1、化工原理课程设计反渗透法淡化海水 反渗透法淡化海水厂专业:班级:姓名:指导老师:化工原理课程设计任务书设计一个日产500吨级的海水淡化工厂。画出工艺流程、设备配置图。要求：（1）采用反渗透法。 （2）进水管道，处理间，输出管道，设备室，尾水管道等。 （3）海水采样，外部供电。 （4）计算成本。一、题目及专题1、题目：反渗透法淡化海水厂课程设计2、专题：半透膜加压进行海水淡化二、设计依据、条件1. 半透膜的性能是只让淡水通过，不让盐分通过。如果不施加压力，用这种膜隔开咸水和淡水，淡水就自动地住咸水那边渗透。我们通过高压泵，对海水施加压力，海水中的淡水就透过膜到淡水那边去了，因此叫做反渗透，或逆渗
2、透。2、生产能力：自定3、设备形式：海水淡化泵4、以及工化工生产的其他网上资料5、指导老师，三名同学，电脑，绘图工具三、设计项目、要求1、选择（或设计 ）生产规模，进行成本计算。2、要求：说明书一份，工艺流程图一张，设备结构或工作原理示意图12张学校： 学院： 班级： 组长： 组员： 日期： 指导老师：1. 前言-1 2.设备选取及研究-32.1降低海水淡化费用的预处理方法-3 2.2海水反渗透系统的能量回收装置及其功效-52.3高压泵选型的优化-72.4海水淡化反渗透复合膜元件的制备-10 3.反渗透设备及参数，流程图-12 1.反渗透设备-12 2产品参数-13 3设备功能-14 4.工艺
3、流程图-15 5.应用领域-15 6.反渗透设备构成-16 7.反渗透膜分离技术的特点-174.计算-18 4.1 耗电费用-18 4.2.设备费用-184.3.设备维修费用-185.总结-196.参考文献-20第一章 前 言水是生命之源，所有的社会都依赖于水，有水地球上的万物才得以生存、生长。如果缺少石油和其他燃料，我们可以用其他能源来替代，如果没有干净的可饮用水，那我们就完了。安全的淡水是维持地球上生命的基本要素。淡水资源是地球水圈的基本构成部分,是所有陆生生态系统不可缺少的一部分。基于其在地球上存在位置的不同，可以将淡水资源分为地表水资源、地下水资源和土壤水资源。根据科学调查研究结果获悉
4、，我们人类生存的这颗星球的水资源总量达约13.86亿立方千米之巨,但其中淡水仅占水资源总量的2.5%（约0.35亿立方千米）。而全球淡水资源总量中69.5%（约0.24亿立方千米）是以人类难以利用的诸如冰川、永久积雪、永久冻土层中的冰等固态形式存在的。国际自然及自然资源保护联盟孟加拉代表爱农尼沙特在研讨会上说：“如果将世界上所有的水比喻为盛在一加仑罐子里的水，可供人使用的淡水量只相当于一汤匙大约是总量的0.75%。”在21世纪的开端，地球上有10多亿人根本喝不上干净的水。大约24亿人得不到足够的可饮用水，每年大约还有340万人死于与水有关的疾病。难怪有识之士惊呼：人类面临的下一个生态危机将是淡
5、水资源短缺!地球上的淡水资源分配极不均衡。有些地区大水泛滥，有的地区却因干旱而导致居民死亡或者沦落成难民而举家迁移。加拿大有着与中国同样多的水资源，然而加拿大的人口只有中国的2.5%，人均淡水量远高于中国。在干燥的博茨瓦纳，水是如此宝贵以至于用“雨水（Pula）”命名自已的货币。水污染是全球淡水资源面临的又一大威胁。清洁、充足的水是极其宝贵的。没有清洁、充足的水，我们就不能生存。但是我们却把水源作为废物倾倒场，每年向湖泊、河流和海洋倾倒数十亿吨的化学品、金属和有机污染物。在几乎两个世纪以前，本杰明富兰克林就曾经说过，只要水井不干，我们就不会了解水的真正价值。今天，我们一方面在消耗着越来越多的水
