همیشه انجام کارهای بزرگ در ابتدا پیچیده به نظر می‌رسد. ولی اگر بتوان آن را به بخش‌های کوچک‌تری تقسیم کرد و قدم به قدم پیش رفت این کار بسیار ساده تر انجام می‌شود. طراحی سیستم اسمز معکوس صنعتی هم در ابتدا بسیار پیچیده به نظر می‌آید، بخصوص در مواردی که ظرفیت سیستم بالا باشد. ما در این مقاله می‌خواهیم اصولی را به شما آموزش دهیم تا بتوانید به راحتی هر نوع سیستم RO را با هر ظرفیتی به صورت درست و اصولی، و به سبک مهندسان و متخصصان شرکت DOW، طراحی کنید.

طراحی سیستم اسمز معکوس به صورت قدم به قدم

مهندسان شرکت DOW برای طراحی واحدهای اسمز معکوس صنعتی از یک روش قدم به قدم (۱۰ قدم) استفاده می‌کنند. البته ما هم برای سادگی بیشتر این ۱۰ قدم را به چهار بخش مجزا تقسیم بندی کرده ایم. بخش اول که قدم اول و دوم را شامل می‌شود به بررسی جریان‌های ورودی و خروجی سیستم‌ می‌پردازد.

اینفوگرافیک طراحی سیستم اسمز معکوس
اینفوگرافیک طراحی سیستم اسمز معکوس در ۱۰ قدم

قدم اول: تعیین مشخصات محصول مورد نیاز، و خوراک

مشخصات محصول

طراحی یک سیستم اسمز معکوس بر اساس مشخصات آبی که انتظار داریم به صورت محصول نهایی و تصفیه شده برای ما تولید کند، انجام می‌شود. منظور ما از مشخصات محصول حجم و کیفیت آب تصفیه شده‌ای است که روزانه نیازمند تولید آن هستیم. حجم آب مورد نیاز روزانه در اصطلاح دبی مورد نیاز گفته می‌شود که با واحد مترمکعب در روز (m3/d) تعیین می‌شود. همچنین کیفیت محصول مورد نیاز را با تعیین پارامتر TDS آن مشخص می‌کنیم. این اطلاعات را باید از کارفرما بهره برداری که قرار است از سیستم‌ استفاده کند، بگیریم.

مشخصات خوراک

بعد از تعیین مشخصات محصول، حالا باید مشخص شود که چه منبع آبی در اختیار داریم که سیستم‌ RO ما باید آن را تصفیه کند و آب با دبی وکیفیت مورد نظرمان را تولید کند. پس ما نیاز داریم ابتدا بدانیم نوع منبع آبی که در اختیار داریم چیست، و آنالیز دقیقی از آن را در اختیار داشته باشیم تا طراحی سیستم اسمز معکوس را شروع کنیم.

آنالیز آب خوراک اولین قدم طراحی اصولی سیستم اسمز معکوس

قدم دوم: تعیین الگوی جریان‌‌های سیستم RO

در حالت کلی سه نوع الگوی جریان برای سیستم‌های اسمز معکوس استفاده می‌شود: پیوسته، ناپیوسته و نیمه پیوسته. الگوی استاندارد جریان برای سیستم های آب شیرین کن اسمز معکوس صنعتی از نوع پیوسته است. در سیستم‌های پیوسته خوراک تنها یک بار از درون سیستم عبور کرده و با ممبران اسمز معکوس در تماس قرار می‌گیرد. در این حالت جریان تغلیظ شده (Concentrare) از سیستم خارج می‌شود.

الگوی جریان ناپیوسته برای سیستم‌های کوچکتر که ظرفیت پایینی دارند استفاده می‌شود. البته ممکن است در مواردی از این الگوی جریان برای سیستم‌های با ظرفیت بالا هم استفاده شود، تا بتوان با تعداد ماژول کمتری در سیستم به درصد بازیافت (Recovery) بالاتری رسید. سیستم‌های اسمز معکوس ناپیوسته الگوی متداول مورد استفاده در مواقعی هستند که خوراک مورد نظر پساب یا فاضلاب است.

پس در قدم دوم طراحی سیستم RO باید تعیین کنیم که کدام الگوی جریان برای ما مناسب تر است و بر اساس این انتخاب مراحل بعدی را انجام دهیم.

