Розрахунок модульних станцій водоочищення - методики та приклади | Stanko Waterteach Розрахунок модульних станцій водоочищення - методики та практичні приклади
Цей документ поєднує основні методики розрахунку модульних станцій водоочищення: як переводити вимоги до технічних параметрів, як розрахувати кількість мембран для системи зворотного осмосу (RO), підібрати насоси, баки та оцінити енергію та витрату реагентів. Включено готові формули, таблиці та детальний числовий приклад з покроковою арифметикою.
Важливо: наведені формули — інженерні наближення для попереднього проектування. Для остаточних рішень необхідні лабораторні дані щодо вхідної води та детальний гідравлічний розрахунок.
1. Поняття вихідних даних
Перед розрахунком підготуйте наступний набір даних:
- Потрібна продуктивність пермеату: Vperm (м³/добу, м³/год або л/добу).
- Аналіз вхідної води: TDS, жорсткість, органіка (TOC/COD), мутність, залізо, хлор та ін.
- Бажаний коефіцієнт відбору (recovery) для RO або необхідні характеристики очищення для UF/NF.
- Обмеження щодо відведення концентрату, умови площі та електроживлення.
2. Загальні формули та визначення
- Переклад одиниць: 1 м³ = 1000 л; 1 бар ≈ 10.19716213 метрів водяного стовпа (м).
- Коефіцієнт відбору:
recovery = V_perm / V_feed → V_feed = V_perm / recovery. - Годові витрати:
Q_h = V (м³/добу) / 24 (м³/год). - Перехід у м³/с:
Q_s = Q_h / 3600 (м³/с). - Гідравлічна потужність насоса (теоретична):
P_th (кВт) = (Q_s × ρ × g × H) / 1000, де ρ = 1000 кг/м³, g = 9.81 м/с², H — натиск у метрах. Практична потужність з урахуванням ККД насоса η: P = P_th/η.
3. Розрахунок кількості мембран для системи зворотного осмосу (метод)
Алгоритм:
- Визначити необхідний пермеат
V_perm (м³/добу). - Вибрати тип мембрани та дізнатися про її номінальну продуктивність
V_memb (м³/добу) за заданих умов (температура, солевміст, тиск). - Обчислити необхідну кількість мембран:
n = ceil( V_perm / V_memb ) — округлення вгору до цілого числа. - Якщо проект вимагає резервування — додати одну резервну мембрану (N+1) або дублювання ліній.
Приклад 1 - покроковий розрахунок (числа наведені максимально докладно)
Дано: необхідна продуктивність пермеату 10.00 м³/сут. Вибрано мембрану з номіналом 2.00 м³/сут за заданих умов. recovery плануємо 50% (0,50).
- Кількість мембран (теоретично): 10.00 ÷ 2.00 = 5.00 → потрібно 5 мембран.
- Перевірка feed (що подає витрати): feed (м³/добу) = V_perm / recovery = 10.00 ÷ 0.50 = 20.00 м³/сут.
- Перехід у м³/год: Q_feed_h = 20.00 ÷ 24 = 0.833333 м³/год (друге дробове уявлення 0.83333333333…).
- Перехід у м³/с: Q_feed_s = 0.83333333333333 ÷ 3600 = 0.00023148148148148148 м³/с.
- Підбір напору: допустимо робочий тиск на мембранах
12.00 бар → переведення в метри води: H_m = 12.00 × 10.19716213 = 122.36594556 м.
Теоретична гідравлічна потужність: P_th (кВт) = Q_s × ρ × g × H_m / 1000 Підставляємо числа по кроках: Q_s × H_m = 0.00023148148148148148 × 122.36594556 = 0.02831831831831832 (м³·м/с) Помножуємо на ρ (1000) → 0.02831831831831832 × 1000 = 28.31831831831832 (кг·м²/с³) Помножуємо на g (9.81) → 28.31831831831832 × 9.81 = 277.94724000000003 (Вт) ≈ 277.94724 Вт Переклад у кВт: 277.94724 ÷ 1000 = 0.27794724 кВт (теоретична). Облік ККД насоса (нехай η = 0.70): P (кВт) = 0.27794724 ÷ 0.70 = 0.3970674857142858 кВт → округлим до 0.40 кВт. Разом практична потрібна потужність ≈ 0.40 кВт. Висновок для прикладу: при V_perm = 10 м³/сут з recovery = 50% і мембраною 2 м³/сут потрібна 5 мембран і насос ~0.4 кВт (без урахування гідравлічних втрат повітря/зварювання/арматури - додайте запас).
4. Розрахунок насосної групи - практичні кроки
- Визначити Q_feed_h (м³/год) — як у прикладі вище.
- Визначити сумарні втрати тиску в трубопроводі та передфільтрах (Δp_tr). При проектуванні зазвичай закладають 1-3 бар залежно від довжини та фітингів.
- Визначити необхідний тиск на мембрані (P_mem, бар) за TDS (довідкові графіки) — приклад 12 бар.
- Сумарний напір H_total(м) = (P_mem + Δp_tr + запас) × 10.19716213. Запас +1–1.5 бар рекомендується.