6、，另一方面还在继续忽视水的重要性。不但全世界水井的水位都在下降，而且水体也被污染，有时达到不能饮用的程度。基于所有这些原因，我们需要保护和恢复我们的水质。目前，水正在变为非常重要、稀有的资源，以致于卷入了国家安全事务。淡水既存在数量问题，也存在质量问题和水生态系统的严重失调问题。全球面临着严峻的水危机，直接危及人类的生存和发展。据一份最新的报告预测，到2025年，全球有一半人口将面临淡水资源的严重缺乏。世界水事委员会提醒大家：“此时此刻，我们面临着世界水资源短缺的危机，而且这种危机只会越来越严重。如果解决不了水源短缺的问题，结果将是粮食价格上升，缺水的国家不得不用昂贵的价格进口粮食，然而缺水的
7、国家大多贫穷落后。”饥饿和干渴也与政治动荡和经济增长缓慢紧密相关。第二章 设备选取及研究一 降低海水淡化费用的预处理方法 在全世界淡水资源越来越短缺的时候，通过海水淡化获取饮用水的要求日益迫切。用反渗透(reverse osmosis，RO)膜淡化海水的主要缺点是费用昂贵，它传统的水处理费用多23倍，这是反渗透膜污垢积累速度太快造成的。但是，美国家环境工程公司美华集团的曼尼施库马、赛玛尔阿达姆，和圣迭戈市水务局的威廉皮尔斯，联名在2006年第6期环境科学与技术杂志上发表的文章中，提出了一种用微孔过滤膜对海水进行预处理的新方法，能大大降低整个淡化处理过程的费用。 文章的主要作者美华集团高级工程师
8、曼尼施库马说，新方法与传统观念相悖，传统观念认为膜处理要比普通的预处理贵得多；不过，较好的预处理方法将减少膜上积累的污垢，因此微孔过滤膜的过滤效果将得到提高，这个环节是海水淡化过程中最昂贵的部分，因为过滤消耗的能源最多。 美国垦务局水处理、工程和研究小组负责人凯文普莱斯说：“膜上的污垢来源很多，包括附着在膜上的生物、海水中的悬浮物和沉淀在膜上的盐分。这层污垢增加了膜的阻力，使水难以通过反渗透膜，这意味着更高的能源消耗和清洁费用。在一些情况下，这些污垢甚至无法清理。”因此，防止反渗透膜积累污垢是用反渗透技术淡化海水的关键。在对海水反渗透膜污垢积累过程的第一次系统研究中，曼尼施库马和他的同事们用圣
9、迭戈湾的海水做了实验。他们在实验室中发现，直径大于1微米的颗粒物质可以通过许多常规的预处理系统，而正是它们形成了反渗透膜上的污垢。常规的预处理通常包括凝聚、絮凝和沉淀，然后用介质过滤法过滤，比如用沙子等介质过滤。曼尼施库马和他的同事们观察到，在用微孔过滤膜(微孔直径为01微米)和超膜预处理海水时，污垢积累速度大大降低。他们没有发现用这两种膜过滤后，最终流经反渗透系统的水流有什么其不同，这意味着，使用超滤膜后所带来的微小效益与其所增加的成本根本不相匹配。反渗透膜的主要生产商海得能公司研发部副总裁克雷格巴特斯说，这些发现确证了以前许多人所做出的猜测，并且对人们所期待的优势给出了一些量化的数据。他注
10、意到，很多具有常规预处理功能的海水淡化系统运行良好。但是对于那些另外的常规方法效果不佳的地方，“膜预处理方法将有助于解决反渗透膜污垢积累问题，从而延长其使用寿命。” 普莱斯注意到，目前的情况是“利用微孔过滤超滤进行海水预处理的淡化工厂少之又少，我认为主要是因为人们仍然认为它费用高昂。”他补充道，随着微孔过滤法和超滤法在饮用水生产中的日益普及，膜预处理系统的费用最终会降下来，这将成为低成本、高收益的海水淡化途径。二 海水反渗透系统的能量回收装置及其功效 2001年3月21日，国际海水淡化会议指出，目前世界上淡水供应危机重重，但只要有能源、电力和资金，人类完全可以依靠淡化海水以保障自身的淡水供应。
