Способ опреснения соленой и минерализованной воды

Способ опреснения соленой и минерализованной воды

и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии получения пресной воды, извлекаемой из морской воды и других видов соленой и избыточно минерализованной воды дистилляционным способом, и может быть использовано для обеспечения водоснабжения в районах с недостаточными запасами пресной воды, для опреснения промышленных сточных вод, а также в установках регенерации воды из смывной воды и мочи в системах жизнеобеспечения космических аппаратов.

Известен способ опреснения морской воды, включающий подачу опресняемой воды под давлением в зону испарения, испарение при пониженном давлении с отводом образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации, конденсацию пара путем контакта с охлаждаемой циркулирующей пресной водой, вывод выделившихся газов и опресненной воды и слив рассола, причем процессы испарения и конденсации осуществляют в соответствующих зонах, расположенных на высоте, превышающей барометрическую высоту столба опресняемой воды над свободной поверхностью морской воды, отвод образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации осуществляют по сужающемуся каналу с повышением скорости смеси до скорости, равной 0,6-1,0 от скорости звука, давление циркулирующей пресной воды на входе в зону конденсации поддерживают на уровне, достаточном для реализации режима сверхзвукового течения паро-газожидкостной смеси в зоне конденсации, при этом вывод выделившихся газов осуществляют непрерывно (патент RU 2393995 C1, опубликовано 10.07.2010).

Известен способ получения чистой воды из водного солевого раствора, например, морских и минерализованных вод и промышленных стоков, включающий нагрев, испарение, отвод пара из парового пространства на конденсацию, процессы испарение-конденсация проводят в термостате с температурой окружающей среды и выше, подвод солевого раствора на испарение и отвод конденсата чистой воды и солевого раствора с повышенной концентрацией солей осуществляется посредством противоточного теплообменника, а между процессами испарения чистой воды из водного солевого раствора и ее конденсацией включен процесс адиабатного сжатия пара, позволяющий возвратить в цикл (регенерировать) теплоту конденсации (патент RU 2565187 C1, опубликовано 20.10.2015).

Известен способ опреснения морской воды, заключающийся в подаче опресняемой воды в зону испарения, в нагревании и последующем испарении опресняемой воды при одновременном понижении давления в зоне испарения, в отводе образующегося пара в зону конденсации с возможностью конденсации пара посредством его контакта с поверхностью охлаждаемого циркулирующей водой холодильника, а также в выводе опресненной воды и сливе рассола, опресняемую воду в зоне испарения размещают в открытых одиночных сосудах или в группе механически связанных открытых сосудов, обеспечивают ее циркуляцию в зоне испарения, производят циркуляцию парогазовой смеси через опресняемую воду, а также осуществляют вибрационное воздействие на сосуды с опресняемой водой (патент RU 2598087 C1, опубликовано 20.09.2016).

Известна установка для опреснения морской воды, содержащая бак с морской водой, систему испарения, систему подвода тепловой энергии, систему сепарации, включающую теплообменник-холодильник, сепаратор, накопительную емкость для пресной воды, внутри бака с морской водой в нижней его части установлены трубы для обогрева воды, сообщенные с системой подвода тепловой энергии, в верхней части бака над зеркалом воды расположены форсунки для подачи горячего воздуха, сообщенные с системой подвода тепловой энергии, на верхней крышке бака установлена вертикальная труба, в нижней и верхней частях которой имеются штуцеры соответственно подвода и отвода морской воды, сообщенные с баком трубопроводом, в котором установлен насос, выход вертикальной трубы сообщен с системой сепарации (патент RU 125185, опубликовано 27.02.2013).

