浓水的浓水排放废弃排放废弃，而各段产水汇集利用。，而各段产水汇集利用。这一流程适合用于处理这一流程适合用于处理量大、回收率高量大、回收率高的应用的应用场合。通常用于场合。通常用于苦咸水的淡化苦咸水的淡化和和低盐度水低盐度水或或自自来水来水的净化。的净化。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程Q和和c分别表示流量和浓
25、度；下标分别表示流量和浓度；下标f、p和和r分别指进水、产水分别指进水、产水和浓水；下标和浓水；下标1，2，n为段号。为段号。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程(2) 特征方程特征方程装置及其各段的进水流量装置及其各段的进水流量Qf、Qfi通式：通式：10010)1 ()0;3 , 2 , 1 , 0; n,3 , 2 , 1()1 (ijjpijjffiRRQRnjiRQQ设工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程通常采用两段式的流程，于是：通常采用两段式的流程，于是：式中，式中， 和和 分别为装置和第分别为装置和第j段段的回收率。的回收率。
26、fpQQR fjpjfQQR RQRQRQRQQQpffpff)1 ()1 (1121工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程装置及其各段的浓水流量装置及其各段的浓水流量Qr，Qri 通式：通式：二段式：二段式：ijipnrijifriRRQQQjiRQQ11)1 (); n,3 , 2 , 1,()1 (设)1)(1 ()1 (21211RRRQQQRRQQprrpr工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程装置的回收率装置的回收率R与各段回收率与各段回收率Ri、Rj的关系的关系 通式：通式：二段式：二段式：)0;3 , 2 , 1 , 0; n,3 ,
27、 2 , 1()1 (0101RnjiRRRijjnii设211)1 (RRRR工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程装置及其各段的产水浓度装置及其各段的产水浓度cp，cpj 通式：通式： 式中式中Ri、Rj分别为分别为i段和段和j段组件以进、出口积分平段组件以进、出口积分平均进水浓度计的脱盐率。均进水浓度计的脱盐率。二段式：二段式：)0()1 ()1 ()1 (1)1 (0110101110 RRRRRRcnijjjiijrjriniijjpjj设211121111)1 ()1 (1)1 ()1 (1211RRRRRRcrrrp工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计
28、工艺流程及特征方程通式：通式：二段式：二段式：)0()1 ()1 (101101111RRRRccjirjijrfp设2121112211)1 (1)1 ()1 (1RRRccRRccrffprfp工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程装置及其各段的浓水浓度装置及其各段的浓水浓度cri、crj通式：通式：二段式：二段式：)0;, 2 , 1,:()1 (01 RnjiRccijrjfrij设211)1 ()1 ()1 (21211rrfrrrfrRRcccRcc工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程5.2 5.2 连续式分级式（产水分级）连续式分级式
29、（产水分级） (1) (1) 流程说明流程说明 分级式流程通常为二级。主要是为了提高分级式流程通常为二级。主要是为了提高系统的回收率和产水水质，系统的回收率和产水水质，将浓度低于或等于将浓度低于或等于装置进水的第二级浓水返回到第一级进口处，装置进水的第二级浓水返回到第一级进口处，第一级产水作为第二级进水第一级产水作为第二级进水；第二级产水就是；第二级产水就是装置的产水；第一级浓水排放。装置的产水；第一级浓水排放。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程Q和和c分别表示流量和浓度；下标分别表示流量和浓度；下标f、p和和r分别指进水、产分别指进水、产水和浓水；下标水和浓水；下
30、标1，2分别指第一段和第二段。分别指第一段和第二段。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程该流程常用于下列情况：该流程常用于下列情况：原水原水含盐量特别高含盐量特别高，一级反渗透难以得到稳定，一级反渗透难以得到稳定的产水水质。如特别高浓度的的产水水质。如特别高浓度的海水海水淡化等；淡化等；水源水源水质经常发生较大变化水质经常发生较大变化时（如沿海地区地时（如沿海地区地下水不时受到海水倒灌的影响，含盐量波动较下水不时受到海水倒灌的影响，含盐量波动较大），仅以常规的一级分段式反渗透不适应这大），仅以常规的一级分段式反渗透不适应这种情况，需要考虑其临时变换应急的二级反渗种情况
