bodu.com

工程师博客

正文 更多文章

膜技术应用手册与实践技巧和提示(4)

²        水处理

硬度可以由碳酸钙(CaCO3)、硫酸钙(CaSO4)和硫酸镁(MgSO4)的沈淀作用来表示。它不只引起膜的问题,同时也是水处理中的最普通的问题。一般通过计算Langelier指数或StiffDavis指数来测量沈淀的危险性。然后测算采用预处理的可能性,如果Langelier指数是正值,则可认为水正在结垢。

一般可采用三种方法防止沈淀。

n        酸化作用

n        软化作用

n        加入阻垢剂

Ø        酸化作用

是一种比较老,且已被证实的方法。

硫酸价廉且有效,是大型系统中最常选用的酸。但如果钙含量高的话,也会引起硫酸钙沈淀。处理硫酸必须非常小心,使用硫酸比阻垢剂便宜许多。

盐酸相对来说贵一些。它具有腐蚀性,很少用于和水处理有关的抗沈淀剂。

有机酸如柠檬酸比较有效,但很少使用。

奇怪的是注射二氧化碳也可能有效。但由于较难处理所以很少使用。

额外加酸可以导致二氧化碳(CO2)释放,导致渗透加强。因此在反渗透系统前必须去除二氧化碳,而在反渗透之后必须用碱来调节pH值,以防止配管网络的腐蚀。

Ø        软化作用

是一种更新的工艺。

有一种离子交换介质用于钙和钠的交换。软化水中钠含量的增加将导致渗透液中钠含量的增加。此工艺需要大量高质量的氯化钠,而在离子交换中产生的含盐水的处理也是一个麻烦。

阻垢剂被用于控制水中的沈淀。

阻垢剂加入的量非常小,一般只有百万数量级。其工作原理是:阻止结晶化过程,而促使高度过饱和。有一个惊人的事实,例如:即使硫酸钡的浓度达到饱和度的30倍还不会沈淀。阻垢剂相当贵,因此配药必须非常正确。太少会导致沈淀,太多则浪费且有导致通量跌落的潜在危险。

氢氧化铁、铝和镁必须从进水去除。因为这些金属的氢氧化物的溶解度很低,一般在0.05mg/l。在氧饱和的水中,其pH值接近中性,则大多数的过滤方法都能有效去除铁、镁和铝。砂滤较常使用,因为砂滤器可以进行反洗。在小型系统中通常使用终端过滤(Dead end filtration)(袋式过滤器、过滤棒)

铁锈很容易去除,几乎可以使用任何类型的过滤器去除。如果铁锈发生在预过滤中,那最好找到起源,因为这表明有不溶解的离子,这会一起非常严重的问题。

腐殖酸污染会对所有类型的膜造成麻烦,但如果工作条件合适的话,膜也可以用于去除腐殖酸。一般方法很难去除或破坏腐殖酸,除了通过加入大剂量的次氯酸或者通过能量密集的光化学工艺。后者使用UV光和过氧化氢产生氢氧根,可以完全地击破所有的有机物质,将它们氧化成水和二氧化碳。一般防止腐殖酸污染膜的方法是保持低通量(<20Lmh),且经常清洗。这样可以避免使用或减少预处理设备。

二氧化硅通常存在于原水中,其溶解度随着温度而变化。如果二氧化硅沈淀引起麻烦,那一般有效的方法是使温度略微升高。也可以加入阻垢剂,这类产品的供货商承诺的二氧化硅浓度可达到300mg/l以上。

硫酸钙、硫酸钡和硫酸锶的溶解度都很低。硫酸钙(石膏)是一个很普遍的麻烦,特别在中东地区。而在地表水中针对硫酸钡和硫酸锶的实践较多。一般使用少量的阻垢剂就可以相当容易地防止沈淀,这种阻垢剂可以延缓或阻止结晶化,甚至可以在高于饱和浓度时确保膜系统中不发生沈淀。

砂砾可以通过沈淀或过滤很容易地去除。由于砂砾具有很强的研磨作用,因此必须在料液进入任何膜过滤系统前被有效去除。

给水和排水

冲洗用水必须同时满足流量和质量方面的要求。在超滤和微滤系统中所需水流量一般在1000LPM。在多数情况下,在很短时间内,4英寸水管可在膜系统中提供此水量,同时必须用一个分离水罐。

冲洗用水必须按其提供的同样的比率进行调整。因此,下水道或接纳这些冲洗水的系统都必须能接纳同样的流量。现存的下水道一般都无法满足这些需求,因此操作人员在冲洗时必须穿橡胶靴子,因为地板上经常到处溅满水。

以下冲洗用水的一般水质要求:

  <0.05ppm    <0.02ppm  硬度  <20(宜采用软化水)

<10ppm  腐殖酸  不存在;

其它  质量要求同饮用水。

温度  无一般要求,但在有些时候温度需满足产品更换的需要。

化学清洁剂-问题较多的化学品

清洁用化学用品和清洁方法

膜系统必须进行周期性清洗以确保最佳的操作条件。但是清洗也只是在需要时进行。因为它对膜的寿命有不利影响,同时需要耗费化学药剂和水。为了尽可能避免清洗,而且使需要时的清洗容易些,可以采用较好的预处理方法,选择能防止污染和沈淀的操作参数