11、很明显，在诸多海水淡化方式中，降低能耗、节省能源、减少制水成本的处理方式是最为人们所关注的。实践表明，海水淡化采用反渗透技术在能耗方面占有很大的优势，如表l所示。表1海水淡化方式的能耗比较淡化方式 闪蒸法高效蒸馏电渗析 反渗透无能量回收有能量回收能耗 whm-314558 50 70 4 .5 由表1可见，尽管应用先进的反渗透海水淡化方式，欲有效地降低能耗，仍需采用能量回收这一十分重要的节能措施。一般在能量回收后可节能3 5左右，并使原来很高的排水压力降至通常的允许范围内。美国ERI能量回收装置 美国ERI海水淡化能量回收装置 型号处理能力立方米/小时(加仑/分钟)接头英寸交付尺寸毫米(英寸)
12、交付重量千克(磅)PX-22040-50(180-220)31219*1016*483(48*40*19)109(240)三 高压泵选型的优化高压泵是反渗透海水淡化中的关键设备，在反渗透膜选定的情况下，反渗透海水淡化系统的能耗指标主要取决于高压泵、提升泵和能量回收装置的能耗指标。目前，我国反渗透海水淡化产业刚刚起步，主要是摸索具有自主知识产权的反渗透工艺和关键的膜技术，所用高压泵主要依赖进口，国内目前没有适用于反渗透海水淡化的高压泵。在反渗透海水淡化装置中，电费占造水成本的12到23，设备投资占造水成本的14左右，高压泵是主要耗能设备，其电耗约占系统运行费用的35，是影响产品水成本的主要因素之
13、一。到2010年，我国海水淡化能力达到80100万m3/d，将有大量的高压泵要投入使用，如全部使用进口泵将使投资费用过高。国内的往复式柱塞泵、多级离心泵制造技术已经十分成熟，并被成功地用于油田注水、高压锅炉给水等行业，但这些产品不能直接应用于反渗透海水淡化工程，同时还存在效率不高、机型不经济等问题。为此，通过对不同类型泵的特性分析，合理选择不同规模下反渗透海水淡化用高压泵泵型，并结合对单机日产2500、5000吨能力的反渗透海水淡化装置的技术经济分析，找出最合适的高压泵泵型，进行提高效率的研究，这对逐步实现反渗透海水淡化关键设备的国产化和降低能耗，加速海水淡化的广泛应用及产业化进程，有着十分重
14、要的意义。 目前反渗透海水淡化处理系统中使用的高压泵主要有3种：往复式容积泵、多级离心高压泵和高速离心泵。这些产品在国外技术都已比较成熟，产品己系列化。往复式容积泵主要用于额定流量较低的场合，通常流量80m3/h，它的特点是：效率高，一般大于85，且高效率范围大，对应一定流量，可达到不同的扬程，基本上都可保证在高效率点工作。这一特点很适合反渗透海水淡化工况的需求。但往复式容积泵由于其结构复杂，体积庞大，对于流量大于180m3/h 的场合，失去其优越性。多级离心高压泵主要有以下几类：水平中开式多级离心高压泵，节段式多级离心高压泵和不锈钢冲压泵。水平中开式多级离心高压泵适用流量大于220 m3/h
15、的场合，流量越大，泵的效率越高，效率可达7585，特点是轴向推力小，维护保养方便，但制造成本高。节段式多级离心高压泵用于中等流量，80220 m3/h。效率在6580，特点是结构简单，体积小，重量轻，价格相对便宜。不锈钢冲压泵也只用于中小流量场合，通常流量95 m3/h，它的特点是：效率不高，一般小于70，但体积小，重量轻，操作维护方便。高速离心泵适用于小流量场合，1070 m3/h，泵效率为5075。特点是体积较小，但效率较低，噪音大。反渗透海水淡化系统的运行工况不同规模的反渗透海水淡化系统所用高压泵的流量是由其日处理量决定的，压力是根据膜的情况、水质、水温等情况而变化的，最高压力为64MP
