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1、 系统设计要求系统设计要求 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 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 反渗透和纳滤工艺流程及其特征方程反渗透和纳滤工艺流程及其特征方程 反渗透和纳滤装置的组件配置和性能反渗透和纳滤装置的组件配置和性能 反渗透和纳滤基本设计内容和过程反渗透和纳滤基本设计内容和过程 反渗透和纳滤系统预处理及运行反渗透和纳滤系统预处理及运行 反渗透和纳滤工艺过程设计反渗透和纳滤工艺过程设计第1页/共187页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
2、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第2页/共187页采样要求：采样要求：取样时要有代表性，要有足够的量，选
3、点要正确，取样时要有代表性，要有足够的量，选点要正确，容器要合适，水样的采集要严格按照容器要合适，水样的采集要严格按照水和废水监测分水和废水监测分析方法析方法中的要求进行详细的记录。中的要求进行详细的记录。水质分析内容：水质分析内容：水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括CO2、pH、O2、Cl、SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶、离子浓度、硬度、碱度、溶解性固体、细菌数等解性固体、细菌数等，常见参数的要求见下页的，常见参数的要求见下页的水样分水样分析报告析报告。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第3页/共187页工艺过程设计系统设
4、计要求工艺过程设计系统设计要求第4页/共187页常规水源的水质特点：常规水源的水质特点：市政供水为了防止管网的腐蚀，一般市政供水为了防止管网的腐蚀，一般pHpH偏高，含有偏高，含有游离氯和游离氯和FeFe离子等离子等 地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点考虑的内容考虑的内容 地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度的特征的特征 海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水pH pH 值和值和水温，金属氧化物和微溶盐的沉淀（不同海域水质差异水温，金属氧化物和微溶盐的
5、沉淀（不同海域水质差异较大）较大）其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分离等离等 工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第5页/共187页1.2 1.2 产水水质和水量产水水质和水量 根据用户的要求或者用户所处的行业，按照根据用户的要求或者用户所处的行业，按照客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定反渗透或纳滤系统的产水水质和水量反渗透或纳滤系统的产水水质和水量 这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程的选择，如的选择，如单位时间的产水量单位时间的产水量，
6、膜组件种类膜组件种类、数数量和排列方式量和排列方式，回收率回收率以及以及具体的工艺流程具体的工艺流程等。等。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第6页/共187页1.3 1.3 膜和膜组件的选择膜和膜组件的选择 醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺，具有醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺，具有价廉价廉、耐耐游离氯游离氯、耐污染耐污染的特点，多用于的特点，多用于饮用水净化饮用水净化和和污染密度指数污染密度指数（SDISDI）较高）较高的地方。的地方。芳香族聚酰胺复合膜，芳香族聚酰胺复合膜，通量高通量高，脱盐率高脱盐率高，操作压力低操作压力低，耐生物降解耐生物降解，操作操作pHpH范围宽
7、（范围宽（2 21111）不易水解）不易水解，脱，脱SiOSiO2 2和和NONO-3 3及有机物都较好，但不耐及有机物都较好，但不耐游离氯游离氯，易受到，易受到FeFe、AlAl和阳离子絮凝和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较快。剂的污染，污染速度较快。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第7页/共187页 目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组件形式主要是卷式和中空纤维式。件形式主要是卷式和中空纤维式。选用膜组件时应综合考虑组器的选用膜组件时应综合考虑组器的制备难易制备难易、流动状态流动状态、堆砌密度堆砌密度、清洗难易清洗难易等诸方面，卷式等诸
8、方面，卷式元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第8页/共187页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、进水；而实际设计过程中应根据预处理、进
9、水水质等的条件确定。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第9页/共187页1.5 1.5 产水量的衰减产水量的衰减 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
10、，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第10页/共187页 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
11、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。工艺过程设计系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第11页/共187页1.6 1.6 截留率的衰减截留率的衰减 随着反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生随着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
12、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第12页/共187页1.7 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，单位为温度，单位，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。也可用温度校正因子（也可用温度校正因子（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
13、系统设计要求工艺过程设计系统设计要求第13页/共187页 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50.5900.534100.6850.630150.7860.739200.8900.861251.0001.000301.1151.155351.2351.328401.3661.5
14、20第14页/共187页2 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
15、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第15页/共187页 根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下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第16页/共187页2.1 浓差极化的计算浓差极化的计算 浓浓差差极极化化度度可可根根据据膜膜液液相相界界面面层层邻邻近近膜膜面面传传质质的的质质量量平平衡衡的的微微分分方方程程加加以以积积分分，然然后后将将边边界界条条件件代代入入求得。主要表达式有：求得。主要表达式有：质量平衡的微分方程：质量平衡
16、的微分方程：根据边界条件积分可得：根据边界条件积分可得：或或 工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第17页/共187页 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，几时，几乎不存在浓差极化。此时膜高压侧的浓度才几乎乎不存在浓差极化。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，不能太高，因为随着流速因为随着流速U的提高，流道的阻力升高，能耗的提高，流道的阻力升高，能耗增加。这样，通常取适当的流速增加。这样，通常取适当的流速U操作，于是存操作，于是存在一定
17、的浓差极化，即在一定的浓差极化，即c=c2c1或或=21。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第18页/共187页2.3 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第19页/共187页（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不变不变情况下，测定不同情况下，测定不同U时的时的robs，计算不同计算不同U时的时的 ，并与相应的并
18、与相应的 作图，其所得的图线为直线。作图，其所得的图线为直线。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第20页/共187页 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；直线的斜率为；直线的斜率为 ，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）。（湍流）。这样由直线的斜率可求出这样由直线的斜率可求出比例常数比例常数b及及传质系数传质系数k。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第21页/共187页可以求出反渗透工程上实际存在的可以求出反渗透工程上实际存在的浓差极化度浓差极化度 通常由浓差极化度与能
19、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第22页/共187页2.4 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 ，
20、而，而 1，因而此时的，因而此时的水通量水通量JwJw（Jw为几乎不存在浓差极化时的水通量）。为几乎不存在浓差极化时的水通量）。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第23页/共187页 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压力降流道压力降，使膜的水通
21、量和脱盐率进一步降低。极化严重的化，导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。致反渗透膜性能的急剧恶化。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第24页/共187页（2）降低浓差极化的途径）降低浓差极化的途径 反反渗渗透透过过程程中中的的浓浓差差极极化化不不能能消消除除只只能能降降低低。其其途途径径如下所述。如下所述。合合理理设设计计和和精精心心制制作作反反渗渗透透基基本本单单元元膜膜元元（组组）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。适适当当控控制制操操作作流流速速，改改善善流流动动状状态态，使使膜膜溶溶液液相相界界面面层层的的厚
22、厚度度减减至至适适当当的的程程度度，以以降降低低浓浓差差极极化化度度。通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的值，约为1.2。适适当当提提高高温温度度，以以降降低低流流体体粘粘度度和和提提高高溶溶质质的的扩扩散散系数。系数。工艺过程设计浓差极化工艺过程设计浓差极化第25页/共187页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