如果RO系统的渗透液数量足够,通常是理想的冲洗、漂洗和清洗液。

膜系统的清洗本质上非常简单,但也有一些必须注意和遵守的原则。

有许多不同的清洗方法,针对一个膜系统其正确的清洗程序必须根据处理的产品、膜的类型和设计的系统来确定。以下是一个完整的初步的清洗程序,它可以根据特定的情况进行修改,其中第510点一般是应该避免的。

1、            减压:超滤/微滤采用12巴,反渗透/纳滤采用28巴。

2、            将产品冲出直到浓缩液看上去相当清。

3、            先碱洗。循环渗透液和浓缩液。加热到指定的温度。一般从45℃到75℃。加入碱性清洁剂。如Diversey生产的DIVOS 100Henkel生产的Ultrasil 90。一般浓度达到1%,循环3060分钟或由清洁剂供货商制定。仔细观察pH值。

4、            用小水量冲洗。

5、            酸洗。循环渗透液和浓缩液。加热到指定的温度。一般从45℃到75℃。加入酸性清洁剂。如Diversey生产的DIVOS 100Henkel生产的Ultrasil 75。一般浓度达到1%,循环2040分钟或由清洁剂供货商制定。仔细观察pH值。

6、            用小水量冲洗。

7、            第二次碱洗。循环渗透液和浓缩液。加热到指定的温度。一般从45℃到75℃。加入碱性清洁剂。如Diversey生产的DIVOS 100Henkel生产的Ultrasil 90。一般浓度达到0.1%,循环2030分钟或由清洁剂供货商制定。仔细观察pH值。

8、            用小水量冲洗。

9、            循环渗透液和浓缩液。加热到指定的温度。一般从20℃到50℃。加入消毒剂。如Diversey生产的DIVOSAN FORTEHenkel生产的Ultrasil Active。一般浓度达到0.1%,循环1020分钟或由清洁剂供货商制定。必须增加压力,以便得到一个较好的渗透流量,这对于消毒膜渗透液一侧是有必要的。

10、        用小水量冲洗。

11、        在膜供货商指定的温度和压力下测量水通量。温度一般在25℃。

直到现在,膜系统必须进行“尖叫”清洗(Squeakyclean)。如果不这样做,就由一个操作性问题需要进行研究。针对这些问题,较好的方法是将系统在中性消毒剂中浸泡48小时以上如果问题是由酶可以消化的蛋白质或其它任何东西引起的,则可以加入大剂量的合适的酶,如木瓜蛋白酶、bromelainealkalase®

引起争论的是碱-酸-碱或酸-碱冲洗程序哪个更好。这个选择关系到大量的相关产品。如果要减少产品中的糖和蛋白质,就必须先使用酸。这可以使在碱性环境中发生浓缩反应的危险最小,同Maillard反应。浓缩的结果是产生红棕色的粘性的沈淀物。这些物质很难从膜中去除,只有使用氧化剂。通过许多次交替清洗,可以慢慢地恢复水通量。

冲洗的压力也引起争论。在超滤和微滤系统中,压力无疑应减小到13%。在纳滤和反渗透系统中,保持压力在10%左右更好些,这样可以确保流量完全打开压力更低时,最终堵塞流道的脏物会保留在膜的某些地方。而在高压下,流道始终打开着,流道获得良好的冲刷。

清洁剂供货商

世界上有三大主要的清洁剂供货商,直接销售或通过代理商销售。

32 主要的清洁剂供货商

Diversey-Lever A/S

Smedeholm 3-5

DK-2730 Herlev

丹麦

 

电话:+45 7010 6611

传真:+45 7010 6610

Henkel-Ecolab GmbH & CO

P3-E/Milchwirtschaft

Gebäude L 34, Ritastrasse 67/Tor 2

D-40554 Dusseldorf

德国

电话:+49 211 989 3694

传真:+49 211 7141 709599

Novadan A/S

Platinvej 29

DK-6000 Kolding

丹麦

 

电话:+45 7550 3577

传真:+45 7550 4370

化学药剂-问题

 不要随意尝试新的或不同的清洁剂:它可能引起较大的问题。象HenkelDiversey等公司已经历了一个很长的学习过程,也为学会如何清洗膜支付了许多学费。许多更小的、当地的清洗药剂供货商想进入这个市场,但在尝试节约清洗药剂上都非常谨慎。药剂价格也正是膜完整的一部分。

有关清洗药剂的几个首要原则:

n        阳离子=大事故;

n        非离子=没问题;

n        阴离子=适用的

但是也有一些例外。譬如非离子清洁剂会损坏一些高分子,如聚砜可能引起严重的腐蚀。

²        抗泡沫剂

有许多不同种类的抗泡沫剂。它们的工作原理是:通过改变表面张力,以此来破坏泡沫的形成能力。达到此目的可以加入疏水化合物,这是最普通的方法,且持续时间最长。或者加入亲水化合物,通常仅能持续较短时间。有一种非常有用的疏水化合物是硅油,而常见的亲水化合物是酒精。

