CN102951704B - 一种反渗透海水淡化工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种反渗透海水淡化工艺及其装置，其中工艺包括以下步骤：用多段配置的反渗透膜组将海水分离成为浓海水和淡水，其中前一段的浓海水成为其下一段的供水；采用高效的正位移式能量回收装置回收浓海水能量；其中，第一段反渗透膜组的反渗透膜有效面积与其后各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第1段反渗透膜组的操作压力比m大于等于0.9且小于等于1.06。本专利提供的工艺提高了反渗透海水淡化系统的回收率。

Description

一种反渗透海水淡化工艺及装置

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，更具体地说，涉及一种反渗透海水淡化工艺及装置。

背景技术

反渗透海水淡化技术是利用反渗透原理对海水进行淡化处理的主要方法。淡化过程中，原海水通过增压经过反渗透膜组后被分离成浓海水和淡水。反渗透海水淡化装置具有结构简单、操作方便、无相变、海水淡化处理效率高和能耗低等优点越来越受到厂家的欢迎。

传统的反渗透海水淡化装置包括海水预处理装置和海水反渗透脱盐装置，海水预处理装置一般包括絮凝+沉淀/气浮池、过滤池/器、加药系统等，主要目的是去除海水中的沉淀物、胶体物质、悬浮固体、微生物等，防止反渗透膜的膜面发生结垢、污堵、氧化破坏等现象，影响处理效果；海水反渗透脱盐装置主要包括保安过滤器、高压泵、能量回收装置、反渗透膜组、压力管、反渗透水箱等，作用是将海水在高压的作用下经过反渗透膜组分离后得到淡水，并将分离后的高压浓海水中的能量进行回收。

由于一般海水淡化对浓海水的浓度没有要求，为了避免浓海水结垢，一般反渗透海水脱盐系统都设计为一段反渗透，回收率一般为45%左右，基本上不超过50%。

目前公开的反渗透海水淡化装置，由加压泵、多段反渗透膜组、能量回收装置及设置在相邻两段反渗透膜组之间的增压泵组成。其中：第n段反渗透膜组的操作压力P（n）与第n+1段反渗透膜组的操作压力P（n+1）之间的关系为1.15≤P（n+1）/P(n)≤1.8，第一段反渗透膜组的操作压力为7MPa以下，在60%回收率时，最后一段的操作压力约是12MPa。

上述反渗透海水淡化装置虽然相对于一段法反渗透海水淡化装置45％的回收率而言较高，其回收率达到了60％，但是该反渗透海水淡化装置存在以下问题：

第一个问题：在60%回收率条件下，第n段反渗透膜组的操作压力P（n）与第n+1段反渗透膜组的操作压力P（n+1）之间的关系要满足1.15≤P（n+1）/P(n)≤1.8，此时，第一段反渗透膜组操作压力最低为7MPa以下，而终段反渗透膜组操作压力在8MPa以上，最高为12MPa，较高的操作压力提高了海水淡化的运行成本。

第二个问题：第一段反渗透膜组的操作压力为7MPa以下，可以采用传统的1000psi的压力容器及膜元件，但是终段反渗透膜组的操作压力在8MPa以上，传统的压力容器的工作压力不能满足终段反渗透膜组操作压力的要求，必需采用特制的压力容器以满足运行压力的要求，而且反渗透膜组也必须采用耐高压膜，这势必大大增加整个项目的投资与采购难度。

而且，除了上述问题之外，上述的反渗透海水淡化装置的能量回收效率不高，单位体积海水淡化所消耗的能量和成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种反渗透海水淡化工艺及装置，提高了海水回收率，降低了单位海水淡化的能耗和成本。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种反渗透海水淡化工艺，包括以下步骤：

用多段配置的反渗透膜组将海水分离成浓海水和淡水；

采用段间增压泵对前一段反渗透膜组产生的浓海水进行加压后使其成为下一段的反渗透膜组的供水，并采用能量回收装置回收最终段反渗透膜组排出的浓海水的压力能；其中：第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围为大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06，相邻的两段反渗透膜组之间的浓海水加压范围为0.1～0.6MPa。

优选的，上述反渗透海水淡化工艺中，第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M为1.6，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m为1.01。

