Пилотные испытания

Введение

В данном примере рассматриваются шахтные воды (для решения задачи очистки нефтесодержащих вод применяется другая пилотная установка). Для определения технологических параметров и определения ресурса промышленной установки очистки воды сложного состава предлагается проведение пилотных испытаний на базе установок ультрафильтрации и обратного осмоса.

Состав исходной воды и ожидаемые показатели качества осветленной и обессоленной воды должны быть предоставлены заказчиком для предварительного изучения.

При проведении промышленной очистки воды на установке обратного осмоса предполагается использовать двухступенчатую очистку.

Первоначально производится очистка осветленной воды от растворенных веществ на первой установке обратного осмоса с необходимой производительностью по исходной воде. Затем стоки (концентрат) с этой установки направляются на дальнейшее концентрирование на второй установке обратного осмоса. Качество пермеата (фильтрата) с первой установки обратного осмоса будет удовлетворять всем необходимым требованиям, предъявляемым к очищенной воде.

Качество пермеата со второй установки обратного осмоса будет лучше, чем качество шахтных вод, но не по всем показателям будет удовлетворять требованиям предъявляемым к очищенной воды. В связи с этим пермеат со второй установки обратного осмоса предполагается возвращать в «голову» первой установки обратного осмоса. Это также позволит первой установке обратного осмоса работать в более мягком режиме, по сравнению с очисткой только осветленных шахтных вод за счет их разбавления. При такой схеме очистки шахтных вод возможно получение требуемого количества стоков.

Существует два подхода к проведению пилотных испытаний обратного осмоса:

  1. Испытания на одной мембране минимального размера.
  2. Испытания на блоке мембранных модулей полностью имитирующих гидравлические и химические режимы работы установки.

Первый вариант минимален по затратам, однако вообще не дает адекватного представления о реальном режиме работы установки. То есть, если мы хотим понять будет промышленная установка устойчиво работать или нет, этот вариант испытаний не подходит.

Второй вариант абсолютно адекватен порезультату, однако очень дорогостоящ. По нашему опыту практически нет заказчиков, которые будут оплачивать подобные установки.

В связи с вышесказанным мы предлагаем следующее решение, которое, с одной стороны, минимизирует затраты, а с другой — даст более менее адекватное представление о реальном режиме эксплуатации установки. Наше решение состоит втом, что мы предлагаем использовать одну установку и на первой, и на второй ступенях обессоливания воды. Работать она в этом случае будет в периодическом режиме, однако, мы будем иметь возможность использовать установку, полностью моделирующую реальный мембранный блок.

Мы планируем мембранный блок, скомпонованный следующим образом: шесть мембран типоразмера 4080 установлены последовательно — это первая секция установки + последовательно за этой секцией вторая секция, которая состоит из двух параллельных наборов из шести последовательно установленных мембран типоразмера 2580 в каждом наборе.

Таким образом предлагается использовать следующую схему проведения пилотных испытаний:

  1. осветленная вода в течение 19 ч фильтруется через две секции обратноосмотических мембран, концентрат собирается в баке (первая ступень),
  2. концентрат из бака в течение 4 ч фильтруется через те же две секции обратноосмотических мембран (вторая ступень).

При такой схеме проведения пилотных испытаний возможно полностью смоделировать процессы, протекающие в промышленной установке обратного осмоса, и провести условные ресурсные испытания очистки шахтных вод на установках обратного осмоса. Первая ступень пилотных испытаний моделирует первую промышленную установку обратного осмоса, вторая ступень моделирует вторую.

Данный временной режим работы пилотной установки позволит за 2 месяца испытаний обеспечить наработку обратного осмоса, эквивалентную работе первой ступени осмоса в течение более чем 2-х месяцев работы, и работе второй ступени осмоса в течение примерно 0,5 месяца работы реальной установки.

При проведении пилотных испытаний пермеат со второй ступени предполагается не возвращать в «голову» процесса для обеспечения проведения обратноосмотической очистки в более жестких условиях, чем при промышленной обработке шахтных вод. Это позволит гарантировать необходимый ресурс промышленной установки и качество очищенной воды.

