专利名称：卷式反渗透膜器缺陷的在线诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种卷式反渗透膜器缺陷的在线诊断方法，采用停留时间分布技术，诊断膜器内流体流动缺陷，检测结垢条件，提高卷式反渗透膜器的整体运行性能，为优化膜器设计提供依据。属于化学工程科学中膜分离技术领域。
背景技术：
反渗透(RO)水处理技术具有常温下操作、能耗低、设备结构紧凑、运行费用经济等突出优点，已成为最经济的海水和苦咸水淡化技术，并被广泛地应用在超纯水制备、电厂高压锅炉用水脱盐净化、工业废水处理、食品及饮料加工以及各种化工领域中的浓缩分离和净化过程，将成为21世纪的主导高新技术之一。
卷式反渗透膜器由于各项性能指标均较好，膜堆积密度大、脱盐率高、寿命长，而成为被选用最多的膜器。虽然卷式反渗透膜器具有较高的综合脱盐性能，但仍有很大降低成本的发展空间。研究表明现有的卷式反渗透膜器仍存在很多缺陷，如运行中存在死体积，流体流动分布不均匀，结垢易在膜与隔网的接触点上发生，并且研究还表明存在传质系数的最大值现象。这些缺陷的存在，大大降低了膜器的整体性能。
卷式反渗透膜器设计的一个主要目标是使给水在通道内流动分布均匀，现有的反渗透系统设计及膜结垢的临界限制条件都基于这样的假设，即膜器内流体分布是均匀的，没有死体积等缺陷。然而，上述缺陷在膜器内是存在的，由此降低了膜器性能。有关研究表明这种流体流动不均匀可造成很大的负面影响，对卷式反渗透膜中CaSO4和CaCO3的结垢问题的研究表明，最容易结垢的地方是膜表面和隔网的接触点，甚至在主体溶液未饱和的情况下膜已发生结垢。因此，发展卷式反渗透膜器缺陷的在线诊断技术将对优化和提高整个膜器的综合性能提供基础，而且对保证系统的正常运行具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种卷式反渗透膜器缺陷的在线诊断方法，来诊断新旧卷式反渗透膜器在运行中存在的流体缺陷，检测结垢条件，及时调整运行参数，保证系统的正常运行；同时优化提高膜器的设计。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用停留时间分布的方法，对卷式反渗透膜器的流体缺陷进行诊断，采用NaCl作为示踪剂，通过高压脉冲注入技术，将其注入运行中待检测的卷式反渗透膜器入口，然后在膜器出口处利用电导仪检测NaCl浓度随时间的变化曲线，由计算机根据曲线进行数值变换，即可得到膜器缺陷表征参数D/uL，从而得到膜器缺陷的信息。
本发明方法的具体实施步骤如下1、在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连；在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连。
2、调节膜器进水压力与进水流量稳定至设定值，采用脉冲模式进行停留时间分布测试。打开注入阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器。所用NaCl浓度为5g/L-300g/L。在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试。测试时温度控制在28-33℃。然后保持进水压力不变，按从小至大的顺序改变进水流量，并对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试。
3、改变进水压力到另一个设定值，并保持压力不变，再按从小至大的顺序改变进水流量，并对每一个进水流量值，进行停留时间分布测试。这样重复进行测试，直至测定完每个设定进水压力下对应的不同进水流量的停留时间分布。
4、将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，即可得到膜器缺陷的表征参数。本发明采用分散数D/uL来表征卷式反渗透膜器内流型，根据D/uL的数值，确定卷式反渗透膜器的缺陷，完成在线诊断。D/uL数值越小，表明膜器内流型越接近理想流，性能越好，缺陷越少；反之，D/uL数值越大，表明膜器性能越差，缺陷越多。
本发明方法采用的诊断程序简单方便，设备成本低，可以快速地诊断出卷式反渗透膜器内的流型与理想活塞流的偏离程度，从而确定流体流动缺陷。适用范围广，如可用于新膜器、旧膜器、已结垢膜器等膜器的缺陷诊断；也适用于实验室用小膜器如2.5英寸、工业用大膜器如8英寸等膜器的缺陷诊断。本发明为当前工业中广泛采用的卷式反渗透系统的安全运行及膜器的优化设计提供了可靠的依据。
图1为本发明实施例1-2的处理结果。
图2为本发明实施例3-5的处理结果。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1本实施例对新的直径8英寸海德能公司SWCl卷式反渗透膜器进行诊断测试。
在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连；在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连。
调节膜器进水压力与进水流量稳定至设定值。在进行停留时间分布测试时，采用脉冲模式进行。打开阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器。所用NaCl浓度为300g/L。在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试。保持进水压力不变，按从小至大的顺序改变进水流量，并对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试。