优选的，上述反渗透海水淡化工艺中，第一段反渗透膜组操作压力与最终段的反渗透膜组操作压力均不超过7MPa。

优选的，上述反渗透海水淡化工艺中，对每一段反渗透膜组产生的浓海水进行防结垢处理。

优选的，上述反渗透海水淡化工艺中，用多段配置的反渗透膜组将海水分离成浓海水和淡水之前还包括去除海水中的沉淀物、胶体物质、悬浮固体和微生物的预处理操作。

基于上述提供的反渗透海水淡化工艺，本发明还提供了一种反渗透海水淡化装置，包括过滤器、一段高压泵及多段反渗透膜组，相邻的两段反渗透膜组中，较前段的反渗透膜组的浓海水出口与较后段的反渗透膜组的进口相连通，且两者之间设置有段间增压泵，最终段的反渗透膜组的浓海水出口连接用于将该段产生的浓海水的压力能传递给原海水的能量回收装置，每段反渗透膜组的淡水出口通过管道汇总，其中：第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围为大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06，相邻的两段反渗透膜组之间的段间增压泵对浓海水的加压范围为0.1～0.6MPa，所述能量回收装置与第一段反渗透膜组的进水口之间的能回管道上的能回提升泵的提升压力为0.05～0.5MPa。

优选的，上述反渗透海水淡化装置中，还包括与第一段反渗透膜组的进水总管相连的阻垢剂投加系统。

优选的，上述反渗透海水淡化装置中，反渗透膜组的段数为两段。

优选的，上述反渗透海水淡化装置中，所述过滤器为保安过滤器。

相对于现有技术而言，本发明提供的反渗透海水淡化工艺及装置中，第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段的反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06，最终段的浓海水出口的压力几乎等于第一段反渗透膜组的进水压力，降低了系统的单位淡水的能耗和运行成本，提高了单位能耗的淡水回收率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的反渗透海水淡化工艺的流程图；

图2为本发明实施例提供的反渗透海水淡化装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种反渗透海水淡化装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心改进点是提供了一种反渗透海水淡化工艺及装置，提高了淡水回收率，降低了单位海水淡化的能耗和运行成本。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考附图1，本发明实施例提供了一种反渗透海水淡化工艺，包括以下步骤：

S101、用多段配置的反渗透膜组将海水分离成浓海水和淡水，每一段反渗透膜组产生的淡水汇总后通过淡水管道输送走；

S102、对前一段反渗透膜组产生的浓海水进行加压后使其成为下一段的反渗透膜组的供水，并采用能量回收装置回收最终段反渗透膜组排出的浓海水的压力能；其中：第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围为大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06。

相对于现有技术而言，本发明提供的反渗透海水淡化工艺中，第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段的反渗透膜组的操作压力之比m范围大于等于0.9且小于等于1.06，最终段反渗透膜组的浓海水出口的压力几乎等于第一段反渗透膜组的进水压力，降低了系统的单位淡水回收的能耗和运行成本，提高了淡水回收率。

具体的，上述反渗透海水淡化工艺中，第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M为1.6，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m为1.01。

为了使得整个反渗透海水淡化工艺的总能耗更低，上述工艺过程中可以控制第一段反渗透膜组的操作压力与最终段的反渗透膜组的操作压力均不超过7MPa，进而使得关键设备从反渗透膜组、压力容器、高压泵、段间增压泵均可以采用常规设备，从而大幅度降低系统投资和预处理系统的规模和能量回收系统的处理规模，使得反渗透膜组的脱盐电耗较经济，降低了整个项目的投资和采购难度。

更为优选的，在上述实施例中提供的工艺过程中，相邻的两段反渗透膜组之间的浓海水的加压范围为0.1MPa～0.6MPa，无需大功率的段间增压泵，甚至在有些项目设计要求中，也可以不设置段间增压泵。相对于现有的段间增压1～3MPa，本专利的工艺中段间升压较小，减小了系统的投资和运行能耗。