需要注意的是,膜工艺和膜表面密切相关。

n        膜的表面越亲水,水越容易透过;

n        如果膜表面越来越疏水,则将导致渗透通量衰竭,整个过程将停止。

有些抗泡沫剂只会使通量略微降低,并且是可逆转的,如硅氧烷。

也有些抗泡沫剂会使通量降至零且是不可逆转的,最出色的例子是硅油。

原则是:所有的抗泡沫剂对膜都有影响,区别仅在于影响的程度不同。最好对进入的与膜表面接触的化学品都进行测试,特别是抗泡沫剂。经常在一个膜的测试室测试抗泡沫剂。否则一旦膜系统瘫痪,只有更换新的系统才能解决问题。

²        凝聚剂

对于凝聚剂的使用没有固定的原则。许多凝聚剂是天然阳离子型的。就象在化学清洁剂一章中提到的那样,这是比较危险的。凝聚剂也可能是高分子量的聚合物,如果过量使用,也会对膜有不利的影响。

巴氏灭菌法、消毒法、灭菌法

加热消毒、灭菌

在药典里消毒灭菌被定义为用湿蒸汽加热至121℃达20分钟。如果使用干蒸汽则需要更长的持续时间或更高的温度。极少有膜系统可以用这种方法进行杀菌。据说只有陶瓷系统才适用于这种杀菌方法,并且也是不十分可靠的。

这里所讲的所有的膜系统都是用来设计处理液体的。气体包括蒸汽,处理起来比较困难,也不在本文讨论范围之内。

除了消毒杀菌法,巴氏灭菌法也可以加热各种类型的膜系统超过80℃。这类加热处理在乳制品行业中已足够了,它们在许多单元操作中使用巴氏灭菌法防止细菌生长。事实上巴氏灭菌法也适用于其它一些非乳制品行业中的消毒处理。作者相信它也适用于除了制药行业中有非常特殊需要的膜应用场合外的所有地方。根据作者的经验,所有能耐受加热到80℃的膜系统都可以“消毒”到这个点而“恰好”。重要的是,不只是膜,还有管道、水泵、储罐等膜系统前、后的所有设备都被加热到80℃,病保持足够长的时间。

²        化学品消毒法

膜系统采用化学品“消毒”已有许多年了。要达到化学杀菌的目的被证明比较难,因为微生物具有较强的适应性,能逐渐自我保护。它们产生新的抵抗力,甚至在非常恶劣的化学环境中。

甲醛已被运用许多年且结果良好。它非常有效,但现在由于法规规定,已很少使用。

次氯酸钠也有效,但并不很普及。它是一种非常有害的化学品。大多数人都不愿处理。它会引起间接污染,因为水银仍然是次氯酸钠生产过程中一种致命的化学品。它也有形成三氯甲烷(THM)的前兆,而三氯甲烷是致癌的。一般来说,薄膜不能耐受大量的次氯酸钠。简而言之,次氯酸钠非常有效,但很少使用。

臭氧也有效,但很昂贵。事实上在膜系统中不会使用,没有任何薄膜可以耐受任何数量的臭氧。

亚硫酸氢钠和亚硫酸钠是较弱的还原剂,对微生物也有些效果。它们的应用很普遍,因为所有的薄膜都可以耐受这些化学品,但它们并不十分有效。

过氧化氢和过氧乙酸(peracetic acid)在乳制品行业被广泛使用。过氧乙酸是一种非常有效的化学品,但薄膜对的耐受力有限,因此这些化学品的使用必须严格控制。

二氧化氯也可以用于薄膜,除了不含氯或数量很少。

流量、压力、总固体等测量装置

一套自动化控制系统需要一些需要控制参数的输入点,这些输入点来自一些不同的设备,并有不同的形式。

²        流量

流量大概是最常见的测量参数。市场上有许多流量测量仪。由于微处理机的快速发展,使流量测量仪的发展很难跟上其进程。然而,以下这些产品作者认为是有效的。

转子流量计是唯一的大量使用的纯机械类流量计,但现在已被认为是老式的了。有一些也配了传感器,但并不普遍。转子流量计对于现场指示非常优秀,但几乎无法用于数据传输。它在流量指示方面比较准确,但对液体的粘度和密度非常敏感。如果有漂浮物或透明度变差,则流量指示将完全错误。

电磁流量计是膜过滤系统中对所有产品都能提供良好和可靠的流量数据的测量仪。唯一的缺陷是它不适用于超纯水。电磁流量计通常输出一个420mA的信号。

电磁流量计的优点:

n        流道和障碍物完全隔离;

n        不会引起压力下降;

n        直径同液体流经的管径相同;

n        测量范围大于大多数的其它流量计。

目前有许多电磁流量计的生产厂家。以下是一些在欧洲常用的型号,但未全部列出:

Ø        Siemen(德国)

Ø        Danfoss(丹麦)

Ø        F & P(英联邦)

Ø        Bürkert(德国)

Ø        Endress & Hauser(德国)

Ø        Process Data(丹麦)