改变进水压力到另一个设定值(本实施例测试压力分别是10bar，20bar，30bar)，并保持压力不变，再按从小至大的顺序改变进水流量(本实施例测试流量为1-10m3/h，相应雷诺数为50-370)，并对每一个进水流量值，进行停留时间测试。这样重复进行测试，直至测定完每个设定进水压力下对应的不同进水流量的停留时间分布。测试温度控制在28-33℃。
将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，得到膜器缺陷的表征参数D/uL。
结果如图1中数据点中下面的一组所示。从图中可以看出，增大进水流量，分散数D/uL减小，表明流型向接近于理想活塞流的方向改变，缺陷减小。即新工业规模卷式反渗透膜器性能随进水流量增大而提高。同时从图中可以看出，压力从10bar增大到30bar，分散数未发生改变，说明压力的改变对卷式反渗透膜器中的流道几何结构未有影响，即压力改变对新的卷式反渗透膜器内流型变化无任何影响。
本实施例表明停留时间分布技术可以方便准确地诊断工业规模卷式反渗透膜器中流型随进水流量的变化，检测流型缺陷的变化，并能检测压力变化对流型缺陷的影响。新的工业规模的卷式反渗透膜器(D/uL＝0.045-0.065)与理想活塞流(D/uL＜0.001)有重大偏离，存在很明显的流体流动缺陷。
实施例2本实施例对旧的直径8英寸海德能公司SWC1卷式反渗透膜器进行诊断测试。
在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连；在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连。
调节膜器进水压力与进水流量稳定至设定值。在进行停留时间分布测试时，采用脉冲模式进行。打开阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器。所用NaCl浓度为300g/L。在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试。保持压力不变，按从小至大的顺序改变进水流量，并对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试。
改变进水压力到另一个设定值(本实施例测试压力分别是10bar，20bar，30bar，40bar)，并保持压力不变，再按从小至大的顺序改变进水流量(本实施例测试流量为1-10m3/h，相应雷诺数为50-370)，并对每一个进水流量值，进行停留时间测试。这样重复进行测试，直至测定完每个设定进水压力下对应的不同进水流量的停留时间分布。测试温度控制在28-33℃。
将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，得到膜器缺陷的表征参数D/uL。
结果如图1数据点中上面的一组所示。从图中可以看出，增大进水流量，分散数D/uL减小，表明流型向接近于理想活塞流的方向改变，缺陷减小。即旧工业规模卷式反渗透膜器性能随进水流量增大而提高。同时从图中可以看出，压力从10bar增大到40bar，分散数未发生改变，说明压力的改变对卷式反渗透膜器中的流道几何结构未有影响，即压力改变对新的卷式反渗透膜器内流型变化无任何影响。图1还表明，同新卷式反渗透膜器内数据点相比(实施例1)，在其它条件相同时旧膜器分散数D/uL增大了。这说明旧膜器内流体流动缺陷较新膜器增大了。
本实施例表明停留时间分布技术可以方便准确地诊断工业规模旧卷式反渗透膜器中流型随进水流量的变化，检测流型缺陷的变化，并能检测压力变化对流型缺陷的影响。旧工业规模的卷式反渗透膜器(D/uL＝0.09-0.12)与理想活塞流(D/uL＜0.001)有重大偏离，也比新工业规模卷式反渗透膜器(D/uL＝0.045-0.065)存在更大的流体流动缺陷。
实施例3本实施例对新的2.5英寸陶氏公司TW30-2514卷式反渗透膜器进行诊断测试。
在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连；在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连。
在进行停留时间分布测试时，采用脉冲模式进行。打开阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器。所用NaCl浓度为20g/L。在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试。
调节膜器进水压力稳定在一个设定值(20bar)，然后按从小至大的顺序改变进水流量(流量为200-950L/h)，相应雷诺数变化为50-220，对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试。
测试时温度控制在28-33℃。
将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，得到膜器缺陷的表征参数D/uL。
结果如图2中数据点中最下面的一组所示。从图中可以看出，增大进水流量，分散数D/uL减小，表明流型向接近于理想活塞流的方向改变，缺陷减小。即新的卷式反渗透膜器性能随进水流量增大而提高。
本实施例表明停留时间分布技术可以方便准确地诊断实验室规模卷式反渗透膜器中流型随进水流量的变化，检测流型缺陷的变化。新的实验室规模的卷式反渗透膜器(D/uL＝0.012-0.04)与理想活塞流(D/uL＜0.001)有重大偏离，存在很明显的流体流动缺陷。
实施例4本实施例对新的已结垢的2.5英寸陶氏公司TW30-2514卷式反渗透膜器进行诊断测试。已知该结垢的膜器使渗透液流量下降14％。