Балансовая схема пилотных установок ультрафильтрации и обратного осмоса приведена на рис. 1 (на схеме указаны расходы воды, приведенные к непрерывному режиму работы двух установок обратного осмоса).

Балансовая схема пилотных установок

Рис. 1. Балансовая схема пилотных установок ультрафильтрации и обратного осмоса

1. Краткое описание предлагаемой пилотной установки ультрафильтрации

Ультрафильтрация — процесс удаления взвешенных и коллоидных частиц в диапазоне размеров от 0,03 до 0,1 мкм на мембранах низкого давления. Ультрафильтрация предназначена для обработки поверхностных и сточных вод, обеспечивает значительное уменьшение мутности, индекса плотности ила (SDI), удаление коллоидных частиц, уменьшение концентрации вирусов.

В процессе фильтрации происходит загрязнение поверхности волокон и, как следствие, ухудшение проницаемости мембраны. Для восстановления фильтрующей способности модуль регулярно проходит обратную промывку. Устойчивость ультрафильтрационной мембраны к воздействию химических веществ позволяет проводить химически усиленную обратную промывку для поддержания эффективной работы мембран.

Природные воды представляют собой сложную многокомпонентную динамическую систему. В состав природных вод входят: соли (преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов), органические вещества (в молекулярных соединениях и в коллоидном состоянии), газы (в виде молекул и гидратированных соединений), диспергированные примеси, гидробионты (планктон, бентос, нейстон, пагон), бактерии и вирусы. Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы, в коллоидном состоянии – различные вещества органического происхождения, кремнекислота, гидроксид железа (III), фульвокислоты, гуматы, в истинно растворенном состоянии — в основном минеральные соли, обогащающие воду ионами.

Таким образом, чрезвычайно сложный молекулярный состав поверхностных вод, а также сезонные изменения таких параметров как мутность, цветность и окисляемость не позволяют точно рассчитать работу ультрафильтрационной установки и предсказать режим ее работы. Содержание таких компонентов, как низкомолекулярные спирты, кетоны, карбоновые кислоты, альдегиды, оксикислоты, фенолсодержащие вещества, полисахариды оказывает влияние на такие параметры процесса ультрафильтрации как производительность, трансмембранное давление, частота обратной промывки фильтратом и химически усиленной промывки.

Для определения эффективного режима работы ультрафильтрационной установки, а так же правильного расчета схемы ультрафильтрации и проведения проектных работ необходимо проведение пилотных испытаний.

Пилотные испытания проводятся на установке ультрафильтрации со средней производительностью 3 м3/ч (максимальная 3,6 м3/ч на чистой воде) и габаритами 6,0×2,5×2,5 м.

Установка предназначена для исследования процесса ультрафильтрационной очистки воды от взвешенных и коллоидных частиц, определения оптимальных режимов фильтрации и регенерации.

Пилотная установка ультрафильтрации смонтирована в транспортном (20-футовом) контейнере

В состав пилотной установки ультрафильтрации входят:

  • Ультрафильтрационные модули (МУФ1, МУФ2),
  • Насос исходной воды с частотным приводом (Н1),
  • Насос промывной с частотным приводом (Н2),
  • Бак исходной воды (Б1),
  • Бак промывной воды (пермеата) (Б2),
  • Бак коагулянта (Б3),
  • Бак гипохлорита натрия (Б4),
  • Бак серной кислоты (Б5),
  • Бак гидроксида натрия (Б6),
  • Насос-дозатор коагулянта (НД1),
  • Насос-дозатор серной кислоты в исходную воду (НД2),
  • Насос-дозатор гипохлорита натрия в исходную воду (НД3),
  • Насос-дозатор гипохлорита натрия в промывную воду (НД4),
  • Насос-дозатор серной кислоты в промывную воду (НД5),
  • Насос-дозатор гидроксида натрия в промывную воду (НД6),
  • Сетчатый самопромывной фильтр с рейтингом сетки 200 мкм (ФС),
  • Блок автоматики и управления с компьютером,
  • Комплект ручной и электроприводной арматуры,
  • Комплект контрольно-измерительной аппаратуры (датчики давления, расхода, рН и температуры),
  • Компрессор,
  • Тепловые пушки (на схеме не указаны).

