اصول طراحی در سیستم های اسمز معکوس

اسمز معکوس

اصول طراحی در سیستم های اسمز معکوس

اسمز معکوس

انتخاب طول محفظه‌ المنت غشا،در سیستمهای اسمز معکوس با آرایش حلزونی طول ظرف استوانه تحت فشار یا مدول در برگیرنده المنتها که گاهی پوسته نگهدارنده نامیده می­شوند، متغیری است که بیشترین تأثیر را روی طراحی سایر اجزاء سیستم اسمز معکوس می گذارد. طراحی مدول روی طراحی ساختار فلزی سیستم اسمز معکوس، هیدرولیک جریان و طراحی پمپهای فشار بالای سیستم اسمز معکوس اثر مستقیم دارد.

برای انتخاب طول مدول نیاز به اطلاع از مشخصات فضای در نظر گرفته شده برای نصب سیستم می­باشد. باید در دو انتهای مدولها فضای کافی برای نصب و تعویض المنتها وجود داشته باشد. در غیر این صورت به هنگام نیاز به تعویض المنتها مجبور به جابجائی کل مدول به محل دیگری خواهد بود. از این رو حداقل فاصله 5فوت از هر طرف مدول پیشنهاد می­شود. این فاکتور احتمالاً طول مدول مورد استفاده برای سیستم را تحت تأثیر قرار می­دهد.

از نظر اقتصادی، مقرون به صرفه است که تا حد امکان از طویلترین محفظه‌ المنت استفاده شود، زیرا در این صورت، تعداد آنها به حداقل می‌رسد. به هرحال به علت ظرافت در کار، برای سیستمهای کوچک اسمز معکوس از تعداد محفظه‌ المنت بیشتر و با طول کمتر استفاده می‌شود. به عنوان مثال سه پوسته نگهدارنده (مدول) با طول 80 اینچ تصویر زیباتری نسبت به یک مدول با طول 240 اینچ خواهد داشت. همچنین حمل و نقل آن آسانتر بوده و فضای کمتری را برای نصب اشغال می‌نماید.

محفظه‌های المنت برای کار در فشارهای مشخصی طراحی می‌شوند. در کاربردهای تصفیه آب نیاز به اسکلت فلزی بسیار قوی می­باشد و در صورت استفاده از مدول فولادی باید از جنس فولاد زنگ نزن (L 316) انتخاب شود تا مقاومت کافی در برابر غلظت بالای یون کلراید در آب دریا را دارا باشد. سازندگان مدولها آنها را بنحوی می­سازند که در فشاری معادل تا 6 برابر فشار کارکرد نرمال را تحمل کند. هر پوسته در 5/1 برابر فشار کارکرد چک می‌شود.

از مزایای محفظه‌های المنت فولاد زنگ نزن فشار قوی این است که از نظر اسکلت ساختمانی، قادر به داشتن مدخل ورودی و خروجی از پهلو می‌باشند. لوله‌های ورودی و خروجی شاهراه می‌توانند به کناره‌های محفظه المنت متصل شوند. اما زمانی که مدول از جنس فایبرگلاس باشد نمی­توان این کار را انجام داد. زیرا بر مقاومت کل مدول تأثیر منفی می­گذارد.

در مدولهای فایبرگلاس معمولاً مسیرهای ورودی و خروجی به دو انتهای مدول متصل می­شود. در این اتصالات هنگام نیاز به تعویض المنتها باید ابتدا اتصالات دو انتها را باز نمود. پوسته­های فایبرگلاس همچنین در مقابل خوردگی مقاوم هستند. یکی از مزایای استفاده از محفظه‌ المنت تحت فشار از جنس فولاد زنگ نزن، صلب بودن چهارچوب نگهدارنده سیستم اسمز معکوس است.

برای کاربرد در فشارهای پایین، محفظه‌ المنت انتهای باز از جنس فولاد زنگ ‌نزن عمدتاً گرانتر از نوع فایبرگلاس هستند. برای سیستم اسمز معکوس با المنتها غشا از نوع حلزونی با قطر 2 اینچ، ارزانترین محفظه در دسترس، مدولهای از جنس پلی ونیل کلراید (PVC) می­باشد.

