هى باختصارمضخة الحقن إلى الأغشية … تذكروا حضراتكم فى بداية السلسلة عندما شرحنا الخاصية الأسموزية وقلنا أنه يجب إيجاد قوة ضاغطة كى تسرى المياه عبرالغشاء شبه المنفذ فى الإتجاه المعاكس للخاصية الأسموزية فبدلاً من الانتقال من وسط ذو أملاح أقل إلى وسط له تركيز أعلى فى الأملاح … تنتقل المياه فى عكس الاتجاه من الوسط الأكثر ملوحة إلى الوسط الأقل ملوحة … هذه القوة الضاغطة تم ترجمتها عملياً إلى طلمبة الضغط العالى والتى نحن بصددها… ومهمتها الأساسية توليد ضغط معاكس كى تنتصرعلى فرق الضغط الأسموزى فيتم مرور المياه عبرالأغشية وحجز الأملاح قبلها … وكلما زادت الأملاح فى مياه التغذية يجب زيادة قوة ضغط الطلمبة لمقاومة الضغط الأسموزى … لذا وصفت هذه التقنية من نوع “الضغط المدفوع” Pressure driven.
وقبل الدخول فى الحسابات رأينا أنه يجب ذكر المنطقة التى تربط ما بين الفلاتر فى المعالجة الإبتدائية وطلمبة الضغط العالى … ونحن نقف أمام نظامين … فعندما تخرج المياه بسلام من فلاترالمعالجة … إما أن تنتقل مباشرةً إلى طلمبة الضغط العالى ومنها إلى الأغشية وهذا النظام يُسمى الارتباط المباشر Direct couple … والنظام الثانى يُسمى الارتباط الغير مباشر Indirect couple … وفيه يتم استخدام خزان (أو تنك المناولة) intermediate tank حيث تخرج المياه من فلاتر المعالجة الأولية ويتم تجميعها فى هذا التنك … يظهر ذلك فى الرسم التوضيحى التالى:
وسريان المياه فى هذين النظامين لا شك أنه سيختلف … وستتغير قوة السحب لدى طلمبة الضغط العالى بناءً على ذلك … وهذا يجب وضعه فى الحسبان.
والآن سنتحدث عن كيفية حساب الضغط الأُسموزى للمياه من معرفتنا لتركيز الأملاح الكُلية الناتجة … وكيفية حساب أقل ضغط مطلوب لطلمبة الضغط العالى … وترجمة ذلك فى الواقع العملى … فلابد أن يزيد الضغط العالى على الضغط الأسموزى الذى نشير إليه بالرمز باى (π) انظر الصورة التالية:
كيفية حساب الضغط الأسموزى بالبار Bar أو بالرطل/بوصة مربعة (psi) من معرفة تركيز الأملاح:
من محاضرة المهندس محمد موسى الخاصة بحساب الضغط الأسموزى وبناءً على رغبة البعض فى تدوين الطريقة فقد نقلنا إليكم الطريقة مكتوبة وأضفنا بعض الملاحظات والتعليقات ونرجو المشاركة من خلال التجربة العملية فى كيفية تحديد ضغط الطلمبة المطلوب …
الأملاح فى مياه التغذية مثل جزيئات الغاز تتحرك حركة عشوائية داخل الإناء الحاوى لها … وكل أيون يسلك سلوك منفصل عن باقى الأيونات من حيث هذه الحركة الجزيئية … نستطيع أن نستخدم القانون العام للغازات الذى ينص على:
PV = nRT
P ترمز للضغط الأسموزى الذى نريد حسابه.
V ترمز للحجم.
R هو الثابت العام للغازات ويساوى 0.082
T ترمز لدرجة حرارة المياه بتدريج الكلفن (وهو يساوى درجة الحرارة المئوية + 273).
n هى عدد المولات.