很难找到一个可以在反渗透系统中操作的流量计。另一个问题是用于乳制品行业的电磁流量计,它要求为卫生级。Process DataDanfoss能提供这类设计。

流量值既可现场显示又可送控制盘显示。一般还可进行温度显示和流量累计数显示。

涡街流量计从原则上讲完成与电磁流量计相同的工作,但价格更低。但涡街流量计方向性很差,因此不适合在膜过滤系统中使用。

超声波流量计,许多年来一直被推荐为一种性能良好,有价廉的流量测量仪。但只有当液体(固体或气泡)中的颗粒能反射声波时,超声波流量计才能准确测量。在膜过滤系统中悬浮固体和空气极少。因此这些测量仪很少在膜行业中使用。

质量测量计是用于测量实时流量、密度和质量的精致的仪器。它们被用于控制蒸发器。测量原理包括惯性、质量和共振。从外表看,它们象一个长的U型管,通常接近1米长。通过与蒸发器连接的伸缩接头连接的管子浓缩测量管中物体的重量,值,再计算出物体的密度。液体流速越快,改变流体方向180度所需要的力引起的管子弯曲度越大,通过测量弯曲度,再根据液体的密度可计算出流速。知道速度和密度后,就可以计算质量流量。通过加入一个高频声音发生器可以间接测量粘度。

质量流量及对于测量含大量固体的流体非常适合。但在处理低固体流体的膜系统中却更不可靠些。

这里提到的5类流量计分别依据线性速率、液体的电磁特性、流速、声波反射、液体的密度和液体的惯性等原理。还有许多利用这些和其它原理精心设计的流量计。

本文作者认为使用含移动部件的流量计比较危险。悬浮固体会堵塞机械装置,漂浮物会堆积,轴承会断裂,齿轮会因疲劳而断开。因此作者建议使用电磁流量计,以避免这许多的问题。

²        压力

电子压力传感器是相当新的。它们相当于传统的布林登(管式)压力计较易提供0.1%的精确读数,这在膜系统中是有必要且相当有益的。电子压力传感器的另一个优点是测量仪表值可到达零点,而老式的布林登压力计却达不到。

电子压力传感器可现场显示也可在控制盘显示。

用一个量程100bar的压力计测量误差小于0.1bar,就可以在不买昂贵和复杂的压差变送器的情况下,正确测出膜壳内的压降。

布林登压力计也可以使用,但只用于现场指示,且要求操作人员用眼睛来估计压力读数,而不能得到一个精确的读数。但通过匆匆一瞥获得压力的视觉估计值,而不是一个读书也是很有用的。就象开车时看一眼标尺来测算温度和油压一样:不用知道其精确数值;只要知道指示位置就足够了。

如果使用布林登压力计,则必须使用一个标尺,并用一个隔膜将物料和仪器分开。

²        其它传感器

使用电子温度传感器已成为行业标准,而传统的温度计几乎已不再使用。它一般输出420mA的信号。

安培表只用于产品具有较大粘性的系统中和用粘度来调整系统的场合。测量电动机消耗的电流很简单,其输出的信号是一个模拟量数字。

工业折射计用于不溶解固体的在线测量和控制。通常用于特殊处理的乳制品行业。虽然折射计实际上只测量折射系数而不是总固体,在大多数情况下还是工作良好。因为折射系数和不溶解固体有良好的相关性。

 其测量单位一般使用度Brix(oBx) 1oBx定义为25℃时1WW%蔗糖的折射指数,水的折射系数是0oBx。在乳制品行业,将折射系数提高至0.82oBx,可获得不溶性固体。而对造纸和纸浆排水,其指数应增加至0.78oBx。由于折射指数(oBx)和真实固体之间的关系并不是在所有范围内都不变的,因此建议建立一根实际处理物料的标准曲线。

悬浮固体会产生特殊的问题,因为它们不能被折射计“看见”。这在将全奶的超滤作为主要工艺的乳制品行业是一个挑战。为了得到正确的读数,必须在物料进入超滤系统前确定其实际的组分。当然这个建议对所有其它含悬浮固体的物料也是适用的。

放置折射计时必须确保在所有生产阶段中有可靠、连续的物料流经棱镜。在一个环路中流量很大,但应确保环路一直在运行中。如果折射计被放在浓缩管在线,则应将一根来自最终循环泵的压力侧的小细管与折射计相连,以确保棱镜能发光,见图16。?P75

PLCPC和总线控制系统

本世纪控制设备经历了快速发展,这个发展已从纯机械控制系统进入各方面都非常杰出的微机控制系统。

从模拟量到数字信号的过渡还没有完成。测量装置输出420mA信号还是一个普遍标准。然而,数字信号的发展也已是一个明确的发展趋势。

过去流行的气动控制器和继电器有一个优点:它们完全可以用一把小折刀进行维修。因此,当今世上还有一些地方适用简单技术。 但人们似乎并不喜欢简单的方法,许多最终用户需要最新、最好的微机控制系统,因此供货商也喜欢销售这类系统。

