+380 97 263 80 70 
Расчёт модульных станций водоочистки — методики и практические примеры
Этот документ объединяет основные методики расчёта модульных станций водоочистки: как переводить требования в технические параметры, как рассчитать количество мембран для системы обратного осмоса (RO), подобрать насосы, баки и оценить энергию и расход реагентов. Включены готовые формулы, таблицы и подробный числовой пример с пошаговой арифметикой.
Важно: приведённые формулы — инженерные приближения для предварительного проектирования. Для окончательных решений необходимы лабораторные данные по входной воде и детальный гидравлический расчёт.
1. Понятие исходных данных
Перед расчётом подготовьте следующий набор данных:
- Требуемая производительность пермеата: Vperm (м³/сут, м³/ч или л/сут).
- Анализ входной воды: TDS, жесткость, органика (TOC/COD), мутность, железо, хлор и др.
- Желаемый коэффициент отбора (recovery) для RO или требуемые характеристики очистки для UF/NF.
- Ограничения по отводу концентрата, условия площади и электропитание.
2. Общие формулы и определения
- Перевод единиц: 1 м³ = 1000 л; 1 бар ≈ 10.19716213 метров водяного столба (м).
- Коэффициент отбора (recovery):
recovery = V_perm / V_feed→V_feed = V_perm / recovery. - Часовой расход:
Q_h = V (м³/сут) / 24(м³/ч). - Переход в м³/с:
Q_s = Q_h / 3600(м³/с). - Гидравлическая мощность насоса (теоретическая):
P_th (кВт) = (Q_s × ρ × g × H) / 1000, гдеρ = 1000 кг/м³,g = 9.81 м/с²,H— напор в метрах. Практическая мощность с учётом КПД насоса η:P = P_th / η.
3. Расчёт количества мембран для системы обратного осмоса (метод)
Алгоритм:
- Определить требуемый пермеат
V_perm (м³/сут). - Выбрать тип мембраны и узнать её номинальную производительность
V_memb (м³/сут)при заданных условиях (температура, солесодержание, давление). - Вычислить необходимое количество мембран:
n = ceil( V_perm / V_memb )— округление вверх до целого числа. - Если проект требует резервирования — добавить одну резервную мембрану (N+1) или дублирование линий.
Пример 1 — пошаговый расчёт (числа приведены максимально подробно)
Дано: требуемая производительность пермеата 10.00 м³/сут. Выбрана мембрана с номиналом 2.00 м³/сут при заданных условиях. recovery планируем 50% (0.50).
- Количество мембран (теоретически): 10.00 ÷ 2.00 = 5.00 → требуется 5 мембран.
- Проверка feed (подающий расход): feed (м³/сут) = V_perm / recovery = 10.00 ÷ 0.50 = 20.00 м³/сут.
- Переход в м³/ч: Q_feed_h = 20.00 ÷ 24 = 0.833333 м³/ч (второе дробное представление 0.8333333333…).
- Переход в м³/с: Q_feed_s = 0.8333333333333 ÷ 3600 = 0.00023148148148148148 м³/с.
- Подбор напора: допустим рабочее давление на мембранах 12.00 бар → перевод в метры воды: H_m = 12.00 × 10.19716213 = 122.36594556 м.
- Теоретическая гидравлическая мощность: P_th (кВт) = Q_s × ρ × g × H_m / 1000 Подставляем числа по шагам: Q_s × H_m = 0.00023148148148148148 × 122.36594556 = 0.02831831831831832 (м³·м/с) Умножаем на ρ (1000) → 0.02831831831831832 × 1000 = 28.31831831831832 (кг·м²/с³) Умножаем на g (9.81) → 28.31831831831832 × 9.81 = 277.94724000000003 (Вт) ≈ 277.94724 Вт Перевод в кВт: 277.94724 ÷ 1000 = 0.27794724 кВт (теоретическая).
- Учёт КПД насоса (пусть η = 0.70): P (кВт) = 0.27794724 ÷ 0.70 = 0.3970674857142858 кВт → округлим до 0.40 кВт. Итого практическая требуемая мощность ≈ 0.40 кВт.
Вывод для примера: при V_perm = 10 м³/сут с recovery = 50% и мембраной 2 м³/сут нужна 5 мембран и насос ~0.4 кВт (без учёта гидравлических потерь воздуха/сварки/арматуры — добавляйте запас).
4. Расчёт насосной группы — практические шаги
- Определить Q_feed_h (м³/ч) — как в примере выше.
- Определить суммарные потери давления в трубопроводе и предфильтрах (Δp_tr). При проектировании обычно закладывают 1–3 бар в зависимости от протяжённости и фитингов.
- Определить требуемое давление на мембране (P_mem, бар) по TDS (справочные графики) — пример 12 бар.
- Суммарный напор H_total (м) = (P_mem + Δp_tr + запас) × 10.19716213. Запас +1–1.5 бар рекомендуется.
- Рассчитать мощность так, как в разделе 3, и выбрать насос с рабочей точкой Q/H и с запасом 10–20%.
Таблица ориентировочных потерь и запасов
| Элемент | Типичное значение давления |
|---|---|
| Потери в предфильтрах и трубопроводах | 0.5 – 3.0 бар |
| Дополнительный технологический запас | 1.0 – 1.5 бар |
| Рекомендуемый запас по мощности насоса | 10 – 20 % от вычисленной P |
5. Расчёт объёма накопительного бака
Накопительный бак пермеата даёт буфер при пиковом потреблении и уменьшает число пусков насосов. Подходы:
- Буфер по времени: V_tank = Q_perm_h × t_buff, где t_buff — желаемый буфер в часах (обычно 0.5–2 часа).