16、a。表2列出不同规模海水淡化系统所用高压泵的参数。表2 不同规模工程所用高压泵的参数日产量吨500 10002500500010000流量m3/h 2343110 226430扬程m640640640640640 四 海水淡化反渗透复合膜元件的制备一11 膜的制备 复合膜以无纺布作为增强层，聚砜超滤膜作为支撑底膜，由水相和有机相经界面聚合而成。水相主要聚合单体为多胺类，有机相主要聚合单体为酰氯类。12 膜性能测试试验在55MPa测试压力下，温度为25时，采用35000mgL NaC1的水溶液作为原水，用错流过滤方式，测试海水淡化反渗透膜片的脱盐率和产水量。膜片测试系统中膜的有效面积为30cm2
17、，在55MPa压力下预压1h，然后收集30min内膜片的产水量并测量产水及进水中的含盐量，由此计算膜片的脱盐率和产水量。二 影响复合膜性能的主要因素1 支撑层底膜制备2 水相中胺单体浓度的影响3 水相pH的影响4 环境的温度和湿度5 聚合时间的影响6 热处理温度的影响7 元件的卷制三 膜元件的性能测试1. 操作压力对膜分离性能的影响2. 进水含盐量对膜分离性能的影响3. 进水温度对膜分离性能的影响四 结论通过调整水相多胺单体的浓度以及有机相酰氯单体的浓度可以制备出合格的海水淡化反渗透膜片，在膜片生产过程中严格控制单体浓度、环境的温度和湿度、pH值，聚合反应的时间以及不同时间不同的热处理温度的控
18、制可以实现海水淡化膜片的产业化生产。在元件卷制工艺中，采用合适的防渗漏技术可以保证膜元件的脱盐率与膜片的脱盐率的一致性从而获得合格的海水淡化膜元件。实际工程中的应用表明，通过上述工艺技术制备的国产海水淡化膜元件与进口膜元件的性能相当。 第三章 反渗透设备及参数，流程图1.反渗透设备2产品参数型号HD-5HD-10HD-20HD-25HD-50HD-100产水量(m3/d)5.010202550100产水含盐量(mg/L)700700700700700700进水含盐量(mg/L)400004000040000400004000040000外形尺寸长宽高（mm）120060017001300750
19、17001700800185019009001850220014001850280015001850装机容量(kw)2.54.57.08.018.030.03设备功能RO膜自动、手动冲洗；膜在机手动药物清洗；纯水高水位（或高压）自动停机，低水位（或低压）自动开机多级泵缺水保护；失压、欠压、过流、短路、断路、漏电保护。大型反渗透设备的工程设计，其任务是以合理的工艺流程和运行参数、较低的成本实现工程的预定目标，满足用户所需要的产水量及其水质指标。通过系统的设计，确定工艺流程和运行参数、相应的给水预处理系统、所需要的膜组件数量及其排列组合、所需其他配套设备及其大小具体由需求方的现场技术参数，日产水量
20、等具体情况来设计生产。因为各地水质的不同，用户要能够提供当地详细的水质分析报告，以确保设计出最合理、经济的配置，达到最佳的处理效果。反渗透工程设计是个较复杂的过程，设计诸多的变量，如原水的组分、ph值、温度、操作压力、回收率、膜的特性、能源价格等，技术参数都彼此有密切关系并相互影响。4.工艺流程图能量回收装置5.应用领域应用领域电力工业：锅炉补给水、冷却水坝电子工业：半导体工业超纯水、集成电路清洗用水、配方用水食品工业：配方用水、生产用水饮料工业：配方用水、生产用水、洗涤用水制药行业：工艺用水、制剂用水、洗涤用水、注射用水、无菌水制备化学工业：生产用水、废水处理饮水工程：超纯水制备、饮用水净化
21、石油化工：油田注入水、石化废水深度处理海水淡化：海岛地区、沿海缺水地区、船舶、海水油田等生产生活用水6.反渗透设备构成（预处理，反渗透主机，后处理部分）预处理常常由石英砂过滤装置，活性炭过滤装置，精密过滤装置组成，主要目的是去除原水中含有泥沙，铁锈 ，胶体物质，悬浮物，色素，异味，生化有机物，降低水的余氨值及农药污染 等有害的物质。如果原水中钙镁离子含量较高时，还需要增加软水装置，主要目的在于保护后级的反渗透膜不受大颗粒物质的破坏，从而延长透膜的使用寿命。反渗透主机主要由增压泵，膜壳，反渗透膜，控制电路等组成。是整个水处理系统中的核心部分，水质的好坏最主要也取决该部分。只要膜的型号及增压泵的型