31、，需要考虑其临时变换应急的二级反渗透的多功能流程。透的多功能流程。工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程当当一级反渗透达不到最终产水的水质一级反渗透达不到最终产水的水质（如电导（如电导或电阻率）的指标时，二级反渗透可以省略通或电阻率）的指标时，二级反渗透可以省略通常的离子交换而能达到上述水质指标，且常的离子交换而能达到上述水质指标，且简化简化了水处理系统的流程和操作（如中高压锅炉的了水处理系统的流程和操作（如中高压锅炉的用水等）。用水等）。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 （2） 特征方程特征方程 装置的进水流量装置的进水流量Qf 装置（第一
32、级）的浓水流量装置（第一级）的浓水流量Qr（Qr1） pfQRRRRQ2121)1 (1211)1 (1RRQRQQprr工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 第二级浓（循环）水的流量第二级浓（循环）水的流量Qr2 装置的回收率装置的回收率R与第一、二级的回收率与第一、二级的回收率R1、R2的关系的关系 prQRRQ22)1 (2)1(121211RRRRQQRp工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 装置的进水浓度装置的进水浓度cf 式中，式中，r1和和r2分别为以第一、二级组件的进、出分别为以第一、二级组件的进、出口平均浓度计的第一级和第二级组
33、件的脱盐率。口平均浓度计的第一级和第二级组件的脱盐率。 第一级进水浓度第一级进水浓度cf1 prrrrfcRRRRRRRRc)1 (1)1 (1)1 (1)1 ()1 (112121121112112121prrfcRRRRc211122111)1 (1)1 (1工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 第一级产水浓度第一级产水浓度cp1（第二级进水浓度（第二级进水浓度cr2） 装置（第一级）的浓水浓度装置（第一级）的浓水浓度cr（cr1） 第二级（循环）水的浓度第二级（循环）水的浓度cr2 )()1 (1)1 (1222221122122ppprprfpcccRRcRRc
34、cprrrrrcRRRRRcc21111221111)1 (1)1 (1)1 (prrrcRRRc2221222)1 (1)1 (工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程5.3 部分循环式部分透过水循环部分循环式部分透过水循环 (1) 流程说明流程说明 部分透过水部分透过水循环至装置循环至装置进口处进口处与其原始的进水相与其原始的进水相混合作为装置的进水，浓水连续排放废弃，部分透过混合作为装置的进水，浓水连续排放废弃，部分透过水作为产水收集。水作为产水收集。 这一流程便于控制产水的水质和水量，适用于水这一流程便于控制产水的水质和水量，适用于水源水质经常波动、在反渗透浓水中有
35、可能出现微溶盐源水质经常波动、在反渗透浓水中有可能出现微溶盐（如（如CaCO3和和CaSO4等）沉淀和在无加温条件下要求等）沉淀和在无加温条件下要求连续连续额定产水量额定产水量等小规模应用的情况。等小规模应用的情况。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 Q和和c分别表示流量和浓度；下标分别表示流量和浓度；下标f、p和和r分别指进分别指进水、产水和浓水；下标水、产水和浓水；下标fm、pc和和pp分别指混合进水、分别指混合进水、循环透过水和产水。循环透过水和产水。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 （2） 特征方程特征方程 装置的原（进）水流量
36、装置的原（进）水流量Qf R为以混合进水流量计算的回收率，其值为以混合进水流量计算的回收率，其值为为 式中，式中，Kf为透过水循环率，其值为为透过水循环率，其值为 装置的进（混合）水流量装置的进（混合）水流量Qfm fmpQQR fpcfQQKppffffmQKKRKQ)1 (1工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 装置的透过水循环量装置的透过水循环量Qpc 装置的透过水流量装置的透过水流量Qp 装置的浓水流量装置的浓水流量Qr ppfffpcQKKRKQ)1 (ppfffpQKKRKRQ)1 ()1 (ppfffrQKKRRKQ)1 ()1)(1 (工艺过程设计工艺流
37、程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 装置的回收率装置的回收率Rf 式中，式中，Rf为以原（进）水流量计算的回为以原（进）水流量计算的回收率，其值为收率，其值为 。 装置的进（混合）水浓度装置的进（混合）水浓度cfm 式中，式中，r为以组件进水的平均浓度计的脱盐率。为以组件进水的平均浓度计的脱盐率。 fffKRKR)1 (fppfQQRrffffmRKKRRcc1)1 (1)1 (工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 装置的透过（产）水浓度装置的透过（产）水浓度cp 装置的浓水浓度装置的浓水浓度cr rffrfrfmpRKKRRcRRcc111)1 (1)1 ()