本发明实施例提供的反渗透海水淡化工艺中，每一段反渗透膜组产生的浓海水由于浓度的增大，都会或多或少地结垢，所以为了保证多段反渗透膜组的正常运行，需要对每一段反渗透膜组产生的浓海水进行防结垢处理。当然本发明实施例提供的反渗透海水淡化工艺中，为了降低整个工艺中各个设备的负荷，在用多段配置的反渗透膜组将原海水分离成浓海水和淡水之前还包括去除海水中的沉淀物、胶体物质、悬浮固体、微生物等物质的预处理操作，即对进入整个反渗透海水淡化装置中的原海水进行去除沉淀物、胶体物质、悬浮固体、微生物等物质的预处理操作，具体的与现有工艺的操作一样，可以将原海水依次通过絮凝池、沉淀/气浮池、过滤池、加药系统，进而去除原海水中的沉淀物、胶体物质、悬浮固体、微生物等，防止反渗透膜的膜面发生结垢、污堵、氧化破坏等现象。

基于上述反渗透海水淡化工艺，本发明实施例还提供了一种反渗透海水淡化装置，为了方便对技术的了解，现在将技术方案中出现的技术术语解释如下：

多段法反渗透海水淡化装置：原海水经第一段反渗透膜组处理后分离出淡水与浓海水，其中前一段反渗透膜组产生的浓海水成为其下一段反渗透膜组的进水，淡水由各段反渗透膜组分别收集。

一段高压泵：用于提供进入第一段反渗透膜组的部分高压原海水的脱盐动力。

段间增压泵：连接前一段反渗透膜组浓海水出口与其后一段反渗透膜组进口的泵，用于相邻两段反渗透膜组之间的浓海水的段间增压。

能量回收装置：把反渗透高压浓海水的压力能量回收再利用。

能回提升泵：进一步提升能量回收装置增压后的部分高压原海水的压力，使之与一段高压泵出口压力平衡。

保安过滤器：用于去除进入反渗透海水淡化装置中的直径5微米以上的颗粒，保护膜元件不受机械损伤。

本发明提供了一种反渗透海水淡化装置，包括过滤器、一段高压泵、多段反渗透膜组、相邻的两段反渗透膜组中，较前段的反渗透膜组的浓海水出口与较后段的反渗透膜组的进口相连通，且两者之间设置有段间增压泵，最终段的反渗透膜组的浓海水出口连接用于该段产生的浓海水的压力能传递给原海水的能量回收装置，每段反渗透膜组的淡水出口通过管道汇总，其中：第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06。

具体的，反渗透膜组的段数可以为两段，现在结合附图2对反渗透膜组的段数为两段时的具体结构进行说明，对于段数大于两段的反渗透海水淡化装置之间的部件关系参考两段反渗透膜组的海水淡化装置即可。

附图2所示的反渗透海水淡化装置，包括保安过滤器1、一段高压泵2、能回提升泵7、第一段反渗透膜组3、段间增压泵4、第二段反渗透膜组5和能量回收装置6，其中：保安过滤器1的进水口与原水总管10相连通，保安过滤器1的出水口与一段高压泵2及能量回收装置6的低压原海水进口18相连通，用于去除进入整个反渗透海水淡化装置的直径为5微米以上的颗粒，保护膜元件不受机械损伤，保证反渗透海水淡化装置对海水的基本要求，当然上述还可以采用其他的过滤器替代保安过滤器，只要能够满足反渗透海水淡化系统的要求即可。一段高压泵2的进水口与保安过滤器1的出水口相连，出水口与第一段反渗透膜组3进水口相连。作用在于提供进入第一段反渗透膜组3的部分高压原海水的脱盐动力。

第一段反渗透膜组3的进水口与一段高压泵2出口及能回提升泵7出口相连通，一段淡水出口11产生的海水汇集到水箱，一段浓海水出口12与段间增压泵4进口相连通。第一段反渗透膜组3用于脱盐产出大部分淡水，并将原海水浓缩，一般第一段反渗透膜组3的回收率约在45%左右。

段间增压泵4的进水口与第一段反渗透膜组3的一段浓海水出口12相连，出水口与第二段反渗透膜组5进口相连通，用于提高一段浓海水的压力，使第二段反渗透膜组5能产出更多的淡水。

第二段反渗透膜组5的进水口与段间增压泵4的出口相连通，二段淡水出口13与水箱相连通，二段浓海水出口14与能量回收装置6的高压浓海水进口15相连。作用在于进一步从一段浓海水中提取部分淡水，并使二段浓海水盐度更高，提高了淡水产出率。

能量回收装置6的高压浓海水进口15与第二段反渗透膜组5的二段浓海水出口14相连，低压浓海水排口16与低压浓海水排放阀9相连通，高压原海水出口17与能回提升泵7进口相连通，低压原海水进口18与保安过滤器1的出口相连通。作用在于将二段浓海水中所具有的压力能回收，传递给进入第一段反渗透膜组3的部分原海水。

