[آب و تصفیه آب] - اصول طراحی در سیستم های اسمز معکوس

[P O U R I A]

انتخاب طول محفظه‌ المنت غشا
در سيستمهاي اسمز معكوس با آرایش حلزوني طول ظرف استوانه تحت فشار یا مدول در برگیرنده المنتها که گاهی پوسته نگهدارنده نامیده می­شوند، متغیری است که بیشترین تأثير را روی طراحي سایر اجزاء سیستممی­گذارد. طراحی مدول روی طراحی ساختار فلزی سیستم، هیدرولیک جریان در سیستم و طراحی پمپهای فشار بالای سیستم 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 5 فوت از هر طرف مدول پیشنهاد می­شود. این فاکتور احتمالاً طول مدول مورد استفاده برای سیستم را تحت تأثیر قرار می­دهد.
از نظر اقتصادي، مقرون به صرفه است كه تا حد امكان از طويلترين محفظه‌ المنت استفاده شود، زيرا در اين صورت، تعداد آنها به حداقل مي‌رسد. به هرحال به علت ظرافت در كار، براي سيستمهاي كوچك اسمز معكوس از تعداد محفظه‌ المنت بيشتر و با طول كمتر استفاده مي‌شود. به عنوان مثال سه پوسته نگهدارنده (مدول) با طول 80 اينچ تصویر زیباتری نسبت به یک مدول با طول 240 اينچ خواهد داشت. همچنين حمل و نقل آن آسانتر بوده و فضای كمتري را برای نصب اشغال مي‌نماید.
محفظه‌هاي المنت براي كار در فشارهاي مشخصي طراحي مي‌شوند. 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 مي‌شود.
از مزاياي محفظه‌هاي المنت فولاد زنگ نزن فشار قوي اين است كه از نظر اسكلت ساختماني، قادر به داشتن مدخل ورودي و خروجي از پهلو مي‌باشند. لوله‌هاي ورودي و خروجي شاهراه مي‌توانند به كناره‌هاي 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. يكي از مزاياي استفاده از محفظه‌ المنت تحت فشار از جنس فولاد زنگ نزن، صلب بودن چهارچوب نگهدارنده RO است.
براي كاربرد در فشارهاي پايين، محفظه‌ المنت انتهاي باز از جنس فولاد زنگ ‌نزن عمدتاً گرانتر از نوع فايبرگلاس هستند. براي سيستم RO با المنتها غشا از نوع حلزوني با قطر 2 اينچ، ارزانترین محفظه در دسترس، مدولهای از جنس پلی ونیل کلراید (PVC) می­باشد.

محفظه (مدول) از جنس فايبرگلاس با ابتدا و انتهاي باز​

اسكلت ساختماني RO
با توجه به اسكلت ساختماني هريك از قطعات RO ، استحكام آنها بايد به اندازه‌اي باشد كه قابل حمل و نقل باشند. اسكلت بايد به اندازه‌ كافي صلب باشد تا هم محوري الكتروموتور و پمپ فشار قوي را حفظ كند و نيز به خوبي از محفظه‌هاي المنت غشاها و اتصالات لوله‌هاي ورودي و خروجي محافظت كند. همچنين بايد به اندازه كافي صلب باشد تا از وقوع ارتعاشات جلوگيري كند.
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 فايبرگلاس استفاده مي‌شود. فولاد زنگ نزن، اغلب در صنايع دارويي و غذايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
يك سيستم كوچك RO با توجه به وزنش مي‌تواند توسط چهار چوبي كه از ميله‌هاي 4 و 6 اينچي ساخته شده، نگه داشته شود. در سيستم‌هاي RO كه طول آن بزرگتر از 180 اينچ است، از ميله‌هايي با سطح مقطع (I) براي ساخت چهارچوب نگهدارنده استفاده مي‌شود (شكل 3). همچنين اسكلت بايد شامل ميله‌هاي قطري مورب باشد تا در طي حمل و نقل از سيستم محافظت كند. اسكلت نگهدارنده وسايل ابزار دقيق و تابلوهاي برق، مشابه اسكلت نگهدارنده‌ غشاها است و مي‌توان آن را از تيوبهاي 2 اينچي با ضخامت ديواره به اندازه‌ 3/16 اينچ 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.

نشيمنگاه يك سيستم اسمز معكوس كوچك​

اسكلت بايد طوري طراحي شود كه به راحتي توسط جرثقيل چنگك دار، قابل جابه‌جا شدن باشد. جهت حمل سيستمهاي بزرگتر به بالاي تريلي به جرثقيل نياز است و در صورت امكان براي بالا بردن اسكلت RO ، از يك چهارچوب در زير اسكلت استفاده مي‌شود. حلقه‌هاي بالاتر (يا گوشواره‌ها) بايد در مركز ثقل RO نصب شوند، هر چند كه ممكن است اسكلت ساختماني سنگين­تري براي اين كار لازم باشد، در عين حال از گوشواره‌ها مي‌توان 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.

نشيمنگاه يك سيستم بزرگ اسمز معكوس​

بايد سعي شود كه توزيع بار سيستم RO بر روي نشيمنگاه، به درستي انجام شود. در يك طراحي خوب نبايد الكتروموتور پمپهاي فشار قوي در قسمت انتهايي اسكلت نصب شوند. در غير اين صورت، به هنگام انتقال، سيستم به خاطر سنگيني بيش از حد، به سمتي منحرف مي‌شود كه الكتروموتور در آنجا نصب شده است.
اسكلت كربن استيل بايد از خلوص كافي برخوردار باشد تا هم از خوردگي جلوگيري شود و هم زيبا باشد. این اسکلت باید سند بلاست شده، شستشوي شيميايي و سپس با ضد زنگ نقاشي شود. در مرحله بعد پوشش با دو لايه اپوكسي با كيفيت بالا يا رنگ لعاب پيشنهاد مي­گردد (استفاده از رنگ لعاب آسانتر از اپوكسي بوده و پوششهاي پودري بادوامتر می­باشند).

 

[P O U R I A]

طراحي و جنس لوله ها
باید لوله­های فشار بالا کاملاً قادر به تحمل حداکثر پتانسیل فشار موجود در سیستم باشند. معمولاً از فولاد زنگ نزن براي ساخت لوله‌هاي تحت فشار بالا استفاده مي‌شود. 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 پلي وينيل دي‌فلورايد (PVDF) بکار می رود.
لوله‌هاي فولاد زنگ نزن در سيستم‌هايي كه جريان آب كم است نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در صورتي كه قطر لوله بيش از 3/4 اينچ باشد، خم و جفت كردن آن مشكل است. اگر قطر لوله زيادتر باشد، شاهراه از جنس فولاد زنگ نزن بايد از طريق جفت كردن و جوشكاري قطعات لوله‌هاي كوچكتر به يكديگر ساخته شود. اگر اين جوش توسط گاز بي ‌اثر تنگستن (جوشكاري TIG ) انجام شود، كربن كمتري در جوش به وجود مي‌آيد. سپس شاهراه توسط اسيد نيتريك غليظ در دماي (F 0 120) شستشوي شيميايي مي‌شود تا يك لايه‌ محافظ بر روي آن بوجود آيد. اين عمل، موجب دفع آهن و ساير آلودگي­ها تا عمق mm 1 مي‌شود و از تشكيل باقيمانده‌هاي حاصل از زنگ‌زدگي كه به راحتي در جوشهاي فولاد زنگ نزن كه بدون لايه محافظ قابل ديدن مي‌باشند، جلوگيري مي‌كند. امكان ساخت لوله‌هاي شاهراه با استفاده از جفت كننده‌هاي رزوه‌اي وجود دارد. اشكال اين نوع طراحي، نشتي زياد است و از نظر ساختماني، صحيح نيست و همچنين، ظاهر خوشايندي ندارد.
شيلنگهاي قابل انعطاف و مقاومي در دسترس است كه قادر به تحمل فشارهاي بالا هستند. شيلنگهاي قابل انعطاف، نه تنها دوام لوله‌هاي فولاد زنگ نزن را ندارد، بلكه ساختمان آنها از صلبيت لازم، برخوردار نيست. به هرحال، مزيت اين شيلنگها آن است كه به دليل انعطاف‌‌پذيري به راحتي انتهاي محفظه‌ المنت را به مركز شاهراه متصل مي‌كنند. بنابراين هنگام بازكردن ارتباط دهنده‌ بين انتهاي محفظه المنت و شاهراه در زمان صرفه‌جويي و انرژي كمتري نيز صرف مي‌شود. اگر شيلنگهاي قابل انعطاف در معرض تابش مستقيم نور خورشيد قرار گيرند (در سيستم‌هاي نصب شده در هواي آزاد)، تابش اشعه‌ ماوراي بنفش موجب شكنندگي شيلنگ مي‌شود و بايد هر دو سال يك بار تعويض شود.

در زمان انجام شستشوي شيميايي، بهتر است كه شاهراه فشار قوي مرحله مياني در دسترس باشد. اين كار را مي‌‌توان با مسدود كردن اتصالات انجام داد و يا اينكه يك شير توپي فشار قوي در داخل شاهراه نصب كرد. اين كار طي شستشوي شيميايي مي‌تواند مفيد واقع شود تا به وسيله آن محلول شيميايي قادر به چرخش در تك تك غشاها باشد، همچنين اين كار، امكان رسيدن به حداكثر سرعت تميز كاري در تمام محفظه‌هاي المنت را ميسر مي‌سازد.
در برخی موارد از شيرهاي توپي در مسير جريانهاي آب خوراك و دورريز محفظه‌هاي المنت مشخص استفاده مي‌شود. اين شيرها در سيستمهاي بزرگ RO به منظور ايزوله كردن محفظه‌هاي المنت به كار مي‌روند (سيستم‌هايي كه بيش از (gal/min 200) توليد آب محصول داشته باشند). خطر استفاده از شيرهاي ايزوله كننده اين است كه در زماني كه محفظه‌ المنت غشا ايزوله شده است و شير نشتي دارد، رسوبات حاصل از آب نشت كرده به درون غشا در تمام سطح آن ته نشين خواهد شد. همچنين، هميشه اين احتمال وجود دارد كه اپراتور در باز يا بستن شير اشتباه كند و در نتيجه توازن هيدروليكي سيستم به هم بخورد. بنا به دلايل فوق، استفاده از شيرهاي ايزوله كننده به غير از مواد خاص، پيشنهاد نمي‌شود.

شاهراه آب محصول سيستم اسمز مكعوس
تصوير بالا: لوله‌كشي صلب
تصوير پايين: لوله كشي قابل انعطاف​

 

[P O U R I A]

اندازه‌ لوله
قطر لوله بايد طوري انتخاب شود كه افت فشار جریان در لوله­ها، زانوئی­ها و سایر اتصالات از حد مجاز بیشتر نباشد. فشار برگشتي بيش از حد جریان محصول باعث برگشت جریان محصول به طرف خوراک غشا و از هم باز شدن لایه­های غشا در آرایش حلزوني می­گردد.
یکی از عوامل اصلی افت فشار در لوله­ها سرعت جریان غیر متناسب با قطر لوله و میزان جریان عبوری است. افت فشار در لوله‌هاي قطور كمتر خواهد بود، زيرا نيروي تنشي در ديواره‌ لوله پايين است. بنابراين در اين لوله‌ها سرعت آب زياد است، بدون اينكه افت فشار زياد باشد. در جدول زير رابطه‌ بين جريان، قطر لوله و سرعت نشان داده شده است.

Ft/sحداكثر سرعت​	قطر داخلي لوله (اينچ)​	Gal/minجريان​
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 مي‌شود:

Velocity = Flow/ 0.41 ID2​

در این رابطه:​

سرعت آب برحسب ft/s​

جريان برحسب gal/min​

ID قطر داخلي لوله برحسب اينچ​

محفظه‌هاي المنتي كه به طور كامل از المنت پر نشده‌اند
المنتهاي RO از نوع حلزوني جهت جمع‌آوري آب محصول، طوري طراحي شده‌اند كه به طور سري در داخل محفظه‌ المنت غشا به يكديگر متصل شوند. بنابراين ضروري است تا آب محصول فقط از يك طرف محفظه المنت دريافت شود. اگرچه ممكن است نوع بخصوصي از اتصال دهنده تيوب كه ورقه‌ پوچ يا المنت توخالي ناميده مي‌شود (شكل 6)، در محفظه‌هاي المنتي كه بطور كامل توسط المنت پر نشده‌اند، مورد نياز باشد. اين ورقه‌ پوچ، آب محصول المنت انتهايي را به درب پوش انتهايي محفظه‌ المنت متصل مي‌كند تا بدين طريق آب محصول از محفظه خارج شود.

شكل- 6. المنت توخالي​

 

[P O U R I A]

طراحي شاهراه آب محصول
جهت آگاهي از كيفيت آب محصول بايد يك شير نمونه‌گير در مسير آب محصول خروجي از هر محفظه‌ المنت غشا نصب شود. همچنين استفاده از Check Valve در انتهای مسیر فرعی هر یک از مدولها توصیه می­گردد. با این کار اولاً از احتمال برگشت آب به مدول در زمان راه اندازی جلوگیری بعمل می­آید. ثانیاً اگر شیر نمونه­گیر قبل از چک ولو باشد، امکان اختلاط آب محصول مدولهای مختلف در حین نمونه گیری از میان می­رود.


تقليل فشار زياد
از جمله اهداف تقليل فشار آب دور ريز RO ، كنترل دقيق سرعت جريان در زماني است كه افت فشار به ميزان Psid 800 (بسته به فشار سيستم RO ) وجود داشته باشد. هميشه بهتر است كه توسط يك شير يا اريفيس كه بدون ايجاد سر و صداي زياد قادر به انجام اين كار باشد، فشار را كاهش داد تا از تلاطمي كه در صورت استفاده از شير توليد خواهد شد، جلوگيري شود.
شيرهاي توپي معمولاً انتخاب خوبي براي اين منظور نيستند. اين شيرها براي كنترل جريان، طراحي نشده‌‌اند. در حقيقت به غير از ساختار بسيار محكم شير در طي زمان سرويس به علت افت فشار زياد، شير تمايل به بستن دارد. اگر زماني كه سيستم RO در حال كار است، شير بسته شود، مي‌تواند براي پمپ فشار قوي
خطر ساز باشد و جرياني كمتر از مقدار مورد نظر براي غشاها تأمين كند. شيرهاي توپي موجب ايجاد تلاطم مي‌شوند كه به نوبه‌ خود موجب ايجاد سر و صدا و احتمال خطر براي لوله‌هاي پايين‌دستي مي‌شود.
شيرهاي سوزني از جنس فولاد زنگ‌ نزن براي تقليل فشارهاي زياد كارآيي خوبي داشته و مخصوص اين كار طراحي شده‌اند. فولاد زنگ نزن بايد از نوعي باشد كه داراي غلظت كربن كمتري باشد و L 316 اين خاصيت را دارد.


