炼厂中水回用处理反渗透系统的相关设计探讨

2019年第35卷第2期★石油化工安全环保技术★PETROCHEMICALSAFETYANDENVIRONMENTALPROTECTIONTECHNOLOGY57“超滤+反渗透”作为中水回用系统的主要工艺，因流程短、技术成熟，在国内各大炼厂得到广泛的应用。但是，在设计过程中发现，其末端的反渗透工艺还存在诸多有待改进和完善的地方。以我国南方沿海某大型石油炼化公司的中水回用工程设计为例，对反渗透产水侧的设置方式进行深入分析和探讨。1反渗透产水侧设置方式中水回用系统在没有地坪竖向高差的情况下，反渗透产水侧的设置方式如图1所示。一般设置RO产水中转池（罐）。图1反渗透工艺流程RO产水中转池（罐）中的产水，通过中转泵外输或者提升至终端RO产水罐中储存，见图2。图2反渗透产水提升流程根据反渗透的原理，反渗透是以膜两侧的高压差作为推动力。众所周知，反渗透浓水侧存在高的余压，而作为反渗透的渗透产水侧，其实也是存在余压的，这一点在设计上很容易被忽视。按图2中虚线框内的设计，反渗透的渗透产水侧的余压在无形中被泄放掉。那么，从节能和降低工程造价的角度考虑，是否可以对设计进行优化，即取消RO产水中转池（罐）及其配套的中转泵系统，而是利用RO产水侧的余压，直接输送产出水到终端储水罐内呢？回答上述问题，首先需解决以下2个问题：1）RO产水侧的余压范围；2）取消RO产水中转池（罐）后，产水侧的管道背压或水锤对反渗透膜的负影响。1.1RO产水侧的余压范围根据反渗透膜的渗透机理，目前理论上一般按公式（1）、（2），计算膜通量Fwkg/m2•s。（1）（2）式中：DW——水在膜中的扩散系数，m2/s；收稿日期：2018-06-20作者简介：孙德胜，男，1998年毕业于南京化工大学（现南京工业大学）化学工程专业，工学学士，主要从事石化装置工艺配管、污水处理及消防等方面的工程设计工作，已发表论文10篇，高级工程师。电话：0411-88069636，E-mail：sundesheng1125@163.com炼厂中水回用处理反渗透系统的相关设计探讨孙德胜（中国石油集团东北炼化工程有限公司，辽宁大连116011）摘要：以我国南方沿海某大型石油炼化公司的中水回用工程设计为例，分析了反渗透产水侧是否设置RO产水中转池（罐）的问题，探讨了RO产水管道的背压、水锤对膜组件的影响及消除方法。对国内类似炼厂中水回用工程项目，具有一定的参考价值。关键词：反渗透系统设计产水余压背压炼厂中水回用2019年第35卷第2期★石油化工安全环保技术★58ρW——水在膜中的质量浓度，kg/m3；VW——水的摩尔体积，m3/mol；Δp——膜两侧的压力差，Pa；ΔΠ——膜两侧溶液的渗透压差，Pa；δ——膜的有效厚度，m；R——摩尔气体常数，m3•Pa/（mol•K）；Λ——膜的水渗透系数，表示特定膜中水的渗透能力，kg/（m2•Pa•s）。在式（1）中，膜的水渗透系数A是1个非常重要的参数，因现阶段行业内获得其计算因子的方法受限，根据式（2）计算得到的A值，一般偏差很大，无法准确获得Δp值，即无法获得产水侧的真实余压数值，所以式（1）、式（2）目前尚处于实验室理论研究阶段，主要用于解释渗透的机理，在工程设计上的实际应用意义仅在于解释膜的通量与膜两侧的压差存在如图3所示的近似的线性关系。图3膜通量与膜两侧压差关系反渗透作为中水回用系统的主要工艺，在国内已经广泛应用，反渗透产水侧的压力范围，虽然无法通过公式计算出，但采用古老的工程经验估算法，还是可以获得的。根据目前各大炼厂大量真实的运行数据，反渗透产水侧的压力范围一般为0.14~0.22MPa[1]。1.2取消RO产水中转池（罐）对反渗透膜的负影响1.2.1问题分析考虑工程经验估算法存在偏差，故安全裕量系数取0.8，则反渗透产水侧的最小压力为0.11MPa。按此压力值反推，可计算出终端储水罐的最大允许液位值，从而可获得终端RO储水罐罐壁高度的上限值。如果工程建设用地允许，在RO终端储水罐罐壁高度被上述条件限制为不超过11m的前提下，通过增加储罐直径的方式可增加罐容。从水力学计算的角度判断，若取消图2中的RO产水中转池（罐）及其配套的中转泵系统，仅利用反渗透产水侧的余压，是可以将产水输送至终端储水罐的。问题在于，取消图2中的RO产水中转池（罐）及其配套的中转泵系统后，从RO膜堆的产水口到RO终端储水罐的最高液位之间的高差Δh接近8m（见图4），一旦以下工况发生，在RO膜管壳内会形成背压，将对RO的结构产生一定程度的破坏。1）超滤产水罐达到低液位时，RO高压给水泵故障停泵。2）当RO膜堆产水管道的气动（或电动）阀门尚未关闭时，RO高压给水泵故障停泵。图4RO膜堆与RO终端储水罐高差示意由于RO膜组件是一种卷式结构（见图5）。当产水管道内背压或水锤产生时，在短