PLC已经发展了许多年了,有许多制造商。本人并不特别指定使用何种产品,但竭力建议选择好的品牌。虽然购买不出名的品牌可以省一些钱,但这样懂得维护和编程的人也少。当然这样不能满足工业操作的要求。

PLC编程发展很快,但还不能提供和用户友好的接口。本人相信它会慢慢超越或与普通的微机编程结合起来。

微机控制的应用还不太多,但也有一些供货商承诺提供可以简易编程的强大但简单的系统。

总线计算机控制系统已发展很多年了。它们应用于非常大型的场合如热炼厂和造纸厂。西门子和Allen Bradley在这个领域中有非常良好的声誉。这类控制系统价格也非常昂贵,但往往赠送服务和维修。几乎很少有最终用户能自行编制这些计算机程序。已经拥有一个系统的最终用户经常考虑的是控制系统的型号和品牌,希望使用同一型号和品牌也是很容易理解的。

不要为了节而购买一套便宜的控制系统。一旦系统瘫痪则得不偿失

 

 


如何控制膜系统

大致来说,有一些不同的方法控制膜过滤系统,至少当你认可主流的控制系统的话。控制系统的选择主要依据处理物料的种类和整个工厂的设计方案。另一方面,报警和控制点数与工厂的设计方案更密切些,而和处理的物料种类则关系不大。

主要的控制方法有:

n        压力控制

n        比率控制

n        总固体控制

n        粘度控制

n        手动控制

压力控制法最常用,因为它被广泛应用于水脱盐工厂中。

在工业项目中,比率控制法用得最多。

总固体控制法用于一些乳制品系统。

粘度控制法用于一些少见的系统,如多糖的处理等。

手动控制很少用于工业系统。

一般介绍

可以将几个控制方法组合获得一个更稳定的最终产品。

下表列出了一些简单的必须注意的原则。

33 工厂控制方法的组合

 

比率控制法

总固体控制法

+恒流量控制

反渗透RO

Yes

Yes

Yes

纳滤NF

Yes

Yes

Yes

超滤UF

Yes

Yes

No

微滤MF

Yes

Yes(?)

No

在膜系统中常见的控制环路

压力控制

我们必须控制系统中的压力使其达到某一点。

几乎所有的纳滤和反渗透脱盐系统都采用压力控制系统。系统中操作参数可以在很长一段时间内保持恒定。在反渗透和纳滤系统中,压力和通量成线性关系,这样其控制系统也比较简单和直接。因此压力控制容易实现,但很难实现进一步保护膜和保持稳定其的性能。

流量比例控制

一个流量比例控制器的功能是保证进入系统的体积与离开系统的浓液的体积的比例能达到操作人员设置的一个平稳的设定值,即体积浓缩率或度。在进料管线和浓缩液管在线必须各装一台流量计。真正的控制功能由一个具有调节器和定位器的气动或电动浓缩阀来实现。流量计信号送到控制器,控制器根据接收到的信号发送一个指令使浓缩阀到达指定的位置。见图13

13 比例控制器

设计和操作一个比例控制器比较简单。当物料组分比较稳定时,控制功能也会令人满意的。

有人曾经多次建议使用渗透液流量代替浓缩液流量来进行调节。这种系统可以在许多场合运行,但也不是所有的,它有一些根本性的问题。有时在过滤过程中加入一些水以减少通过膜(全过滤)的某一组分的量。这时根据渗透液流量的控制系统无法运行,而且当浓缩比率比较高时,即使一个很小的调节错误也可能导致非常糟糕的结果。

因此测量浓缩液流量更好些,它“总是”有效。

当涉及到全过滤时,有两个流量比例要控制:体积浓缩比例、水与浓液之比。建立一套如图14所示的只有三套流量计的系统是很具有吸引力。全过滤的体积决定于进料流量,但这显然也是危险的。调节错误或操作错误将导致全过滤体积超过来自前一段的浓液的流量,结果浓液流量消失。这样固体将堆积,随后膜会阻塞。

14 带全过滤以及三台电磁流量计的比例控制系统

 

一个安全的操作系统应象图15那样有4台流量计。这类设计可以确保全过滤水的流量不超过前段浓缩液的流量。

           

15 带全过滤以及四台电磁流量计的比例控制系统

总固体控制器

总固体(TS)或总不溶解性固体(TDS)是不常用于膜过滤的控制参数。而全牛奶的超滤却是例外,在这里这种方法常被使用。因为超滤牛奶时浓缩常用于乳清类产品,因此总固体的正确性很重要。另一个例外是有时使用折射计的造纸和纸浆行业。

折射计需放置在两个确切的位置。 第一个位置放在浓液管在线,但是启动系统相当困难,操作必须非常仔细,保证浓液阀不能完全关闭(见图16)。第二个位置放在最终循环段(见图16),缺点是这一段常常处于操作当中。

折射计的一个引人注意的优点是不含移动部件。而缺点是可能因与液体接触的棱镜的污染而影响读数。而棱镜显然可能会被污染,因为需要相当强烈的光源以获得检测信号。物料现场加热会引起物料沈淀并粘在棱镜上。一个相当简单的减少管理麻烦的方法是在系统最后一段的循环泵的压力端拉一个小细管与折射计相连。这样可以对棱镜进行小流量但较有力的冲刷。

