انتخاب ظرفیت پرشر وسل در دستگاه RO فقط به تعداد ممبران‌ها محدود نمی‌شود. باید تعداد المان‌های موردنیاز، تعداد ممبران قابل نصب در هر وسل، دبی عبوری، ریکاوری و آرایش مراحل هم‌زمان بررسی شوند. در سیستم‌های صنعتی، وسل‌های ۶ المانه بسیار رایج هستند و مدل‌های ۷ و ۸ المانه نیز وجود دارند. انتخاب نهایی باید با شرایط طراحی ممبران و جریان هر مرحله هماهنگ باشد.
پرشر وسل در دستگاه RO چه کاری انجام می‌دهد؟
پرشر وسل همان محفظه‌ای است که المان‌های ممبران داخل آن قرار می‌گیرند. آب خوراک با فشار بالا وارد وسل می‌شود و در طول عبور از ممبران‌ها، بخشی از آن به پرمیت تبدیل می‌شود. بخش باقی‌مانده نیز به‌صورت کنسانتره از انتهای وسل خارج می‌شود.
در دستگاه‌های صنعتی، چند پرشر وسل معمولاً به‌صورت موازی در یک مرحله قرار می‌گیرند. سپس کنسانتره مرحله اول وارد مرحله بعد می‌شود.
به همین دلیل، پرشر وسل فقط یک محفظه نگهدارنده نیست. تعداد وسل‌ها و نحوه چیدمان آن‌ها مستقیماً با عملکرد کل سیستم ارتباط دارد.
ظرفیت پرشر وسل یعنی چه؟
وقتی گفته می‌شود یک پرشر وسل ۶ المانه است، یعنی این وسل برای قرارگیری ۶ عدد المان ممبران طراحی شده است.
به‌عنوان نمونه:
- وسل ۴۰ اینچ ۶ المانه → ۶ ممبران استاندارد ۴۰ اینچی
- وسل ۴۰ اینچ ۷ المانه → ۷ ممبران
- وسل ۴۰ اینچ ۸ المانه → ۸ ممبران
در سیستم‌های بزرگ، وسل‌های ۶ المانه کاربرد بسیار گسترده‌ای دارند، هرچند وسل‌های دارای تعداد المان بیشتر نیز در دسترس هستند. برای سیستم‌های کوچک‌تر نیز وسل‌های کوتاه‌تر قابل استفاده‌اند.
ابتدا تعداد ممبران را مشخص کنید
انتخاب وسل از تعداد ممبران شروع می‌شود.
اگر در مرحله طراحی مشخص شود که دستگاه به ۳۶ المان نیاز دارد و قرار است از وسل‌های ۶ المانه استفاده شود:
۳۶ ÷ ۶ = ۶ وسل
پس در مجموع ۶ پرشر وسل موردنیاز است.
اما اگر تعداد محاسباتی ممبران ۳۷ عدد باشد، نمی‌توان یک وسل را با یک ممبران ناقص پر کرد. در چنین شرایطی باید آرایش سیستم اصلاح شود و تعداد وسل‌ها به‌گونه‌ای انتخاب شود که تعداد واقعی المان‌ها با ظرفیت وسل‌ها هماهنگ باشد.
راهنمای FilmTec نیز تعداد وسل‌ها را از تقسیم تعداد المان‌های موردنیاز بر تعداد المان قابل نصب در هر وسل به دست می‌آورد و نتیجه را به عدد صحیح بالاتر گرد می‌کند.
فرمول انتخاب تعداد پرشر وسل
فرمول پایه بسیار ساده است:
تعداد پرشر وسل = تعداد ممبران ÷ تعداد ممبران در هر وسل
مثلاً اگر:
- تعداد ممبران = ۴۸
- ظرفیت وسل = ۶ ممبران
باشد:
۴۸ ÷ ۶ = ۸ وسل
اگر تعداد ممبران ۴۹ عدد باشد:
۴۹ ÷ ۶ = ۸٫۱۶
بنابراین حداقل ۹ وسل لازم خواهد بود؛ البته تعداد واقعی ممبران‌ها و آرایش مراحل باید دوباره بررسی شود.
