Systeemontwerp ontziltingsinstallatie

Systeem ontwerp

De ontziltingsinstallatie is een compleet systeem met een invoer voor het voedingswater en een aparte uitvoer voor het concentraat en het permeaat. Deze twee gegevens moeten altijd vergeleken worden met de wateranalyse, de voedingsdruk en de zout retentie. Het doel van een ontwerper van een omgekeerde osmose installatie zal erna streven om de voedingsdruk en membraan kosten zo laag mogelijk te houden terwijl de recovery en de zout retentie maximaal zijn.

De recovery van brakwater ontziltinginstallatie ligt om en nabij de 85%, en is afhankelijk van de oplosbaarheid van de slecht oplosbare zouten in het voedingswater. Bij het ontzouten van zeewater is een recovery van 40-50% gewenst. De recovery is bij het ontzouten van zeewater afhankelijk van de osmotische druk van het voedingswater en van het van het soort en type membraan dat ingezet wordt bij de ontzilting.

Continu proces

Een membraanfiltratie installatie wordt normaal gesproken opgezet voor een continu-proces. De keuze voor en continu proces wordt vaak gemaakt omdat de procescondities (voeding- en permeaatdebiet) in de installatie meestal constant zijn. 

Schematische afbeelding van het continu proces

Dit geldt ook voor omgekeerde osmose systemen. Deze zijn ontworpen voor een continu proces met een constante permeaat stroom en een constante systeem recovery. Variaties in de temperatuur en fouling van het voedingswater worden gecompenseerd door de voedingsdruk aan te passen. 

Multi-stage systeem

Systemen die meer dan één stage bevatten worden multi-stage systemen genoemd. De systemen worden gebruikt om een hoge recovery te krijgen zonder dat het element overbelast worden door een te hoge recovery per element. Om een recovery tot 70% te behalen zijn er twee stages nodig voor het te behandelen voedingwater. 

Schematische afbeelding van een 2-stage systeem

Voor nog hogere recoveries is een systeem nodig met drie stages. Deze waarden zijn gebaseerd op het feit dat er standaard drukvaten worden gebruikt die per drukvat zes membraanelementen bevat. Als er bijvoorbeeld per drukvat drie elementen geïnstalleerd zijn, moet het aantal stages worden verdubbeld om hetzelfde resultaat te behalen. Over het algemeen kan gezegd worden dat hoe hoger de recovery hoe meer membraanelementen er in serie geschakeld moeten worden. Een typische 2-stage systeem gebruikt de verhouding van 2:1 en wordt ingezet voor de ontzilting van zeewater met een vrij hoge TDS.

Plug-flow (kerstboom opstelling) en concentraat recirculatie

De zogenaamde plug-flow systeem is het standaard ontwerp dat toegepast wordt in ontziltingsinstallaties. Het voedingswater in een plug-flow systeem wordt maar één maal door het systeem geleid. Een deel van het voedingswater wordt door het membraan getransporteerd en wordt permeaat. Het andere deel van het voedingswater wat niet wordt ontdaan van zouten krijgt een steeds hogere concentratie. 

Als de hoeveelheid membraanelementen niet genoeg zijn om een hoge systeem recovery te halen met het plug-flow systeem, dan wordt concentraat recirculatie toegepast. Bij dit systeem wordt een deel van het concentraat terug gebracht naar de voedingszijde van de module. Het gerecirculeerde concentraat wordt vermengde met het voedingswater en opnieuw behandeld. 

Schematische afbeelding van een installatie met concentraat recirculatie

Aantal elementen per drukvat

Omgekeerde osmose systemen worden gewoonlijk ontworpen voor een gespecificeerde permeaatdebiet. Om dit debiet te bereiken, wordt een aantal membraanelementen vereist. Het aantal elementen dat in de installatie geplaatst wordt is afhankelijk van de ontwerpflux. Voor zeewater ontzilting is de beperkende factor die maximale voedingsdruk die niet hoger mag liggen dan 69 bar. 

Op basis van de ontwerpflux kan de productie per membraanelement worden bepaald:

Productie per element  = flux x oppervlakte per element

                                      permeaatdebiet
Aantal elementen        = productie per element

                                        aantal elementen
Aantal drukvaten         = aantal elementen per drukvat

Met het permeaatdebiet en de gewenste recovery wordt het voedingsdebiet gemeten:

                                    permeaatdebiet
Voedingsdebiet            =       recovery

Voedingsdruk

Afhankelijk van het systeemontwerp zal een bepaalde voedingsdruk nodig zijn. De flux, het energieverlies over het systeem en de osmotische druk bepalen de voedingsdruk die nodig voor het systeem. De noodzakelijke voedingsdruk zal toenemen als de membraanelementen vervuilen en verouderen. Een voedingspomp met een groter debiet dan theoretisch voorgeschreven is, is dan nodig om een constante voedingsdruk te behouden. Een voedingsdruk die 25% meer druk levert is in een praktijk situatie voldoende.De beginsituatie wordt vast gelegd bij het opstarten van het systeem. Alle relevante parameters moeten worden geregistreerd en genoteerd in een logboek. Aan de hand van deze gegevens van de beginsituatie kan de werking en de prestatie van de installatie in de toekomst worden gecontroleerd en worden aangepast. 

