Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ФИЛИАЛ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
дополнительного профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ИНСТИТУТ
ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ»
(Челябинский филиал ФГАОУ ДПО «ПЭИПК»
Л.А. Николаева
ВОДОПОДГОТОВКА НА ТЕПЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ЧЕЛЯБИНСК
2015

2
Одобрено и рекомендовано к опубликованию кафедрой экс-
плуатации теплоэнергетического оборудования ТЭС Челябин-
ского филиала ПЭИпк.
Рецензенты
О.Г. Салашенко доцент кафедры ЭТО ТЭС
Р.Ш. Бускунов к.т.н., доцент.
Водоподготовка на тепловых электростанциях. Мембранные технологии/ Учеб-
ное пособие / Челябинск: ЧФ ПЭИпк, 2015. - 128 с.
Составитель – Л.А. Николаева
В пособии изложены прогрессивные методы водоподготовки с использо-
ванием технологий мембранного разделения. Описаны принципы, лежащие в
основе мембранных процессов. Изложены способы получения мембран и их ос-
новные производители. Даны, и подробно описаны технологические схемы
мембранных установок, особенности их эксплуатации.
Данное пособие предназначено для специалистов химических цехов ТЭС и
химслужб энергообъединений, проходящих обучение в институте повышения
квалификации. Пособие разработано для курса лекций «Современные методы
подготовки воды для подпитки котлов и систем теплоснабжения».
Февраль 2015 г.

Челябинский филиал Петербургского Энергетического Института
повышения квалификации руководящих работников и специали-
стов (ЧФПЭИпк), 2015.

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1
Введение
6 2
Общие положения
8 2.1
Классификация мембранных процессов
9 2.2
Структура мембран
9 2.3
Типы модулей
11 2.4
Режимы фильтрования
15 2.5
Материал мембран
17 2.6
Механизмы переноса компонентов через мембрану
19 2.7
Основные понятия мембранного разделения
21 3
Баромембранные процессы
24 3.1
Механизм разделения
27 3.2
Мембраны обратного осмоса
31 3.2.1
Требования к качеству входной воды
32 3.2.2
Конструкция мембранных модулей
33 3.2.3
Конфигурация установок обратного осмоса
37 3.2.4
Факторы, снижающие концентрационную по- ляризацию
39 3.2.5
Загрязнение мембран обратного осмоса
41 3.2.6
Технология очистки мембран обратного осмо- са
43 3.3
Мембраны нанофильтрации
47 3.4
Мембраны ультрафильтрации
49 3.4.1
Конструкция напорного модуля ультрафиль- трации
52 3.4.2
Качество воды вырабатываемой установкой ультрафильтрации
56 3.4.3
Рабочий цикл ультрафильтрационной уста- новки
57

4 3.4.4
Обратная промывка модуля ультрафильтра- ции
58 3.4.5
Химически усиленная обратная промывка мо- дулей ультрафильтрации
61 3.4.6
Химическая очистка модулей ультрафильтра- ции
64 3.4.7
Консервация модулей ультрафильтрации
71 3.4.8
Тест на целостность
73 3.5
Мембранный биореактор MBR с безнапорными мем- бранами
74 3.6
Мембраны микрофильтрации
75 4
Диффузионные мембранные процессы (дегазация)
79 4.1
Принцип действия мембранных контакторов
80 4.2
Конструкция мембранного контактора
81 4.3
Требования к рабочему газу и питающей воде
84 4.4
Критерии применения установок дегазации
85 5
Электромембранные процессы
87 5.1
Требования к мембранам электромембранных про- цессов
87 5.2
Классификация электромембранных процессов
90 5.3
Электродиализ
91 5.3.1
Режимы электродиализа
96 5.3.2
Предотвращение образования отложений на мембранах электродиализа
97 5.4
Электродеионизация
101 5.4.1
Технология процесса электродеионизации
103 5.4.2
Требования к качеству обрабатываемой воды 105 5.4.3
Конструкции модулей электродеионизации
107 6
Проектирование и эксплуатация мембранных систем
111