چرا وسل ۶ المانه در سیستم‌های صنعتی رایج است؟
یکی از دلایل، امکان چیدمان مناسب ممبران‌ها در چند مرحله است.
در سیستم‌های صنعتی بزرگ، استفاده از چند وسل ۶ المانه باعث می‌شود بتوان تعداد زیادی ممبران را به شکل موازی و سری در یک آرایش مشخص قرار داد.
برای مثال، یک سیستم دو مرحله‌ای می‌تواند به شکل زیر باشد:
مرحله اول: ۴ وسل
مرحله دوم: ۲ وسل
اگر هر وسل ۶ المان داشته باشد، مجموعاً ۳۶ ممبران در سیستم قرار می‌گیرد.
FilmTec نیز نسبت مرحله‌ای ۲:۱ را برای بسیاری از سیستم‌های آب لب‌شور با وسل‌های ۶ المانه به‌عنوان آرایش متداول معرفی می‌کند.
آیا هرچه وسل بزرگ‌تر باشد بهتر است؟
نه.
بزرگ‌تر بودن وسل الزاماً به معنی عملکرد بهتر دستگاه نیست.
اگر تعداد ممبران موردنیاز کم باشد، استفاده از یک وسل بزرگ ممکن است از نظر اقتصادی و هیدرولیکی منطقی نباشد.
از طرف دیگر، اگر دستگاه ظرفیت بالایی داشته باشد، استفاده از وسل‌های بسیار کوچک باعث افزایش تعداد وسل‌ها، لوله‌کشی، اتصالات و فضای موردنیاز می‌شود.
بنابراین اندازه وسل باید متناسب با ظرفیت سیستم انتخاب شود.
وسل ۴۰ اینچ برای چه دستگاهی مناسب است؟
در دستگاه‌های صنعتی، المان‌های استاندارد ۸ اینچی با طول حدود ۴۰ اینچ بسیار رایج هستند.
این المان‌ها سطح ممبران زیادی در اختیار سیستم قرار می‌دهند و برای ظرفیت‌های بالاتر از ممبران‌های کوچک مناسب‌تر هستند.
در مقابل، سیستم‌های کوچک و کم‌ظرفیت می‌توانند از المان‌ها و وسل‌های کوتاه‌تر استفاده کنند. FilmTec نیز برای سیستم‌های کوچک و فشرده، وسل‌های کوتاه‌تر را قابل استفاده می‌داند.
بنابراین هنگام خرید، عبارت «وسل ۸ اینچ» به‌تنهایی کافی نیست. طول وسل و تعداد المان قابل نصب نیز باید مشخص شود.
آیا قطر ممبران همان ظرفیت وسل را مشخص می‌کند؟
خیر.
قطر ممبران و تعداد المان دو موضوع متفاوت هستند.
مثلاً ممکن است چند وسل مختلف برای المان‌های ۸ اینچی وجود داشته باشد که تعداد متفاوتی المان در خود جای دهند.
بنابراین باید مشخص شود:
- قطر المان
- طول المان
- تعداد المان در هر وسل
- مدل ممبران
- سطح فعال ممبران
در طراحی لحاظ شده‌اند.
دبی آب چه نقشی در انتخاب وسل دارد؟
دبی یکی از مهم‌ترین عوامل طراحی است.
هر وسل باید بتواند دبی ورودی مناسبی دریافت کند و جریان آب از کانال‌های ممبران خارج از محدوده مجاز نباشد.
اگر دبی ورودی به یک وسل بیش از حد زیاد باشد، افت فشار در مسیر افزایش پیدا می‌کند و ممکن است به عملکرد ممبران‌ها آسیب برسد.
از طرف دیگر، دبی بسیار پایین نیز می‌تواند شرایط نامناسبی برای عبور آب در کانال خوراک ایجاد کند.
در راهنمای FilmTec تأکید شده است که تعداد وسل‌ها باید طوری انتخاب شود که دبی ورودی هر وسل در مرحله اول و دبی کنسانتره هر وسل در مرحله آخر با محدوده طراحی المان هماهنگ باشد.