Monitoring

Bij de monitoring van het systeem vinden metingen plaats van het debiet en de druk en de elektrische geleidbaarheid van het water (EC-waarde). Om de hydraulische werking van het systeem te controleren moet de voedingsdruk voor een stage en het permeaat debiet worden gemeten. De voedingsdruk is afhankelijk van de temperatuur van het voedingswater. Bij een lage temperatuur van het voedingswater is er meer druk nodig om dezelfde recovery te krijgen die bij een hoge temperatuur van het voedingswater verkregen wordt. Dit betekent dat bij schommelingen van de watertemperatuur het permeaatdebiet genormaliseerd moet worden als men het met de beginsituatie wil vergelijken.

Als de installatie correct werkt dan is de geleidbaarheid van het permeaat laag. Dit komt door de verwijdering van één- en tweewaardige ionen. Als er zich in het membraanelement een lekkage bevind zal de geleidbaarheid van permeaat direct stijgen. Een geleidsbaarheidsmeting vindt plaats in de permeaatverzamelleiding. Er kan meting verricht worden per individuele stack of voor het totaal van alle stacks. Een goede monitoring van het systeem kan de gebruiker erop wijzen wanneer de reiniging moet worden ingezet. 

Materiaal & Componenten

Er heerst een zeer ruw milieu in een ontziltingsinstallatie wat betreft de corrosie van de onderdelen. Vandaar dat de materialen een bepaalde graad van corrosieweerstand moeten hebben. Dit geld zowel voor externe onderdelen die aan de zoute atmosfeer worden blootgesteld (morsen, lekkage) evenals voor de interne onderdelen van het systeem. De corrosie van externe onderdelen kan meestal worden voorkomen door ze te voorzien van een oppervlaktedeklaag (schilderen, galvaniseren, enz.) en door periodieke onderhoud van de installatie door tijdig schoonmaken en het dichten van lekkages. Ondanks dat de materialen tegen potentiële corrosie beschermd worden, moeten de gebruikte materialen ook de druk, de trillingen de temperatuur, enz kunnen weerstaan. De toepassing van niet-metalen materialen zoals PVC, glasvezel, enz. zijn veel gebruikt voor het verhinderen van corrosie en chemische aanvallen in het lagedruk deel (<10 bar) van het systeem zoals in de membraanelementen en de drukvaten. Desondanks is het noodzakelijk om metalen voor de hoge druk delen (10-70 bar) zoals pompen, leidingen en kleppen te gebruiken. PVC en sommige metalen hebben geen voldoende corrosieweerstand en kunnen de membranen vervuilen als ze gaan corroderen. 

Het meest relevante materiaal dat voor de hoge drukdelen moet worden gebruikt is roestvrij staal (RVS). De basisvoordelen met roestvrij staal zijn dat zij tegen algemene corrosie en erosiecorrosie zeer bestand zijn. Het RVS wordt zelden aangevallen door galvanische corrosie. Het leidingwerk en onderdelen van de installatie moeten voldoen aan de eisen van het bedrijf waar de installatie wordt geplaatst. Het leidingwerk en de componenten van de installatie worden doorgaans uitgevoerd in de volgende materialen:

Kaarsenfilters en drukvat : Polypropyleen filter in PVC of RVS
                                    drukvat;
Pompen                        : RVS
Lage druk leidingwerk      : PVC
Hoge druk leidingwerk      : RVS 
Reinigingssysteem           : PVC of andere tegen 
                                     chemicaliën bestand kunststof.

Energiebesparing

Het concentraat komt bij een ontziltingsinstallatie onder hoge druk vrij, het is dus state-of-the-art om energie terug te winnen uit de concentraatstroom. Dit kan door een drukwisselaar toe te passen. Door een gedeelte van het inkomende zeewater direct onderdruk te zetten kan de grootte van de hoge drukpomp met ongeveer 60% worden gereduceerd. Dit bespaart niet alleen energie maar ook de aanschafkosten van de hogedrukpomp. 

De concentraatstroom die uit de membranen komt wordt door de drukwisselaar geleid waar het zijn energie rechtstreeks overgeeft aan een gedeelte van het inkomende voedingsstroom met een maximale effectiviteit. 

De voedingsstroom die een gelijke volume heeft als de concentraatstroom wordt dan naar een kleine boosterpomp geleid die de hydraulische verliezen van het systeem goedmaakt. De opgewaardeerde voedingsstroom sluit zich bij de voedingsstroom aan die uit de hogedrukpomp komt. Bij een installatie die gebruikt maakt van een drukwisselaar zal de hogedruk pomp 41% van de energie geven, de boosterpomp 2% en de drukwisselaar de resterende 57%. Omdat de drukwisselaar geen externe energie gebruikt zal de totale besparing 57% zijn vergeleken met een systeem die geen energiebesparing toepast.

* grafische afbeeldingen zijn van FILMTEC membranes