اسمز معکوس

محفظه (مدول) از جنس فایبرگلاس با ابتدا و انتهای باز

اسکلت ساختمانی RO

با توجه به اسکلت ساختمانی هریک از قطعات سیستم اسمز معکوس ، استحکام آنها باید به اندازه‌ای باشد که قابل حمل و نقل باشند. اسکلت باید به اندازه‌ کافی صلب باشد تا هم محوری الکتروموتور و پمپ فشار قوی را حفظ کند و نیز به خوبی از محفظه‌های المنت غشاها و اتصالات لوله‌های ورودی و خروجی محافظت کند. همچنین باید به اندازه کافی صلب باشد تا از وقوع ارتعاشات جلوگیری کند.

معمولترین ماده مورد استفاده در ساخت اسکلت کربن استیل (رنگ خورده) می­باشد. البته در نواحی با نرخ خوردگی بالا نظیر محلهای شیرین سازی آب دریا از اسکلت فایبرگلاس استفاده می‌شود. فولاد زنگ نزن، اغلب در صنایع دارویی و غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک سیستم کوچک اسمز معکوس با توجه به وزنش می‌تواند توسط چهار چوبی که از میله‌های 4 و 6 اینچی ساخته شده، نگه داشته شود. در سیستم‌های RO که طول آن بزرگتر از 180 اینچ است، از میله‌هایی با سطح مقطع (I) برای ساخت چهارچوب نگهدارنده استفاده می‌شود (شکل 3).

همچنین اسکلت باید شامل میله‌های قطری مورب باشد تا در طی حمل و نقل از سیستم محافظت کند. اسکلت نگهدارنده وسایل ابزار دقیق و تابلوهای برق، مشابه اسکلت نگهدارنده‌ غشاها است و می‌توان آن را از تیوبهای 2 اینچی با ضخامت دیواره به اندازه‌ 3/16 اینچ ساخت. همچنین باید در ساخت و نصب اسکلت فلزی دقت کافی مبذول گردد، تا نواحی مرده (که امکان جمع آب و نخاله در آن وجود دارد) بوجود نیاید.

اسمز معکوس

نشمینگاه یک سیستم اسمز معکوس کوچک

اسکلت باید طوری طراحی شود که به راحتی توسط جرثقیل چنگک دار، قابل جابه‌جا شدن باشد. جهت حمل سیستمهای بزرگتر به بالای تریلی به جرثقیل نیاز است و در صورت امکان برای بالا بردن اسکلت RO ، از یک چهارچوب در زیر اسکلت استفاده می‌شود. حلقه‌های بالاتر (یا گوشواره‌ها) باید در مرکز ثقل RO نصب شوند، هر چند که ممکن است اسکلت ساختمانی سنگین­تری برای این کار لازم باشد، در عین حال از گوشواره‌ها می‌توان استفاده نمود.

معمولاً پانلهای برقی و ابزار دقیق روی اسکلت اصلی نصب می­شوند. حال اگر پمپهای فشار بالای سیستم هم روی همین اسکلت قرار دارند، باید دقت کافی صرف جلوگیری از اثر ارتعاش این پمپها روی کالیبراسیون تجهیزات ابزار دقیق گردد. باید در صورت نیاز از گیرنده لرزش استفاده نمود.

اسمز معکوس

نشمینگاه یک سیستم بزرگ اسمز معکوس

باید سعی شود که توزیع بار سیستم اسمز معکوس بر روی نشیمنگاه، به درستی انجام شود. در یک طراحی خوب نباید الکتروموتور پمپهای فشار قوی در قسمت انتهایی اسکلت نصب شوند. در غیر این صورت، به هنگام انتقال، سیستم به خاطر سنگینی بیش از حد، به سمتی منحرف می‌شود که الکتروموتور در آنجا نصب شده است.

اسکلت کربن استیل باید از خلوص کافی برخوردار باشد تا هم از خوردگی جلوگیری شود و هم زیبا باشد. این اسکلت باید سند بلاست شده، شستشوی شیمیایی و سپس با ضد زنگ نقاشی شود. در مرحله بعد پوشش با دو لایه اپوکسی با کیفیت بالا یا رنگ لعاب پیشنهاد می­گردد (استفاده از رنگ لعاب آسانتر از اپوکسی بوده و پوششهای پودری بادوامتر می­باشند).