在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连；在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连。
在进行停留时间诊断测试时，采用脉冲模式进行。打开阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器。所用NaCl浓度为20g/L。在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试。
调节膜器进水压力稳定在一个设定值(20bar)，然后按从小至大的顺序改变进水流量(流量为200-950L/h)，相应雷诺数变化为50-220，对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试。
测试时温度控制在28-33℃。
将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，得到膜器缺陷的表征参数D/uL。
结果如图2中数据点中间的一组所示。从图中可以看出，增大进水流量，分散数D/uL减小，表明流型向接近于理想活塞流的方向改变，缺陷减小。即结垢的卷式反渗透膜器性能随进水流量增大而提高。
本实施例表明停留时间分布技术可以方便准确地诊断结垢卷式反渗透膜器中流型随进水流量的变化，检测流型缺陷的变化。渗透液下降14％结垢的实验室规模的卷式反渗透膜器(D/uL＝0.025-0.045)与理想活塞流(D/uL＜0.001)有重大偏离，存在很明显的流体流动缺陷。结合实施例3，可以看出，结垢膜器比未结垢卷式反渗透膜器(D/uL＝0.012-0.04)的D/uL值更大，即结垢膜器存在更大的流体流动缺陷。
实施例5本实施例对新的已结垢的2.5英寸陶氏公司TW30-2514卷式反渗透膜器进行诊断测试。已知该结垢的膜器使渗透液流量下降36％。
在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连；在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连。
在进行停留时间分布测试时，采用脉冲模式进行。打开阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器。所用NaCl浓度为20g/L。在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试。
调节膜器进水压力稳定在一个设定值(20bar)，然后按从小至大的顺序改变进水流量(流量为200-950L/h)，相应雷诺数变化为50-220，对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试。
测试时温度控制在28-33℃。
将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，得到膜器缺陷的表征参数D/uL。
结果如图2中数据点中最上面的一组所示。从图中可以看出，增大进水流量，分散数D/uL减小，表明流型向接近于理想活塞流的方向改变，缺陷减小。即结垢的卷式反渗透膜器性能随进水流量增大而提高。
本实施例再次表明停留时间分布技术可以方便准确地诊断结垢卷式反渗透膜器中流型随进水流量的变化，检测流型缺陷的变化。渗透液下降36％的结垢的实验室规模的卷式反渗透膜器(D/uL＝0.036-0.056)与理想活塞流(D/uL＜0.001)有重大偏离，存在很明显的流体流动缺陷。结合实施例3和4，可以看出，结垢膜器比未结垢卷式反渗透膜器(D/uL＝0.012-0.04)存在较大的流体流动缺陷；与渗透液下降14％结垢(D/uL＝0.025-0.045)的诊断相比，渗透液下降36％的结垢量增大了，其D/uL也增大了，即流型缺陷也随结垢量而增大了。
权利要求
1.一种卷式反渗透膜器缺陷的在线诊断方法，其特征在于包括如下步骤1)在卷式反渗透膜器进口端安装示踪剂NaCl溶液的注入容器及注入阀门，并同60bar的高压空气瓶相连，在卷式反渗透膜器出口处安装高速响应电导仪并同计算机相连；2)调节膜器进水压力与进水流量稳定至设定值，采用脉冲模式进行停留时间分布测试，打开注入阀门1秒钟，利用60bar的高压空气将注入容器中的NaCl注入卷式反渗透膜器，所用NaCl浓度为5g/L-300g/L；在膜器出口处采集每0.1秒所对应的示踪剂出口浓度值，进行停留时间分布测试，测试时温度控制在28-33℃；然后保持进水压力不变，按从小至大的顺序改变进水流量，并对每一个进水流量值，都进行停留时间分布测试；3)改变进水压力到另一个设定值，并保持压力不变，再按从小至大的顺序改变进水流量，并对每一个进水流量值进行停留时间分布测试，直至测定完每个设定进水压力下对应的不同进水流量的停留时间分布；4)将测试所采集到的停留时间分布数据进行轴向扩散模型数值变换，得到膜器缺陷的表征参数，根据表征卷式反渗透膜器内流型的分散数D/uL的数值，确定卷式反渗透膜器的缺陷，完成在线诊断。
全文摘要
一种卷式反渗透膜器缺陷的在线诊断方法，采用停留时间分布的方法，对卷式反渗透膜器的流体缺陷进行诊断。采用NaCl作为示踪剂，通过高压脉冲注入技术，将其注入运行中待检测的卷式反渗透膜器入口，然后在膜器出口处利用电导仪检测NaCl浓度随时间的变化曲线，由计算机根据曲线进行数值变换，即可得到膜器缺陷表征参数D/uL，从而得到膜器缺陷的信息。本发明采用的诊断程序简单方便，设备成本低，可以快速地诊断出卷式反渗透膜器内的流型与理想活塞流的偏离程度，从而确定流体流动缺陷，为优化膜器设计提供依据。
文档编号B01D65/10GK1721049SQ20051002620
公开日2006年1月18日 申请日期2005年5月26日 优先权日2005年5月26日
发明者杨庆峰 申请人:上海交通大学