3带背压运行反渗透系统的开关机实验
综上,随着反渗透系统设计水平的不断提高,带背压运行的反渗透系统逐步出现。然而,尽管平稳运行时能够始终维持浓水侧压力大于产水侧压力,并确保反渗透膜不会被背压损坏,但这种系统开关机过程中所导致的剧烈压力变化及其对反渗透膜潜在的背压损坏却鲜有研究报道。
笔者在带背压运行的反渗透系统研究中采用了单段式7芯装膜壳系统,膜壳内安装陶氏化学FILMTECTMBW30-365IG反渗透元件,并用电动阀门对进水流路进行开闭控制,其开启/关闭周期为20s,以模拟反渗透系统的开关机过程。
系统的浓水和产水管路均设置了动作良好的止回阀以保证流向正确。为了能够细微观察开关机过程中的压力和流量变化,笔者对PLC控制程序进行了修正,使其数据采集频率提高到每秒钟采集1次,并由上位机进行实时数据记录。PLC模块为SiemensS7系列,电磁流量计、涡街流量计、压力变送器、电导率仪等购自EndressHauser(中国)自动化有限公司。
该系统的开关机过程分别在背压为0.15、0.25、0.37、0.45、0.5MPa时完成测试,具体而言,是在恒定的高压泵频率和进水压力下,以带压启动/带压停机方式进行系统的开关机实验。为节省篇幅,这里只给出了背压为0.5MPa时的压力和流量变化,如图4所示。
图4背压为0.5MPa时的系统压力(a)及流量(b)变化情况
由图4(a)可知,系统关机时产水压力的下降速度要快于浓水压力的下降速度,从而维持膜元件的浓水侧压力始终大于产水侧压力,也保证了膜元件的安全运行。同理亦可发现,尽管系统开机时的压力变化比关机时的压力变化更为迅速,但浓水压力的上升速度依然快于产水压力的上升速度,说明系统仍然安全。
在工程实践上,一般都会采用爆破膜来防止背压对反渗透系统造成危害。然而工程施工中极少有人对爆破膜的爆破压力进行理论计算。常见的爆破压力为0.1~0.35MPa,而产水侧压力超过浓水侧压力0.03MPa即可能造成反渗透膜元件的背压。
同时,由于影响产水和浓水侧压力的因素较多,如管路走向、管路上止回阀的种类和数量以及反渗透机组子母管排布方式等,均会影响到管路压力的总损失,因而对于高背压运行的反渗透系统,笔者仍建议在工程设计之初进行充分论证或中试实验,尽可能做到管路设计简洁、低压损。
图4(b)给出了系统开关机过程的流量变化。与压力不同,产水流量的下降速度比浓水流量的下降速度更慢,在关机后期会出现产水流量大于浓水流量的现象。这是由于流量计的类型不同,在浓水侧可以采用电磁流量计进行流量检测,而产水侧由于反渗透产水电导率非常低,只能采用涡街流量计。前者测量的是感应电动势,其滤波算法主要目的是去除背景的噪声信号,而后者测量的是漩涡发生频率。由于漩涡发生频率是一个与时间相关的物理量,因此在常规的时间常数设定下,其涡街流量计的变化速度要比电磁流量计更平稳。
另外,多次带背压开停机实验前后的反渗透元件性能如表2所示。
表2背压实验前后反渗透系统性能对比
由于反渗透系统工况如进水压力、进水电导率、进水温度等在不断变化,因此表2以标准化之后的产水量和脱盐率进行比较。可以发现经过多次开停机之后,系统性能并未出现明显变化,说明反渗透膜片的透水能力和脱盐能力均未受到背压实验的影响。
4结论
由于反渗透复合膜特殊的膜片构造,产水侧压力高于浓水侧压力一定程度即可造成反渗透膜的背压损坏。反渗透膜元件的背压损伤是反渗透系统的常见故障,一经发生则无任何修复可能,只能对元件进行更换。对反渗透膜元件背压损伤的位置及背压对膜片的破坏进行深入分析,指出膜元件的背压一般率先发生于系统内最接近浓水出口的元件,并在膜面上以靠近胶水线的气泡形态出现。
背压主要归因于反渗透系统不合理的设计和运行因素,如停机步序不合理、系统部件失效等。依托PLC改造后的系统对不同背压下工作的反渗透系统带压开停机过程进行模拟,结果显示,在背压为0.15~0.5MPa的区间内,各次开停机过程均有良好的可重复性,整个过程中浓水压力始终高于产水压力,由此判断背压损坏不会发生。在实际工程设计中,需要相关设计人员对高背压反渗透系统的特殊性给予足够重视,确保系统安全、可靠地带背压运行。
(来源:《工业水处理》2016年第8期,参考文献略)
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