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图1 双级反渗透纯水系统工作原理图

    按照纯水的反渗透模组级别分类, 纯水系统主要包含单级反渗透纯水系统、双级反渗透纯水系统、三级反渗透纯水系统等。在汽车涂装生产线领域, 主要应用的是双级反渗透纯水系统, 其主要由预处理系统、双级反渗透模组系统、电控系统等组成, 双级反渗透纯水系统简单工作流程如图1。

二、双级反渗透纯水系统结构简介

    纯水系统设备主要由水箱、水泵、多介质过滤器系统、双级反渗透模组系统、板式换热器、反渗透高压泵、药剂添加系统、清洗系统、过滤器、紫外线杀菌器、电控系统以及阀组、管路等组成。
    多介质过滤器系统包含沙滤过滤器和活性碳过滤器, 其作用是初步降低水中的有机污染物、大部分胶体、悬浮物、浊度及SDI等污染成分, 对原水进行首次过滤。
    双级反渗透模组系统包含一级反渗透脱盐模组和二级反渗透脱盐模组, 其主要作用去除水中各种溶解固形物、胶体硅及有机物。
    由于冬季原水的温度较低, 影响纯水系统的产水率, 板式换热器可以保证冬天供水温度能达到15—20℃之间, 以保障反渗透系统不因为天气和水温的变化而使产水量下降。
    药剂添加系统设三套加药装置:第一套在多介质过滤器前投加高絮凝剂以加速水中杂质的凝聚以便多介质过滤器的有效截留;第二套在精密过滤器前投加液态阻垢剂能分散铁、铝等胶体, 提高饱和临界值, 减轻胶体污染, 防止膜面结垢, 保证系统稳定运行;第三套在二级反渗透前, 加碱对纯水进行最终PH的调节。
    清洗系统包括清洗箱和清洗泵, 与双级反渗透模组系统直接连接, 可随时进行反渗透膜元件的清洗工作。清洗系统的作用是为反渗透装置提供就地的化学清洗。清除反渗透膜中的污染物, 以恢复膜的原有使用特性。
    多介质过滤器包含保安过滤器、终端过滤器。保安过滤器的作用是防止较大颗粒进入反渗透装置, 确保水质达到反渗透膜的进水指标SDI15≤4, 以免破坏膜组件。终端过滤器的作用是对产生的二级纯水进行最后一道的除菌作用, 保证二级纯水细菌数量≤3个/L。

三、双级反渗透纯水系统产水指标要求

    为了减少纯水对汽车车身表面涂装质量的影响, 需要对纯水的电导率、PH值、脱盐率、悬浮物、浊度、含盐量等参数进行严格的控制, 特别是电导率、脱盐率、PH值、剩余不容物、细菌水等参数方面进行检测。纯水系统产生的纯水分为一级纯水和二级纯水, 通过一级反渗透脱盐装置产生的一级纯水参数指标需要满足以下要求:

电导率<15μs/cm;

脱盐率>97%;

通过二级反渗透脱盐装置后, 产生的二级纯水参水指标需要满足以下要求:

电导率<5μs/cm;

PH值:6.0-7.0;

脱盐率>99%;

硅含量<0.5mg/L;

剩余不溶物<4.5mg/L;

细菌数<3个/L。

四、双级反渗透纯水系统设备及电控选型要求

1.原水箱

    原水箱的作用是储存原水, 为后续设备提供稳定的水源。纯水系统设置原水箱为一般不锈钢或者PVC材质, 一台, 容积根据需求而定, 一般原水箱的存水体积满足涂装生产线2个小时纯水制水需求。水箱中设有高低液位开关和进水自动慢开闭阀门, 以保证供水的稳定, 水箱中设有远传液位计, 可传送液位信号到主控制柜上, 在触摸屏上显示液位, 并能产生高低液位报警信号。设上、中、下三段液位开关控制, 高位进水电动阀门自动关闭, 中位进水电动阀门自动开启, 以保证供水的稳定, 低位原水泵停, 保护水泵, 保证有水运行。

2.原水泵

    原水泵, 我公司通常采用进口或者国内知名品牌泵业生产的不锈钢单机械离心泵。一般设计2台并联, 正常运行时一台运行, 反洗工艺时二台同时运行, 加强反洗强度, 提供预处理系统运行的动力。原水泵参数根据实际生产线需求而定。

3.全自动多介质过滤器

    通常采用不锈钢立式过滤器, 配套反洗监视镜、人工取样阀、排气电磁阀、自动气动蝶阀组。通过PLC控制定时反清洗和正洗、运行等。内部管道的设计保证使通过整个多介质过滤器的流量的收集和分配均匀, 避免在局部产生过高的流速和偏流。滤料选用优质石英砂, 材料要求坚硬抗机械损伤且可反复清洗使用。