وبفرض أننا نتحدث عن 1 لتر من الماء … يعنى الV =1 (لأن الجزء فى المليون عبارة عن ميللجرام لكل لتر) …
والآن نعطى مثال:
مياه تغذية لها أملاح = 32000 جزء فى المليون (مثل مياه البحر) … كيف نحسب ضغطها الأسموزى؟؟
32000 جزء فى المليون معناها 32 جرام/ لتر … وسنفترض أن الملح المتواجد هو كلوريد الصوديوم NaCl (حيث أنه يمثل أكثر من 85% من أملاح البحر) …
عندنا درجة حرارة المياه (25 درجة مئوية مثلاً + 273) … وعندنا الثابت العام للغازات … وما تبقى هو قيمة الn …
الفكرة أننا سنحسب وزن الصوديوم وحده بالجرام فى اللتر ووزن الكلور وحده … وذلك عن طريق حساب الmolar fraction لكل شق (الشق الموجب والشق السالب) … ثم ننسبه إلى التركيز الكلى وهو 32 جرام/لتر …
العدد الكتلى للصوديوم 23 ، وللكلور 35.5 ومجموع الإثنين 58.5
Mole fraction of sodium = 23/58.5 = 0.39
Wt of sodium = 0.39 x 32 = 12.48 gm/l
Mole fraction of chloride = 35.5/58.5 = 0.61
Wt of chloride = 0.61 x 32 = 19.52 gm/l
وللتأكد من الحسابات نجمع 12.48 + 19.52 = 32
ويتم حساب عدد المولاتn للصوديوم والكلور (الوزن على الوزن الجزيئى لكل عنصر):
n= (12.48/23) + (19.52/35.5) = 1.09
ما تبقى الآن هو حساب الضغط الأسموزى:
P = 1.09 x 0.082 x 298 = 26.64 bar = 386 psi
وبالتالى أملاح 32000 جزء فى المليون تعطى ضغط أسموزى حوالى 26.6 بار
(ولذلك كل 1000 جزء فى المليون تعطينا 12.4 psi يعنى 0.86 بار).
وإليك معادلة بصورة أخرى تُعطى نفس النتيجة وهى كالتالى:
P = 1.19 x (T + 273) x Mi
P = osmotic pressure (psi) , T = water temperature,
Mi = n = molar fraction of individual ions.
وإذا أخذنا المثال السابق عند درجة حرارة 25 مئوى نجد الآتى:
P = 1.19 x (T + 273) x Mi = 1.19 x (25 + 273) x 1.09 = 386 psi
والجدول التالى يوضح لك مجموعة من الأملاح وتركيزها والضغط الأسموزى المقابل لها:
إذا علمت أخى الكريم أن مياه البحر النموذجية لها أملاح ذائبة TDS=35000 جزء فى المليون … وأن ضغطها الأسموزى يساوى حوالى 25 بار … فهل تتوقع أن نستخدم طلمبة ضغط عالى = 25 بار مثلاً؟؟ … وإذا علمت أن مياه بئر ملوحته 5000 جزء فى المليون أملاح ذائبة … وأن ضغطه الأسموزى = 3.4 بار … فهل تتوقع أن نستخدم طلمبة 3.5 بار مثلاً كى تتغلب على الضغط الأسموزى؟؟
الحقيقة أن هذا الكلام منافٍ للواقع … وذلك لأن طلمبة الضغط العالى لا تكافح فقط الضغط الأسموزى بل تظهر قوى وضغوط أخرى تشترك مع الضغط الأسموزى فى المعركة … هذا إلى جانب الفقد فى ضغط الطلمبة نفسه … ونلخص ذلك فى عدة نقاط:
1- الفقد فى الضغط اللازم لسريان ماء التغذية خلال مجمع الأغشية والأنابيب والصمامات وغيرها من خلال الإحتكاك Friction.
2- الزيادة فى ملوحة الماء أثناء المرور بالأغشية فى المراحل المتقدمة نتيجة استخلاص الماء العذب منه (زيادة فى تركيز الأملاح فى مياه الريجيكت كلما اتجهنا لنهايات الأغشية).
3- رفع المياه لخزانات المياه المنتجة (البيرميت) أو خزانات مياه الريجيكت يسبب ضغوط استاتيكية تُضاف أيضاً على الضغط الأسموزى للأملاح.
4- مقاومة الأغشية التى لديها ثقوب دقيقة … وتزيد خاصةً مع الانسداد الجزئى لها مع الزمن نتيجة ترسب العوالق والأملاح وغيرها كما سنتحدث بعد ذلك يؤدى إلى توليد ضغوط إضافية يجب أن تتحملها طلمبة الضغط العالى.
ولذلك نقول فى النهاية أن الضغط الحقيقى الذى نحتاجه لطلمبة الضغط العالى أكبر بكثير من الأرقام السابقة … وقد يصل إلى ثلاث أضعاف الضغط الأسموزى فى بعض الأحيان.
والجدير بالذكر أن الضغط الأسموزى للأملاح يعتمد على درجة الحرارة وتركيز الأملاح ونوعية الأملاح نفسها … وبالطبع تغير قيمة الضغط الأسموزى من مياه تغذية لمياه تغذية أخرى يؤثر على عمليات التصميم والتشغيل لأنظمة الRO … ونطلب من الخبراء إضافة خبراتهم فى ذلك مع وضع الأمثلة.