23、)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第26页/共187页(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第27页/共187页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
24、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，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，S为膜面积为膜面积 第28页/共187页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 产水盐浓度产水盐浓度cp 4.5
25、 盐透过率盐透过率SP cfm为平均进料浓度。为平均进料浓度。第29页/共187页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 第30页/共187页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 ca为为膜膜表表面面盐盐浓浓度度，Kp为为与与元元件件构构型型有有关关的的常常数数，Ri为为膜膜元元件件回回收收率率。对对于于1m长长的的元元件件，18的的回回收收率率时
26、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。第31页/共187页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 第32页/共187页5 工艺流程及其特征方程工艺流程及其特征方程 反反渗渗透透系系统统是是由由基基本本单单元元膜膜组组件件以以一一定定配配置置方方式式组组装装而而成成。装装置置的的流流程程根
27、根据据应应用用对对象象和和规规模模大大小小，通通常常课课采采用用连连续续式式、部部分分循循环环式式和和循循环环式式三种。三种。由反渗透的物料平衡和透（产）水、浓水的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浓度与进水浓度的关系式，可导出各种流程的特征方程。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第33页/共187页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（浓水）浓缩液（浓水）流入到下一组膜组流入到下一组膜组
28、件进行处理。流经件进行处理。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，透透过液（产品水）过液（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第34页/共187页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艺流程分级式工艺流程第35页/共18
29、7页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第36页/共187页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；
30、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。第37页/共187页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：第38页/共187页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段的回段的回收率。收率。第39页/共187页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
31、量装置及其各段的浓水流量Qr，Qri 通式：通式：二段式：二段式：第40页/共187页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：第41页/共187页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：第42页/共187页工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过
32、程设计工艺流程及特征方程通式：通式：二段式：二段式：第43页/共187页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：第44页/共187页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（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
33、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。第45页/共187页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；下标1，2分别指第一段和第二段。分别指第一段和第二段。进水第一级第二级浓水QfcfQr(Qr1)cr(cr1)Qr2 cr2Qf1cf1Qf2cf2Qp(Qp2)Cp(cp2)产水Qp1cp1第46页/共187页工艺过程设计工艺流程及特征方
34、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，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。第47页/共18
35、7页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）。第48页/共187页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（第一级）的浓水流量装置（第一级）的浓水流量Qr（Q
36、r1）第49页/共187页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 第50页/共187页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 第51页/共187页工艺过程设计工艺流程及特征
37、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 第52页/共187页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
38、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。第53页/共187页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。
39、循环透过水和产水。进水浓水QfcfQpc cpQfmcfm产水QrcrQp cpQppcp第54页/共187页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 装置的装置的原原（进）水流量（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 第55页/共187页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
40、的浓水流量装置的浓水流量Qr 第56页/共187页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Rf 式中，式中，Rf为以原（进）水流量计算的回收为以原（进）水流量计算的回收率，其值为率，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。第57页/共187页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cp 装置的浓水浓度cr 第58页/共187页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
41、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，如废液的浓缩处理等。应用场合，如废液的浓缩处理等。第59页/共187页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 第60页/共187页工艺
42、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 第61页/共187页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 装置的浓缩液流量装置的浓缩液流量Qr 第62页/共187页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cfm 装置的浓缩液浓度cr 装置的透过液浓度cp 第63页/共18
43、7页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。第64页/共1
44、87页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Qr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。第65页/共187页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
45、。第66页/共187页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 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 第67页/共187页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 第68页/共187页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5.6 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
46、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 第69页/共187页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
47、（将式（2）代入式（）代入式（1）经变换整理得：）经变换整理得：（4）第70页/共187页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 第71页/共187页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：第72页
48、/共187页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 第73页/共187页6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）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第74页/共187页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
49、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：第75页/共187页 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，必须知道整个流道的积分平均浓度道的积分平均浓度 。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另外，组件的脱盐率与膜常数和平均有效压力的关系：另外，组件的脱盐率与膜常数和平均有效压力的关系：第76页/共187页（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
50、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：Kw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数。第77页/共187页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