Известен опреснитель морской воды, содержащий рабочую камеру из теплоизолирующего материала, в которой размещены ТЭБ(термоэлектрические батареи), рабочая камера установки разделена на следующие зоны: зона испарения и зона конденсации, в состав рабочей камеры входят каналы для подвода морской воды, отвода пресной воды и отвода концентрированного рассола, тепловыделяющие спаи одной ТЭБ приведены в тепловой контакт с игольчатым радиатором, расположенным в канале подвода морской воды, а теплопоглощающие спаи выведены в зону конденсации и приведены в тепловой контакт с теплопоглощающими спаями другой ТЭБ, через игольчатый радиатор, питание ТЭБ осуществляется посредством программируемого источника электрической энергии, рабочая камера содержит волнообразную металлическую сетку, расположенную в зоне конденсации под углом, нагреватель, поверхность которого приведена в тепловой контакт с тепловыделяющими спаями ТЭБ через игольчатый радиатор, теплообменник, состоящий из трех секций: секции пресной воды, секции морской воды и секции концентрированного рассола, а также канал подачи воздуха в зону конденсации, который ускоряет процесс конденсации за счет обдува пара и смешивания с ним в зоне конденсации (патент RU 2448909, опубликовано 27.04.2012).

Недостатком известных способов и устройств для опреснения соленой минерализованной воды является сложность их промышленной реализации. Также известные технические решения характеризуются значительными энергетическими затратами на производство единицы объема пресной воды, что связано с необходимостью нагрева объема воды до температуры кипения исходной воды либо на создание пониженного давления (вакуума) в зоне испарения воды. Кроме того, выход пресной воды не превышает половины от объема (не более 50 %)  исходной соленой или морской воды. Получающийся побочно концентрированный рассол соленой или морской воды необходимо утилизировать без нарушения экологических норм, что также требует дополнительных как энергетических, так и материальных затрат.

Наиболее близким к заявленному является способ опреснения морской воды, заключающийся в том, что морскую воду после предварительной обработки подают в ультразвуковую резонаторную форсунку, из которой диспергированная морская вода поступает в испарительную камеру, образовавшийся в которой водяной пар поступает в теплообменную камеру для конденсации, а образовавшиеся в процессе испарения сухие частицы соли за счет гравитационных сил оседают в нижней части испарительной камеры, после конденсации в теплообменной камере пресная вода собирается в емкость для пресной воды (патент CN 101838079, опубликовано 27.06.2012).

Кроме того, наиболее близким к заявленному является устройство для опреснения морской воды, содержащее установку для предварительной фильтрации соленой воды, выход которой соединен с проточной ультразвуковой резонаторной форсункой, обеспечивающей непрерывное распыление морской воды в испарительную камеру, выполненную в форме цилиндрического электрического индуктора высокой частоты с металлическими пластинами внутри, которые обеспечивают за счет индукции электромагнитного поля высокой частоты нагрев до температуры кипения распыленной морской воды, камера для испарения в нижней части снабжена емкостью для сбора соли с патрубком для слива воды, а в верхней части снабжена патрубком для отвода образовавшегося пара в камеру для конденсации, выполненной в виде змеевиковой трубы, размещенной в емкости с охлаждающей средой и на выходе которой размещен резервуар с вентиляционным отверстием для накопления пресной воды  (патент CN101838079, опубликовано 27.06.2012).

Общим недостатком известного способа и устройства для опреснения морской воды является невозможность их реализации для полноценного опреснения морской или соленой воды независимо от концентрации солей в воде. Это обусловлено тем, что непрерывное поточное распыление морской воды ультразвуковыми форсунками непосредственно в испарительную камеру создает избыточное давление и соответственно поток водяного пара совместно с мелкодисперсными сухими частицами солей, которые образуются в результате мгновенного вскипания диспергированной морской воды. Причем увлекаемые потоком водяного пара мелкодисперсные частицы соли за счет аэродинамических сил давления, которые превышают силу тяжести для конкретной частицы соли, перемещаются в зону конденсации.  При этом частицы соли возвращаются путем растворения в образующийся конденсат, а также частично потоком пара они переносятся в резервуар для накопления пресной воды, в которой они продолжают растворяться.