چرا تعداد وسل‌ها در مراحل مختلف یکسان نیست؟
چون بخشی از آب در هر مرحله به پرمیت تبدیل می‌شود.
فرض کنید ۶۰ مترمکعب در ساعت آب وارد مرحله اول شود. بخشی از این آب به‌عنوان پرمیت خارج می‌شود و مثلاً ۳۰ مترمکعب در ساعت به‌عنوان کنسانتره به مرحله دوم می‌رسد.
اگر مرحله دوم هم همان تعداد وسل مرحله اول را داشته باشد، ممکن است جریان ورودی هر وسل بیش از نیاز طراحی باشد.
به همین دلیل تعداد وسل‌ها معمولاً در جهت حرکت جریان کاهش پیدا می‌کند.
در سیستم‌های چندمرحله‌ای، وسل‌های بیشتری در مرحله اول و وسل‌های کمتری در مراحل بعدی قرار می‌گیرند.
منظور از آرایش ۴:۲ چیست؟
آرایش ۴:۲ یعنی:
مرحله اول: ۴ پرشر وسل
مرحله دوم: ۲ پرشر وسل
اگر هر وسل ۶ المانه باشد:
- مرحله اول = ۲۴ ممبران
- مرحله دوم = ۱۲ ممبران
- مجموع = ۳۶ ممبران
این آرایش یک نسبت مرحله‌ای ۲:۱ ایجاد می‌کند.
برای سیستم‌های آب لب‌شور با وسل‌های ۶ المانه، نسبت‌های نزدیک به ۲:۱ در مراحل متوالی رایج هستند.
نسبت مرحله‌ای یا Staging Ratio چیست؟
Staging Ratio نسبت تعداد وسل‌های دو مرحله متوالی است.
مثلاً:
۴:۲ → نسبت ۲:۱
یا:
۶:۳ → نسبت ۲:۱
در طراحی ایده‌آل، تعداد وسل‌ها باید طوری انتخاب شود که سهم هر مرحله از ریکاوری سیستم و جریان عبوری، در محدوده مناسب باقی بماند.
FilmTec برای محاسبه نسبت مرحله‌ای از رابطه‌ای بر اساس ریکاوری کل سیستم و تعداد مراحل استفاده می‌کند.
تعداد مراحل RO را چگونه تعیین کنیم؟
تعداد مراحل فقط به تعداد وسل‌ها مربوط نیست.
ریکاوری سیستم، تعداد المان‌های سری و کیفیت آب خوراک روی این تصمیم اثر دارند.
در طراحی‌های رایج آب لب‌شور با وسل‌های ۶ المانه، FilmTec برای ریکاوری حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد یک مرحله، برای حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد دو مرحله و برای حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد سه مرحله را در جدول طراحی خود نشان می‌دهد.
برای آب دریا، محدوده‌های ریکاوری پایین‌تر است و تعداد مراحل بر اساس شرایط سیستم تغییر می‌کند.
برای دستگاه RO با ریکاوری ۷۵ درصد چه وسلی مناسب است؟
اگر از وسل‌های ۶ المانه استفاده شود، یک سیستم دو مرحله‌ای می‌تواند گزینه مناسبی باشد.
در نمونه طراحی FilmTec برای آب سطحی لب‌شور با SDI کمتر از ۵، دبی پرمیت ۷۲۰ مترمکعب در روز، ممبران با سطح فعال ۳۷٫۲ مترمربع و ریکاوری ۷۵ درصد، تعداد ۳۴ المان محاسبه شده و با استفاده از وسل‌های ۶ المانه، تعداد وسل‌ها به ۶ عدد گرد شده است. آرایش پیشنهادی نیز ۴:۲ بوده است.
این مثال نشان می‌دهد که انتخاب وسل بعد از تعیین تعداد ممبران انجام می‌شود، نه قبل از آن.
آیا می‌توان وسل ۸ المانه انتخاب کرد؟
بله.
وسل‌های دارای تعداد بیشتری المان نیز وجود دارند و برای پروژه‌های خاص قابل استفاده‌اند. FilmTec وسل‌های ۸ المانه را نیز در طراحی‌های صنعتی در نظر می‌گیرد.
