【正文】 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 1 頁 共 43 頁 1 引言 反滲透海水淡化技術的發(fā)展及現(xiàn)狀 海水淡化是科學家們多年來不斷進行研究的技術課題。隨著水資源危機的加劇，海水淡化技術得到迅速發(fā)展。在已經開發(fā)的二十多種淡化技術中，蒸餾法、電滲析法、反滲透法都已經達到工業(yè)規(guī)?；a的水平。最早的淡化方法有兩種：冷凍法和蒸餾法。 冷凍法，即冷凍海水使之結冰，在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。這兩種方法都有難以克服的弊端，其中蒸餾法會消耗大量的能源并在儀器里產生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻并不多；而冷凍法同樣要消耗許多能源，但得到的淡水味道卻不佳，難以使用。 蒸餾法，即將水蒸發(fā)而鹽留下，再將水蒸氣冷凝為液態(tài)淡水。這個過程與海水制鹽的過程相似，其相異的地方是人類要攫取的是淡水。蒸餾法海水淡化技術利用熱能將海水轉化為優(yōu)質淡水，它又分為低溫多效、多級閃蒸和壓汽蒸餾三種技術。蒸餾法海水淡化技術是最早投入工業(yè)化應用的淡化技術。蒸餾法具有可利用電廠和其他工廠的低品位熱、對原料海水水質要求低、裝置的生產能力大等優(yōu)點，是當前海水淡化的主流技術，占海水淡化技術總市場份額的 57%以上。 反滲透海水淡化法是二十世紀六十年代后期發(fā)展起來的一項新技術。滲透是一種物理現(xiàn)象，當兩種含有不同 濃度鹽類的水，如用一張只讓淡水通過而不讓鹽分通過的 “半透膜 ”隔開，就會發(fā)現(xiàn)含鹽量少的一邊的水分會透過膜滲到含鹽量高的水中，而所含的鹽分并不滲透，這樣，直到兩邊含鹽濃度相等為止。然而，要完成這一過程需要很長時間，這一過程也稱為自然滲透。但如果在含鹽量高的水側，試加一定壓力，其結果可以使上述滲透停止，這時的壓力稱為滲透壓力。如果壓力再加大，可以使水向相反方向滲透，而鹽分剩下。因此，反滲透淡化法，就是在有鹽分的水中（如原水），施以比自然滲透壓力更大的壓力，使?jié)B透向相反方向進行，把原水中的水分子壓到膜的另一邊，變成 潔凈的水，從而達到除去水中鹽分的目的，這就是反滲透淡化法的原理。反滲透主體設備主要由高壓泵、反滲透膜、能量回收三部分組成。在足夠高壓力的情況下，除水分子外，水中其他礦物質、有機及各種離子幾乎都被拒之于膜外，并被高壓水流沖出。滲透到另一面的水即是安全、衛(wèi)生、純凈的水。反滲透法最大的優(yōu)點是節(jié)約能源，生產同等質量的淡水它的能源消耗僅為蒸餾法的 1/40。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 2 頁 共 43 頁 隨著海水淡化技術的發(fā)展，反滲透已成為所有海水淡化方法中最具競爭力的脫鹽技術之一， 因此從 1974 年以來，世界上的發(fā)達國家不約而同地將海水淡化的研究方向轉向反滲透法。 但其產品水成本與傳統(tǒng)的市政供水相比較仍較高。反滲透系統(tǒng)中的能耗約占海水廠總運行費用的 75%，而且隨著社會的發(fā)展能量成本還在增加，減少系統(tǒng)能耗已成為降低反滲透淡化運行成本的有效方法之一。在淡化系統(tǒng)中，反滲透膜組件排出的濃鹽水仍有很高的壓力，如能回收這部分能量來增壓進料海水，則系統(tǒng)能耗將大幅度降低，為 了降低能耗，余壓能量回收裝置已成為淡化系統(tǒng)中必不可少的關鍵設備 反滲透基本原理 反滲透是一種高效節(jié)能的膜技術，以壓力為驅動力將進料水中的水（溶劑）和離子（或小分子）分離，從而達到純化和濃縮的目的。反滲透基本原 理如圖 11所示。用半透膜分離濃度不同的兩個水溶液，稀溶液測得水會自發(fā)的通過半透膜流入濃溶液側，這種現(xiàn)象叫做滲透。如在濃溶液側施加壓力△ P，則水的自發(fā)流動將受到抑制而減慢，當施加的壓力達到某一數(shù)值時，水通過摸的凈流量等于零，出現(xiàn)滲透平衡，濃鹽水側所施加壓力稱為滲透壓△ II。滲透壓的大小取決于溶液的種類、濃度和溫度，而與膜本身無關。如在濃溶液側施加大于滲透壓的外壓△ P，就能使水分子透過半透膜向稀溶液側擴散滲透，上述現(xiàn)象是反滲透的基本原理。在實際操作中，為了提高透過水 量，所加的外壓一般都達到滲透壓差的若干倍。 