طراحی و جنس لوله ها

باید لوله­ های فشار بالا کاملاً قادر به تحمل حداکثر پتانسیل فشار موجود در سیستم باشند. معمولاً از فولاد زنگ نزن برای ساخت لوله‌های تحت فشار بالا استفاده می‌شود. معمولاً اتصالات اصلی RO جوشی هستند. لیکن گاه از لوله و اتصالات پیچ و مهره­ای استفاده می شود که استحکام کمی داشته و از زیبایی ظاهری هم برخوردار نمی باشند.

در ارتباط با منابع آبی که غلظت کلراید آنها از چند هزار ppm تجاوز می­کند، استفاده از لوله و اتصالات از جنس فولاد L 316 پیشنهاد می­گردد. غالباً برای لوله و اتصالات فشار پائین سیستم RO از جنس PVC استفاده می­شود. گاهی نیز برای سیستمهای تولید آب فوق خالص پلی وینیل دی‌فلوراید (PVDF) بکار می رود.

لوله‌های فولاد زنگ نزن در سیستم‌هایی که جریان آب کم است نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورتی که قطر لوله بیش از 3/4 اینچ باشد، خم و جفت کردن آن مشکل است. اگر قطر لوله زیادتر باشد، شاهراه از جنس فولاد زنگ نزن باید از طریق جفت کردن و جوشکاری قطعات لوله‌های کوچکتر به یکدیگر ساخته شود. اگر این جوش توسط گاز بی ‌اثر تنگستن (جوشکاری TIG ) انجام شود، کربن کمتری در جوش به وجود می‌آید. سپس شاهراه توسط اسید نیتریک غلیظ در دمای (F 0 120) شستشوی شیمیایی می‌شود تا یک لایه‌ محافظ بر روی آن بوجود آید.

این عمل، موجب دفع آهن و سایر آلودگی­ها تا عمق mm 1 می‌شود و از تشکیل باقیمانده‌های حاصل از زنگ‌زدگی که به راحتی در جوشهای فولاد زنگ نزن که بدون لایه محافظ قابل دیدن می‌باشند، جلوگیری می‌کند. امکان ساخت لوله‌های شاهراه با استفاده از جفت کننده‌های رزوه‌ای وجود دارد. اشکال این نوع طراحی، نشتی زیاد است و از نظر ساختمانی، صحیح نیست و همچنین، ظاهر خوشایندی ندارد.

شیلنگهای قابل انعطاف و مقاومی در دسترس است که قادر به تحمل فشارهای بالا هستند. شیلنگهای قابل انعطاف، نه تنها دوام لوله‌های فولاد زنگ نزن را ندارد، بلکه ساختمان آنها از صلبیت لازم، برخوردار نیست. به هرحال، مزیت این شیلنگها آن است که به دلیل انعطاف‌‌پذیری به راحتی انتهای محفظه‌ المنت را به مرکز شاهراه متصل می‌کنند. بنابراین هنگام بازکردن ارتباط دهنده‌ بین انتهای محفظه المنت و شاهراه در زمان صرفه‌جویی و انرژی کمتری نیز صرف می‌شود. اگر شیلنگهای قابل انعطاف در معرض تابش مستقیم نور خورشید قرار گیرند (در سیستم‌های نصب شده در هوای آزاد)، تابش اشعه‌ ماورای بنفش موجب شکنندگی شیلنگ می‌شود و باید هر دو سال یک بار تعویض شود.

در زمان انجام شستشوی شیمیایی، بهتر است که شاهراه فشار قوی مرحله میانی در دسترس باشد. این کار را می‌‌توان با مسدود کردن اتصالات انجام داد و یا اینکه یک شیر توپی فشار قوی در داخل شاهراه نصب کرد. این کار طی شستشوی شیمیایی می‌تواند مفید واقع شود تا به وسیله آن محلول شیمیایی قادر به چرخش در تک تک غشاها باشد، همچنین این کار، امکان رسیدن به حداکثر سرعت تمیز کاری در تمام محفظه‌های المنت را میسر می‌سازد.