قدم سوم: معیار انتخاب بهترین ممبران برای شرایط موجود

ممبران تصفیه آب صنعتی اسمز معکوس را بر اساس موارد زیر انتخاب می‌کنیم:

  • نوع آبی که قرار است تصفیه کنیم
  • پتانسیل فولینگ آب خوراک
  • کیفیت محصول مورد نیاز
  • اولویت هزینه‌ سرمایه گذاری یا عملیاتی

اولین پارامتری که در انتخاب المان اسمز معکوس تاثیر دارد نوع خوراکی است که سیستم قرار است تصفیه کند. در سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی معمولا با دو نوع خوراک آب دریا و آب لب‌شور مواجه هستیم. به این ترتیب اگر خوراکی که قرار است تصفیه کنیم آب دریا باشد از ماژول‌های اسمز معکوس SW استفاده می‌کنیم، و اگر آب لب‌شور باشد از ماژول‌های BW.

معیار ما برای تشخیص اینکه خوراک ما در کدام دسته قرار می‌گیرد میزان TDS آن است. اگر TDS زیر ۱۰,۰۰۰ (mg/L) باشد آن را آب لب‌شور، و اگر بالاتر باشد آن را در دسته آب دریا قرار می‌دهیم.

قدم چهارم: انتخاب فلاکس طراحی سیستم RO

یکی از مهم‌ترین قدم‌ها در طراحی RO تعیین مناسب‌ ترین فلاکس برای طراحی است. با تعیین فلاکس در قد‌م‌های بعدی مشخص می‌کنیم به چه تعداد ماژول RO نیاز داریم تا سیستم ظرفیت تولید محصول مورد نیازمان را داشته باشد. فلاکس طراحی را بر اساس نوع آبی که به عنوان خوراک باید تصفیه کنیم و نوع پیش تصفیه ای که روی آن انجام شده تعیین می‌کنیم. شرکت DOW جدولی ارائه داده که کار را ساده کرده و بر اساس شرایط مختلف، محدوده‌ای که مجاز هستیم برای فلاکس در نظر بگیریم را مشخص کرده است.

جدول راهنمای انتخاب فلاکس غشا
جدول راهنمای انتخاب فلاکس غشا در طراحی سیستم اسمز معکوس

برای تعیین نوع پیش تصفیه‌ از پارامتر SDI استفاده می‌کنیم و از جدول مربوطه محدوده فلاکس طراحی را تعیین می‌کنیم.

قدم پنجم: به چه تعداد ماژول اسمز معکوس برای سیستم تصفیه آب نیاز داریم؟

تعداد ماژول‌هایی که باید درون سیستم اسمز معکوس قرار دهیم تا بتواند حجم آب مورد نیازمان را تصفیه کند به سطح فعال غشا (SE) ، فلاکس طراحی (f) و دبی محصول (Qp) وابسته است. وقتی که این سه پارامتر مشخص باشند از طریق رابطه زیر تعداد ماژول‌های مورد نیازمان (NE) را مشخص می‌کنیم.

فرمول محاسبه تعداد ممبران مورد نیاز در طراحی سیستم RO صنعتی
رابطه محاسبه تعداد ممبران مورد نیاز در طراحی سیستم اسمز معکوس

از طریق برگه مشخصات ماژولی که در قدم سوم تعیین کردیم، که در اینترنت و یا وب‌سایت شرکت سازنده موجود است، می‌توانیم سطح فعالی یا SE را تعیین کنیم. مثلا ماژول BW30-HRLE-440 معادل ۴۱ متر مربع سطح فعال غشا دارد. حد بالا و پایین محدوده فلاکسی که در قدم چهارم از جدول تعیین کردیم را در رابطه قرار می‌دهیم، که به ترتیب کمترین و بیشترین تعداد ماژولی که می‌توانیم در سیستم استفاده کنیم را برای ما مشخص می‌کند. ولی انتخاب دقیق تعداد ماژول مستلزم آنالیز با نرم افزار است که موضوع قدم دهم ما است.