22、号选取得当，反渗透主机对水中盐分的过滤能力都达到99%以上，出水电导率可保证在10us/cm(25d)以内。后处理部分主要是对反渗透主机制取的纯水作进一步的处理如果后续工艺接离子交换或去离子交换设备，则可以制取工业用超纯水，如果是用在民用直饮水工艺上，则常常接后置杀菌装置，；例如可以接纸外线杀菌灯或者臭氧发生器，从而使出来的谁可以直接饮用。7.反渗透膜分离技术的特点1. 常温不发生相变的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离，浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低。2. 反渗，较高的脱盐率和水回用率透膜分离技术杂质去除范围广，可截留粒径几个纳米以上的溶质。3. 利用低压
23、作为膜分离动力，因此分离装置简单，操作，维护和自控简便，现场安全卫生。所以反渗透水处理技术在电厂锅炉补给水处理，电子，半导体行业超纯水处理，化工及制药行业的纯水处理，食品饮料，饮用水处理，海水苦咸水淡化，冶金，轻工业，电镀及皮革等行业的废水处理等行业得到了广泛应用。第四章计算成本计算海水淡化吨水成本虽已经降到4至5元/吨左右，但相对于大部分沿海城市1至3元/吨的自来水价格而言，仍然偏高，这是因为海水淡化水价计算是按照工程成本计算，而自来水价格是政府指导价格，享受财政补贴。如果政府能加快水价改革，建立淡化水和自来水公平的竞争机制，充分发挥水价的杠杆作用，对使用海水淡化水享受价格优惠政策，对从事海
24、水淡化的企业给予减免税政策，对公益性海水淡化工程在用地、用电等实行优惠政策，势必会加快我国海水淡化的步伐。1.耗电费用一度电0.95元 30KW每小时 一天一吨0.95*24*30/100=6.84元能量回收装置节能36%，实际耗费6.8*0.64=4.35元2.设备费用一台100吨日产量100吨设备2.8万 5台耗费2.8*5=14万元3.设备维修费用每年每台9000元，五台9000*5=45000 第五章 总结 通过本次课程设计，我们小组在xxx老师的指导下成功完成了任务，当然由于我们的知识量有限，设计中还有许多不足之处，但我们在这个学习的过程中感受到了许多，我们发现只有通过自身的不断努力
25、才会有所提高! 海水淡化是一个很重要的工程，在这个水资源日益短缺的时代里，我们有理由相信，在未来的数十年里，海水淡化一定会成为最热门的工业之一！ 参考文献1,天津大学,化工原理,天津,天津科学技术出版社,1990年.2,华南理工大学,化工过程及设备设计,广州,华南理工大学出版社,1986年.3, 魏崇关,郑晓梅,化工工程制图,北京,化学工业出版社,1992年.4, 刁玉玮,王立业 编,化工设备机械基础,大连,大连理工大学出版社,1989年.5高凌云，降低海水淡化费用的预处理方法，现代物理知识-2006年4期18卷：71-716张松建，李志刚，张葆宗，海水反渗透系统的能量回收装置，电力设备，2006，7卷9期：102-1037. 叶晓琰 许国乐 胡敬宁反渗透海水淡化高压泵的优化选择，水处理技术，2008年9期34卷：79-81,918. 潘巧明 吴良英 毛彩华 陈阳初，海水淡化反渗透复合膜元件的制备，水处理技术，2007年 33卷 10期：58-60
