Proggettazione di installazione di sistemi per la desalificazione

Progettazione del sistema

L'installazione per la desalificazione è un sistema completo, con acqua d'alimentazione all'ingresso e tubi di scarico separati per il concentrato ed il permeato. I dati dei tubi all'uscita e all'ingresso dovrebbero essere sempre confrontati con le analisi dell'acqua, la pressione dell'acqua di alimentazione e la ritenzione di sale.
Il progettista di un sistema ad osmosi inversa punterà alle minori pressione di membrana e costi di installazione e alla massima  ritenzione e recupero di sale.

Il recupero di un'installazione di desalificazione per acqua salmastra è intorno 85%. Dipende dalla solubilità dei solidi in sospensione che sono presenti nell'acqua d'alimentazione. Durante la desalificazione dell'acqua di mare e' desiderabile un recupero del 40-50%. Il recupero di desalificazione dell'acqua di mare dipende dalla pressione osmotica dell'acqua di alimentazione e dei tipi di membrane applicate durante il processo di desalificazione.

Processo continuo

Un sistema di filtrazione a membrana è usato solitamente per assistere un processo continuo. Si puo' optare per la scelta di un processo continuo dal momento che i flussi trattati, quali flusso di acqua d'alimentazione e flusso permeabile, sono continui.

Rappresentazione schematica di un processo continuo

Lo stesso vale per i sistemi al osmosi inversa. Essi sono anche destinati ad assistere ad un processo continuo con un flusso permeabile continuo e un recupero di sistema costante.
Le variazioni nella temperatura dell'acqua e nel grado di sporcamento dell'acqua d'alimentazione sono compensate tamite le registrazioni della pressione dell'alimentazione.

Sistema multi-fase

I sistemi che consistono in più di una fase sono denominati sistemi multi-fase. Questi sistemi possono raggiungere più elevati livelli di recupero di sistema, senza eccedere i singoli limiti di recupero dell'elemento. Per guadagnare un recupero fino al 70%, si devono realizzare due fasi nel sistema di trattamento dell'acqua di alimentazione.

 

Rappresentazione schematica di un sistema a due fasi

Per recuperi piu' alti, devono essere applicate tre fasi. Tali valori sono basati sul presupposto che si utilizzano i contenitori a pressione standard con sei elementi. Per i vasi più corti il numero di fasi deve essere raddoppiato. Per raggiungere un recupero di sistema è più alto, si devono collegare in serie più elementi di membrana. Un sistema a due fasi tipico usa un rapporto della fase di 2:1 per la desalificazione dell'acqua di mare con un elevato contenuto di solidi dissolti.

Flusso a tappo e ricircolo del concentrato

Il concetto di flusso a tappo consiste nella progettazione di sistema standard di osmosi inversa per applicazioni di desalificazione dell'acqua. L'acqua di alimentazione viene fatta passare attraverso un sistema a flusso a tappo soltanto una volta. Una frazione dell'acqua di alimentazione passa attraverso una membrana per produrre permeato. Il resto dell'acqua di alimentazione non deriva dai sali e diventerà sempre più concentrato.

Quando il numero di elementi di membrana in un sistema a flusso a tappo è troppo basso per realizzare un alto recupero di sistema, può essere implicata la ricircolazione del concentrato. Durante la ricircolazione una parte del concentrato è ridiretta dalla parte dell'acqua d'alimentazione del modulo. Il concentrato riciclato si mescola con l'acqua d'alimentazione e viene trattato una volta in più.

Rappresentazione schematica di un'installazione con opzioni di ricircolazione del concentrato

Numero di elementi in ogni vassoio in pressione

I sistemi ad osmosi inversa sono progettati solitamente per un flusso permeabile specifico. Per realizzare tale flusso e' richiesto un certo numero di elementi di membrana. Il numero di elementi di membrana che viene disposto all'interno dell'installazione dipende dal flusso di progetto.
Per la desalificazione dell'acqua di mare il fattore di limitazione è la pressione di alimentazione massima; esso non può eccedere i 69 bar.

Sulla base del flusso di progetto, si puo' determinare la produzione per unita' di membrana:

Produzione per elemento = flusso * elemento di superfice

Numero di elementi = flusso di permeato / produzione per elemento

Numero di vassoi in pressione = numero di elementi / numero di elementi per vassoio

Per mezzo del flusso permeabile e del recupero richiesto, e' calcolato il flusso di acqua d'alimentazione:

Flusso d'acqua di alimentazione = flusso di permeato / recupero

Pressione dell'acqua di alimentazione

Una certa pressione di alimentazione è necessaria a seconda della progettazione del sistema. Il flusso, la perdita di energia nel sistema e la pressione osmotica determinano la pressione di alimentazione richiesta dal sistema. Essa aumenterà quando gli elementi della membrana diventeranno contaminati negli anni. Una pompa di alimentazione che permette un flusso piu' elevato rispetto al flusso teoricamente richiesto sara' quindi impiegata per mantenere la pressione d'alimentazione continua. Una pompa d'alimentazione che aumenta la pressione di alimentazione del 25% sarà soddisfacente in pratica.
Quando il sistema è avviato, la situazione iniziale viene registrata. Tutti i parametri relativi dovrebbero essere registrati ed annotati in un registro. Sulla base di tali dati si possono esaminare e regolare le prestazioni dell'installazionedopo che il sistema e' stato messo in azione.