另外一个比较严重的问题是折射计中灯会烧坏。这种情况下需要报警和必要的快速反应。否则系统将完全失控。

折射计的读数会比较发散,在含固率高的时候发散程度更高,特别是在含脂肪的乳制品产品中。工业折射计具有人眼所不具备的能力。电子传感器可以简单综合这些发散信号,因此许多场合对于折射计来说非常发散的信号并不是问题。而对人来说却是一个严重的问题。

工业折射计不能耐高压。在超滤系统中压力限制并不严格,但在纳滤和反渗透系统中却是一个重要问题。

粘度对折射计的读数没有影响。

温度对读书有影响。因此,必须在操作温度下进行标定。

使用带折射计的全过滤来控制系统很常见(见图1617)。其控制系统与以前介绍的全过滤相同。

在膜行业中,折射计制造商只有几家。据作者了解有以下几家:

n        Anacon

n        The Electron Machine Company

n        Siegrist

n        X-control

           

16 无全过滤段、带总固体控制器的系统

上图为折射计安装的可能位置

 

17带总固体控制器的系统。带比例控制器的全过滤段

 

压力控制器和进水流量控制器

在一个膜过滤系统中压力值常需要保持稳定或轻微调节,以保持一定的运行水平。这对于水脱盐系统是非常常见的。事实上在水脱盐过程中,几乎只使用一种控制方法并且也仅需要一种。在工业反渗透及纳滤系统中同样,但在这些系统中,压力控制并不是其唯一的控制过程。

对于反渗透和纳滤系统来说,压力控制器实际上相当于一个物料流量控制器,同时也可以看作一个系统容量控制装置。

对超滤系统而言,物料压力控制被用来保证压力不超过最高允许值或最高设定值。它也被用来减少在清洗膜后系统启动时不可避免的高通量的发生。

如图23所示,在超滤和微滤系统中压力不能用于控制容量。容量由物料的性质和膜的特性决定。

在超滤和微滤系统中进水流量只能被间接控制。一般在一个多级系统中,在产品循环的初期,不同时启动所有的段。如在一个五级系统中,开始一般启动三级,过一段时间,可能3060分钟,再启动第四级达到系统容量,再过几小时启动第五级。

 

18 恒压和浓缩比例。变流量

 

19 恒流量和浓缩比例。变压力

渗透流量控制器

一般我们都希望有稳定的渗透流量,在纳滤和反渗透工艺中,可以通过在渗透液管线中安装一台流量计和使用信号控制进水压力来达到此目的。具体作法如下(1)改变进料泵的转速,最好使用变频器 (2)使用控制信号来打开或关闭进料泵和系统间的截止阀。

批式系统。如果进料泵是一台正位移泵,那么浓缩比例可以保持稳定。如果进料泵是一台离心泵,浓缩比例实际上很难确定。

连续系统。如果进料泵是一台正位移泵,那么浓缩比例可以保持稳定。如果进料泵是一台离心泵,则需要一台比例控制器。

渗透流量控制引起一些争论。例如它几乎不能用于带全过滤的系统中。然而在相对无污染进料的纳滤和反渗透批式系统中看起来运行良好。

20 稳定渗透流量控制器

 

粘度控制器

当浓缩菜胶和黄原胶类产品时,粘度是一个严重的问题或挑战。它几乎不能使用折射计或浓缩比例来控制系统,因为这些参数与粘度相关性很小或几乎无关。因此设计了一个非常间接的控制方法。

在系统最后一级安装一台正位移泵,它能提供一个与压力无关的流量。在膜组件的压降和粘度之间有着比较清晰的关系。压降随着粘度的增加而增加。由此水泵提供的压力也增加。当流量稳定时电动机的电流消耗与水泵提供的压力虽然并不是线性关系,但也直接相关。因此在粘度和电机电流之间有明确的关系。通过一个控制器,电流消耗信号可以控制一个浓液出口阀,以确保浓液的粘度保持稳定。在最后一级中不能使用离心泵。

            

21 稳定粘度控制器

如何防止启动时总固体(TS)的波动

启动一套大型的多级超滤或微滤系统并不是件容易的事情。按惯例,操作者先启动第一级,然后陆陆续续第二级、第三级┉┅。超滤系统被沈淀的蛋白质或其它物质堵塞的“灾难”发生后,引起人们对一个充满水的系统从启动到稳定阶段过渡中堆积的固体外形的仔细研究,得到了一些有趣的发现。

如图所示,有一个5级系统,内部容量为800L,是一个工业级系统的代表,用于处理30000Lph的奶酪。假设其浓缩比例为301。为了简便起见,无全过滤。这就意味着稳定后系统将产生1000Lph的浓液和29000Lph的渗透液。假设系统由一台比例控制和一个进料压力调节器控制。理想状态下,系统稳定前需要注入的量为15*800=12000,但实际情况却往往不能理想化。因此需要的流量要高些。

 