2. Основное оборудование пилотной установки ультрафильтрации

2.1 Бак исходной воды

Бак исходной воды объемом 800 л оснащен штуцером перелива, опорожнения и поплавковым датчиком уровня.

2.2. Насос подачи исходной воды

Насос подачи исходной воды на модуль ультрафильтрации укомплектован частотным преобразователем.

2.3. Фильтр грубой очистки

Для защиты ультрафильтрационных мембран от грубодисперсных взвесей предусматривается защитный барьерный самопромывной фильтр с тонкостью фильтрования 200 мкм. Промывка фильтров может осуществляться автоматически по времени или вручную.

2.4. Блок дозирования реагентов

Блок дозирования реагентов предназначен для определения следующих параметров работы установки ультрафильтрации:

  • Оптимизация дозирования коагулянта в исходную воду при фильтрации (точка ввода, количество);
  • Оптимизация дозирования гипохлорита натрия в исходную воду при фильтрации для окисления органической составляющей (необходимость дозирования, количество);
  • Оптимальное значение рН исходной воды при фильтрации;
  • Необходимые дозы реагентов при проведении регенерации ультрафильтрационного модуля.

Блок дозирования реагентов состоит из следующих узлов:

  • Бак коагулянта (Б3, объем – 60 л);
  • Бак серной кислоты (Б4);
  • Бак гидроксида натрия (Б5);
  • Бак гипохлорита натрия (Б6);
  • Насос-дозатор подачи коагулянта в исходную воду (НД1);
  • Насосы подачи реагентов в исходную воду (НД2, НД3);
  • Насос-дозатор подачи серной кислоты в пермеат при проведении обратной промывки (НД4);
  • Насос подачи гидроксида натрия в пермеат при проведении обратной промывки (НД5);
  • Насос-дозатор подачи гипохлорита натрия в пермеат при проведении обратной промывки (НД6).
  • Баки Б4 – Б6 объемом  л.

Производительность насосов-дозаторов до 11 л/ч. Регулировка дозирования производится автоматически.

Насосы-дозаторы НД2, НД3 предназначены для дозирования реагентов в исходную воду и, в зависимости от поставленной задачи, могут дозировать либо гипохлорит натрия, либо серную кислоту, либо гидроксид натрия. Для этого они могут подсоединяться к любому из баков-мерников Б4 – Б6.

2.5. Ультрафильтрационный модуль

Пилотная установка может комплектоваться ультрафильтрационными модулями различных фирм (например, DOW, Inge, Norit и пр).

2.6. Водоподогреватели

Установка укомплектована двумя автоматическими проточными водоподогревателями, работающими параллельно. Водоподогреватели предназначены для исследования влияния температуры исходной воды на технологические параметры ультрафильтрационной очистки и качество фильтрата.

2.7. Компрессор для подачи воздуха

Компрессор для очистки мембранного модуля воздухом под давлением не более 1 атм., расходом 7 м3/час. Компрессор включается периодически во время обратных промывок по сигналу с автоматического щита управления, комплектуется клапаном электромагнитным, дросселем на линии напора.

2.8. Бак пермеата

Бак пермеата объемом 800 л оснащен штуцерами перелива и опорожнения и поплавковым реле уровня.

2.9. Насос обратной промывки

Насос обратной промывки комплектуется частотным преобразователем. Насос включается периодически по сигналу о необходимости промывки с автоматического щита управления (ЩУ).

2.10. КИП и запорная арматура

Датчики давления, расхода, реле уровня, рН-метр, клапан электромагнитный и дисковые затворы с электроприводом обеспечивают безаварийную работу установки при нарушении допустимых условий эксплуатации, а также обеспечивают управление режимами работы системы в целом.

Оснащение установки приборами по месту контроля (манометры, ячейка SDI) обеспечивает мониторинг и контроль основных параметров процесса.