در برخی موارد از شیرهای توپی در مسیر جریانهای آب خوراک و دورریز محفظه‌های المنت مشخص استفاده می‌شود. این شیرها در سیستمهای بزرگ اسمز معکوس به منظور ایزوله کردن محفظه‌های المنت به کار می‌روند (سیستم‌هایی که بیش از (gal/min 200) تولید آب محصول داشته باشند). خطر استفاده از شیرهای ایزوله کننده این است که در زمانی که محفظه‌ المنت غشا ایزوله شده است و شیر نشتی دارد، رسوبات حاصل از آب نشت کرده به درون غشا در تمام سطح آن ته نشین خواهد شد. همچنین، همیشه این احتمال وجود دارد که اپراتور در باز یا بستن شیر اشتباه کند و در نتیجه توازن هیدرولیکی سیستم به هم بخورد. بنا به دلایل فوق، استفاده از شیرهای ایزوله کننده به غیر از مواد خاص، پیشنهاد نمی‌شود.

اسمز معکوس

شاهراه آب محصول سیستم اسمز مکعوس
تصویر بالا: لوله‌کشی صلب،       تصویر پایین: لوله کشی قابل انعطاف

اندازه‌ لوله

قطر لوله باید طوری انتخاب شود که افت فشار جریان در لوله­ها، زانوئی­ها و سایر اتصالات از حد مجاز بیشتر نباشد. فشار برگشتی بیش از حد جریان محصول باعث برگشت جریان محصول به طرف خوراک غشا و از هم باز شدن لایه­ های غشا در آرایش حلزونی می­گردد.

یکی از عوامل اصلی افت فشار در لوله ­ها سرعت جریان غیر متناسب با قطر لوله و میزان جریان عبوری است. افت فشار در لوله‌های قطور کمتر خواهد بود، زیرا نیروی تنشی در دیواره‌ لوله پایین است. بنابراین در این لوله‌ها سرعت آب زیاد است، بدون اینکه افت فشار زیاد باشد. در جدول زیر رابطه‌ بین جریان، قطر لوله و سرعت نشان داده شده است.

Ft/sحداکثر سرعت

قطر داخلی لوله (اینچ)

Gal/minجریان

5/6

2/1

4-0

25/7

4/3

10/4

2/8

1

20-10

1/9

2/1-1

50-20

2/10

2

100-50

4/11

2/1-2

175-100

6/13

3

300-175

سرعت در لوله طبق رابطه‌ زیر محاسبه می‌شود:

Velocity = Flow/ 0.41 ID2

در این رابطه:

سرعت آب برحسب ft/s
جریان برحسب gal/min
ID قطر داخلی لوله برحسب اینچ

محفظه‌های المنتی که به طور کامل از المنت پر نشده‌اند

المنتهای سیستم اسمز معکوس از نوع حلزونی جهت جمع‌آوری آب محصول، طوری طراحی شده‌اند که به طور سری در داخل محفظه‌ المنت غشا به یکدیگر متصل شوند. بنابراین ضروری است تا آب محصول فقط از یک طرف محفظه المنت دریافت شود. اگرچه ممکن است نوع بخصوصی از اتصال دهنده تیوب که ورقه‌ پوچ یا المنت توخالی نامیده می‌شود (شکل 6)، در محفظه‌های المنتی که بطور کامل توسط المنت پر نشده‌اند، مورد نیاز باشد. این ورقه‌ پوچ، آب محصول المنت انتهایی را به درب پوش انتهایی محفظه‌ المنت متصل می‌کند تا بدین طریق آب محصول از محفظه خارج شود.

آب شیرین کن

شکل- 6. المنت توخالی

طراحی شاهراه آب محصول

جهت آگاهی از کیفیت آب محصول باید یک شیر نمونه‌گیر در مسیر آب محصول خروجی از هر محفظه‌ المنت غشا نصب شود. همچنین استفاده از Check Valve در انتهای مسیر فرعی هر یک از مدولها توصیه می­ گردد. با این کار اولاً از احتمال برگشت آب به مدول در زمان راه اندازی جلوگیری بعمل می­آید. ثانیاً اگر شیر نمونه­ گیر قبل از چک ولو باشد، امکان اختلاط آب محصول مدولهای مختلف در حین نمونه گیری از میان می­رود.

