Ters Ozmoz (TO) ve nanofiltrasyon sistemlerinin dizaynında sadece membran dizilimi değil, aynı zamanda membran kılıflarının bağlantı şekilleri de önemlidir. Son yıllarda açıklanan birçok gelişmenin neticesinde, çok çeşitli dizayn olanakları mevcuttur.

"End Port" ve "Multi Port" dizaynların kıyaslanmasında temel özellik; üç amaca yönelik olan ağızların (besleme-atık-üretim bağlantılarının) düzenlenmesidir.

Bu yazı içinde sistem dizaynını etkileyen aşağıdaki ana faktörler tartışılacaktır.

1. Multi-Port dizayn ile kompleks paslanmaz çelik borulamanın azaltılarak maliyette tasarruf.

2. Daha kompakt dizaynın, membran tesisinin ihtiyaç duyduğu taban alanına etkisi.

3. Teknik risklerin (özellikle korozyon) nasıl azaltılabileceği.

4. Genel borulama sisteminin hidrolik dizaynının etkisi ve bunun enerji maliyetleri üzerine tesiri.

1. Paslanmaz çelik malzemenin azaltılması ile maliyetlerde tasarruf

Membran desalinizasyon sistemlerinin dizaynında önemli hususlar; kapasite, isletme basıncı, besleme suyu kalitesi ve ürün suyu kalitesidir. İstenen ürün suyu kalitesini sağlayabilmek, titiz bir membran sistem dizaynını gerektirir. Detaylı hidrolik proses hesaplaması, sistem dizaynının merkezini oluşturur ve pompa sistemleri; borulama ve membran kılıflarını içerir. Membranların sadece bir havuz içine daldırılmasıyla oluşturulan bir basınçlı membran sistemini isletmek mümkün değildir. Membran yüzeyinden doğru miktarda suyun geçirilmesi, çökelme ve kirlenmenin önlenmesi için birincil koşuldur. Bu sebeple ideal dizayn spiral sargılı membranların basınçlı kılıflar içine yerleştirilmesiyle elde edilir.

Sonuç olarak, her bir kılıfın en azından üç adet bağlantısı olmalıdır: Besleme, atık ve ürün hatları. Atık ve ürün, besleme hattının hesaplanan oranda bölünmesi ile oluşur. Genel olarak her bir kılıfa bir ila sekiz membran yüklenebilir. Ancak uygulamalarda daha sık görülen bir adet sekiz inç (203,20 mm) çapındaki kılıfa altı adet membranın yüklenmesidir.

Borulama sistemi; kılıftan geçecek debi ile ilişkili olup, sistemin hidrolik hızlarını önemli derecede etkiler.

Genel olarak membran kılıfları; End-Port; Side-Port veya Multi-Port bağlantıya sahip olabilir. Daha sonra tartışılacak olan çeşitli hidrolik etkilerinin yanısıra maliyette tasarruflara olanak veren dizaynın önemi kanıtlanmıştır. Paslanmaz çelik malzemedeki azalmanın, sistem dizaynının kâr hanesi üzerinde önemli bir etkisi vardır.

Aşağıdaki resimler; End-Port ve Multi-Port dizaynların ne derece farklı olduğunu göz önüne sermektedir.

Her iki sistemin kapasitesi hemen hemen aynı olmasına karşın malzeme ve birleÅŸtirme maliyetleri tamamen farklıdır. Örnek bir dizayn bunu daha detaylı açıklayacaktır. Bu bir ticari tesisin 2000 m³/gün (veya 87,72 m3/saat) kapasiteli deniz suyu uygulamasını içeren çalışmadır.

Deniz suyunu kullanma suyuna çevirmek için tuzluluğun 40.000 ppm'den 500 ppm'in altına indirilmesi gereklidir. İsletme basıncı 68 bar olduğu için membran kılıfı 1000 psi'a göre dizayn edilmelidir.

Hidrolik sebepler yüzünden sistem iki kasaya bölünmeli ve her bir kasa 6 elementli 12 membran kılıfı içermelidir. Deniz suyu sistemi; korozyonu önlemek için super duplex paslanmaz çelik malzeme kullanımını gerektirir. Borulama işi oldukça farklıdır; End-Port kılıf dizaynında dağıtım borulaması (ana boru ve her bir kılıf için bağlantı borularını içerir) bir kaynakçı ve asistanının en az bir tam gün çalışması gerekirken, Multi-Port çözümü oldukça basittir. Kaynak gerektirmez, çok kısa bir süre içinde esnek kaplinler kılıflara monte edilir.

