Тема 8. Специфічні методи очищення води.

Питання теми:

8.1. Очищення стічних вод виморожуванням.

8.2. Газогідратне опріснення води.

Основні терміни: виморожування, заморожувальні майданчики, холодоагент, опріснення, крісталогідрат.

8.1. Очищення стічних вод виморожуванням.

Очищення мінералізованих стічних вод від солей, що містяться в них, можна проводити з використанням природного або штучного (із застосуванням холодильних машин) виморожування. Перший метод називають природним виморожуванням, а другий — штучним.

Природне виморожування. Природне виморожування із застосуванням природного холоду можна використовувати в місцевості з відносно м'якою зи­мою, де тривалість морозного періоду невелика і чергуються мінусові нічні і плю­сові денні температури, або в північних районах у зимовий період.

Зміст методу полягає в тому, що мінералізовану воду подають в бетонні майданчики-лотки, які є мілкими басейнами з хвилястим дном і розміщені тера­сами. Мінералізовану воду після попереднього охолодження в резервуарі пода­ють на заморожувальні майданчики. Вночі вона замерзає з утворенням льоду завтовшки 1—2 см. Вдень розсіл, що залишився, видаляють у нижній басейн і використовують для виділення солей кристалізацією, а лід опускається на дно і топиться при нагріванні. Перші порції талої води, збагачені солями, скидають у стік, після чого 'їх можна використовувати для повторного виморожування. Наступні порції більш прісної води направляють у збірник і використовують по­вторно в технологічному процесі.

Процес опріснення мінералізованих вод зазвичай проводять циклічно з урахуванням коливання температури зовнішнього повітря впродовж доби. За солевмісту вихідної води до 15 г/дм3 досягається продуктивність 5—7 дм3 опрісненої води з вмістом солей 0,5—1,0 г/дм3 з 1 м2 площі поверхні басейну, Задавши продуктивність установки, можна обчислити геометричні розміри і кількість басейнів. Установка проста в експлуатації і не потребує кваліфікованої праці.

Інший метод опріснення мінералізованих стічних вод природним виморо­жуванням придатний для північних районів з тривалим періодом стійких морозів. Зміст методу полягає в тому, що в період стійких морозів здійснюють пошарове наморожування мінералізованої води у вигляді льодових бунтів завтовшки 2— З м, іноді до 5 м. Наморожувати бунти льоду завтовшки понад 5 м не рекомен­дується через погане їх прогрівання. Навесні, коли температура зовнішнього повітря досягає 0°С і вище, лід починає танути. Процес танення льоду відбува­ється більш ефективно, коли температура в бунті підтримується в інтервалі +0,5 ... +4°С. Тепловий режим у бунті регулюють циркуляцією повітря і певним розміщенням теплоізоляційного матеріалу шляхом укриття зовнішньої поверхні стосу очеретяними матами, торфом, тирсою, соломою чи іншими матеріалами, укладеними на поліетиленову плівку.

Опріснювальні установки — це сплановані майданчики, огороджені бор­тами заввишки до 50—60 см або залізобетонні басейни такої самої глибини. Над майданчиком або дном басейну на висоті 20—30 см встановлюють гратку з дерев'яних або залізобетонних балок для підтримання льоду. Подаючи під гратку тепле повітря, можна підтримувати заданий тепловий режим стосу і за­безпечувати стік води і розсолу з льоду. Після наморожування першого шару льоду завтовшки 3—5 см шляхом розбризкування води крізь форсунки здійснюють наморожування наступних шарів до досягнення заданої товщини стосу. Швидкість замерзання води значною мірою залежить від швидкості вітру, температури повітря, трохи менший вплив чинить теплообмін випаровуванням води.

Після розморожування стосу перші порції талої води підвищеної мінера­лізації видаляють з-під ґраткового простору, їх можна використовувати для кристалізації солей відомими методами. Потім отриману прісну воду вико­ристовують повторно у технологічному процесі для промивання, приготування реагентів, охолодження чи інших цілей. Період танення бунтів триває 5—8 літніх місяців. Майданчики для заморожування бувають відкритого і закритого типів. Перші характеризуються великими експлуатаційними затратами, оскільки потребують укриття від ді'і тепла в разі підвищення температури зовнішнього повітря і захисту від атмосферних опадів. Закриті майданчики мають більші капітальні затрати. Вихід прісної води за такого методу виморожування залежить від ступеня мінералізації вихідної води і коливається в широких межах (95 % за вмісту солей до 5 г/дм3 і нижче 4 % за мінералізації 90 г/дм3).

Опріснення мінералізованих вод методом природного виморожування характеризується низькою питомою продуктивністю, відносно високими капі­тальними затратами, займає великі виробничі площі, обмежено застосовується через кліматичні умови. Собівартість опрісненої води залежить від солевмісту вихідної води і конструкції установки.