  В результате вместо пресной воды получается частично обессоленный раствор морской или соленой воды, кроме того через вентиляционное отверстие в резервуаре для накопления пресной воды осуществляется унос  несконденсированных паров воды (примерно 20 % общего объема образующегося пара) совместно с мелкодисперсными частицами солей в пропорции, соответствующей концентрации солей в  исходной морской воде. Следует также отметить, что при распылении ультразвуковыми форсунками морской воды непосредственно в испарительную камеру наблюдается эффект коалесценции мелких капель диспергированной морской воды в капли большого размера, которые испаряются частично, причем большая по размеру их часть не подвержена уносу с образовавшимся водяным паром и она оседает в исходном соленом виде на стенках испарительной камеры в виде крупных капель, которые в последующем стекают в нижнюю часть испарительной камеры дополнительно смешиваясь  с небольшой долей частиц солей, не унесенных вместе с водяным паром. При этом образуется рассол большей концентрации, чем в исходной морской воде.

Изложенные в предыдущем абзаце физические явления и результаты проявления этих явлений наблюдались в лабораторной экспериментальной установке с прозрачными стенками из оргстекла, изготовленной  автором для проверки работоспособности известного способа и устройства для опреснения морской воды по патенту CN 101838079.

Таким образом, практическое воплощение изобретения по патенту CN 101838079 показало невозможность его эффективной реализации в том виде, в каком оно приведено в формуле и описании изобретения, включая графические материалы.

Технической задачей настоящего изобретения является создание экологичной и высокоэффективной в энергетическом отношении технологии опреснения соленой (морской) и минерализованной воды.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа и устройства для опреснения соленой (морской) и минерализованной воды, которые обеспечивают при минимальных энергетических затратах поточное производство пресной воды в объеме не менее 80% от исходного объема не опресненной воды и смеси сухих солей для последующего их использования в различных отраслях промышленности.

Технический результат достигается тем, что в способе опреснения соленой и минерализованной воды, заключающемся в том, что соленую воду после предварительной обработки распыляют с помощью ультразвуковых колебаний с образованием монодисперсной диспергированной среды, которую подвергают быстрому испарению с образованием водяного пара и мелкодисперсных частиц солей, выделившийся водяной пар подвергают конденсации посредством теплообменника – холодильника, получившаяся вода самотеком поступает в накопительную емкость, согласно изобретению, распыление морской воды осуществляют в слое воды либо путем фонтанирования в распылительной емкости посредством установленных в ней ультразвуковых преобразователей, полученную монодисперсную диспергированную среду посредством постоянного воздушного потока направляют в испарительный теплообменник для непрерывного образования водяного пара и мелкодисперсных частиц солей, поток которых в виде паро-солевой смеси поступает в камеру принудительной сепарации частиц соли от водяного пара, в результате сепарации частицы соли накапливаются в солесборниках камеры принудительной сепарации, а водяной пар после сепарации поступает в теплообменник – холодильник для конденсации и дальнейшего накопления стекающей пресной воды в накопительную емкость, воздушная полость которой сообщается с воздушной полостью распылительной емкости посредством вентиляционного канала, обеспечивая при этом замкнутый по контуру сквозной воздушный поток паровоздушной среды.