- Розрахувати потужність так, як у розділі 3, і вибрати насос із робочою точкою Q/H та із запасом 10–20%.
Таблиця орієнтовних втрат та запасів
| Елемент | Типове значення тиску |
|---|
| Втрати в передфільтрах та трубопроводах | 0.5 – 3.0 бар |
| Додатковий технологічний запас | 1.0 – 1.5 бар |
| Рекомендований запас потужності насоса | 10 – 20 % від обчисленої P |
5. Розрахунок обсягу накопичувального бака
Накопичувальний бак пермеату дає буфер при піковому споживанні та зменшує кількість пусків насосів. Підходи:
- Буфер за часом: V_tank = Q_perm_h × t_buff, де t_buff — бажаний буфер годинника (зазвичай 0.5–2 години).
- Буфер за добовою часткою: V_tank = V_perm(м³/добу) × частка (наприклад, 5–10%).
Приклад (продовжуючи приклад 3):
V_perm = 10.00 м³/добу → Q_perm_h = 10.00 ÷ 24 = 0.4166666666666667 м³/год = 416.6667 л/год.
- Буфер 1 год: V_tank = 0.4166667 × 1 = 0.4166667 м³ = 416.67 л.
- Буфер 2 години: V_tank = 0.4166667 × 2 = 0.8333333 м³ = 833.33 л.
Рекомендується орієнтуватися на 1 годину буфера для невеликих установок та 2+ години для комерційних точок розливу.
6. Коефіцієнт відбору та стік (концентрат)
Коефіцієнт відбору (recovery) сильно впливає на обсяг концентрату і, отже, на утилізацію та OPEX.
| Recovery | Якщо 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 виборі recovery враховуйте: вихідний TDS (що більше TDS — тим нижче економічно виправданий recovery), вимоги щодо скидання концентрату та можливість рециклінгу концентрату.
7. Розрахунок дозування реагентів (антискалант, pH-корекція)
Типовий підхід — орієнтуватися на рекомендовані постачальником дозування (мл/м³ або г/м³). Приклад:
- Антискалант: 2.0 мл на 1 м³ води, що подається (feed). Якщо feed = 20.00 м³/сут → дозувальний обсяг = 20.00 × 2.0 = 40.00 мл/сут.
- Регулювання pH: розрахунок проводиться на основі вимоги та титрування - зазвичай в г/м³; множимо на обсяг feed.
8. Приватні випадки та поради
- Якщо вхідна температура нижча типова (наприклад, < 10 °C), продуктивність мембран падає — враховуйте поправочний коефіцієнт (постачальники мембран дають графіки).
- При високому залізі/марганці → потрібен окремий ступінь знезалізнення; мембрани схильні до забруднення органікою і залізом.
- Для економії води на великих установках розгляньте рекуперацію тиску (energy recovery) та рециклінг концентрату.
9. Приклад комплексного розрахунку – короткий кейс
Завдання: точка розливу, необхідна продуктивність 20 м³/сут, вхідна вода: TDS помірний, планується recovery = 50%.
- V_perm = 20.00 м³/добу.
- Вибрано мембрану V_memb = 2.00 м³/добу → n = 20.00 ÷ 2.00 = 10.00 → потрібно 10 мембран (плюс 1 на резерв — 11 total).
- feed = 20.00 ÷ 0.50 = 40.00 м³/добу → Q_feed_h = 40.00 ÷ 24 = 1.666667 м³/год.
- Виберемо робочий тиск P_mem = 12.00 бар; додамо втрати Δp_tr = 1.50 бар; запас = 1.00 бар → сумарно 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 (теоретична
- При η = 0.70 → P ≈ 0.966 kW → вибираємо насос ~1.1 кВт з урахуванням ККД та запасу.
- Резервний насос (N+1) та система автоматики для перемикання є обов'язковими для комерції.
10. Таблиці швидкого вибору
10.1 Приклад: кількість мембран vs продуктивність (при V_memb = 2.00 м³/сут)
| n мембран | Можливий пермеат (м³/сут) |
|---|
| 1 | 2.00 |
| 2 | 4.00 |
| 5 | 10.00 |
| 10 | 20.00 |
10.2 Швидкі формули (зведення)
- feed (м³/сут) = V_perm / recovery
- Q_feed_h (м³/год) = 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, практична) = P_th ÷ η
11. Перевірки та валідація розрахунку
- Порівняйте розрахункову продуктивність із реальними паспортними графіками мембран при заданій температурі та солевмісті.
- Перевірте NPSH available на всмоктуванні щодо NPSH, що вимагається у насоса.
- Плануйте FAT та SAT із вимірами фактичної продуктивності та витратою енергії.
12. Висновок – практичні рекомендації
- Завжди починайте розрахунок з точного лабораторного аналізу вхідної води.
- Використовуйте conservative (консервативні) значення при виборі recovery та втрат тиску для першого проекту.
- Додайте резерви: мембрани (N+1), насоси (N+1) та об'єм бака.
- Інтегруйте систему телеметрії та логування – це дає швидкий відгук на зміну параметрів та економію в OPEX.
+380 97 263 80 70 