Штучне виморожування. Розрізняють такі методи опріснення мінералі­зованих вод штучним виморожуванням:

• виморожування з охолодженням води крізь теплопередавальну стінку;

• виморожування у вакуумі;

• контактне виморожування.

У разі застосування штучного виморожування використовують різні холо­доагенти.

Холодоагентами називають робочі тіла, призначені для відведення тепло­ти від охолоджуваного тіла.

Найбільш вживаними холодоагентами є пропан, бутан, ізобутан, аміак, ок­сид карбону (IV), різноманітні фторхлорпохідні метану та 'їх суміші — так звані фреони Ф-31, Ф-12, Ф-142в тощо.

Процес відведення теплоти від охолоджуваної речовини відбувається шля­хом випаровування холодильного агента при температурі кипіння. Зниження температури холодоагента досягають за умов зниженого тиску (в разі випа­ровування рідкого аміаку за тиску 4,01 • 104 Па досягають температури -50°С, а в разі випаровування рідкого етану за р = 5,2 • 104 Па температури -100°С).

Холодоагенти повинні задовольняти таким умовам:

• мати велику приховану теплоту пароутворення, щоб забезпечити міні­мальне використання холодоагента;

• мати мінімальний питомий об'єм за температури випаровування і певного тиску;

• не розчинятися в опріснюваній мінералізованій воді і не бути токсичною речовиною в разі контактного виморожування;

• бути хімічно стійким і мати малу корозійну активність;

• характеризуватися мінімальною в'язкістю з метою запобігання значним гідравлічним втратам у холодопроводах;

• не бути дефіцитними і мати мінімальну вартість,

Виморожування з охолодженням води крізь теплопередавальну стінку.

Перші дослідні виморожувальні установки для опріснення мінералізованих вод були побудовані у Франції Л. Кевраном і Г. Трепо в 50-х роках нашого століття. Воду заморожували за допомогою холодильних машин, в яких охолодження здійснювалось крізь теплопередавальну стінку.

Суспензія з льоду і розсолу надходить на сітчастий конвеєр, на якому лід розподіляють шаром завтовшки 2 см за допомогою спеціального розрівнювача і продувають повітрям, нагрітим до 20°С. Розсіл стікає в приймальний бак. Лід, що залишився на конвеєрі, топиться під впливом теплого повітря в камері топ­лення. Прісна вода після топлення льоду надходить у приймальний бак, що нагрівається розсолом, і може використовуватися для різноманітних техноло­гічних цілей. На установках потужністю до 60 мз/добу за вмісту солей у вихідній воді 5—35 г/дм3 отримують опріснену воду із солевмістом 0,06—1,8 г/дм3. Вихід прісної води становить близько 20 % за питомої витрати електроенергії близько 40 квт • год/м3,

Виморожування випаровуванням води у вакуумі. Відомо, що в разі зни­ження тиску пружність насиченої водяної пари зменшується і вода кипить за нижчої температури. Якщо не підводити теплоту ззовні, то теплота пароутво­рення відбиратиметься від самої води і температура її знижуватиметься. У разі достатньо великого зниження тиску вода може закипіти за температури її замерзання. У цьому разі під час випаровування 1 кг води попутно утвориться 7,5 кг льоду. Відбувається контактний теплообмін між водяною парою і водою, що є холодоагентом. Причому зникає потреба у теплопередавальній стінці, що забезпечує високу теплопередачу і підвищує ефективність процесу опріснення води загалом.

Схема установки "Трепо":

1 - холодильник з прісним льодом; 2 – теплообмінник для розморожування льоду; 3 – льодогенератор; 4 – холодильна установка для заморожування холодоагента; 5 – мішалка для перемішування суспензії льоду з розсолом.

Схема вакуумного виморожувального опріснювача:

1 –деаератор; 2 – насоси; 3 – протитечійну теплообмінники; 4 – охолодник солоної води; 5 – паровий компресор; 6 – трубчастий випарювач; 7 – холодильна машина; 8 – конденсатори; 9 – ротаційні вентилятори; 10 – вакуумні насоси; 11 – випарювач – заморожувач; 12 – гідроконвертор; 13 – камера для топлення; 14 – протитечійний промивник; 15 – скрепер; 16 – фільтр.

 

Схема установки "Трепо".

 

Схема вакуумного виморожувального опріснювача.

Перші опріснювачі, в яких було використано принцип вакуумного вимо­рожування, були побудовані в США у б0-х роках нашого століття.

На рис. Зображено схему опріснювача, побудованого американською фірмою "раігьап РЗ Могзе Со" за винаходом ізраїльського вченого А.Зархіна. Установка складається з чотирьох опріснювачів, що працюють незалежно, по­тужністю по 227,5 мудобу кожний.