- Буфер по суточной доле: V_tank = V_perm(м³/сут) × доля (например, 5–10%).
Пример (продолжая пример 3.):
V_perm = 10.00 м³/сут → Q_perm_h = 10.00 ÷ 24 = 0.4166666666666667 м³/ч = 416.6667 л/ч.
- Буфер 1 час: V_tank = 0.4166667 × 1 = 0.4166667 м³ = 416.67 л.
- Буфер 2 часа: V_tank = 0.4166667 × 2 = 0.8333333 м³ = 833.33 л.
Рекомендуется ориентироваться на 1 час буфера для небольших установок и 2+ часа для коммерческих точек розлива.
6. Коэффициент отбора и сток (концентрат)
Коэффициент отбора (recovery) сильно влияет на объём концентрата и, следовательно, на утилизацию и OPEX.
| Recovery | Если V_perm = 10.00 м³/сут | V_concentrate (м³/сут) |
|---|---|---|
| 50% (0.50) | feed = 10.00 ÷ 0.50 = 20.00 | 20.00 − 10.00 = 10.00 |
| 40% (0.40) | feed = 10.00 ÷ 0.40 = 25.00 | 25.00 − 10.00 = 15.00 |
| 60% (0.60) | feed = 10.00 ÷ 0.60 = 16.666667 | 16.666667 − 10.00 = 6.666667 |
При выборе recovery учитывайте: исходный TDS (чем больше TDS — тем ниже экономически оправдан recovery), требования по сбросу концентрата и возможность рециклинга концентрата.
7. Расчёт дозирования реагентов (антискалант, pH-коррекция)
Типовой подход — ориентироваться на рекомендованные поставщиком дозировки (мл/м³ или г/м³). Пример:
- Антискалант: 2.0 мл на 1 м³ подаваемой воды (feed). Если feed = 20.00 м³/сут → дозировочный объём = 20.00 × 2.0 = 40.00 мл/сут.
- Регулировка pH: расчет производится на основе требования и титрования — обычно в г/м³; умножаем на объём feed.
8. Частные случаи и советы
- Если входная температура ниже типовой (например < 10 °C), производительность мембран падает — учитывайте поправочный коэффициент (поставщики мембран дают графики).
- При высоком железе/марганце → требуется отдельная ступень обезжелезивания; мембраны подвержены загрязнению органикой и железом.
- Для экономии воды на больших установках рассмотрите рекуперацию давления (energy recovery) и рециклинг концентрата.
9. Пример комплексного расчёта — краткий кейс
Задача: точка розлива, требуемая производительность 20 м³/сут, входная вода: TDS умеренный, планируется recovery = 50%.
- V_perm = 20.00 м³/сут.
- Выбрана мембрана V_memb = 2.00 м³/сут → n = 20.00 ÷ 2.00 = 10.00 → требуется 10 мембран (плюс 1 на резерв — 11 total).
- feed = 20.00 ÷ 0.50 = 40.00 м³/сут → Q_feed_h = 40.00 ÷ 24 = 1.666667 м³/ч.
- Выберем рабочее давление P_mem = 12.00 бар; добавим потери Δp_tr = 1.50 бар; запас = 1.00 бар → суммарно 14.50 бар → H_m = 14.50 × 10.19716213 = 148.857830885 м.
- Q_s = 1.666667 ÷ 3600 = 0.00046296296296296297 м³/с.
- P_th = Q_s × ρ × g × H_m / 1000 = 0.00046296296296296297 × 1000 × 9.81 × 148.857830885 / 1000 = ≈ 0.676 kW (теоретическая).
- При η = 0.70 → P ≈ 0.966 kW → выбираем насос ~1.1 кВт с учётом КПД и запаса.
- Резервный насос (N+1) и система автоматики для переключения — обязательны для коммерции.
10. Таблицы быстрого выбора
10.1 Пример: количество мембран vs производительность (при V_memb = 2.00 м³/сут)
| n мембран | Возможный пермеат (м³/сут) |
|---|---|
| 1 | 2.00 |
| 2 | 4.00 |
| 5 | 10.00 |
| 10 | 20.00 |
10.2 Быстрые формулы (сводка)
- feed (м³/сут) = V_perm / recovery
- Q_feed_h (м³/ч) = feed ÷ 24
- Q_feed_s (м³/с) = Q_feed_h ÷ 3600
- H_m (м) = (P_mem + Δp_tr + запас) × 10.19716213
- P_th (кВт) = Q_feed_s × 1000 × 9.81 × H_m ÷ 1000
- P (кВт, практическая) = P_th ÷ η
11. Проверки и валидация расчёта
- Сравните расчётную производительность с реальными паспортными графиками мембран при заданной температуре и солесодержании.
- Проверьте NPSH available на всасывании относительно NPSH required у насоса.
- Планируйте FAT и SAT с замерами фактической производительности и расходом энергии.
12. Заключение — практические рекомендации
- Всегда начинайте расчёт с точного лабораторного анализа входной воды.
- Используйте conservative (консервативные) значения при выборе recovery и потерь давления для первого проекта.
- Добавляйте резервы: по мембранам (N+1), по насосам (N+1) и по объёму бака.
- Интегрируйте систему телеметрии и логирование — это даёт быстрый отклик на изменение параметров и экономию в OPEX.