Monitoraggio

Durante il monitoraggio del sistema, vengono realizzate delle misure di flusso, pressione e conducibilità idrica. Per controllare la affettività idraulica del sistema si devono musurare la pressione d'alimentazione per fase ed il flusso permeabile. La pressione d'alimentazione dipende dalla temperatura dell'acqua d'alimentazione. Quando la temperatura dell'acqua di alimentazione e' bassa, è richiesta maggiore pressione per realizzare lo stesso recupero che viene raggiunto con alte temperature dell'acqua dell'alimentazione. Quando la temperatura dell'acqua oscilla, e' necessario normalizzare il flusso permeabile, per permettere un confronto con la situazione iniziale.

Quando le installazioni funzionano correttamente la conducibilità del permeato è bassa, a causa della rimozione degli ioni univalenti e bivalenti. Quando nell'elemento di membrana e' presente una perdita, la conducibilità aumenta. Ecco perchè si applicano delle misure di conducibilità.
Tali misure avvengono nello scolo di raccolta del permeato. Le misure possono essere realizzate per ogni pila specifica o per
tutte le pile attuali.
Un controllo sufficiente del sistema permetterà all'utente di sapere quando il sistema deve essere pulito.

Protezione del materiale

All'interno delle installazioni di desalificazione, c'è un ambiente piatto quando avviene la corrosione delle parti separate del sistema. A causa di questo, il materiale deve possedere una certa resistenza alla corrosione. Ciò avviene per le parti esterne, che sono esposte ad un atmosfera salata (versamenti, perdite), così come per le parti interne. La corrosione delle parti esterne del sistema può essere solitamente evitata fornendo loro uno strato superficiale (pittura, galvanizzazione) e attraverso il mantenimento periodico del sistema e la chiusura delle perdite.
Malgrado il fatto che i materiali siano protetti da potenziale corrosione, devono anche essere in grado di resistere a variazioni di pressione, temperatura e vibrazioni.
Per impedire la corrosione e le reazioni chimiche nella parte del sistema in cui le pressioni sono basse (< 10 bar), come negli elementi di membrana e nei contenitori a pressione, i non-metalli quali PVC e vetroresina vengono spesso appicati. Per le parti ad alta pressione (10-70 bar), come pompe, scoli e coperchi, e' necessario utilizzare metalli per fornire loro lo stesso tipo di protezione.
Il PVC ed alcuni metalli non possono resistere sufficientemente alla corrosione. Quando cominciano a corrodere possono contaminare le membrane. Quando la protezione contro la corrosione è in ordine, dobbiamo tenere cio' presente.
Il materiale principale usato per le parti ad alta pressione è acciaio inossidabile. Il vantaggio dell'acciaio inossidabile è che è resistente alla corrosione ed alla corrosione di erosione. L'acciaio inossidabile è raramente danneggiato da corrosione
galvanica.

I tubi e le parti dell'installazione dovrebbero seguire le richieste dell'azienda in cui e' collocata l'installazione. I tubi ed i componenti dell'installazione sono solitamente sviluppati usando i seguenti materiali:


Filtri a candela e vassoi in pressione: filtri in polipropilene in vassoi in PVC o acciaio inossidabile
Pumpe: acciaio inossidabile
Tubi a bassa pressione: PVC
Tbi ad alta pressione: acciaiuo inossidabile
Sistema di pulitura: PVC o altro materiale sintetico resistente

Risparmio energetico

In un sistema di desalificazione il concentrato è liberato sotto alta pressione, ecco perchè è importante recuperare l'energia proveniente dal flusso del concentrato. Ciò può essere realizzato tramite l'applicazione di uno scambiatore di pressione. Il flusso del concentrato è diretto dalle membrane attraverso lo scambiatore di pressione, dove trasferisce direttamente l'energia alla parte di acqua d'alimentazione ricevuto con affettività massima.
Il flusso di acqua d'alimentazione ora ha lo stesso volume del flusso di concentrato. Sarà diretto verso una piccola pompa di innesco che corregge le perdite idrauliche del flusso.
Il flusso aggiornato di acqua d'alimentazione si unirà con il flusso di acqua d'alimentazione dalla pompa ad alta pressione.
In un'installazione che sfrutta uno scambiatore di pressione, la pompa ad alta pressione emanerà 41% dell'energia, la pompa di innesco il 2% di energia e lo scambiatore di pressione emanerà il restante 57%. Lo scambiatore di pressione non sfrutta alcuna energia esterna, così il risparmio totale di energia sarà del 57%.

Esercitando pressione direttamente all'acqua di mare ricevuta in un sistema della membrana, si puo' realizzare una riduzione del 60% nelle dimensioni della pompa ad alta pressione. Ciò consente un risparmio non soltanto di energia, ma anche nei costi d'acquisto delle pompe ad alta pressione.
 

*Immagini grafiche dalle membrane FILMTEC

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