قدم ششم: ممبران‌های اسمز معکوس را در چند PV قرار دهیم؟

حال که تعداد ماژول‌ها مشخص شد باید محاسبه کنیم که این تعداد المان ها را باید در چه تعداد محفظه فشار یا پرشر وسل (Pressure Vessel) قرار دهیم. قطعا می‌دانید که PV ها از نظر تعداد ماژولی که درون خود جا می‌دهند در ظرفیت‌های مختلفی، از ۱ تا ۸، ساخته می‌شوند. یکی از معمول‌ترین PV ها ظرفیت ۶ است. با تقسیم تعداد ممبران بر ظرفیت PV تعداد مورد نیاز را مشخص می‌کنیم.

بعضی مواقع عددی که به ما می‌دهد عدد صحیح نیست، در چنین مواقعی باید آن را به نزدیکترین عدد صحیح گرد کنیم. مثلا اگر رابطه تعداد PV را ۵.۸ محاسبه کرد، ما باید از ۶ عدد PV استفاده کنیم، و در نهایت تعداد ماژول‌ها را مطابق این تعداد PV تصحیح کنیم.

وقتی که درصد بازیافت سیستم RO از حدی بالاتر باشد (معمولا بالای ۵۰ درصد)، و یا خوراکی که در اختیار داریم کیفیت پایینی داشته باشد، لازم است تعداد المان‌های سری شده را افزایش دهیم تا سیستم به درستی کار کند. در این حالت سیستم را به صورت چند مرحله طراحی می‌کنیم، و تعداد PV هایی که داریم را طبق اصولی، که موضوع قدم بعدی است، بین این دو مرحله تقسیم می‌کنیم.

چگونه عملکرد سیستم اسمز معکوس را ارزیابی کنیم
>

قدم هفتم: محاسبه تعداد مراحل

برای اینکه بتوانیم به درصد ریکاوری مورد نظرمان دست پیدا کنیم شاید لازم باشد سیستم اسمز معکوس را به صورت چند مرحله بسازیم. در این حالت جریان تغلیظ شده مرحله اول (Concentrate) به عنوان خوراک مرحله دوم استفاده می‌شود. مثلا یک سیستم با پرشر وصل‌ های ۶ المانه را در نظر بگیرید. اگر این سیستم را به صورت دو مرحله بسازیم ۶ ممبران سری در مرحله اول و ۶ تا در مرحله دوم به ما می‌دهد، که در مجموع ۱۲ المان سری شده در اختیار ما قرار می‌دهد.

چطور بفهمیم به چه تعداد المان سری شده نیاز داریم؟

معیار ما برای تعداد ممبران یا المان سری شده درصد ریکاوری است که می‌خواهیم طراحی سیستم RO را بر اساس آن دهیم. هر چه درصد ریکاوری مد نظر ما بیشتر باشد تعداد المان سری شده بیشتری هم نیاز داریم. مثلا برای ریکاوری ۷۵ درصد در یک سیستم RO که قرار است آب لب شور را تصفیه کند نیاز داریم ۱۲ ممبران اسمز معکوس را در حالت سری قرار دهیم. پس بعد از تعیین این تعداد بر اساس ظرفیت پرشر وسل هایی که به کار برده‌ایم مشخص می‌کنیم چه تعداد مراحل نیاز است.

در سیستم‌هایی که قرار است آب دریا را تصفیه کنند (SW) نسبت به سیستم های تصفیه آب لب شور (BW) تعداد المان سری شده مورد نیاز بیشتر است.

یکی دیگر ار راه‌های افزایش درصد بازیافت در سیستم‌های تک مرحله استفاده از جریان برگشتی (Recycle) است.

حالا فرض کنید تصمیم گرفتیم سیستم مورد نظرمان را به صورت دو مرحله طراحی کنیم. سوالی که پیش می‌آید این است که چه تعداد از پرشروسل های موجود را مرحله اول قرار دهیم و چه تعداد را بفرستیم مرحله دوم؟ جواب این سوال موضوع قدم بعدی ما یعنی قدم هشتم از مراحل طراحی قدم به قدم سیستم اسمز معکوس است.

قدم هشتم: انتخاب نسبت بین مراحل (R)

اگر در مرحله قبل به این نتیجه رسیدیم که باید سیستم ما دو مرحله باشد، در این مرحله لازم است نسبت بین مراحل (R) را محاسبه کنیم. نسبت بین مراحل یعنی تعداد PV های مرحله اول به تعداد PV های مرحله دوم. برای یک سیستم با چهار پرشروسل در اولین مرحله و دو تا در مرحله دوم نسبت  بین مراحل ۲ (۲:۱) است. سیستم سه مرحله ای با ۴ پرشروسل در مرحله اول، ۳ تا در مرحله دوم و ۲ تا در مرحله سوم، دارای نسبت ۴:۳:۲ است.