5 6.1.
Обоснование выбора технологии водоподготовки
112 6.2
Проектирование установок основанных на мем- бранных технологиях
115 6.2.1
Проектирование узла предочистки
116 6.2.2
Проектирование установок обратного осмоса
118 6.2.3
Эксплуатация мембранных установок
124 7
Основные производители мембран
126
Литература
129

6
1
Введение
Для подготовки обессоленной воды в настоящее время приме- няются в основном три метода: ионный обмен, выпарка и мембран- ные технологии. В два последних десятилетия все более широкое развитие получили мембранные методы очистки воды, отличающи- еся простотой технологического оформления, экономичностью и эффективностью. И если ионный обмен и испарители уже практиче- ски достигли вершин своего развития, то мембранные технологии очистки продолжают свое развитие, с каждым годом улучшая хими- ческую стойкость, экономичность, селективность, срок службы мем- бран.
Существует множество мембранных процессов разделения, основанных на различных принципах разделения и применимых для разделения элементов различных размеров. Однако все мембран- ные процессы имеют одно общее свойство, а именно мембрану, ко- торую можно рассматривать как селективно проницаемый барьер между двумя фазами. Разделение достигается благодаря тому, что один компонент переносится через мембрану со значительно боль- шей скоростью, чем другой компонент или компоненты. То есть
мембрана – это перегородка, обладающая свойством преимуще-
ственно пропускать определенные компоненты жидких или газо-
вых смесей. В основном перенос компонентов через мембрану про- исходит без химических реакций.
Отличие мембранного процесса разделения от процесса фильтрации заключается в том, что при фильтрации происходит разделение веществ, находящихся только в разных агрегатных со- стояниях (жидкость и твердое тело, газ и твердое тело, жидкость и газ). При мембранном разделении разделение веществ может про- исходить как для веществ, находящихся в разных агрегатных состо-

7 яниях, так и для веществ, находящихся в одном агрегатном состоя- нии. Второе отличие заключается в том, что при фильтрации про- дукт откладывается в виде кристаллического или аморфного осадка на поверхности фильтра, в то время как в мембранных процессах образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.
Мембранные процессы разделения имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими процессами разделения (ректификаци- ей, экстракцией, адсорбцией и другими):
- непрерывность процесса;
- низкие удельные расходы реагентов в процессе эксплуата- ции;
- технологичность и автоматизированность процесса;
- относительно низкие энергетические затраты;
- легкость сочетания с другими технологическими процессами;
- возможность масштабирования;
- легкость контроля.
К недостаткам мембранных процессов разделения относятся:
- концентрационная поляризация и отложение осадка на мем- бране (ее загрязнение);
- невозможность плавного регулирования производительности в широком диапазоне;
- - непродолжительный срок эксплуатации некоторых видов мембран;
- во многих процессах низкая селективность мембран.
В сравнении с ионным обменом мембранные технологии име- ют большее водопотребление и больший объем сточных вод, одна- ко солесодержание этого стока на несколько порядков меньше, чем солесодержание стока ионного обмена. Таким образом, увеличение

8 водопотребления водоподготовительной установкой компенсирует- ся снижением засоленности стока, что гораздо важнее в разрезе экологичности процесса.
Мембраны, используемые в мембранных процессах водопод- готовки должны удовлетворять следующим техническим требовани- ям:
- анизотропное строение и тонкое распределение пор по раз- мерам;
- высокая удельная производительность (проницаемость);
- высокая разделяющая способность по выделяемым компо- нентам (селективность);
- химическая стойкость к действию компонентов разделяемой системы, регенерирующим и стерилизующим реагентам;
- неизменность физико-механических и диффузионных харак- теристик в процессе эксплуатации и хранения (ресурс работоспо- собности);
- достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортирования и хранения мембран;
- отсутствие выноса материала мембраны в фильтрат;
- низкая стоимость;
- возможность утилизации мембран.
2
Общие положения
Исходный поток, подающийся на мембрану для разделения, называется сырье. Поток, прошедший сквозь мембрану, называется
пермеат. Поток, не прошедший через мембрану, называется ре-
тентат или концентрат.