Кроме того, устройство для осуществления предложенного способа, содержащее установку для предварительной фильтрации соленой воды, выход которой соединен с устройством ультразвукового распыления соленой воды, подаваемой в диспергированном виде в испарительную камеру, выход из которой соединен с входом теплообменника – холодильника для конденсации водяного пара, на выходе из которого размещена накопительная емкость для пресной воды, согласно изобретению, устройство ультразвукового распыления соленой воды выполнено в виде распылительной емкости, вход которой соединен с выходом установки предварительной фильтрации соленой воды, в распылительной емкости установлены ультразвуковые преобразователи, обеспечивающие распыление в слое либо фонтанированием соленой воды, выход распылительной емкости соединен с входом испарительной камеры для подачи в нее полученной монодисперсной диспергированной среды, выход испарительной камеры соединен с входом сепарационной камеры для подачи в нее образовавшейся паро-соляной смеси, сепарационная камера снабжена сменными солесборниками для накопления отделившихся от водяного пара солей, а выход сепарационной камеры соединен с входом теплообменника – холодильника для подачи в него очищенного от частиц солей водяного пара для его последующей конденсации и получения пресной воды, которая вытекает из выхода теплообменника – холодильника в емкость для накопления пресной воды, причем воздушная полость этой емкости посредством вентиляционного канала соединена с распылительной емкостью, образуя при этом замкнутый по контуру сквозной воздушный поток паровоздушной среды, для чего в вентиляционном канале установлен, по крайней мере, один воздушный вентилятор.

 Предложенные способ опреснения соленой воды и устройство для его осуществления основаны на физических принципах акустического распыления жидкостей с помощью колебаний в ультразвуковом диапазоне (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина.-М:»Советская энциклопедия», 1979, с. 297 – 298). При этом можно использовать две разновидности ультразвукового распыления жидкости: распыление в слое или распыление в фонтане. Распыление в слое, практически, осуществляется на поверхности слоя (0,5 – 1,5 мм) жидкости, покрывающей поверхность ультразвукового преобразователя (излучателя). При таком распылении используются колебания с частотой в диапазоне 27 – 50 кГц, образующиеся при распылении капли жидкости составляют в диаметре десятки мкм. Производительность ультразвукового распыления в слое достигает несколько десятков литров в час на один ультразвуковой преобразователь частоты 27 кГц с потребляемой мощностью менее 100 Вт.

   Распыление в фонтане, как правило, осуществляют с помощью волн ультразвукового преобразователя (излучателя) частотой 1 – 3 мГц, излучаемых из глубины жидкости (2, 5 – 8, 5 см). При распылении в фонтане образуются капли диаметром 2 – 4 мкм, максимальная производительность такого распыления составляет примерно 400 -  500 мл в час на один ультразвуковой преобразователь частоты 1 мГц с потребляемой мощностью 20 – 25 Вт. Образовавшаяся в результате распыления монодисперсная среда (аэрозоль) является достаточно устойчивой в течение достаточного времени, необходимого для преобразования этой среды в пресную воду и осушенную смесь солей. После ультразвукового распыления соленой воды (независимо от разновидности такого распыления) полученная монодисперсная среда подается на испарение для получения смеси водяного пара и мелкодисперсных частиц солей.

Испарение может осуществляться с использованием различных физических принципов: электрическим нагревом, нагревом волнами СВЧ, газовыми горелками и т.п. Следует заметить, что на этом этапе опреснения фазовое состояние капель воды преобразуется в другое фазовое состояние – пар, а растворенные в каплях воды соли преобразуются в твердые мелкодисперсные частицы. Следующим этапом опреснения является разделение паро-солевой смеси на два компонента: пар и мелкодисперсные частицы солей. Этот процесс осуществляют камере сепарации, в которой также можно использовать различные физические принципы разделения твердых частиц от газов:  центробежные силы; электростатические поля, аэродинамические силы и т.п. В камере сепарации осуществляют также сбор (накопление) укрупнившихся частиц солей в сухом виде с помощью съемных солесборников.

Из камеры сепарации пар поступает в теплообменник – холодильник, в котором происходит конденсация пара и окончательное получение пресной воды. Охлаждение до необходимой точки росы в теплообменнике – холодильнике возможно также с использованием различных физических принципов: охлаждение с помощью хладоносителя (вода, фреон и др.); термоэлектрического эффекта Пельтье: вихревого эффекта Ранка и т.п. Пресная вода из теплообменника  - холодильника стекает в накопительную емкость, воздушная полость которой сообщается с воздушной полостью распылительной емкости с помощью вентиляционного канала, образующего замкнутый по контуру сквозной воздушный поток паровоздушной среды с помощью установленного в нем вентилятора. За счет этого обеспечивается принудительная подача монодисперсной диспергированной среды на испарение, последующие сепарацию и конденсацию пара.