نسبت بین مراحل R یکی از پارامترهای مهم در طراحی سیستم RO که تعداد المان های مرحله اول و دوم را تعیین می کند

انتخاب دقیق این نسبت اهمیت و تاثیر بسیار زیادی در عملکرد سیستم RO دارد. اگر این نسبت به طور اشتباه تعیین شده باشد خطاهایی در طراحی خواهیم داشت که نتیجه آن خرابی و افت عملکرد زود هنگام ممبران ها خواهد بود.

آنالیز و شبیه سازی سیستم RO صنعتی

بعد از انجام ۸ قدم که در بالا توضیح دادیم یک طرح کلی از سیستم داریم، ولی هنوز کار اصلی مانده است. حتی اگر تمام مراحل بالا را به دقت و بر اساس اصول انجام دهیم باز هم بعید است سیستمی که طراحی کرده‌ایم نتایجی که مورد انتظار ما است را به ما بدهد. چون هنوز ما خیلی از پارامترهای عملیاتی سیستم را نمی‌دانیم. پس حالا وقت آن رسیده که طراحی انجام شده را آنالیز کنیم تا عملکرد سیستم را قبل از اجر ارزیابی کنیم و اگر احیانا خطاهایی در طراحی ما وجود دارد آن ها را برطرف کنیم، که این‌ ها موضوع دو قدم باقیمانده یعنی قدم ۹ و ۱۰ هستند.

قدم نهم: آنالیز و شبیه سازی با نرم افزار

 برای شبیه سازی و آنالیز سیستم RO و ایجاد تغییرات تا رسیدن به نتیجه مطلوب حتما باید از نرم افزار طراحی RO استفاده کنیم. هر شرکتی که ممبران اسمز معکوس می‌سازد نرم افزار شبیه سازی عملکرد مورد نظر خودش را هم ارائه می‌کند. مثلا شرکت سازنده ممبران‌های فیلمتک دو نرم افزار برای این منظور ارائه داده است، نرم افزار ROSA و نرم افزار WAVE. البته نرم افزار WAVE قابلیت‌های گسترده تری دارد و در حال حاضر در دنیا از محبوبیت بالایی برخوردار است.

قدم دهم: بالانس کردن جریان پرمیت (permeate)

 بعد از آنکه سیستم طراحی شده را در نرم افزارهای آنالیزی شبیه سازی کردیم احتمالا یک روند کاهشی در جریان permeate از ممبران اول تا آخر در هر پرشروسل مشاهده می‌کنیم. این روند نزولی نتیجه افت فشار در مسیر عبور خوراک از ممبران ها و همچنین افزایش فشار اسمزی است، که در اثر تغلیظ شدن آب خوراک پیش می‌آید. البته شرایط مختلفی بر شدت این روند کاهشی تاثیر دارند. روند کاهشی جریان پرمیت معمولا منجر به خطاهایی در عملکرد سیستم RO می شود که در نرم افزار طراحی قابل مشاهده است.

ولی چنین شرایطی به هیچ وجه برای سیستم اسمز معکوس مطلوب نیست، و باعث می‌شود سیستم با ظرفیت خیلی کمتر از پتانسیل واقعیش کار کند. هدف از یک طراحی خوب، ایجاد تعادل در جریان تولیدی هر کدام از المان ها است. برای این منظور راهکار های مختلفی وجود دارد که یک طراح حرفه‌ای برای برطرف کردن خطاها از آن ها استفاده می‌کند.

برای ما بنویسید که آیا شما هم بر اساس همین اصول قدم به قدم طراحی سیستم RO را انجام می‌دهید؟ و اگر از این روش استفاده کرده‌اید برای دیگر افراد بنویسید که تا چه حد به بهبود کیفیت طراحی شما کمک کرده است؟

1 دیدگاه برای “طراحی سیستم اسمز معکوس به سبک مهندسان شرکت DOW

  1. عرفان گفته:

    سلام. تشکر بابت مطالب. لطفا منبع این محتواها را بیان بفرمایید تا بشود رفرنس داد. باتشکر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *