反渗透高压泵设计及其与膜通量的关系

2025-01-05 13:49 宁夏

高压泵是反渗透水处理工程的核心设备，其直接影响到反渗透系统的产能和效率。很多水处理人士认为高压泵的参数只有通过膜制造商的专业设计软件才能模拟出来，实则不然，因为专业设计软件的编程也是基于公式计算而来的。本文通过对反渗透膜的流体力学分析，给出高压泵设计的简便计算方法，及其与膜通量的关系，供参考。

一、反渗透膜的流体力学

众所周知，渗透是指在一张半透膜的两侧，分别注入浓溶液和稀溶液，由于浓度梯度的存在，稀溶液一侧的水会被浓溶液汲取，最终浓溶液侧的液位高于稀溶液一侧，达到平衡，高出的液位就是渗透压。这是一种自然现象，广泛存在于我们的生产生活之中，例如用盐水腌咸菜时，蔬菜中的细胞液浓度低，是稀溶液、盐水浓度高是浓溶液，细胞壁就是一张半透膜，这样，蔬菜细胞中的水被盐水所汲取，宏观表现在蔬菜出现褶皱、萎缩。而反渗透就是在浓溶液一侧施加一个外部压力，来克服自然的渗透压，使浓溶液中的水渗透到稀溶液一侧，那么，这个外部压力多大呢？这就是高压泵设计的核心问题，如下图所示。

从上图可见，根据力学平衡，这个外部压力需要大于两个压力差之和，两个压力差是指进水压力Pf与产水压力之差Pp、产水渗透压πp与进水渗透压πf之差，注意实现反渗透现象需要克服的渗透压是反向的。

二、高压泵设计

高压泵设计最重要的是扬程，扬程就是其能提供给反渗透进水的压力，上图是反渗透现象的基本原理，也是计算高压泵扬程的模型。由此，我们可以有下述方程。

式中：J为反渗透膜的平均通量，LMH；Qp为反渗透膜出厂测试时的产水量，m³/d；S为单支反渗透膜面积，m2；A为反渗透膜出厂测试时的渗透系数，L/(m2·h·MPa)；Pf为反渗透系统进水压力，MPa，可视为高压泵扬程；Pp为反渗透系统产水压力，MPa，一般在0.10~0.20 MPa之间；πf为进水侧渗透压，MPa；πp为产水侧渗透压，MPa。

由于反渗透系统从进水到浓水之间存在浓差极化现象，所以上式还应引入浓差极化因子β，可参考本公众号文章《反渗透浓差极化现象与回收率设计》，普遍取β=1.2，则上式改写为。

上式看似复杂，实则计算极为简单，可见，我们计算高压泵扬程，实质是通过上式求解Pf，那么将上式变形后可以得到Pf。

对于上式，反渗透膜的平均通量J是我们设计前选取的；反渗透系统产水压力Pp、浓差极化因子β均是已知量。只要我们计算出反渗透膜出厂测试时的渗透系数A、进水侧渗透压πf、产水侧渗透压πp即可。

渗透系数A是由膜本身决定的，可由反渗透膜出厂测试时的产水量Qp、单支反渗透膜面积S、测试压力Pt求得，如下式所示。

我们在采购反渗透膜时，通常会在膜厂商的产品说明书上看到，某型号膜元件，单支膜面积37.2 m2、测试产水量40 m³/d，测试压力1.55 MPa，很多水处理人士认为这个数据中除了膜面积以外，其它没有用，实则不然，渗透系数A就是根据这些数据计算，此例中，我们计算A=28.91 L/(m2·h·MPa)。

渗透压可按下式计算。

式中：π为所计算溶液的渗透压，MPa，对于反渗透进水就是πf、对于反渗透产水就是πp；R为气体常数，R=8.308 kPa·L/(mol·K)；t为反渗透进水水温，℃；Ci为进水中某种离子的浓度，mol/L；ΣCi就是反渗透进水种所有阴、阳离子之和，mol/L。

我们对上述计算进行举例说明。

例：某工业废水零排放项目准备采购反渗透膜，拟实现反渗透膜通量达到17 LMH、脱盐率达到99%，采用37.2 m2的海水淡化膜元件，膜元件测试压力为5.5MPa，测试产水量为33.3 m³/d，进水水质、水温如下表所示。