38、1 (1)1 (1rffrfrfmrRKKRRRcRcc1)1 (1)1 ()1 ()1 (工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程5.4 部分循环式部分浓缩液循环部分循环式部分浓缩液循环(1) 流程说明流程说明 在反渗透过程中，将连续加入的在反渗透过程中，将连续加入的原料液原料液与反渗透与反渗透部分浓缩液部分浓缩液相相混合混合作为反渗透作为反渗透进料液进料液，其余的浓缩液，其余的浓缩液作为产品液连续收集；其透过液连续排放或重复利用。作为产品液连续收集；其透过液连续排放或重复利用。 这一流程用于某些这一流程用于某些料液连续除溶剂（水）浓缩料液连续除溶剂（水）浓缩的的应用场合
39、，如废液的浓缩处理等。应用场合，如废液的浓缩处理等。工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程QrQprQrp 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 （2） 特征方程特征方程 装置的原料液流量装置的原料液流量Qf 式中，式中，Kr为浓缩液的循环率，其值为为浓缩液的循环率，其值为 。 装置的进料液流量装置的进料液流量Qfm rprfQKRQ)1 (11frmrQQK rprrfmQKRKQ)1 (11工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程装置的透过液流量装置的透过液流量Qp 装置的浓缩循环液流量装置的浓缩循环液流量Qrp 装置的浓缩
40、液流量装置的浓缩液流量Qr rprrpQKRRKQ)1 (1)1 (rprrrpQKRKQ)1 (1rprrrQKRRKQ)1 (1)1)(1 (工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程装置的混合进料液浓度装置的混合进料液浓度cfm 装置的浓缩液浓度装置的浓缩液浓度cr 装置的透过液浓度装置的透过液浓度cp rrrfmRKcc)1 (111rrrrrfmrRKRcRcc)1 (11)1 ()1 (rrrrrfmpRKRRcRRcc)1 (111)1 (1)1 (11工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程5.5 循环式补加稀释剂的浓缩液循环循环式补加稀释
41、剂的浓缩液循环(1) 流程说明流程说明 在运行过程中，连续在运行过程中，连续向原料液向原料液中中补加相当于透过补加相当于透过液流量的稀释剂液流量的稀释剂，浓缩液浓缩液全部循环，全部循环，透过液透过液连续排放，连续排放，直至反渗透料液的浓度达到预定的值时，作为成品收直至反渗透料液的浓度达到预定的值时，作为成品收集，透过液排放或重复利用。集，透过液排放或重复利用。 这一流程用于溶液中物质的分离，使产品有较高这一流程用于溶液中物质的分离，使产品有较高的收率和纯度。的收率和纯度。工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 Q0和cf0分别表示原料液的体积和浓度；Qw、Qfw、Qp和Q
42、r分别为稀释剂、进料液、透过液和浓缩液的流量；cw、cf0、cp和cr分别为与上述料液相应的浓度。 工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 （2） 特征方程特征方程 进料（成品）液与原料液的浓度比率进料（成品）液与原料液的浓度比率 式中式中R为装置的回收率，为装置的回收率，R ，S为处理单位体积为处理单位体积原料液所需稀释剂的消耗量，即稀释剂比耗，其值为原料液所需稀释剂的消耗量，即稀释剂比耗，其值为S ，t为运行时间。为运行时间。 0ffccmSRRccrffm1)1 (1exp10mfpQQ00QtQQtQwp工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程
43、 浓缩液的浓度浓缩液的浓度cr 透过液的浓度透过液的浓度cp SRRRccRcrrffrrm1)1 (1exp)1 ()1 (10SRRRRcRRccrrfrfpm1)1 (1exp)1 (1)1 (110工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 进料液流量进料液流量Qfm 浓缩（循环）液流量浓缩（循环）液流量Qr 稀释液、透过液的流量稀释液、透过液的流量Qw、Qp 0ln1)1 (110ffrfccRfQQmm0ln1)1 (1)1 (10ffrfrccRfQRQQmm0ln1)1 (10ffrfpwccRRfQRQQQmm工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流