4.全自动活性炭过滤器

    活性炭过滤器主要用于吸附水中部分有机物和水中余氯。一般采用不锈钢立式过滤器, 配套反洗监视镜、人工取样阀、排气电磁阀、自动气动蝶阀组。通过PLC控制定时反清洗和正洗、运行等。内部管道的设计要求保证使通过整个活性炭过滤器的流量的收集和分配均匀, 避免在局部产生过高的流速和偏流。滤料选用优质果壳净水碳。
    多介质过滤器和活性炭过滤器共用一台反洗泵进行清洗, 清洗使用的水来自于原水箱, 反洗泵参数根据实际生产线需求而定。

5.加药系统

    本系统设三套加药装置:一套在砂滤前投加高絮凝剂以加速水中杂质的凝聚以便多介质过滤器的有效截留;一套在精密过滤器前投加液态阻垢剂能分散铁、铝等胶体, 提高饱和临界值, 减轻胶体污染, 防止膜面结垢, 保证系统稳定运行;一套在二级反渗透前, 加碱进行PH的调节。
    我公司通常采用美国米顿罗隔膜计量泵, 与RO连锁加药。

6.板式换热器

    纯水系统需要设计一套不锈钢板式换热器, 保证冬天供水温度能达到15℃以上, 20℃左右, 以保障反渗透系统不因为天气和水温的变化而使产水量下降。热水进口设置电磁阀, 换热器出口要求设置温控仪, 超过设定温度电磁阀自动关闭, 低于设定温度热水电磁阀可自动开启, 保证供水温度的稳定。

7.保安过滤器

    该过滤器的作用是防止较大颗粒进入反渗透装置, 确保水质达到反渗透膜的进水指标SDI15≤4, 以免破坏膜组件。精密过滤器包括进出口阀门, 排水阀, 排气阀, 仪表取样接口等。
    我公司保安过滤器滤芯通常选用美国进口5μm精度的聚丙烯喷滤芯, 滤芯为40寸, 当过滤器进出口压差大于过0.05MPa时, 将更换滤芯。

8.反渗透脱盐系统

    纯水系统的核心组件, 经预处理后的水进入两级反渗透脱盐系统进行脱盐, 去除水体中的溶解离子及小分子有机物。主机采用一体化结构设计, 操作简单, 运行稳定。此套系统采用双级控制, 从而更加有效地保证脱盐率和提高回收率。
    反渗透的动力水源由高压泵提供, 高压泵我公司选用丹麦进口的立式多级离心泵, 高压泵的进出口设有高、低压保护开关, 直接与高压泵联锁, 保护高压泵的稳定运行。反渗透膜元件采用原装进口复合膜, 保证运行的稳定。高压泵设软启动。一级高压泵参数和二级高压泵参数根据实际生产线需求而定。

9.反渗透主机仪表

    通常包含以下仪表种类——
    流量计:反渗透系统的产品水和浓水设有流量计, 可监测瞬时流量;
    在线流量计:我公司通常采用GF-SIGNET等品牌;
    电导率仪:我公司通常采用SUNTEX等公司远传电导检测仪表。原水和产品水侧分别设有电导率仪, 监测产品水的水质, 并将产水电导率输送到PLC、触摸屏上, 能超标报警, 使不合格水自动排放;
    压力表:反渗透系统的各段分别设有压力表, 可方便观察系统压力的变化;整套反渗透装置的管道、阀门均整齐、有序地布置在机架上。

4.1 反渗透清洗系统

    本系统包括清洗箱、清洗泵及相关的仪表和阀门管道等。该系统的作用是为反渗透装置提供就地的化学清洗和一级RO膜的自动冲洗。清除反渗透膜中的污染物, 以恢复膜的原有使用特性。

4.2 中间水箱

    经一级RO设备脱盐的一级纯水进入中间水箱贮存, 材质为SUS不锈钢或者PVC组合式中间水箱一个, 水箱内设有高低液位开关。与反渗透系统连锁, 可实现反渗透系统的自动启动和停止。水箱中设有远传液位计一台, 可传送液位信号到主控制柜上, 在触摸屏上显示液位。并能产生高低液位报警信号。

4.3 纯水箱

    经二级RO设备脱盐的纯水进入纯水箱贮存, 材质为SUS不锈钢或者PVC, 水箱内设有高低液位开关。与反渗透系统连锁, 可实现反渗透系统的自动启动和停止。水箱中设有远传液位计一台, 可传送液位信号到主控制柜上, 在触摸屏上显示液位。并能产生高低液位报警信号。设上、中、下三段液位开关控制, 与RO连锁控制水位, 高位报警, RO自动关闭;中位RO自动开启, 以保证供水的稳定;低位报警, 且纯水泵停, 保护水泵。
    为保证使用寿命, 水箱要求采用不锈钢板材质及加强筋加强。

4.4 纯水泵

    纯水泵我公司通常采用丹麦格兰富等进口品牌的不锈钢SUS304离心泵。将产品水送至用水点。本系统需要配置2台纯水泵, 正常工作时一用一备, 在给纯水槽注槽时可2台泵同时开启工作。通过纯水泵出口压力传感器及水箱内的液位开关控制实现将纯水箱内的纯水恒压自动转移到用水点, 保证供水压力恒定和充分。纯水泵参数根据现场生产线需求而定。