تقلیل فشار زیاد

از جمله اهداف تقلیل فشار آب دور ریز RO ، کنترل دقیق سرعت جریان در زمانی است که افت فشار به میزان Psid 800 (بسته به فشار سیستم اسمز معکوس ) وجود داشته باشد. همیشه بهتر است که توسط یک شیر یا اریفیس که بدون ایجاد سر و صدای زیاد قادر به انجام این کار باشد، فشار را کاهش داد تا از تلاطمی که در صورت استفاده از شیر تولید خواهد شد، جلوگیری شود.

شیرهای توپی معمولاً انتخاب خوبی برای این منظور نیستند. این شیرها برای کنترل جریان، طراحی نشده‌‌اند. در حقیقت به غیر از ساختار بسیار محکم شیر در طی زمان سرویس به علت افت فشار زیاد، شیر تمایل به بستن دارد. اگر زمانی که سیستم اسمز معکوس در حال کار است، شیر بسته شود، می‌تواند برای پمپ فشار قوی خطر ساز باشد و جریانی کمتر از مقدار مورد نظر برای غشاها تأمین کند. شیرهای توپی موجب ایجاد تلاطم می‌شوند که به نوبه‌ خود موجب ایجاد سر و صدا و احتمال خطر برای لوله‌های پایین‌دستی می‌شود.

شیرهای سوزنی از جنس فولاد زنگ‌ نزن برای تقلیل فشارهای زیاد کارآیی خوبی داشته و مخصوص این کار طراحی شده‌اند. فولاد زنگ نزن باید از نوعی باشد که دارای غلظت کربن کمتری باشد و L 316 این خاصیت را دارد.

طراحی المنتهای هر ردیف

همزمان با گذر آب خوراک از میان غشا، آب نفوذی یا محصول خارج می­شود و میزان نرخ جریان باقیمانده کاهش می­یابد. عموماً سیستمهای اسمزمعکوسبا آرایش حلزونی یا المنتهای الیاف توخالی به نحوی طراحی می­شوند که یک نرخ جریان عرضی مطلوب روی هر المنت بوجود آید تا با ایجاد تلاطم کافی در جریان عرضی از فولینگ و ترسیب روی سطح غشا جلوگیری بعمل آید.

اختلاف فشار در دو سر سیستم به حداقل ممکن برسد. این اختلاف از نیروی رانش در انتهای سیستم ناشی می‌شود و بنابراین جریان آب محصول را کاهش می‌دهد. همچنین اختلاف فشار بیش از حد، از نظر مکانیکی می‌تواند به غشا آسیب وارد کند.

نرخ جریان غلیظ در المنتهای انتهائی در حد مطلوب باشد.
برای طراحی یک آرایش بخصوص، ابتدا دو چیز باید مشخص شود (حداقل جریان تغلیظ شده و حداکثر بازدهی المنت). امکان دارد مقدار جریان تغلیظ شده بیش از آنچه در طراحی مشخص شده، باشد. البته این مسئله لزوماً یک مشکل نیست، اما پیامد آن احتیاج به پمپ و انرژی اضافی دارد. اگر از سیستم‌هایی که قادر به برگرداندن آب تغلیظ شده به جریان آب خوراک باشند، استفاده نشود، پیامد آن، مصرف آب خوراک بیشتر، مجرای فاضلاب اضافی، مصرف بیشتر مواد شیمیایی- که برای پیش تصفیه مورد استفاده قرار می‌‌گیرند- خواهد بود.

آرایش 1-2 طرح معمول مورد استفاده در سیستمهای اسمز معکوس با 75 درصد بازیافت کل می­باشد. بازیافت هر مرحله برابر 50 درصد و بازیافت کل 75 درصد می­گردد. آرایش 1-2 یعنی دو مرحله که مدولهای مرحله دوم نصف مدولهای مرحله اول باشد.

نرخ جریان محصول مطلوب

در یک سیستم اسمز معکوس چند پارامتر می‌توانند بر دبی آب محصول RO تأثیرگذار باشد. این پارامترها شامل دمای آب، غلظت نمک و فشار غشا در حین عبور جریان آب خوراک از سیستم شود.