44、程及特征方程5.6 循环式浓缩液循环循环式浓缩液循环(1) 流程说明流程说明 该流程与该流程与“补加稀释剂的浓缩液循环补加稀释剂的浓缩液循环”流程相同，流程相同，所不同的时所不同的时补加的不是稀释剂而是原料液补加的不是稀释剂而是原料液。其流量和。其流量和浓度分别为浓度分别为Qf和和cf0操作过程液与上述流程相同。操作过程液与上述流程相同。 这一流程用于这一流程用于溶质的浓缩和分离溶质的浓缩和分离。（2）特征方程）特征方程 进料（成品）液与原料液的浓度比率进料（成品）液与原料液的浓度比率 0ffccm工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 根据不同的运行时间反渗透的质量平衡
45、可得下列根据不同的运行时间反渗透的质量平衡可得下列微分式：微分式： （1） 反渗透的透过液、浓缩液的浓度与进料浓度的关系：反渗透的透过液、浓缩液的浓度与进料浓度的关系： （2） （3）将式（将式（2）代入式（）代入式（1）经变换整理得：）经变换整理得： （4）)()()(000prpfpppfffmQQdtccQdtQcQcdcQfmrpcRRc1)1 (1fmrrcRc1)1 (dtQQRRcRRccRRcdprfmrffmrf011010)1 (1)1 (1)1 (1(工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程将积分边界条件带入式（将积分边界条件带入式（4）：）： t=0
46、时，时，cfm=cf0 t=t时，时，cfm=cfm整理后得：整理后得：浓缩液的浓度浓缩液的浓度cr 由式（由式（3）和式（）和式（5）得）得 0111)1 (1exp)1 (111)1 (10QQRRRRRRccprrrffm011111)1 (1exp)1 (111)1 (1)1 ()1 (10QQRRRRRRRccRcprrrrffmrr工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 透过液得浓度透过液得浓度cp 由式（由式（2）和（）和（5）得：）得： 原料液（透过液）得流量原料液（透过液）得流量Qr（Qp）由式（由式（5 5）得：）得： tQQRRRRccRRcprrf
47、fmrr0111)1 (1exp)1 (111)1 (10RRccRRtQRRQQrffmrrpf1101)1 (11)1 (11ln)1 (10工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程 进料液流量进料液流量Qfm 浓缩液流量浓缩液流量Qr RRccRRtQRRQQrffmrrpfm1101)1 (11)1 (11ln)1 (110RRccRRtQRRQRQrffmrrfmr1101)1 (11)1 (11ln)1 (11)1 (0 装置的组件配置和性能装置的组件配置和性能6.1 膜元（组）件的操作性能（膜元（组）件的操作性能（脱盐率脱盐率和和水通量水通量）（1）膜元（组）
48、件的脱盐率）膜元（组）件的脱盐率 元（组）件在使用过程中膜的进水侧和产元（组）件在使用过程中膜的进水侧和产水侧的浓度沿流道变化情况见下图。水侧的浓度沿流道变化情况见下图。 工艺过程设计装置的组件配置和性能工艺过程设计装置的组件配置和性能工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程计算脱盐率的流道模型计算脱盐率的流道模型根据产水的质量平衡可得元（组）件总产水的浓度为：根据产水的质量平衡可得元（组）件总产水的浓度为： ppppppppQcQcQcQcrr 2211 欲得到元（组）件真实得脱盐率欲得到元（组）件真实得脱盐率r r，必须知道整个流，必须知道整个流道得积分平均浓度道得积分
49、平均浓度 。 工艺过程设计装置的组件配置和性能工艺过程设计装置的组件配置和性能pcRrRccrrf)1 ()1 (11RRccrrp1)1 (1)1ln(1ln1RRccrfp另外，组件得脱盐率与膜常数和平均有效压力的关系：另外，组件得脱盐率与膜常数和平均有效压力的关系： )(/11)()(PARRPAPAr（2）膜元（组）件的水通量）膜元（组）件的水通量 工艺过程设计装置的组件配置和性能工艺过程设计装置的组件配置和性能若元（组）件的膜面积为若元（组）件的膜面积为S（m2），则其产水流量：），则其产水流量：)()(PKPSAQwpKw为元（组）件产水流速的压力系数。为元（组）件产水流速的压力系
50、数。 6.2 装置中元（组）件的配置装置中元（组）件的配置 装置内组件的装置内组件的配置原则配置原则是是保持装置内各组件的平保持装置内各组件的平均流速（流量）大于或等于规格元（组）件在标准测均流速（流量）大于或等于规格元（组）件在标准测试条件下的值，试条件下的值，从而使装置的浓差极化度不大于其元从而使装置的浓差极化度不大于其元（组）件的浓差极化度。（组）件的浓差极化度。 因此，无论是分段式还是分级式流程的装置均因此，无论是分段式还是分级式流程的装置均应逐段或逐级减少并联组件数，即所谓应逐段或逐级减少并联组件数，即所谓锥形排列锥形排列。分。分段式（两段）和分级式（两级）的装置内各段或各级段式（两