能回提升泵7的进口与能量回收装置6的高压原海水出口17相连，出口与第一段反渗透膜组3进口相连，提升泵的提升压力为0.05～0.5MPa。用于进一步提升能回增压后的部分高压原海水的压力，使之与一段高压泵2的出口压力平衡。

为了进一步优化上述装置的性能，上述反渗透海水淡化装置还包括阻垢剂投加系统8，其出口与第一段反渗透膜组3进水总管相连通，作用在于投加阻垢剂，防止浓水侧发生结垢。

在本发明提供的其他实施例中，原水总管10也可以分两路，另一路原海水也通过保安过滤器与能量回收装置6的低压原海水进口18相连，请参考附图3，具体的两路原海水管道中的保安过滤器可以为不同型号的。

本发明提供的反渗透海水淡化装置的工作过程如下：原水总管中的海水经前面增压后进入到本装置中，当达到一定压力后开启能回提升泵，使低压原海水进入第一段反渗透膜组，待段间增压泵前管道达到一定压力后，开启段间增压泵，使低压原海水进入下一段反渗透膜组中，并最终进入到最终段反渗透膜组中，最终段反渗透膜组的浓海水驱动能量回收装置运行，换能后的浓海水通过排放阀排放，期间将各段反渗透膜组及能量回收装置中的空气排出，运行一定时间后逐步开启一段高压泵，使第一段和后面各段反渗透膜组逐渐产水，逐步提高一段高压泵压力使一段和后续各段反渗透膜组达到额定产水量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种反渗透海水淡化工艺，其特征在于，包括以下步骤：

用多段配置的反渗透膜组将海水分离成浓海水和淡水；

采用段间增压泵对前一段反渗透膜组产生的浓海水进行加压后使其成为下一段的反渗透膜组的供水，并采用能量回收装置回收最终段反渗透膜组排出的浓海水的压力能；其中：第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围为大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06，相邻的两段反渗透膜组之间的浓海水加压范围为0.1～0.6MPa。

2.根据权利要求1所述的反渗透海水淡化工艺，其特征在于，第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M为1.6，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m为1.01。

3.根据权利要求2所述的反渗透海水淡化工艺，其特征在于，第一段反渗透膜组操作压力与最终段的反渗透膜组操作压力均不超过7MPa。

4.根据权利要求1所述的反渗透海水淡化工艺，其特征在于，对每一段反渗透膜组产生的浓海水进行防结垢处理。

5.根据权利要求2所述的反渗透海水淡化工艺，其特征在于，用多段配置的反渗透膜组将海水分离成浓海水和淡水之前还包括去除海水中的沉淀物、胶体物质、悬浮固体和微生物的预处理操作。

6.一种反渗透海水淡化装置，其特征在于，包括过滤器、一段高压泵及多段反渗透膜组，相邻的两段反渗透膜组中，较前段的反渗透膜组的浓海水出口与较后段的反渗透膜组的进口相连通，且两者之间设置有段间增压泵，最终段的反渗透膜组的浓海水出口连接用于将该段产生的浓海水的压力能传递给原海水的能量回收装置，每段反渗透膜组的淡水出口通过管道汇总，其中：第一段反渗透膜组的反渗透膜的有效面积与其后面的各段的反渗透膜组的反渗透膜总有效面积之比M的范围为大于等于1.3且小于等于3，第N+1段反渗透膜组的操作压力与第一段反渗透膜组的操作压力之比m的范围大于等于0.9且小于等于1.06，相邻的两段反渗透膜组之间的段间增压泵对浓海水的加压范围为0.1～0.6MPa，所述能量回收装置与第一段反渗透膜组的进水口之间的能回管道上的能回提升泵的提升压力为0.05～0.5MPa。

7.根据权利要求6所述的反渗透海水淡化装置，其特征在于，还包括与第一段反渗透膜组的进水总管相连的阻垢剂投加系统。

8.根据权利要求6或者7所述的反渗透海水淡化装置，其特征在于，反渗透膜组的段数为两段。

9.根据权利要求8所述的反渗透海水淡化装置，其特征在于，所述过滤器为保安过滤器。

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