Опріснювач включає холодильну машину 7 з охолодником мінералізованої води 4, гідроконвертор 12, протитечійний промивник 14 та інше допоміжне об­ладнання — деаератор, теплообмінник, насоси тощо.

Деаерована мінералізована вода після теплообмінників 3 надходить в охо­лодник 4, де вона закипає за зниженого тиску і частково замерзає, вводячи в систему певну кількість холоду. Далі мінералізовану воду подають насосом у гідроконвертор 12, де кристалізується основна маса льоду. Охолодник конст­руктивно подібний до гідроконвертора. Відмінність полягає в тому, що водяну пару конденсують не льодом, а проводять цей процес на поверхні трубчастого випарювача б холодильної машини 7. Глибокий вакуум у гідроконверторі й охо­лоднику створюється ротаційним вентилятором 9, конденсатором 8 і вакуумним насосом 10.

Гідроконвертор включає випаровувач-заморожувач з мішалкою 11, ком­пресор 5 і камеру топлення 13. Водяна пара відводиться вакуумним компресо­ром 5, стискаєтьс і подається в камеру топлення 13, де за її допомогою топиться лід. Останній подають на конусний барабан з полицями. Барабан обертається і забезпечує рівномірний розподіл льоду та має велику поверхню теплообміну. Суспензію льоду і маточного розсолу подають у протитечійний промивник 14, що є гравітаційною дренажною колоною. Лід промивають прісною водою. Питомі затрати енергії становлять 10—12 квт • год/м3.

Недоліком методу є великі габарити вакуумних установок, що пов'язано з труднощами підтримання глибокого вакууму та експлуатації самої установки.

Контактне виморожування води. Виморожування мінералізованої води в разі безпосереднього стикання її з рідкими гідрофобними холодоагентами (пропан, ізобутан, н-бутан, метиленхлорид, фреони тощо) називають кон­тактним.

Виключення теплопередавальної стінки дає змогу значно збільшити кое­фіцієнт теплопередачі і зменшити енергетичні витрати. Перелічені вище гідро­фобні холодоагенти киплять за температури і тиску, близьких до атмосферних. Це позбавляє необхідності застосування глибокого вакууму і дає змогу спрос­тити конструкцію виморожувальних установок.

Вперше цей метод у 60-х роках нашого століття запропонував професор Корнельського університету Г.Ф. Уайгандт.

Схема опріснення води контактним виморожуванням:

На рис. Подано схему процесу. Мінералізована вода, пройшовши крізь теплообмінник 1, надходить у заморожувач 5. Одночасно в заморожувач вприс­кують рідкий бутан. Останній закипає, і частина води перетворюється на лід. Температура в заморожувачі дорівнює -4°С, що відповідає тиску насиченої пари бутану 89 кпа. За вмісту солей 35 г/дм3 у вихідній воді коефіцієнт вилу­чення наближається до 0,5.

Суміш льоду і маточного розсолу надходить у сепараційну камеру 6, де лід після відокремлення від розсолу промивають чистою водою і спрямовують у камеру топлення-конденсації 8. Маточний розсіл виводять з нижньої частини промивної колони крізь теплообмінник 1 і видаляють з системи. Пару бутану відводять компресором 4 із заморожувана 5, стискають і подають у камеру топлення-конденсації 8, в якій вона конденсується на кристалах льоду.

За рахунок теплоти конденсації бутану лід топиться й отримана суміш пріс­ної води і рідкого бутану надходить у відстійник 7, де відбувається її розділення внаслідок різниці густин. Рідкий бутан повертають у заморожувач 5. Частина прісної води (близько 10 %) з відстійника 7 надходить у промивну колону для відмивання розсолу від льоду, а інша крізь теплообмінник 1 подається спо­живачу.

Тепловий баланс у системі заморожувач 5 — камера-конденсації 8 забез­печується за допомогою компенсуючого контура високого тиску 2—3. Компре­сором 3 забирається 30—35 % бутану з лінії нагнітання першого ступеня 4. Стиснена пара бутану конденсується в конденсаторі 2, який охолоджується мінералізованою водою і дроселюється в потоці рідкого бутану основного кон­тура, додаючи холод, якого не вистачає.

 

У разі зниження ступеня мінералізації води від 35 до 8—9 г/дм3 і потужності установок 1000 і 10 000 м3/добу питома витрата електроенергії становить відповідно 9,4 і 8,3 квт • год/м3.

Коефіцієнт корисної дії установок дорівнює 14—15 %.

Експериментальне доведено, що завдяки технічному вдосконаленню конструкції установок його можна збільшити до 20—25 % і наблизити до значень к. К. Д. Для установок термічного опріснення води (25— ЗО %).