Фев 12 2001

ПУТИ повышения эффективности

Опубликовано в 00:57 в категории Вода и здоровье

ПУТИ повышения эффективности

деминерализации шахтных вод

Г.В. Аверин, Е.Л. Беляева

ДонГТУ, г. Донецк

К основным источникам загрязнения водных ресурсов в Донбассе относятся угольная и металлургическая отрасли промышленности, а также коммунальное хозяйство. Объемы сбрасываемых в водные объекты шахтных и промышленных вод сопоставимы с объемами естественного стока рек Донбасса. Ежегодно в водоемы и реки поступает до 2,7 млн. т. минеральных солей. Прямой сброс соленых вод приводит к существенному экологическому ущербу, связанному с деградацией качества воды естественных источников и засолением почв. Поэтому деминерализация соленых вод является крупной экологической и народно-хозяйственной проблемой.

В настоящее время в существующих проектах деминерализационных установок преимущественно используются процессы дистилляции, обратного осмоса и электродиализа. Дистилляция является энергетически одним из самых неэкономных методов очистки (энергопотребление 550 – 600 МДж/м3) . Исключительный недостаток методов обратного осмоса и электродиализа заключается в отравлении мембран частицами, присутствующими в соленой воде, что требует частой замены мембран, а их стоимость достаточно велика.

Деминерализация воды может производиться и за счет вымораживания. Физические принципы, реализованные таким процессом, обуславливают ряд его преимуществ. В частности, количество тепла, необходимое для получения 1 кг чистой воды вымораживанием в 7 раз меньше, чем при выпаривании или дистилляции. Деминерализация вымораживанием нечувствительна к минеральному составу исходной воды, показатель качества питьевой воды по сухому остатку (менее 1,0 кг солей на 1м3 воды) может быть, достигнут во всех случаях.

Наиболее перспективным способом опреснения воды является контактное замораживание с помощью хладагента, не смешивающегося с

водой. В качестве агента используют нерастворимые в воде бутан, изобутан, метиленхлорид, фреоны (R114, R115, RC-318). В частности, опреснитель фирм Струзерс, Блоу-Нокс (США) работает по двухступенчатому холодильному циклу с изобутаном в качестве холодильного агента. Энергозатраты установки при производительности 19000 м3/сут. составляют 27 МДж/м3 [1, 2].

На наш взгляд, основными сдерживающими факторами внедрения способов деминерализации соленых вод вымораживанием является техническая сложность и высокая стоимость соответствующих холодильных систем, основанных на применении крупных компрессорных установок, и использование экологически опасных агентов (фреонов). В условиях экологического кризиса одним из возможных направлений очистки сточных вод может являться их деминерализация вымораживанием в случае создания технически простых и не дорогостоящих холодильных систем.

В основу предложенных технических решений по деминерализации соленых вод вымораживанием положено применение принципиально новых систем контактного замораживания, основанных на совмещении термодинамических холодильных процессов в одном теплообменном аппарате и использовании гидравлических принципов действия [3]. В такой опреснительной холодильной установке применена в качестве компрессора гидравлическая система с высоким напором воды (от 2,0¸5,0 МПа). Данная установка представляет собой систему холодильных элементов (специальных теплообменников высокого давления), подключенных вентилями к трубопроводам соленой и пресной воды. Работа вентилей осуществляется под действием микропроцессорной системы контроля и управления с электрическим или гидравлическим приводом вентилей и задвижек.

Опреснительная установка работает по двухступенчатому холодильному циклу. В верхней ступени используется серийная холодильная машина, обеспечивающая диапазон работы по температуре хладоносителя –2 ¸ +10 °С. В нижней ступени используется холодильный элемент, обеспечивающий контактное замораживание с помощью хладагента, не смешивающегося с водой. В качестве хладагента предусмотрено применение этана. Термодинамический цикл этана в данном процессе имеет следующие параметры: температура испарения –5°С, температура конденсации - +2°С. Схема, демонстрирующая принцип действия и этапы работы опреснительной установки, приведена в таблице 1.

Технология опреснения соленой воды заключается в следующем. Исходный соленый раствор после очистки от механических и коллоидных примесей забирают из резервуара, деаэрируют, охлаждают в тепло-

Таблица 1. Схема работы опреснительной установки.

Последовательность

операций

Операции

Положение

задвижек

1

2

3

4

1.

Испарение хладагента. Замораживание части соленой воды

A ,C - закрыто

В ,D - открыто

Поддерживается низкое давление P0.

2.

Вытеснение рассола пресной водой. Промывка и плавление льда.

A ,B - открыто

C ,D - закрыто.

Поддерживается низкое давление P0.

3.

Сжатие и конденсация хладагента.

Отвод тепла пресной водой

A ,C - открыто

В ,D - закрыто

Поддерживается высокое давление PH

4.

Вытеснение пресной воды соленой водой.

Сепарация жидкого хладагента и перемешивание его с соленой водой.

C,D - открыто

A, В - закрыто.

Поддерживается высокое давление PH

5.

Испарение хладагента. Замораживание части соленой воды

A ,C - закрыто

В ,D - открыто

Поддерживается низкое давление P0.

Примечание: 1 - холодильный элемент; 2 - трубопровод пресной воды;

3 - трубопровод соленой воды; A, B, C, D – клапаны с автоматизированным приводом.

обменнике выходящим холодным крепким раствором и пресной водой, и направляют в холодильный элемент, предварительно повысив давление воды в насосе высокого давления. В контуре с соленой водой поддерживается давление равное или ниже давления испарения этана при температуре -5°С (низкое давление P0=20 бар). В контуре с пресной водой поддерживается давление равное или выше давления конденсации этана при температуре +2°С (высокое давление PН=27 бар). Дальнейшие процессы работы установки обеспечиваются в холодильном элементе 1, представляющем собой специальный теплообменник высокого давления, который периодически выполняет функции кристаллизатора-испарителя и конденсатора-плавителя. В данный элемент периодически подается то соленая вода при высоком давлении, то пресная вода при низком. Это позволяет обеспечить цикличность процессов испарения и конденсации этана в холодильном элементе. Совмещая эти процессы во времени с вымораживанием воды из соленого раствора, промывкой и плавлением кристаллов льда и регенерацией тепла, обеспечивают периодическую работу установки.

В целом, непрерывное опреснение соленой воды и работа деминерализационной установки осуществляется совмещением цикличных термодинамических процессов с периодической подачей и отводом соленой и пресной воды, в целом ряде, параллельно подключенных холодильных элементов, работающих в противофазе.

При производительности такой установки по пресной воде 10м3/сут. (концентрация соли менее 1кг/м3) и исходной концентрации соли в соленой воде 10 - 15 кг/м3 энергетические характеристики установки составят: холодопроизводительность – 5кВт, расход энергии – 32МДж/м3, потребляемая мощность - 10,2 kВт.

В целом, на основе описанных холодильных систем возможно создание деминерализационных установок, имеющих высокие технико-энергетические показатели. В Донецком государственном техническом университете проводятся работы по разработке макетных и экспериментальных образцов данных технических систем.

Литература

1. Различные области применения холода. Справочник. М.: «Агропромиздат», 1985. – 271с.

2. Мартыновский В.С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. /Под. Ред. В.М. Бродянского. – М.: Энергия , 1979. – 288с.

3. Аверин Г.В., Гаркавый Г.Д. Способ получения холода и парокомпрессорная холодильная машина. Патент №18579, Украина.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.