2 海水淡化缸材料的選擇 玻璃鋼 玻璃鋼（ FRP）亦稱作 GRP，即現(xiàn)為強化塑料，一般指用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體。以玻璃纖維或其制品作為增強材料的增強塑料，稱謂為玻璃纖維增強塑料，或稱謂為玻璃鋼。由于所使用的樹脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱。質輕而硬，不導電，機械強度高，回收利用少，耐腐蝕?？梢源驿摬闹圃鞕C械零件和汽車、船舶、壓力容器外殼等。 玻璃鋼的力學性能 玻璃鋼的力學性能突出的一點是比強度高，這是金屬材料和其他材料無法比擬的。 玻璃 鋼質輕而高強的性能，來源于較低的樹脂密度以及玻璃纖維的高抗伸強度（普 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 3 頁 共 43 頁 通鋼材的 5倍以上）。玻璃鋼的密度隨著樹脂含量的不同而有所不同。從高樹脂含量的玻璃氈制品到低樹脂含量的玻璃鋼纏繞制品，玻璃鋼的密度只有普通碳鋼的 1/4～ 1/5，比鋁還輕 1/3 左右。 復合材料的力學性能具有明顯的方向性，這是與金屬材料不同的。金屬材料，不論在任何方向，強度和彈性模量幾乎完全相同。而對于木材、玻璃鋼等，沿纖維方向的強度和彈性模量就比垂直于纖維方向上的要高得多。象金屬那樣強度不隨方向變化而變化的材料稱為各向同性材料，而像玻璃鋼、木材 、鋼筋混凝土等，它們的強度隨方向不同而變化，稱它們是各向異性材料。玻璃鋼等人造的復合材料還可以人為地變化纖維方向和數(shù)量來達到某種特定的強度要求。 玻璃鋼主要的化學性能就是它有突出的耐腐蝕性。它不僅不會象金屬材料那樣生銹腐蝕；同時，也不會象木材那樣腐爛，而且?guī)缀醪槐凰⒂偷冉橘|所侵蝕，可以代替不銹鋼在化工廠中用來制造貯罐、管道、泵、閥等，不僅使用壽命長，而且不需采取防腐、防銹或防蟲蛀等防護措施，減少了維降費用。玻璃鋼在耐腐蝕方面的應用是很廣泛的，國外一些主要工業(yè)國家，玻璃鋼用作耐腐制品方面都在 13%以上，其用 量有逐年增高趨勢。國內用量也不少，大都用作金屬設備的襯里，以保護金屬。玻璃鋼的耐腐蝕性，主要取決于樹脂，作為玻璃鋼用的樹脂，其耐腐蝕性是好的，但單純的用樹脂涂覆在金屬表面上，會出現(xiàn)較嚴重的龜裂裂縫，起不到防滲漏和保護金屬的作用。在樹脂中添加一定量的玻璃纖維后，將樹脂中出現(xiàn)較嚴重龜裂的可能性轉化為數(shù)量眾多的微小裂縫，而這些小裂縫形成一個貫串裂縫的機率是很小的，而相互間還有止裂作用，這樣可以阻止化學溶液介質的滲透腐蝕。 玻璃鋼不僅對多種低濃度的酸、堿、鹽介質及溶劑有較好的穩(wěn)定性，而且有抗大氣、海水和微生物作用的 良好性能。 不過，對于不同的腐蝕性介質，應選擇適當?shù)臉渲筒ＡЮw維及其制品。關于玻璃鋼防腐，近幾年來應用越來越普遍，顯示了防腐投資少，使用壽命長，節(jié)約大量不銹鋼材等方面的優(yōu)越性，取得了顯著的經濟效果。 FRP 的生產方法 基本上分兩大類，即濕法接觸型和干法加壓成型。如按工藝特點來分，有手糊成型、層壓成型、 RTM 法、擠拉法、 模壓成型 、纏繞成型等。手糊成型又包括手糊法、 袋壓法、噴射法、濕糊低壓法和無模手糊法。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 4 頁 共 43 頁 目前世界上使用最多的成型方法有以下四種。 手糊法：主要使用國家有 挪威 、日本、 英國 、丹麥等 。 噴射法：主要使用國家有瑞典、 美國 、挪威等。 模壓法：主要使用國家有德國等。 RTM 法（樹脂傳遞模塑）：主要使用國家有歐美各國、日本 。 還有：纖維纏繞成型法 、 拉擠成型法和熱壓灌成型法等等 。 我國有 90%以上的 FRP產品是手糊法生產的，其他有模壓法、纏繞法、層壓法 。日本的手糊法仍占 50%。從世界各國來看，手糊法仍占相當比重，說明它仍有生命力。手糊法的特點是用濕態(tài)樹脂成型，設備簡單，費用少，一次能糊 10m 以上的整體產品。缺點是機械化程度低，生產周期長，質量不穩(wěn)定。近年來，我國從國外引進了擠拉、噴涂、纏 繞等工藝設備，隨著 FRP 工業(yè)的發(fā)展，新的工藝方法將會不斷出現(xiàn) 。 不銹鋼 在眾多的工業(yè)用途中，不銹鋼都能提供今人滿意的耐蝕性能。根據使用的經驗來看，除機械失效外，不銹鋼的腐蝕主要表現(xiàn)在：不銹鋼的一種嚴重的腐蝕形式是局部腐蝕（亦即應力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕）。