22 5级进料和渗出系统

这里有个例子,“不能”如此启动一个系统:工厂中一个懒惰的操作员将所有泵的按钮钉在同一块木板上,这样所有的泵可以同时启动。结果每台18.5kw5台电机同时启动,引起电量的巨大波动。即使采用更为柔和的操作程序,大流量的物料还是会流入系统。同时系统中的水开始和物料混合,结果一些固体、即非常纯的蛋白质从第一级被推至后续几级。

由于初始通量较高,因此第一级的浓缩率高于正常。当过渡浓缩的物料向前最终到达最后一级,由于蛋白质浓度太高而发生凝胶。最终可能导致糟糕的结局。所有的或大多数的流道被堵塞,无法彻底清洗。唯一的办法只有彻底更换组件,重新启动系统。

这些年来,许多工厂都遭遇了这类事件。因此引起了众多思索和策划如何来解决问题。

最好的方法是采用以下的步骤来启动一个多级系统,以一个5级系统为例:先启动第5级,而1~4段关闭。当第5级的通量接近正常值时启动第4级,当第4段的通量接近正常值时启动第3段,依此类推。注意:要使堆积的固体正好在正常值以下,特别是在最后一段中。

采用传统的启动方法将导致进水流量比正常值要高50%。而预处理设备却无法处理这么多流量而保持运行正常。一般来说,所有情况降到正常流量条件要花30分钟左右。

最新的方法要求进水接近正常值,因为初始活化的膜面积较小。显然当一个新的段启动时,流量的变化还是比较快,但是它发生在某一时间相对较小的活化的膜面积上,因此,进水流量的处理比较容易。

最近的方法采用渐进的手段从低端改正浓液的总固体,这样可能会有些过浓缩的趋势。传统的方法可以越过这个步骤,然后渐渐从高端校正总固体。

电动、气动操作阀

有关电动阀和气动阀的争论已有许多。作者采用气动操作阀的理由有以下几点:

n         如果弄湿了也不影响运行;

n         即使短暂堵塞也不会烧坏;

n         维修简单;

n         多数型号防爆。

当然,要根据自身的体验和在生产设备中已使用的设备来选择。

²        泵的控制

泵几乎不能传输确切的流量和所需的压力,因此必须用某种方式来控制。我们必须区分离心泵和正位移泵。下面列出了两种类型泵的主要的特性。

34 泵的特性

 

单级离心泵

多级离心泵

正位移泵

压力

几乎是恒定的

变化很大

0~无限大变化

流量

0~无限大变化

变化很大

几乎是恒定的

从名字理解,正位移泵的流量几乎恒定,而与压力无关。比较常见的类型是柱塞泵和隔膜泵。

当单级离心泵在接近最大效率操作时,提供几乎恒定的压力,而与流量无关。

多级离心泵大概介于两者之间。泵的级数越多,其性能曲线越陡。因此,压力随流量发生显著变化。

以上这些只是基本的介绍,若要详细、精细地描述一台泵,则需要用一本书来讨论。

了解了以上提到的这些泵的特性后,就可以用下表列出的方法来控制一台泵了。当然以下列出的是实际应用的方法,而不仅是理论上的。

 

 

 

 

 

35 泵的调节方法

 

单级离心泵

多级离心泵

正位移泵

截止阀

 

变频器

机械变速

 

 

 

在正位移泵后不要设置全关阀门,因为如果这个阀门关系,管线会破裂。许多年来,控制泵的流量和压力的唯一方法是通过机械变速装置改变泵的转速。而近年来,已越来越多地使用变频器,它们可以很好地控制正位移泵。机械变速装置比电子变频器更易损坏。

使用一个截止阀就可以简单、方便地控制离心泵。这种方法很常规,它很简便并廉价,但有一些缺点。如下:

n         噪音大,对人体有害;

n         浪费能源,每小时可能损失两度电,一年中浪费的钱可以买一台变频器了;

n         它在运行中产生热量,那么物料可能需要冷却,耗费较大;

n         运行中较大的剪切力会损坏处理的物料。

而变频器没有以上这些缺陷。使用变频器唯一的缺点是费用,但这是留待将来解决的技术问题。变频器的价格已有所下降,而且看起来越来越便宜。目前市场上有些泵本身就已带变频器。

优化参数和系统的操作

一个良好运行的膜过滤系统必须具有合理和稳定的通量,并且能耗尽可能低。为了达到这些目标,必须优化相关的物料通量、压力和温度方面的操作参数。就象前文所说的那样,过分大的渗透通量并不是系统的目标,而且还会导致不稳定的操作。

如图23所示,通量是压力的函数,它是一个综合性图表,然而却是基本正确的。

23 通量——压力的函数

通量——压力的函数

反渗透系统中的一般原则是:当平均压力(NDP)翻倍,通量也翻倍。

纳滤和反渗透相同,但通量和NDP的关系并不象反渗透一样是线性的。

超滤则更困难些。如果进水压力提高几个巴,而通量实际上却下降。对大多数的物料来说,最大的有用的压力在3~5bar,很少有例外。这就意味着事实上超滤系统的容量更依赖于物料而不是膜本身。几乎所有的用户都赞成观察通量,并选择最优化的操作系统。