Diğer bir deyişle, üç farklı tip membran kılıfının fiyatları hemen hemen aynı olmasına karsın 2002-2006 yılları arasında %140 oranında artış gözlenen paslanmaz çelik malzeme ve işçilik maliyetleri ciddi farklar oluşturmaktadır. Genel yaklaşım olarak; Multi-Port sistemlerdeki paslanmaz çelik malzeme maliyetinin; End-Port sistemlere oranla % 50 daha az olduğu rahatlıkla söylenebilir.

Side-Port dizaynda bile halen arada bir yerde bir dağıtım borusuna gereksinim duyulmaktadır. Yukarıdaki verileri detaylı bir şekilde ortaya koyabilmek için tedarik ve kalite

kontrol gibi dolaylı (indirect) konstrüksiyon maliyetleri, malzeme ve işçilik maliyetlerine ilave edilmelidir.

Kaynak; üzerine ayrı bir makale yazılmasını hak eden kritik bir husus olmasına karşın, burada en azından düşük kaliteli kaynağın devreye alınması aşamasında büyük problemlere ve gecikmelere yol açtığına değinmeliyiz. Bakım işleri de maliyet ve verimlilik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

End-Port dizaynda; özellikle büyük sistemlerde; membranlara ulaşmak;, manifoldun çıkarılmasını gerektiren, zaman harcayan ve işçi odaklı bir prosestir. Su üretimine müdahale ve kesinti daha uzundur ve yeniden montaj sonrasında sistemde sızıntı riski yüksektir.

2. Kompakt dizaynın avantajları

Konteyner içi desalinizasyon sistemlerinde ve uzun süreli yerleşik endüstriyel sistemlerde her bir santimetre boş alanın önemi büyüktür.

İki kademeli sistemler ayrıca % 40'tan düşük kazanım oranına (recovery) sahip deniz suyu desalinizasyon sistemleri, limitli boş alanı kısıtlayan bir borulama sistemine bağlıdırlar. End- Port dizayn; Multi-Port dizayndan daha fazla yer harcar. Yukarıda belirtilen diğer dezavantajlar daha güçlü bir etkiye sahiptir. Daha küçük boş alan, daha kısıtlı erişim ve dolayısıyla uzun duruş sürelerine ve uzayan bakım onarım işlerine sebep olmaktadır.

Silahlı kuvvetler gibi bazı müşteriler, boş alanın daha da kısıtlandığı ergonomik çözümler istemektedir. Multi Port kılıflar tek bağlantı ile sınırlı olmayıp, kılıftan kılıfa baştan ve sondan bağlanabilirler.

12 m uzunluğunda- 2,43 m genişlik ve yüksekliğindeki bir 40'lık konteynerin sınırlı kapasitesi; dozajlama sistemi, pompalar, kontrol üniteleri, ön filtreler vb diğer sistem komponentlerini yüklemeyi zorlaştırmaktadır. 10 m3/saat'lik bir sistem dizayn edip bunu 40 ft'lik bir konteynere yüklemek çözülmesi gereken bir sorundur.

Daha kompleks borulama sistemi; taşıma sırasında daha çok zarara maruz kalır. Daha az borulama sadece daha ucuz değil, aynı zamanda daha kolaydır. Multi Port kılıf kullanımı; konteyner içi ve diğer kısıtlı alan gerektiren membran sistemleri için kesinlikle en iyi çözümdür.

3. Korozyonun önlenmesi

Azaltılmış borulama işi; sadece malzeme ve işçi maliyeti, yer ve zaman tasarrufu ile ilişkili değildir; ayrıca korozyon riski ile de alakalıdır.

Teoride desalinizasyon sistemlerini limitli veya tamamen korozyona maruz kalmayacak şekilde inşa edebilmek mümkündür, ancak malzeme maliyeti ve pratik çözüm yetersizliği yüzünden efektif değildir.

Yaygın olarak yüksek basınç uygulamaları (70 bar), paslanmaz çelik borulama gerektirir.

Paslanma ve çatlak oluşumuna bağlı korozyona karşı alınan önlemlerden bağımsız olarak, tuzluluğun 10'000 ppm'den yüksek olduğu durumlarda, paslanmaz çelik malzeme en azından AISI 904 L veya eşdeğer kalitede olmalıdır. Aksi halde birkaç gün içinde küçük deliklerin oluşumu kaçınılmazdır. Multi-Port kullanılması halinde, kılıfların birbirine bağlanması ile sistem içinde bir manifold oluşturulacağı için komple TO ünitesi korozyon riskinden uzaktır.

Paslanmaz çelik bağlantı ağızları kılıfın içine tam oturtulup kauçuk bir conta ile sızdırmazlık sağlanmaktadır. Kaynak veya harici bir parça kullanılmamaktadır.

Piyasada metal olmayan kılıf bağlantı ağızları mevcuttur ancak bunlar 20 bar basınca kadar kullanılabilmektedir. Bu işletme basıncında zaten borulama sistemi de genel olarak metal olmayan kompozit malzemelerden oluşmaktadır.