9
2.1
Классификация мембранных процессов разделения
Движущей силой мембранного процесса разделения является градиент потенциала по обе стороны мембраны. В зависимости от параметра градиента мембранные процессы различаются на:
- баромембранные при разности давлений (ΔР) – микрофиль- трация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос;
- диффузионные при разности концентраций (ΔС) – диализ, пьезодиализ, осмос, первапорация, мембранное разделение газов;
- термомембранные при разности температур (ΔТ) – мембран- ная дистилляция, термоосмос;
- электромембранные при разности электрохимических потен- циалов (ΔЕ) – электродиализ, электродеионизация, электроосмос.
По задачам мембранного процесса они разделяются на:
- мембраны для концентрирования (необходимый продукт присут- ствует в низкой концентрации и растворитель должен быть отде- лен);
- мембраны для очистки (нежелательные примеси должны быть от- делены);
- мембраны для фракционирования (смесь должна быть разделена на два или более необходимых компонента).
2.2
Структура мембран
С точки зрения внутреннего строения все мембраны можно разделить на две группы – мембраны пористые и мембраны непо- ристые (сплошные или диффузионные). В пористых мембранах пе- ренос вещества осуществляется конвективным потоком в порах. В непористых, сплошных мембранах перенос вещества осуществля- ется диффузионным потоком. Пористые мембраны применяются в процессах обратного осмоса, микрофильтрации и ультрафильтра-

10 ции. Диффузионные мембраны имеют большое гидродинамическое сопротивление, поэтому их применяют для разделения газов и жид- ких смесей методом испарения через мембрану.
По структуре мембраны подразделяются на изотропные (с од- нородной структурой), анизотропные (с неоднородной структурой) или композитные (составные). Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производительностью, отсут- ствием закупорки пор в процессе их эксплуатации. Срок службы этих мембран определяется химической устойчивостью материала мембраны. В отличие от мембран с анизотропной структурой, для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взве- шенными частицами в составе разделяемых водных растворов.
Композитные мембраны состоят из основы (обычно пористой мембраны), на которую нанесен один или несколько селективных слоев (сплошных или мелкопористых мембран), отличающихся по химической природе от материала подложки. Их изготовляют с це- лью повышения прочности мембран и придания им проницаемости для определенных компонентов разделяемой смеси.

11
Симметричные (изотропные) мембраны
Изотропная пористая мембрана Непористая (плотная) мембрана
Асимметричные мембраны
Анизотропная мембрана
Тонкопленочная композит- ная мембрана
Мембраны различаются по форме – плоские, трубчатые, поло- волоконные. Плоские мембраны представляют собой листы, полот- на и ленты. Трубчатые мембраны – это цилиндры диаметром от 5 до 15 мм и длиной до 2 м. Половолоконные мембраны подразделя- ются на полые волокна (внутренний диаметр менее 0,5 мм) и капил- лярные мембраны (внутренний диаметр от 0,5 до 5 мм).
2.3
Типы модулей
На практике требуется создание очень больших поверхностей мембран, для этого мембраны объединяют в блоки, называемые

12 модулями. Существуют различные конструкции модулей. В плоско- рамных и рулонных (спиральных) модулях применяются плоские мембраны, тогда как в трубчатых, капиллярных и половолоконных модулях используются мембраны в виде трубок различного диамет- ра. Выбор типа модулей и, соответственно, конфигурации мембра- ны, определяется исключительно экономическими соображениями.
При этом учитываются тип разделения, легкость очистки, простота обслуживания, компактность системы, возможность ее масштабиро- вания и возможность замены мембран.
Плоскорамный модуль
Устройство мембранного аппарата плоскорамного типа: 1 – стальной кожух; 2 – крышка кожуха; 3 – мембранный элемент; 4 – коллектор пермеата (перфорированная стальная труба); 5 – проста- вочные листы с окнами для прохода среды; 6, 7, 8 – штуцеры соот- ветственно исходной смеси, ретентата и пермеата; 9 – металличе- ская сетка, на которую уложен слой герметика.