مبانی طراحی سیستم های اسمز معکوس (RO) با استفاده از سیستم طراحی ROSA

مبانی طراحی سیستم های RO با نرم افزار ROSA

نیاز مبرم به آب از یک طرف و محدودیت منابع آب شیرین در دسترس از طرف دیگر، استفاده از آب شور را در کانون توجه قرار می دهد، با عنایت به همین مسئله است که انتخاب روش بهینه جهت نمک زدایی از آب های شور ، ضروری می نماید . در این مقاله ، با توجه به رشد روز افزون استفاده از روش اسمز معکوس و استفاده نرم افزاری جهت طراحی بهینه، از نرم افزار ROSA که بیشترین کاربرد را جهت شبیه سازی سیستم اسمز معکوس دارا می باشد ، استفاده می شود.

 

شاخص دانسیته لجن ( Sludge density index (SDI

گل و لای و ذرات معلق و لجن از هر نوع که بر روی سطح غشاء انباشته می شود می تواند شامل رسوب هیدروکسید آهن، جلبک ها، محصولات خوردگی آهن، گل و لای کلوئید آلی، و برخی مواد خاص باشد. تست شاخص تراکم گل و لای (لجن) یک روش پذیرفته شده برای برآورد و اندازه گیری پتانسیل رسوب مواد جامد معلق است. و براساس واحد نفلومتری (N.U.T) بیان می شود. کلیه ذرات معلق و نا محلول در آب که دارای اندازه بزرگتر از 0.45 میکرون هستند با این شاخص اندازه گیری می شوند. در این روش حتی ذراتی که ایجاد کدورت نمی کنند نیز اندازه گیری می شود. بهترین عدد SDI برای ورود به ممبرانهای دستگاه اسمز معکوس , (بر اساس پیشنهاد سازندگان ممبران) کوچکتر از 3 است. در صورتیکه SDI آب ورودی به ممبران ، بزرگتر از 5 باشد در کمتر از چند هفته ممبرین ها با گرفتگی شدید و کاهش تولید مواجه می شوند و برای رفع مشکل طراحی , پیش تصفیه مناسب توصیه می گردد. در اندازه گیری SDI بر اساس کیفیت آب , می توان زمان 15 دقیقه را به 10 و 5 دقیقه نیز کاهش داد . زیرا در صورت بالا بودن SDI در مدت زمان 15 دقیقه فیلتر به کلی دچار گرفتگی شده و اندازه گیری زمان بعدی ممکن نمی شود . جدول زیر بر اساس SDI های مختلف، زمان مناسب T را نشان می دهد .

SDI Range	Time
20 - 0	5 Minute
10 - 0	10 Minute
6.67 - 0	15 Minute

اسکلت ساختمانی RO (شاسی سیستم اسمز معکوس)

با توجه به اسکلت ساختمانی هریک از قطعات RO ، استحکام آنها باید به اندازه‌ای باشد که قابل حمل و نقل باشند. اسکلت سیستم های اسمزمعکوس باید تا حد قابل قبولی استوار و محکم باشد تا بتواند هم محوری الکتروموتور و پمپ فشار قوی را حفظ کند و نیز به خوبی از لوله ها و اتصالات محافظت کند. همچنین باید به اندازه کافی محکم باشد تا از وقوع ارتعاشات جلوگیری کند. معمول ترین ماده مورد استفاده در ساخت اسکلت ، شاسی آهنی می باشد. البته در نواحی با نرخ خوردگی بالا نظیر محلهای شیرین سازی آب دریا از اسکلت فایبرگلاس استفاده می‌شود. فولاد زنگ نزن (استنلس استیل) ، اغلب در صنایع دارویی و غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک سیستم کوچک RO با توجه به وزنش می‌تواند توسط چهار چوبی که از میله‌های 4 و 6 اینچی ساخته شده، نگه داشته شود. همچنین اسکلت باید شامل میله ‌های قطری مورب باشد تا در طی حمل و نقل از سیستم محافظت کند. اسکلت نگهدارنده وسایل ابزار دقیق و تابلو های برق، مشابه اسکلت نگهدارنده‌ غشاها است . 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.