4. Hidrolik dizayna etkisi

Çok sayıda kılıfı birbirine Multi-Port dizayn ile bağlayarak kılıf içinde besleme bağlantı ağzı ile diğer kılıfa bağlandığı ve buradan beslemenin yapıldığı tam karşıdaki Side-Port arasında bir besleme alanı oluşmaktadır. Bu besleme alanı içinde kılıf kapağını oluşturan komponentler de mevcut olduğundan, bu tarz bir dizaynın komple sistem basıncı üzerindeki etkisini değerlendirmek önemlidir.

Bağlantı ağızlarından kaynaklanan basınç kaybı kolaylıkla hesaplanabilir. Önceden tartıştığımız dizayn çalışması aşağıdaki basınç kaybı hesaplamasına taban teşkil etmektedir.

Tek kademeli sistemde; 24 kılıf 1960 m3/saat ile beslenmektedir. Bu hesaplamada, 2 adet 12 kılıfın bağlanması ile görece daha yüksek bir yapının varlığı sonucu elde edilse de ters basıncın maksimum alınması sebebiyle yararlı bir kabuldür.

Bağlantı ağzı çapı değiştirilebilir ve sonuçta yarıya kadar azaltılabilir-proses akımı boyunca 4 inç'ten 3 inç'e ve son olarak da 2 inç'e düşer. Bu bir deniz suyu desalinizasyon sistemi olduğu için bağlantı ağızlarının super duplex paslanmaz çelik malzemeden olması gerektiğinden, maliyet düşürme amacıyla bağlantı ağzı çap boyutu kısıtlıdır.

Bu konfigürasyonun borulaması, birer besleme ve atık manifoldu ile her bir kılıfın her iki ucundan besleme ve atık olmak üzere birer borulama hattından oluşmaktadır.

Basınç kaybı hesaplamaları toplam 1,44 bar (6,88 kW/saat) dengeleme yapılması gerektiğini göstermektedir ki bu maliyetleri etkileyecek önemli bir değerdir. Aynı hesaplama Multi-Port kılıflardan oluşan dizayn için yapıldığında, sadece 0,6 kW/saat bulunur. Kılıf kapağından oluşan basınç kaybı küçük ve ihmal edilebilir bir değerdir. Debinin büyük kısmı bu komponentin çevresinden dolaştığı için büyük bir engel gibi görünse de etkisi kısıtlıdır. Ayrıca konik dizayndan dolayı kılıf kapağının çevresinde kalan alan da en azından bağlantı ağzı ile aynı çapa eşittir. Dahası kılıf kapağını taşıyan ana komponentin yapısı suyun içinden geçmesine olanak verecek şekildedir. Her bir kılıf ile basınç kaybı azalır çünkü her bir kılıfa giren besleme akımı, son kılıfta 8,21 m3/saat olacak şekilde düşmektedir. Bu hesaplama bağlantı ağzı boyutuna ve belirtilen hidrolik parametrelere göre yapılmıştır, uygulamadan uygulamaya farklılık gösterebilir. Daha gelişmiş dizayn yaklaşımı 4 inç bağlantı ağzına göredir ancak bağlantı ağzının çapının kaç olması gerektiği diğer parametrelere bağlı olarak değerlendirilmesi gereken bir sorudur.

5. Sonuçlar

a) Multi-Port kılıflar kullanılarak yapılan dizayn ile kılıf maliyetleri hemen hemen aynı seviyede (üreticiden üreticiye değişkenlik gösterebilir) tutularak paslanmaz çelik borulama maliyeti % 50 düşürülebilmektedir.

b) Multi-Port çözümleri daha az boş alan ve düşük taban alanı gerektirirler. Özellikle konteyner içi uygulamalar göz önünde tutulmalıdır.

c) Bakım ve onarım işleri daha hızlıdır, sistemi yeniden başlatmak herhangi bir sökme ve takma işlemi olmadığından daha güvenli ve kolaydır.

d) Ünite üzerindeki manifold çıkarıldığı için korozyon etkisi ciddi ölçüde düşmektedir.

e) Multi-Port dizayn ile End-Port kılıflardan oluşan bir sistemde manifold ve borulamadan kaynaklanan basınç kaybının üçte biri oranında basınç kaybı gözlenir. Multi-Port dizayn enerji maliyetlerinde 1/10'a varan oranda tasarruf sağlar.

f) İşleticiler, yatırım maliyeti kadar işletme maliyetlerini de göz önünde tutmalıdırlar.

Yazan: Nadav Shachaf, Tobias Haarburger, BEL Group Ltd.

Çeviren: Didem Ündül, Hedef Arıtma Ekipman Tek. San. Tic. Ltd. Şti.