برای سیستم‌های موجود RO ، امکان افزایش جریان آب محصول نیست، مگر اینکه این افزایش در طراحی در نظر گرفته شده باشد. بنابراین، پیشنهاد می‌شود که دبی موردنظر آب محصول در حدی در نظر گرفته شود که برای سیستم، خطری به وجود نیاید. برای سیستم اسمز معکوس می‌توان تجهیزات کنترلی در نظر گرفت تا از تولید بیش از حد آب محصول توسط سیستم اسمز معکوس جلوگیری شود. معمول­یترین روش کنترل سیستم اسمز معکوس با توجه به مقدار آب محصول، این است که سیستم RO به صورت ابزار دقیق با سطح تانک آب محصول مرتبط گردد. اگر سطح آب در تانک بالا رود، RO از سرویس خارج شود و اگر سطح آب در تانک پایین باشد، RO در سرویس قرار بگیرد.

سیستم اسمز معکوس باید طوری طراحی شود که ظرفیت تولید آن بیش از مقدار آب محصول مورد نیاز باشد. در عین حال، این افزایش ظرفیت نباید بیش از 50% کل مصرف باشد. اگر سیستم به صورت ابزار دقیق با تانک ذخیره آب مربوط گردد و تانک پر باشد در این صورت، سیستم برای مدت زمان محدودی از سرویس خارج خواهد شد. این کار می‌تواند موجب رشد بیولوژیکی در سیستم اسمز معکوس شود که نتیجه آن گرفتگی غشا و احتمالاً کاهش عمر آنها خواهد بود.

فشار رانش مطلوب غشا

فشار رانش غشا فشاری است که برای تولید آب محصول مورد نیاز است. تعیین فشار رانش مطلوب، بخشی از طراحی سیستم RO است که با توجه به نوع غشا و شرایط عملیاتی آن انتخاب می‌شود. هرچه فشار، افزایش یابد، جریان آب محصول بیشتر و دفع نمک بهتر است. با افزایش فشار، برق بیشتری مصرف شده، سرعت گرفتگی غشا افزایش یافته و در نتیجه عمر غشا کاهش می‌یابد. علاوه بر این در فشارهای بالاتر ممکن است احتیاج به محفظه‌ المنت یا لوله‌های مخصوصی باشد.

غشای سلولز استات اغلب در فشارهای زیر 500 تا Psig 1000 کار می‌کند. در فشارهای بالاتر از Psig 500 فشردگی معمولاً موجب کاهش عمر غشا خواهد شد. در سیستم‌های بزرگ سلولزاستات و پلی­آمید در مواردی که هدف، بازدهی بیشتر آب است فشار کاری Psig 200 و در مواردی که هدف دفع نمک بیشتر است فشار کاری Psig 400 می‌باشد.

سیستم‌های بزرگتر پلی سلوفان باردار یا پلی­آمید به منظور افزایش بازدهی انرژی و کاهش سرعت گرفتگی در فشار Psig 200 مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند؛ در نتیجه در این نوع سیستم‌های اسمز معکوس از محفظه‌های المنت تحت فشار ارزانتری در مقایسه با آنهایی که در فشار Psig 400 کار می‌کنند استفاده می‌شود.

نیروی رانش برای محاسبه تقریبی دبی آب محصول المنت معین مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین اگر میزان نیاز به شار آب محصول کم باشد، تعیین نیروی رانش پیشنهاد می‌شود. فشار واقعی غشا بعد از تعیین سایر مقادیری که تأثیر در دبی آب محصول غشا دارند، محاسبه خواهد شد. همچنان که تشریح شد.

دبی آب محصول المنت معین = (دبی طراحی آب محصول× ضریب گرفتگی× نیروی رانش) / فشار طراحی

به طوری که:

فشار رانش: فشار رانش مطلوب غشا
فشار طراحی: فشار رانش طراحی شده توسط کارخانه سازنده غشا
ضریب گرفتگی: عددی کوچکتر از یک که به منظور احتساب اتلاف آب محصول در اثر گرفتگی غشا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
دبی طراحی شده: آب محصول توسط کارخانه سازنده غشا که برای المنتهای غشا انتخاب شده است.

به اشتراک گذاری این مطلب