طراحی سیستم اسمز معکوس به سبک مهندسان شرکت DOW

زمان مورد نیاز: ۲۰ دقیقه.

چگونه اسمز معکوس بسازیم

1. تعیین مشخصات آب خوراک و محصول مورد نیاز

   در مرحله اول لازم است اطلاعات کاملی از مشخصات محصول یا جریان پرمیت که قرار است تولید کنیم، و مشخصات خوراکی که قرار است آن را تصفیه کنیم داشته باشیم. هر چه اطلاعات اولیه کامل‌تر و دقیق‌تر باشد کار شما به عنوان طراح آسان‌تر خواهد بود.
   
   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 و کیفیت 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.
   
   

2. 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.

3. انتخاب بهترین ممبران RO بر اساس شرایط موجود پروژه

   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.

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

5. محاسبه تعداد المان اسمز معکوس RO مورد نیاز

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

6. تعیین نوع، ظرفیت و تعداد پرشروسل (PV)

   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.

7. محاسبه تعداد مراحل (Stage) سیستم RO

   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.

8. 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.
   
   
   
   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.

9. آنالیز و شبیه سازی طراحی سیستم RO با نرم افزار

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

10. 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.