 

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 لوله ‌های تحت فشار بالا استفاده می‌شود. معمولاً اتصالات اصلی RO جوشی هستند. لیکن گاه از لوله و اتصالات پیچ و مهره ای هم 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 می کند، استفاده از لوله و اتصالات از جنس فولاد L 316 پیشنهاد می گردد. غالباً برای لوله و اتصالات فشار پائین سیستم RO از جنس PVC استفاده می شود. گاهی نیز برای سیستمهای تولید آب فوق خالص پلی وینیل دی ‌فلوراید (PVDF) بکار می رود.

 

پیش تصفیه در سیستم های اسمز معکوس RO :

با توجه به حساسیت بالای ممبران ها در دستگاه RO به انواع آلاینده ها، وجود یک سیستم پیش تصفیه قوی مهم می باشد. پیش تصفیه باعث جلوگیری از رشد باکتری ها در سطح ممبران و همچنین نشست ذرات درشت می شود و سبب افزایش طول عمر ممبرین ها می شود. برای انجام عملیات تصفیه بدون مشکل و با حداقل هزینه دو نکته باید توجه شود. 1) : طراحی پیش تصفیه مناسب 2) : انتخاب مناسب افزودنی های شیمیایی

 

واحدهای پیش تصفیه : 

1) : کلرزنی : تزریق کلردرآب خام ورودی، از رشد اجتماعات بیولوژیکی و باکتری در تمامی بخش های پیش تصفیه جلوگیری می کند. 

2): فیلتر شنی : حذف کدورت و مواد معلق در آب خام. 

3): فیلترکربنی : حذف کلر و ترکیبات آلی آب خام و باقیماندۀ کدورت در آب خام ورودی. 

4): فیلتررزینی : حذف سختی آب به منظورکمک در فرآیند آب شیرین کن وکاهش رسوب گذاری در پشت ممبران ها 5

5): پمپهای تزریق مواد شیمیایی : ممانعت کنندۀ رسوب در ممبران ها پمپ تزریق اسید به منظور تنظیم pH آب ورودی به دستگاه

6): فیلتر میکرونی یا فیلتر کارتریج : به منظور حذف باقیمانده کدورت، لازم به توضیح است که بدلیل آنکه ممبران های پلی آمیدی نسبت به کلر حساس می باشند باید در هنگام ورود به سیستمRO کلر آزاد حذف شود. کربنات کلسیم و رسوبات کلسیم سختی آب ، منشاء ایجاد رسوب در سیستم RO است و گفته می شود زمانی که قابلیت حل شدن یک نوع نمک از حد مطلوب تجاوز کند تشکیل رسوب بوقوع می پیوندد. بیشتر آبهای طبیعی می خواهند کربنات کلسیم را روی سطوح ممبران ته نشین کنند .نشست رسوب در RO علاوه بر تنگ شدن مجاری عبور آب و کاهش دبی سبب کاهش عمر ممبرین می شود (بدلیل شستشو های مکرر با مواد شیمیایی)، پس جهت بالا بردن عمر ممبران باید تا حد امکان سختی را حذف نمود برخی از روشهای حذف سختی عبارت است از : استفاده از ستونهای سختی گیر در قسمت پیش تصفیه سیستم اسمز معکوس

 

عملکرد پمپ های مورد استفاده در سیستم های اسمز معکوس RO

 

پمپ چیست : پمپ ها همواره جهت جابجایی مایعات علی الخصوص آب در شرایط کاری مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. پمپ وسیله ای مکانیکی است که انرژی مکانیکی را به سیال (آب) منتقل نموده و فشار آن را بالا می برد و این فشار برای غلبه بر اصطکاک های سیال با بدنه، لوله، شیرآلات، دیواره کانال و ....مصرف می شود، بدین صورت مایعات به محل مورد نظر منتقل می شوند. پمپ ها ، یکی از اجزای اصلی هر سیستم RO می باشند. این پمپ ها باید جریان یکنواخت برای ممبران های RO فراهم آورد. طراحی این پمپ ها باید به گونه ای باشد که نرخ جریان مورد نظر در فشار مطلوب سیستم را برای شرایط مختلف کاری و غشاء ممبرین ها تأمین نماید. مصرف انرژی پمپ های فشار قوی، یکی از موارد هزینه بر سیستم RO است. لذا بازدهی انرژی بالای این پمپ ها یکی از فاکتورهای اساسی در ارزیابی اقتصادی سیستم است. اغلب در سیستمهای RO با فشار کمتر از Psi 400 پمپ های سانتریفوژ مورد استفاده قرار می گیرند. پمپ های سانتریفیوژ یا گریز از مرکز از جمله پمپ های دینامیکی هستند که با چرخیدن یک پروانه در آن انرژی به سیال منتقل می شود، این پمپ ها همواره مقدار مشخصی از آب را در یک فشار ثابت و در هر موقعیتی تامین می کنند. در این پمپ ها هنگامی که آب به خارج پروانه رسید بیشترین سرعت را دارد، آنگاه با خارج شدن آب از پمپ سرعت به فشار تبدیل می شود. پمپهای سانتریفوژ دارای قابلیت تولید فشار و جریان پیوسته و یکنواخت هستند. لیکن در برخی مواقع برای ایجاد فشار بالای مورد نیاز در سیستم RO احتیاج به پمپی با پروانه بزرگ از لحاظ ابعاد یا پروانه استاندارد با سرعت بسیار زیاد است. در چنین مواردی از پمپ های سانتریفوژ چند مرحله ای استفاده می شود. فشار خروجی یک پمپ که در سیستمهای RO مورد استفاده قرار می‌گیرد، توسط منحنی آن پمپ مشخص می‌شود. دبی پمپ برابر با مجموع آب محصول، آب دور ریز و جریانهای برگشتی (Recycle) می باشد. منحنی پمپ به منظور انتخاب مناسب ترین پمپ جهت تأمین جریان و فشار لازم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سیستم های اسمز معکوس که جهت شیرین سازی آب دریا بکار می روند به دلیل خورندگی بالای آب دریا از پمپ های دانفوس ساخت آمریکا که جنس بدنه آن از جنس stanless still 316 می باشد استفاده می کنند. و همچنین پمپ های Lowara ، saeer ، Grunfos در سیستم های Brackish water استفاده می شود.

 

 

پرشروسل (Pressure vessels ) - محفظه ممبرین :

پرشروسل (Pressure vessels)، هوزینگ ممبران (Membrane Housing Pressure Vessels )، پوسته ممبران یا محفظه ممبران، محفظه‌ای است از جنس فایبرگلاس یا استیل که توان تحمل فشار بالا را دارد و وظیفه نگهداری و محافظت از ممبران را به عهده دارد. پرشروسل به‌اندازه ممبران ساخته ‌شده و ساختار آن متناسب با شکل ممبران است. در دو انتهای آن قطعه‌ای به نام درب وجود دارد که مجراهای ورود و خروج آب به ممبران در آن طراحی گردیده است به‌ طوری‌ که ممبران را به‌ سادگی آب‌بند نموده و سبب ایجاد فشار مثبت در داخل ممبران می‌گردد. از پرشروسل می توان در موارد زیر استفاده کرد : سیستم تصفیه آب اسمز معکوس ، صنایع و سیستم های نمک زدایی از آب دریا ، اولترافیلتراسیون ، نانوفیلتراسیون و ......

تفاوت پرشروسل ها در جنس پوسته ، ورودی و خروجی مواد ، محدوده عملکرد فشار ، محدوده عملکرد دما ، محدوده عملکرد PH ، اندازه و محل قرارگیری پورت های ورودی و خروجی می باشد.

انواع پرشر وسل های موجود بر اساس سایز: 4 اینچ و 8 اینچ

انواع پرشر وسل بر اساس محل قرارگیری پورت: پرشر وسل ساید پورت (side port)، پرشر وسل اند پورت (end port)

انواع پرشر وسل بر اساس برند : پرشر وسل کد لاین (codeline)، پرشر وسل وتک (vetec)

 

فلومتر (flow meter) یا دبی سنج : وسیله ایست که حجم مواد عبوری را نسبت به زمان اندازه گیری می کند. از فلومتر در بیشتر صنایع ازجمله صنعت تصفیه آب استفاده می‌شود. دانستن مقدار دقیق جریان عبوری سیال، مانند آب امری حیاتی است. و در سیستم های اسمز معکوس فلومتر برای آب ورودی در بعضی مواقع، فلومتر برای آب تصفیه شده ( تولید ) و همچنین فلومتر برای پساب در نظر گرفته می شود.