اما انتخاب وسل ۸ المانه به معنی بهتر بودن آن برای همه پروژه‌ها نیست.
باید بررسی شود که:
- ظرفیت سیستم چقدر است؟
- چه تعداد ممبران لازم است؟
- ریکاوری چقدر است؟
- چند مرحله نیاز است؟
- دبی هر وسل چقدر خواهد بود؟
- فضای نصب چقدر است؟
- آرایش لوله‌کشی چگونه خواهد بود؟
چه زمانی وسل کوتاه‌تر بهتر است؟
برای دستگاه‌های کوچک و کم‌ظرفیت، استفاده از وسل کوتاه می‌تواند منطقی باشد.
اگر دستگاه فقط چند ممبران داشته باشد، استفاده از وسل ۶ یا ۸ المانه ممکن است فضای اضافی ایجاد کند و آرایش سیستم را پیچیده‌تر کند.
در چنین سیستم‌هایی می‌توان از وسل‌های کوتاه‌تر استفاده کرد.
FilmTec نیز وسل‌های کوتاه‌تر را برای سیستم‌های کوچک و فشرده مناسب می‌داند.
آیا ظرفیت اسمی ممبران برای انتخاب وسل کافی است؟
خیر.
ظرفیت اسمی ممبران به‌تنهایی نمی‌تواند آرایش وسل را تعیین کند.
فرض کنید ممبران در شرایط تست کارخانه دبی مشخصی دارد. وقتی همان ممبران در آب واقعی کارخانه کار می‌کند، عواملی مانند TDS، دما، فشار، SDI و ریکاوری می‌توانند عملکرد آن را تغییر دهند.
به همین دلیل ابتدا باید شرایط واقعی پروژه مشخص شود و سپس تعداد المان و وسل محاسبه شود.
فشار وسل چه اهمیتی دارد؟
وسل باید برای فشار کاری سیستم مناسب باشد.
در RO، فشار عملیاتی ممکن است بسته به نوع آب و ممبران بالا باشد. بنابراین نباید صرفاً به ظرفیت تعداد ممبران توجه کرد.
مواردی مانند:
- حداکثر فشار مجاز
- فشار طراحی
- جنس وسل
- نوع اتصالات
- نوع End Cap
- استاندارد ساخت
باید بررسی شوند.
این موضوع در سیستم‌های SWRO اهمیت بیشتری دارد، چون فشار کاری بالاتر و شرایط خورنده آب دریا، حساسیت تجهیزات را افزایش می‌دهد.
جنس پرشر وسل را چگونه انتخاب کنیم؟
جنس وسل باید با شرایط کاری سیستم هماهنگ باشد.
برای پروژه‌های RO معمولاً وسل‌های کامپوزیتی و FRP در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند، اما در فشارها و شرایط خاص ممکن است انتخاب‌های دیگری مطرح باشند.
برای آب دریا نیز مقاومت تجهیزات در برابر خوردگی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
بنابراین جنس وسل را نباید فقط بر اساس قیمت انتخاب کرد.
اگر تعداد ممبران با ظرفیت وسل جور درنیاید چه کنیم؟
این حالت کاملاً رایج است.
مثلاً محاسبه اولیه ۲۵ ممبران را نشان می‌دهد.
اگر وسل انتخابی ۶ المانه باشد:
۲۵ ÷ ۶ = ۴٫۱۶
بنابراین ۵ وسل لازم است.
اما ۵ وسل × ۶ ممبران یعنی:
۳۰ ممبران
در اینجا باید بررسی شود که آیا ۳۰ ممبران واقعاً با شار و ریکاوری موردنظر سازگار است یا خیر.
ممکن است افزایش تعداد ممبران باعث کاهش شار شود و اتفاقاً طراحی را بهتر کند. اما این موضوع باید در شبیه‌سازی نهایی بررسی شود.
آیا کم کردن تعداد ممبران برای کاهش قیمت کار درستی است؟
معمولاً نه.