كيف نختار قوة المضخة؟؟
تبعاً لتركيز الأملاح … كل 1000 جزء فى المليون تعطينا 12.4 psi يعنى 0.86 بار …
أونقول كل 100 جزء فى المليون من الTDS يسبب حوالى 1.16 psi أو 0.08 بار من الضغط الأسموزى … (تذكر بعض المراجع أن 100 جزء فى المليون تسبب ضغط من 0.6 – 1.1 psi … وبما أن تقنية التناضح العكسي تستخدم قوة خارجية تتمثل فى طلمبة الضغط العالى فإنه من البديهى أننا سنحتاج لزيادة قوتها كلما زاد تركيز الأملاح كى تنتصر على الضغط الأسموزى المتولد بكفاءة وتلاشى تأثيره وتحول مسار المياه من المنطقة ذات التركيز الأعلى فى الأملاح إلى المنطقة ذات التركيز المنخفض للأملاح …
مثال توضيحى: مياه تغذية لها أملاح 800 جزء فى المليون يعنى تحتاج إلى حوالى 9.3 – 10 PSI …ولكن يجب الانتباه لعدة أمور … قد نستخدم 8 PSI فقط … وعلوم المياه تتداخل جزئياتها مع بعضها البعض … فنقول أنه كلما قل الضغط كان ذلك أفضل للمضخات والخطوط وعلى عمر الأغشية ويكون استهلاك المواد الكيماوية واستهلاك طاقة أقل مادام ذلك يكون متماشياً مع المحطة ومعدل السريان المطلوب وفرق الضغط بين الدخول والخروج يكون أقل ما يمكن علاوة على ذلك توع الغشاء نفسه والتوصيات الخاصة به … بجانب عوامل الحرارة والصيف والشتاء ونسبة الريكافرى والريجيكت … كل ذلك يوضع فى الحسبان من خبرات العاملين فى الوحدات بجانب برامج الروزا وغيرها والتى يسرت كل هذا العناء إلى حد كبير.
ضغط المضخة ينقسم إلى:
1- طلمبة بضغط (7 – 28) بار لمياه الآبار مثلاً (100– 400)psi ويعمل مع أغشية الضغط المنخفض.
2- طلمبة بضغط (50 – 85) بار لمياه البحر (800 – 1200 رطل/ بوصة2) psi.
وهناك قاعدة تقول: ضغط المضخة يؤثر فى الTDS الخارج من المحطة ، فإذا زاد الضغط قلت الأملاح الخارجة … بالتفاصيل سنتحدث عن ذلك فى القريب العاجل.
والرسم البيانى التالى يوضح العلاقة بين الضغط المطلوب من المضخة وتركيز الأملاح المتواجدة فى المياه عند درجات حرارة مختلفة:
فنجد مثلاً أنه عند ملوحة 41 جرام /لتر يكون الضغط المطلوب فى حدود 68 – 69 بار عند درجة حرارة 25 درجة مئوية … وهكذا.
والسؤال حول جهاز منظم السرعات أو الVFD (Variable frequency drive) الخاص بتنظيم ضغط تدفق المياه أجاب المهندس ثائر من قبل فى المنتدى كالتالى بإجاباته الشافية:
يتم استخدامه في محطات الRO للتحكم في مضخة الضغط العالي … يستخدم بأسلوبين مختلفين … الأسلوب الأول كsoft starter ومهمته اقلاع مضخة الضغط العالي من الصفر إلى السرعة المطلوبة والتي تعطي التدفق المطلوب منها وهذه مهمته الأساسية .. اقلاع سلس للمضخة من أجل تفادي تدفق عالي وضغط عالي مباشرعلى الفيزلات (أو ما يسمونه أهل المياه بالمطرقة المائية water hammer التى تخرب الأغشية) …
الأسلوب الثاني ك variable speed drive يتحكم فيه بالمضخة عن طريق معطيات التدفق للبرودكت والريجيكت والمجموع الكلي للتدفق و الذي يقرأ بشكل analog وبالتالي المعطيات تنقل إلى الVFD ليقوم بتغيير الHz بناء على الInput وبالتالي اعطاء السرعة مقابل الHz الجديد … و في حالة ما إذا كان الmain flow ثابت لكن حصل تغيير بين التدفق لل reject و product فإنه ممكن يكون هنالك motorized valve as reject flow controller …الإشارة الأنالوج من الفلوميتر الى الplc الى الvalve.
م/وليد السيد