При этом в теплообменнике – холодильнике производится конденсация примерно 60 % от объема пара, получившегося на выходе из камеры сепарации. Среда, оставшаяся в парообразном состоянии с температурой 50 – 60 ⁰С, поступая в воздушную полость накопительной емкости, смешиваясь с воздухом, поступает  в вентиляционный канал и с воздушным потоком возвращается  в распылительную емкость. В распылительной емкости паровоздушная смесь смешивается с монодисперсной средой, обеспечивая при этом ее нагрев, и уменьшая в дальнейшем энергетические затраты на испарение. В результате замкнутого паровоздушного контура опреснительного устройства и непрерывной подачи соленой воды в распылительную емкость обеспечивается непрерывный процесс опреснения без тепловых потерь и выброса пара. В результате опреснению с минимальными энергетическими затратами подвергается практически весь объем воды, содержащийся в исходном объеме соленой воды.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема установки для опреснения соленой и минерализованной воды.

Устройство для опреснения соленой (минерализованной) воды содержит установку 1 для предварительной фильтрации соленой воды, выход которой соединен с входом распылительной емкости 2. В распылительной емкости 2, заполненной до постоянно поддерживаемого уровня фильтрованной соленой водой, в толще воды размещены ультразвуковые преобразователи (излучатели) 3, подсоединенные к ультразвуковому генератору (условно не показано) и закрепленные на общей излучающей пластине 4, установленной в плавающей кассете 5. Плавающая кассета 5 обеспечивает постоянство толщины поверхностного слоя жидкости над пластиной 4, что способствует эффективному и устойчивому по производительности ультразвуковому распылению соленой воды. Количество ультразвуковых преобразователей 3 выбирается из требуемой производительности распыления соленой воды. Например, для производительности распыления соленой воды 500 литров в час достаточно 6 - 8  ультразвуковых преобразователей с частотой 27 мГц и суммарной потребляемой мощностью 300 – 400 Вт.

В качестве излучающей пластины 4 можно использовать металлический лист толщиной 3 мм из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Выход 6 из распылительной емкости 2 совмещен с входом в испарительную камеру 7, в которой установлен электрический тепловой нагреватель 8, подсоединенный к регулируемому блоку питания 9 для выбора оптимального рабочего электрического напряжения. Тепловой нагреватель 8 выполнен проточного воздушного типа с системой пластинчатых каналов, обеспечивающих мгновенное испарение мелкодисперсных капель монодиспергированной среды, полученной на выходе распылительной емкости 2. Температура внутри пластинчатых каналов нагревателя 8 поддерживается блоком питания 9 и встроенной системой термостатирования на уровне не менее 150 ⁰С.

Выход 10 испарительной камеры совмещен с входом сепарационной камеры 11 для подачи в нее образовавшейся в результате испарения паро-соляной смеси. В сепарационной камере 11 для принудительного разделения водяного пара от твердых частиц солей установлен вал 12, на котором закреплены лопатки 13 и лопасти 14 для создания принудительного аэродинамического потока внутри камеры 11. Вал 12 соединен с валом электродвигателя 15, который обеспечивает его вращение со скоростью не менее 5000 оборотов в минуту. В зоне вращения лопаток 13 на осевой периферии сепарационной камеры 11 установлен солесборник 16 для накопления отделившихся за счет центробежных сил вращения  от водяного пара солей. Солесборник 16 может быть выполнен съемным для его замены после наполнения солями, для этого сепарационная камера 11 может быть снабжена специальным люком или крышкой в зависимости от конкретной конструкции солесборника. Выход 17 сепарационной камеры 11 совмещен с входом теплообменника – холодильника 18 для подачи освобожденного от солей водяного пара на конденсацию.