4.5 紫外线杀菌器

    采用紫外线杀菌器以防止纯水箱和输送管道的二次污染, 确保不使细菌超标的水送入电泳槽等各工艺用水点。

4.6 终端过滤器

    该过滤器的作用是除菌和隔离菌丝。除菌精密过滤器包括进出口压力表、阀门, 排水阀, 排气阀, 取样接口等。终端过滤器滤芯我公司通常选用美国进口0.45μm精度的聚丙烯折叠膜滤芯, 滤芯为40寸, 当过滤器进出口压差大于设定值时, 将更换滤芯。

4.6.1电控部分

1.电控部分的组成

    本控制系统包含PLC、触摸屏控制, 断路器、接触器、继电器、按钮等电气元件。系统自动化程度高, 运行稳定, 操作维护简便易行, 减小操作者的劳动强度。整套系统设有一台电控柜, 可在触摸屏实行对设备的操作和设定。用触摸屏显示流量、液位、电导及流程显示, 对以上参数进行全程监控。
    整套系统要求可以自动运行、自动反洗、自动再生并可由以太网将系统运行状态输送给中央控制室 (包括:泵运行状态、水箱液位、气动、电动阀门状态、电导率值、系统故障报警等信息) 。

2.反渗透运行控制要求

    本系统控制设计为手动和自动方式控制;
    手动方式中可通过现场控制箱的按钮、开关实现对控制单元的控制, 此方式主要及维护时使用;
    自动方式通过系统中的各种信号 (如液位、压力等信号) 通过PLC中的程序控制各控制单元运行及停止;
    原水箱高液位开关与原水泵连锁;
    高压泵采用软启动, 平稳启闭, 保护膜和泵。

五、纯水系统设计计算方法

1.反渗透高压水泵流量

    纯水系统二级纯水出水量Q二级纯水由涂装车间每小时消耗的平均纯水量而定。依据二级纯水制水量Q二级纯水, 二级纯水供给泵的流量Q二级纯水泵与Q二级纯水相同。二级反渗透高压泵的流量Q二级泵数值与Q一级纯水相同。根据一级纯水的产水率η1和一级纯水的输入量Q一级纯水, 可以计算得出输入到一级反渗透模组的原水量Q原水。一级反渗透高压泵的流量Q一级泵数值与Q原水相同。

2.多介质过滤器直径

    多介质过滤器包含沙滤过滤器和活性碳过滤器, 流经两个过滤器的原水流量Q与原水量Q原水数值相同。沙滤过滤器的直径D沙滤与流经过滤层的水流速度v、原水流量Q有关, 一般v取值8-15m/s。碳滤过滤器的直径D碳滤计算与沙滤过滤器的直径D沙滤计算方式相同, 在这里不再赘叙。

3.反渗透膜设计和数量

    作为纯水系统最核心的设备之一, 反渗透模分为一级和二级, 每只膜每小时的透水量Q膜与膜的面积S膜、膜的设计通量q有关, 一般一级反渗透膜设计通量q是13-24 L/㎡.h, 二级反渗透膜设计通量是34-51 L/㎡.h。模组的设计数量N膜利用每小时流经模组的总水流量Q、每只膜的透水量Q膜计算得出。

4.管路系统的设计

    纯水管路应合理设计铺设, 在满足纯水输送条件下, 使管路长度为最少, 尽量减少截面和方向上的变化。不锈钢材质的管路焊接采用氩弧焊满焊形式, 焊接后进行试漏和酸洗处理, 保证管路的密封性良好。
    纯水管路直径D管路与流经管路的水量Q、管路允许的水流速度V水有关, 一般管路允许的水流速度V水在2-4.5m/s。

5.原水加热装置的设计

    由于局部地区的冬季水温降低, 水的粘性增加, 水的扩散性减弱, 导致纯水的产水率降低。在相同的压力下, 水温每下降一摄氏度, 产水率将下降2%-4%, 为了保证冬季纯水的产水率, 需要对与原水进行加热升温。板式换热器形式有管壳、盘管、套管、板式等。在纯水系统中, 一般采用板式换热器对原水进行升温, 板式换热的面积S选型按照公式计算得出, 其中Q为换热量 (J) , t1和t2为板式换热器间壁两侧的介质温度, k为换热器传热系数
    Q数值按照公式Q=c*m* (t1-t2) 计算, c为25°C水的比热容4.2k J/ (kg.°C) , m为水的质量, t1为原水需要升到的温度, t2为原水的实际温度。

六、纯水系统设备常见问题及分析

    纯水系统在日常生产运行中, 出现一些常见的设备问题, 针对不同系统可能出现的部分问题进行分类、分析、总结, 并且提出相应的解决预防方案, 具体见表1。
 

表1 纯水系统设备常见问题及解决方法

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