2.11. АСУ ТП

АСУ ТП пилотной установки предусматривает информационно-вычислительные, управляющие и сервисные функции с выводом основных контролируемых параметров на щит управления.

Вся информация, поступающая от датчиков, хранится в ПК, входящем в состав установки. Оператор имеет возможность задавать периодичность записи показаний датчиков для различных режимов работы установки. Минимальная периодичность опроса датчиков составляет 1 секунду. Предусмотрена возможность копирования всех данных на внешний носитель. Программное обеспечение позволяет выводить графики контролируемых параметров за требуемые промежутки времени.

Автоматическая система управления строится достаточно гибко, чтобы оператор мог сам корректировать все параметры и режимы работы установки.

Установка также может работать в режиме ручного управления.

2.12. Вспомогательное оборудование

Для обеспечения возможности размещения установки вне отапливаемого помещения и поддержания температуры, комфортабельной для обслуживающего персонала, контейнер с установкой укомплектован тепловыми пушками.

3. Краткое описание предлагаемой пилотной установки обратного осмоса

Обратный осмос — процесс мембранного разделения, состоящий в преимущественном проникновении через полупроницаемую мембрану растворителя и некоторых низкомолекулярных компонентов раствора под действием давления, превышающего осмотическое давление раствора.

Пилотная установка обратного осмоса предназначена для определения эффективного режима обратноосмотической очистки воды от растворенных веществ, а также правильного расчета схемы промышленной установки обратного осмоса и проведения проектных работ.

Пилотные испытания проводятся на установке обратного осмоса со средней производительностью 0,878 м3/ч и габаритами 6,0×2,5×2,5 м.

Установка предназначена для исследования процесса очистки воды от растворенных веществ при помощи обратного осмоса, определения оптимальных режимов фильтрации.

Пилотная установка обратного осмоса смонтирована в транспортном (20-футовом) контейнере.

В состав пилотной установки обратного осмоса входят:

  • бак осветленной воды (Б1),
  • насос подачи воды (Н1),
  • барьерный фильтр (Ф1),
  • блок ультрафиолетового обеззараживания (УФ),
  • блок дозирования реагентов,
  • насос повышения давления (Н2)
  • обратноосмотические модули первой и второй секции (ОМ1, ОМ2),
  • бак сбора концентрата (Б2),
  • комплект арматуры,
  • комплект контрольно-измерительной аппаратуры (датчики давления, расхода, рН, проводимости и температуры),
  • силовой шкаф и шкаф управления,
  • блок промывки обратноосмотических модулей,
  • тепловые пушки (на схеме не указаны).

4. Основное оборудование пилотной установки обратного осмоса

4.1. Бак осветленной воды

Бак осветленной воды объемом 800 л оснащен штуцером перелива, опорожнения и поплавковым датчиком уровня.

4.2. Насос подачи воды

Установка укомплектована вертикальным коррозионно-стойким насосом подачи воды на обратноосмотические модули.

4.3. Барьерный фильтр

Для защиты обратноосмотических модулей от грубодисперсных взвесей установка укомплектована картриджным фильтром с тонкостью фильтрования 5 мкм.

4.4. Блок ультрафиолетового обеззараживания

Блок ультрафиолетового обеззараживания предназначен для предотвращения опасности микробиологического зарастания мембран установки обратного осмоса.

4.5. Блок дозирования реагентов

Блок дозирования реагентов предназначен для дозирования необходимых реагентов в воду перед подачей на обратноосмотические модули

Блок дозирования реагентов состоит из следующих узлов:

  • Бак серной кислоты (Б4);
  • Бак ингибитора (Б5);
  • Насос-дозатор подачи серной кислоты для корректировки рН воды (НД1);
  • Насос-дозатор подачи ингибитора в воду (НД2);

4.6. Насос повышения давления

Установка укомплектована вертикальным коррозионно-стойким высоконапорным насосом. Насос предназначен для повышения давления воды до необходимого значения перед подачей на обратноосмотические модули.

4.7. Обратноосмотический модуль

Пилотная установка может комплектоваться обратноосмотическими модулями различных фирм (например, DOW, Hydronautics и т. п.).