Теплообменник – холодильник 18 может быть выполнен с каналами для конденсации щелевого или трубчатого типа, вокруг которых осуществляется постоянный отбор тепла, например, за счет холодной (при температуре 14 – 16 ⁰С) проточной воды. Эти каналы могут быть установлены наклонно по отношению к горизонту, как показано на чертеже, в этом случае получившаяся в результате конденсации пара  пресная вода самостоятельно стекает в емкость 19 для накопления пресной воды. Воздушная полость 20 емкости 19 накопления пресной воды посредством вентиляционного канала 21 сообщается с распылительной емкостью 2 для возвращения несконденсированного водяного пара в зону распыления соленой воды, подогревая в результате монодиспергированную смесь соленой воды. Это в дальнейшем снижает тепловые затраты энергии на испарение монодиспергированной смеси воды и солей.

В вентиляционном канале 21 установлен, по крайней мере, один воздушный вентилятор 22, обеспечивающий замкнутый по контуру опреснителя сквозной воздушный поток паровоздушной среды, что позволяет дополнительно обеспечить принудительную подачу распыленной соленой воды в испарительную камеру 7 и далее, как описано выше. Вентилятор 22 может также подключаться к регулируемому блоку питания (условно не показано) для возможности регулирования производительности устройства по воздушному потоку паровоздушного контура. После набора определенного объема пресной воды в накопительной емкости 19, она сливается для дальнейшего использования, а вновь получаемая пресная вода снова продолжает накапливаться в емкости 19.

Для обеспечения правильной и эффективной работы предложенного устройства для опреснения соленой (минерализованной) воды необходимо соблюдать следующий порядок действий для начала работы опреснительного устройства:

- в первую очередь необходимо включить вентилятор 22 для создания воздушного потока в сквозном контуре устройства, который включает в себя все укрупненные элементы (распылительная емкость 2, испарительная камера 7 и т.д.) и вентиляционный канал 21;

- во вторую очередь следует включить электродвигатель 15, что позволит исключить воздушные пробки в испарительной камере 7 тепловом нагревателе 8;

- в третью очередь включают тепловой нагреватель 8;

- в последнюю очередь включаются ультразвуковые преобразователи 3. 

Работа опреснительного устройства по вышеописанной технологии может осуществляться непрерывно с постоянной подачей соленой воды в распылительную емкость 2.

Для проведении профилактических и регламентных работ, в том числе для опорожнения солесборников 16, остановку работы опреснительного устройства осуществляют в следующей последовательности:

- выключают ультразвуковые преобразователи 3;

- через 3 – 5 минут отключают тепловой нагреватель 8;

- через 5 минут выключают электродвигатель 15;

- еще через 5 минут выключают вентилятор 22.

После завершения профилактических и регламентных работ опреснительное устройство включается в порядке, изложенном выше.   

Автором была разработана и изготовлена экспериментальная установка на основании настоящего изобретения, испытания которой подтвердили эффективность предложенного технического решения. В экспериментальной установке объем полученной пресной воды составил 80,36 % от исходного объема соленой воды, что связано с тем, что из-за упрощения конструкции и технических сложностей не была обеспечена полная герметичность паровоздушного тракта установки.

Для сравнения полученного результата можно привести известные данные о степени опреснения соленой воды разными способами:

- при использовании обратного осмоса выход пресной воды составляет от 15 % до 25 % от исходного объема соленой воды, получаемый побочно рассол подлежит либо сливу, либо утилизации с дополнительными затратами;

- при классической дистилляции выход пресной воды составляет от 30 % до 50 % от исходного объема соленой воды, получаемый побочно рассол подлежит либо сливу, либо утилизации с дополнительными затратами.

Таким образом, предложенная технология опреснения соленой (минерализованной) воды значительно повышает по эффективности технические характеристики как технологии в целом, так и конкретных конструктивных исполнений опреснительных установок, основанных на данной технологии опреснения воды.