从选择操作压力立场看,微滤是最难操作的膜工艺。通量几乎要减少超过0.5bar左右。因此几乎不可能在理想的压力和流量条件下运行一个微滤系统。这就是为什么微滤系统供货商15年来一直在宣传“明年微滤的销售将真正迅速发展”的原因之一。事实上,1995年微滤系统只占整个膜销售额的1%以下。

综上说述,得出以下结论:

n         在反渗透和纳滤工艺中压力被用作一个优化渗透通量的变数;

n         在超滤和微滤工艺中压力不能决定渗透通量。

通量——温度的函数

如果一定要改变物料的温度,那么我们建议尽可能采用简单的方法提高温度,因为通量随温度的增加而增加。但是物料的特性或容量或经济原因,使我们不得不接受任何温度下的物料。

多数膜的水通量每升高1℃增加3.3%,因此温度提高30℃,将使水通量翻倍。但可惜仅对极少数物料是正确的,因为化学和微生物现象会在许多方面限制通量。实际上根据温度增长的这么大的通量只发生在纯水或纸浆造纸行业的排水上。大多数情况下,以每增加1℃提高1%通量计算更合理些。

提高操作温度可能引起:

n         钙盐的沈淀,如磷酸氢钙(CaHPO4);

n         蛋白质的沈淀,如蛋白;

n         微生物的生长,导致粘泥的形成。

对许多乳制品和医药产品而言,更应该“少即是更多”,意思是如果在低温和低通量下启动系统,结果在运行一天后会获得比在高温、高通量时启动更高的渗透通量。

只有当物料有粘性时,例如处理凝胶剂,高温操作才是真正有好处的。可能并不能提高通量,但至少可以防止系统被物料堵塞。

计算通量变化很容易。

<25   系数=(1+TC/100)(温度-测试温度)

>25   系数=1+(TC/100)×(温度-测试温度)

其中

   系数是25℃时增加通量的系数。

TC=每升高1℃增加的通量百分比。

             薄膜                            3.3%/

          PSO(聚醚砜)CA(醋酸纤维膜)      2.7%/

  多数物料     所有膜                          1%/

系统操作优化

首先应选择操作温度,然后必须定出或选择优化的压力。

反渗透和纳滤的优化相对简单。应该根据供货商的建议选择进水流量、压力。当渗透通量增加到适当时,通量一般在20~35Lmh之间。

超滤则稍微更困难些,压力和通量的函数关系曲线前文已举过一个例子。如果通量曲线是根据实验的结果建立的,那就具有实际应用价值。

一个超滤系统的操作优化可以从以下几点入手:

1、            采纳供货商的建议;

2、            将压力设置得低些,如浓缩压力为0.5bar,并在这个压力下至少操作1.5小时,最好几小时;

3、            然后将压力升高至1.0bar,再操作一段时间;

4、            继续升高0.5bar压力,直到通量不再增加。

在工业应用条件下,一个系统的操作压力应比我们建议的优化值更低些。因为实际上经过一段时间的操作通量可能降低。起始通量越低,超时压降可能更小。

微滤系统的优化这里不讨论,因为相对于其它工艺,微滤系统具有复杂性和完全不同的特性。

不要做……

A、——强制系统传输高渗透通量。一般来说,对于极少的物料才能这么做,并且不能持续长时间。同时高渗透通量在所有的项目中会增加膜的污染。对卷式组件通量应限制在≤35Lmh。对大多数的其它系统则应不超过50~70Lmh

B、——在处理工业物料时执行渗透通量》100Lmh的承诺——排除你能得到书面保证。到目前为止只有Valmet Flootek生产的CR过滤器在通量超过100Lmh时能持续稳定地运行一段时间,且可以运行24小时不清洗。

C、——超越膜制造商的限制。虽然有些限制可以被打破,但需要许多实际经验、洞察力或与膜相关的许多知识。

D、——希望超过以下行业列出的总固体浓度:

  

    

多糖

4%  Xantan

低组分离子溶质

5%  NaCl

二价盐溶质

15% NiSO4

单糖

15%  葡萄糖

蛋白质

22%  蛋白或乳清蛋白质

二糖类

25%  普通糖

牛奶浓缩物

42%  羊奶酪产品

乳化油

70%  水中的矿物油

文献引用值经常高于这里列出的值。这在实验室的试验或短期的工业应用中可能实现,但大多数的这类信息被列入纯理论范畴。

E、——希望或要求不切实际的产品保证。因为保证是保险的一种,而保险是需要钱的。因此最好先进行安全试验性质的测试,并且在确定操作责任前与膜和系统的供货商一起优化系统的设计和操作。当优化成功后,还应牢记:

n         未来产品会发生变化;

n         系统操作员是最了解产品的。

分享到:

上一篇:

下一篇:浅谈热电厂水处理工艺模型的选择

评论 (3条) 发表评论

  • hifk (游客) : 你好 请教一下;对于入厂的RO膜元件我们应该怎样检测它的质量? 我们用的是 GE 家用的小型卷式 RO膜,现在我们想在生产之前使用空气负压100%地检测,不知道测试的标准该如何设定?

    2009-02-19 09:13

发表评论
验证码