طراحي 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 RO با 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 جريان عرضی از فولینگ و ترسیب روی سطح غشا جلوگیری بعمل آید.
اختلاف فشار در دو سر سيستم به حداقل ممكن برسد. اين اختلاف از نيروي رانش در انتهاي سيستم ناشي مي‌شود و بنابراين جريان آب محصول را كاهش مي‌دهد. همچنين اختلاف فشار بيش از حد، از نظر مكانيكي مي‌تواند به غشا آسيب وارد كند.
نرخ جریان غلیظ در المنتهای انتهائی در حد مطلوب باشد.
براي طراحي يك آرايش بخصوص، ابتدا دو چيز بايد مشخص شود (حداقل جريان تغليظ شده و حداكثر بازدهي المنت). امكان دارد مقدار جريان تغليظ شده بيش از آنچه در طراحي مشخص شده، باشد. البته این مسئله لزوماً يك مشكل نيست، اما پيامد آن احتياج به پمپ و انرژي اضافي دارد. اگر از سيستم‌هايي كه قادر به برگرداندن آب تغليظ شده به جريان آب خوراك باشند، استفاده نشود، پيامد آن، مصرف آب خوراك بيشتر، مجراي فاضلاب اضافي، مصرف بيشتر مواد شيميايي- كه براي پيش تصفيه مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند- خواهد بود.
آرایش 1-2 طرح معمول مورد استفاده در سیستمهای RO 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 يك سيستم اسمز معكوس چند پارامتر مي‌توانند بر دبي آب محصول RO تأثيرگذار باشد. اين پارامترها شامل دماي آب، غلظت نمك و فشار غشا در حين عبور جريان آب خوراك از سيستم شود.
براي سيستم‌هاي موجود RO ، امكان افزايش جريان آب محصول نيست، مگر اينكه اين افزايش در طراحي در نظر گرفته شده باشد. بنابراين، پيشنهاد مي‌شود كه دبي موردنظر آب محصول در حدي در نظر گرفته شود كه براي سيستم، خطري به وجود نيايد. براي سيستم RO مي‌توان تجهيزات كنترلي در نظر گرفت تا از توليد بيش از حد آب محصول توسط سيستم RO جلوگيري شود. معمول­يترين روش كنترل سيستم RO با توجه به مقدار آب محصول، اين است كه سيستم RO به صورت ابزار دقيق با سطح تانك آب محصول مرتبط گردد. اگر سطح آب در تانك بالا رود، RO از سرويس خارج شود و اگر سطح آب در تانك پايين باشد، RO در سرويس قرار بگيرد.
سيستم RO بايد طوري طراحي شود كه ظرفيت توليد آن بيش از مقدار آب محصول مورد نياز باشد. در عين حال، اين افزايش ظرفيت نبايد بيش از 50% كل مصرف باشد. اگر سيستم به صورت ابزار دقيق با تانك ذخيره آب مربوط گردد و تانك پر باشد در اين صورت، سيستم براي مدت زمان محدودي از سرويس خارج خواهد شد. اين كار مي‌تواند موجب رشد بيولوژيكي در سيستم RO شود كه نتيجه آن گرفتگي غشا و احتمالاً كاهش عمر آنها خواهد بود.


فشار رانش مطلوب غشا
فشار رانش غشا فشاري است كه براي توليد آب محصول مورد نياز است. تعيين فشار رانش مطلوب، بخشي از طراحي سيستم RO است كه با توجه به نوع غشا و شرايط عملياتي آن انتخاب مي‌شود. هرچه فشار، افزايش يابد، جريان آب محصول بيشتر و دفع نمك بهتر است. با افزايش فشار، برق بيشتري مصرف شده، سرعت گرفتگي غشا افزايش یافته و در نتيجه عمر غشا كاهش مي‌يابد. علاوه بر اين در فشارهاي بالاتر ممكن است احتياج به محفظه‌ المنت يا لوله‌هاي مخصوصي باشد.
غشاي سلولز استات اغلب در فشارهاي زير 500 تا Psig 1000 كار مي‌كند. در فشارهاي بالاتر از Psig 500 فشردگي معمولاً موجب كاهش عمر غشا خواهد شد. در سيستم‌هاي بزرگ سلولزاستات و پلي­آميد در مواردي كه هدف، بازدهي بيشتر آب است فشار كاري Psig 200 و در مواردي كه هدف دفع نمك بيشتر است فشار كاري Psig 400 مي‌باشد.
سيستم‌هاي بزرگتر پلي سلوفان باردار يا پلي­آميد به منظور افزايش بازدهي انرژي و كاهش سرعت گرفتگي در فشار Psig 200 مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرند؛ در نتيجه در اين نوع سيستم‌هاي RO از محفظه‌هاي المنت تحت فشار ارزانتري در مقايسه با آنهايي كه در فشار Psig 400 كار مي‌كنند استفاده مي‌شود.
نيروي رانش براي محاسبه تقريبي دبي آب محصول المنت معين مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همچنين اگر ميزان نياز به شار آب محصول كم باشد، تعیین نيروي رانش پيشنهاد مي‌شود. فشار واقعي غشا بعد از تعيين ساير مقاديري كه تأثير در دبي آب محصول غشا دارند، محاسبه خواهد شد. همچنان كه تشريح شد،.

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

به طوري كه:
فشار رانش: فشار رانش مطلوب غشا
فشار طراحي: فشار رانش طراحي شده توسط كارخانه سازنده غشا
ضريب گرفتگي: عددي كوچكتر از يك که به منظور احتساب اتلاف آب محصول در اثر گرفتگي غشا مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
دبي طراحي شده: آب محصول توسط كارخانه سازنده غشا كه براي المنتهاي غشا انتخاب شده است.