کاهش تعداد ممبران ممکن است در نگاه اول هزینه خرید دستگاه را پایین بیاورد، اما اگر باعث افزایش بیش از حد شار یا فشار شود، هزینه بهره‌برداری و تعویض ممبران افزایش پیدا می‌کند.
ممکن است دستگاه در روزهای اول کار کند، اما به‌تدریج:
- دبی کاهش پیدا کند
- اختلاف فشار بالا برود
- ممبران سریع‌تر فول شود
- شست‌وشوی شیمیایی بیشتر شود
- عمر ممبران کاهش پیدا کند
به همین دلیل، طراحی اقتصادی باید هزینه کل بهره‌برداری را هم در نظر بگیرد.
آیا وسل بزرگ‌تر باعث افزایش ظرفیت دستگاه می‌شود؟
به‌تنهایی خیر.
وسل فقط محفظه‌ای برای نگهداری المان‌هاست.
افزایش ظرفیت دستگاه زمانی اتفاق می‌افتد که تعداد سطح ممبران، شار، فشار و آرایش سیستم برای دبی موردنظر طراحی شده باشند.
اگر یک وسل بزرگ‌تر انتخاب شود ولی پمپ و تعداد کل ممبران متناسب با آن نباشند، ظرفیت واقعی دستگاه افزایش پیدا نمی‌کند.
برای انتخاب پرشر وسل چه اطلاعاتی لازم است؟
برای انتخاب دقیق، حداقل این اطلاعات باید مشخص باشد:
- ظرفیت تولید آب
- دبی خوراک
- ریکاوری
- TDS
- دمای آب
- نوع آب، چاه یا دریا یا سطحی
- مدل ممبران
- تعداد ممبران
- تعداد المان در هر وسل
- تعداد مراحل
- فشار کاری
- دبی ورودی هر وسل
- دبی کنسانتره
با این اطلاعات می‌توان وسل مناسب را انتخاب و آرایش سیستم را بررسی کرد.
اشتباهات رایج در انتخاب پرشر وسل
انتخاب وسل فقط بر اساس قیمت
وسل ارزان اگر برای فشار یا تعداد المان مناسب نباشد، انتخاب اقتصادی نیست.
بی‌توجهی به تعداد ممبران
تعداد وسل باید با تعداد المان‌های موردنیاز هماهنگ باشد.
انتخاب وسل بدون بررسی دبی
دبی بیش از حد می‌تواند افت فشار و مشکلات عملیاتی ایجاد کند.
یکسان گرفتن آرایش BWRO و SWRO
سیستم‌های آب لب‌شور و آب دریا شرایط یکسانی ندارند و نسبت‌های مرحله‌ای آن‌ها نیز می‌تواند متفاوت باشد.
حذف مرحله‌بندی از محاسبات
در سیستم‌های با ریکاوری بالا، تعداد مراحل اهمیت زیادی دارد.
طراحی بدون شبیه‌سازی
بعد از انتخاب اولیه، طراحی باید از نظر فشار، کیفیت پرمیت و شرایط تک‌تک المان‌ها بررسی شود. DuPont نیز تحلیل و بهینه‌سازی نهایی با نرم‌افزار WAVE را توصیه می‌کند.
جمع‌بندی
ظرفیت پرشر وسل RO را نمی‌توان جدا از ممبران و ظرفیت دستگاه تعیین کرد. ابتدا دبی موردنیاز و شرایط آب مشخص می‌شود، سپس تعداد ممبران محاسبه و بر اساس تعداد المان قابل نصب در هر وسل، تعداد پرشر وسل‌ها تعیین می‌شود.
در سیستم‌های صنعتی، وسل‌های ۶ المانه یکی از گزینه‌های رایج هستند، اما وسل‌های ۷ و ۸ المانه و مدل‌های کوتاه‌تر نیز بسته به ظرفیت پروژه کاربرد دارند.
در مرحله بعد، تعداد وسل‌ها باید در قالب یک آرایش مناسب مانند ۴:۲ یا آرایش‌های دیگر قرار بگیرد تا دبی ورودی، دبی کنسانتره، ریکاوری و جریان روی ممبران‌ها در محدوده مناسب باقی بماند.