這些局部腐蝕所導致的失效事例幾乎占失效事例的一半以上。 303 和 303Se 是分別含有硫和硒的 易切削不銹鋼 ，用于主要要求易切削和表而光浩度高的場合。 303Se 不銹鋼 也用于制作需要熱鐓的機件，因為在這類條件下，這種不銹鋼具有良好的可熱加工性。 不銹鋼的特點 ： ⑴ 表面美觀以及使用可能性多樣化； ⑵ 耐腐蝕性能好，比普通鋼長久耐用； ⑶ 耐腐蝕性好； ⑷ 強度高，因而薄板使用的可能性大； ⑸ 耐高溫氧化及強度高，因此能夠抗火災； ⑹ 常溫加工，即容易 塑性加工； ⑺ 不必表面處理，簡便、維護簡單； ⑻ 清潔，光潔度高； ⑼ 焊接性能好。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 5 頁 共 43 頁 3 管路的選擇 管路的概述及要求 管路在液壓系統(tǒng)中主要用來把各種元件及裝置連接起來傳輸能量。 對管路的基本要求是要有足夠的強度，能承受系統(tǒng)的最高沖擊壓力和工作壓力，管路與各元件及裝置的連接處要密封可靠、不泄露、決不能松動。 在系統(tǒng)中的不同部位，應選用不同規(guī)格的管徑，管路在安裝前必須清洗干凈，管內不允許有銹蝕、雜質、粉塵、水及其他液體或膠質等其他污物。 管路安裝要固定結實，布局合理，排列整齊，方便維修和更換元 件。 管筒規(guī)格按外徑和壁厚確定。外徑定寸管比通徑定寸管具有較高的外徑尺寸精度和內外表面粗糙度，易于對管子進行彎曲，適合選用各種管接頭。這類管子有鋼管、銅管和鋁管，后兩種一般用于低壓系統(tǒng)。銅管雖易彎曲與擴口成型，但擴口時易冷作硬化且銅管有易于油液氧化的催化作用。鋼管是液壓系統(tǒng)的主要用管，其強度高，適合各種液壓設備和高壓設備。 確定管路的內徑、壁厚等尺寸時可按下列方法計算。 管內油液的推薦流速 對吸油管道取 v? ～ m/s （一般取 1m/s以下） 對壓油管道取 v? ～ m/s （壓力高時取大值，反之取小值；管道較長時取小值，反之取大值；油液粘度大時取小值，反之取大值）。 對短管及局部收縮處，可取 v=5～ m/s。 對回油管道，可取 v? ～ m/s。 對管內流速也可按照表 31選取 表 31液壓系統(tǒng)管路推薦流速 吸油管 壓油管 回油管流速 /(m/s) 運動粘度2mm/s 流速 /(m/s) 壓力 /MPa 流速 /(m/s) 150 ～ 3 ～ 100 ～ 4 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 6 頁 共 43 頁 50 10 ～ 5 30 20 5～ 6 20 6～ 海水淡化系統(tǒng)的工作壓力為 10MPa，但在活塞桿進入緩沖時壓力會達到 ，因此根據表 31 選取海水淡化系統(tǒng)的海水流速為 。 管子的內徑的計算 管子內徑的計算公式為 qd v? （ 31） 式中 d管子內徑（ mm）。 q海水的流量（ L/mm）。 v管內海水的流速，可按推薦流速選取，見表 31。 . 根據式 31 可得 管道的內徑為 qd v? ?? = mm 為方便加工，將其圓整為整數(shù)，選取管道的內徑為 30mm。 管子壁厚的計算 管子壁厚 的計算公式為 2[ ]pdt ?? （ 32） 式中 t— 管子壁厚（ mm）。 p工作壓力（ MPa）。 d管子內經 （ mm）。 [ σ]許用應力（ MPa），對于鋼管 []bn?? ? 。 b? 抗拉強度 （ MPa）。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 7 頁 共 43 頁 n安全系 數(shù)。（當壓力 p7MPa 時， n 取 8；當壓力 p≤ 時， n 取 6；當壓力 p 時，取 n=4）。 由式 32 得管道的壁厚為 2[ ]pdt ?? 20 30 42 628??? ? = mm 將其圓整為整數(shù)，選取壁厚為 2mm。 管道的安裝布置應注意的問題 管子長度要短，管徑要合適，流速過高會損失能量。 固定兩點之間的硬管連接，應避免緊拉直管，要有一個松彎部分，這不僅便于裝卸，且也不會因為熱脹冷縮，造成嚴重的拉應力。 管子的彎 管半徑應盡可能大，其最小彎管半徑應為管外徑的 倍。參考表 32 管子最小彎曲半徑。管端處不宜有彎管半徑，應當留出部分直管，其距離為管接頭螺母高度的 2 倍以上。 對系統(tǒng)的管路安裝連接必須牢固結實。當管路較長時，需加支撐，支撐管夾的間距，可參考美國材料試驗學會推薦的關夾間距 見附表 一。 表 32 管子最小彎曲半徑 管外徑 D 6 8 10 12 14 16 18 2