В установке в первой секции используется 3 модуля по 2 мембраны (4-х дюймовые) в каждом, на второй — две параллельно работающие группы из 3 модулей по 2 мембраны в каждом (2-х дюймовые).

В установке применяются мембраны повышенного сопротивления к загрязнению.

4.8. Бак сбора концентрата второй секции

Пилотная установка обратного осмоса укомплектована одним баком сбора концентрата объемом 15000 л. Бак оснащен штуцером перелива и опорожнения. При проведении пилотных испытаний бак устанавливается рядом с контейнером установки обратного осмоса.

4.9. КИП и запорная арматура

Установка укомплектована необходимым набором арматуры и приборов контроля рабочих параметров.

4.10. Блок промывки

Для осуществления промывки в комплект установки включен блок промывки мембран, состоящий из коррозионно-стойкого низконапорного насоса промывки (Н3), бака промывочного раствора из полиэтилена объемом 800 л (Б5), фильтра тонкой очистки (Ф2), КИПиА, блока подогрева моющего раствора (Т).

4.11. Вспомогательное оборудование

Для обеспечения возможности размещения установки вне отапливаемого помещения и поддержания температуры, комфортабельной для обслуживающего персонала, контейнер с установкой укомплектован тепловыми пушками.

Обратноосмотическая установка управляется в ручном режиме в связи с особенностями эксплуатации.

5. Задание на подсоединение установки и реагенты

В таблице 1 приведены необходимое оборудование и реагенты для проведения пилотных испытаний.

Таблица 1

Наименование Описание Исполнитель
Пилотная установка ультрафильтрации АО «Ионообменные
технологии»
Пилотная установка обратного осмоса АО «Ионообменные
технологии»
Реагенты на 60 дней испытаний
  • Гипохлорит натрия 15 % – 20 л
  • Гидроксид натрия 46 % – 20 л
  • Серная кислота 98 % – 20 л
  • Коагулянт 100 % – 50 кг
АО «Ионообменные
технологии»
Подсоединение исход. воды в бак 800 л Фланец Ду50, Рн10 Заказчик
Подсоединение дренажа промывочной воды установки ультрафильтрации Фланец Ду50, Рн10 Заказчик
Подсоединение переливов баков исход. воды и осветл. воды установки ультрафильтрации в канализацию Фланец Ду80, Рн10 Заказчик
Подсоединение стоков с установки обратного осмоса в канализацию 2 фланца Ду50, Рн10 Заказчик
Электропитание 400 В (+10 % −6 %); 50 Гц;
3 фазы; заземление и зануление, плюс 220 В 1 ф (желательно).
Мощность потреб.:
  • 100 кВт (если испытания производится в холодное время года и необходим подогрев исходной воды),
  • 80 кВт (если испытания производится в теплое время года и необходим подогрев исходной воды),
  • 25 кВт (если испытания производится в теплое время года и без подогрева исходной воды)
Заказчик
Горизонтальная ровная площадка на охраняемой территории для размещения двух контейнеров (20-футовых) с пилотными установками (Д×Ш×В), м 8×8×3 или 14×4×3 Заказчик
Химическая лаборатория:
  • Мутность/ взвешенные вещества,
  • Солесодержание,
  • Цветность,
  • ХПК,
  • Перманганатная окисляемость,
  • Алюминий,
  • Железо,
  • Хлориды,
  • Сульфаты,
  • Бак анализ,
  • рН,
  • Жесткость общ.,
  • Щелочность,
  • БПК,
  • Нефтепродукты,
  • Аммиак,
  • Нитраты,
  • Нитриты,
  • Анализы по другим показателям (на усмотрение Заказчика)
Заказчик

Примечание: для испытаний установки ультрафильтрации используется коагулянт полиоксихлорид алюминия, как один из самых эффективных современных коагулянтов, возможны дополнительные испытания любого другого коагулянта имеющегося у Заказчика.

Желательно проводить испытания в период наихудшего качества воды. Длительность испытаний предполагается 60 – 70 дней.