（1）计算膜的渗透系数A

（2）计算进水所有阴、阳离子之和ΣCi

从水质数据表中，我们可以发现，不同离子所带化合价不同，在计算所有阴、阳离子之和ΣCi时，我们需要将每种离子从质量浓度换算成摩尔浓度，转换方法就是质量浓度除以分子量、再除以1000，例如Na+的质量浓度是4019.61 mg/L、分子量是23，换算成摩尔浓度就是0.175 mol/L，另外还需乘以其化合价，对于一价离子，乘以1可视为不用乘，如下所示。

（3）计算产水所有阴、阳离子之和ΣCi

拟实现99%的脱盐率，为简化计算，我们不必考虑膜对每种离子的截留率，可以直接按照进水的1%考虑所有离子即可，则产水所有阴、阳离子之和0.0356 mol/L。

（4）计算进水渗透压πf和产水侧渗透压πp

（5）计算所需进水压力Pf

据此，我们所选高压泵扬程应略大于该数值，考虑水温降低、膜污堵等因素会造成系统运行压力升高，我们可以取高压泵扬程为计算所需进水压力Pf的1.1~1.2倍，即针对本案例可取高压泵扬程为H=400 m。

总结

任何水处理设计的底层逻辑都是最基本的环境工程原理，掌握底层逻辑和原理可以科学的计算水处理项目中一切设备设施的参数。部分设计院或EPC单位为了减少工作量和节约成本，采用膜厂商的设计软件计算高压泵压力，根据设计运行经验，对于低压反渗透，膜厂商的设计软件计算结果与实际运行压力较为接近，对于高压和超高压反渗透，膜厂商的设计软件计算结果比实际运行压力低0.3~1.0MPa，这对高压泵、膜壳、管道、阀门等选型、客观核算项目耗电成本是不利的。另外，除扬程以外，我们还要综合考虑高压泵材质的耐腐蚀性，可参考本公众号的文章（见关联文章）。

关联文章

浓差极化计算
Crazy Designer，公众号：水处理科技学报反渗透浓差极化现象与回收率设计

反渗透膜选型
Crazy Designer，公众号：水处理科技学报反渗透膜选型

金属材料耐腐蚀性能
Crazy Designer，公众号：水管工人金属材料耐腐蚀性能数据表

水处理科技学报

分享水处理工艺设计方法和运行调控措施，报道水处理前沿技术。欢迎水处理人士来稿，稿件内容可为运营中遇到的技术难题、运行经验总结、技改技革案例、技术研究综述等。

最新文章

混凝剂对污泥产量的影响

过滤池（器）反洗水量的确定方法

沉淀池、浓缩池、澄清池面积确定方法

离子交换树脂污染与防治

蒸发结晶换热器总传热系数计算

自清洗网式过滤器设计

保安过滤器滤芯结构与设计

水质分析数据准确性的校核

外压与内压管式超滤的比较

介质过滤中滤料的选择与设计

离子交换树脂物理与化学性能

循环冷却水系统pH预测及调整计算

反渗透膜壳与管道设计选型方法

反渗透段间增压作用及设计方法

反渗透高压泵设计及其与膜通量的关系

阀门选用步骤和设计计算

纳滤适用性及多级串并联浓盐水分质浓缩设计

混凝池搅拌器设计

蒸发结晶真空泵设计

生物接触氧化法去除饮用水硝酸盐设计与运行

反渗透浓水回流应用与设计方法

蒸发结晶强制循环泵选型与设计

循环冷却水系统水平衡计算

除碳器设计与运行注意事项

MVR原理及蒸汽压缩机选型与设计

反渗透浓差极化现象与回收率设计

折点加氯原理及药剂用量计算

曝气器选型与设计

超滤膜化学清洗条件判定计算及实际应用方法

循环冷却水阻垢缓蚀剂配方选择及加药量计算

化学除磷加药量计算

反渗透膜硅结垢分析计算与化学清洗

废水调节pH加药量计算及调节后TDS变化

污泥压滤脱水设计与运行注意事项

药剂计量箱搅拌器选型与设计

反渗透阻垢方法与药剂投加量计算

蒸发结晶换热器选择与传热面积计算

反渗透膜选型

除硅工艺设计

生化系统加药量计算

污水处理设计—溶气气浮运行主要控制参数

污水处理设计—生化池需氧量简捷计算方法

工业废水处理设计—软化加药量简便计算

金属材料耐腐蚀性能数据表

水泵扬程与配管参数设计

工业废水处理设计—超高压卷式反渗透设计

工业废水处理设计——除氟工艺设计

污水处理设计——SBR设计

污水处理设计——UASB反应器设计

污水处理设计——水解酸化反应器设计

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