СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ
METHOD OF DESALINATING SEA WATER AND INSTALLATION FOR DESALINATING SEA WATER

Изобретение относится к области опреснения морских вод и может быть использовано для опреснения соленых, морских и океанических вод в теплых климатических районах, а также в районах прибрежного расположения АЭС, имеющих сброс теплых вод.
3
Широко используемые промышленные методы опреснения, основанные на методе дистилляции, как правило, используют принцип мгновенного испарения («флеш»). В традиционных способах, имеющих в настоящее время наиболее широкое распространение, используют многокорпусные выпарные аппараты, снабженные теплообменниками. Расход энергии, необходимой для осуществления дистилляционного метода опреснения морской воды, составляет 14-50 кВт·ч/м. Кроме того, такие установки отличаются большими габаритами, металлоемкостью и высокими эксплуатационными затратами.
Известен способ опреснения деаэрированной морской воды, который проводят при относительно низких температурах и давлении, создаваемом за счет гидростатического вакуумирования столба исходной воды и рассола (Патент РФ №2335459, 10.10.2008). Преимущество этого метода состоит в том, что процесс испарения осуществляется при низких температурах, благодаря чему устраняется проблема образования накипи. Устройство для опреснения по данному способу содержит два вертикально установленных контура, при этом верхние части контура испарения и конденсации расположены на барометрической высоте по отношению к уровню моря и оба они соединены паропроводом.
Однако для эффективного использования известного способа необходимо предварительное проведение деаэрации соленой воды, что является достаточно сложной и энергозатратной операцией.
Известна технология дегазации, очистки и конденсации воды с использованием установки, содержащей сверхзвуковой жидкостной эжектор (Патент РФ №2271999, 20.03.2006).
3
Однако известное решение не предназначено для опреснения соленых вод, поскольку оно предусматривает отвод парогазовой фазы из контура обрабатываемой воды при давлении ее подачи, обеспечивающим безотрывное течение двухфазной смеси в камере смешения эжектора. Для реализации такого течения к сопловым блокам обоих эжекторов необходимо подавать воду под давлением не менее 2,5 ати, что приведет к большим энергетическим затратам. Проведение опреснения воды с солесодержанием 30-36 г/л по данному патенту потребует энергопотребления на уровне 100-120 кВт·ч/м.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ и установка для опреснения морской воды, описанные в патенте РФ №2309125, 20.05.2007.
Известный способ включает подачу воды под давлением в зону испарения, испарение при пониженном давлении, отвод образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации, конденсацию пара путем его контакта с охлаждаемой циркулирующей водой, вывод газов и опресненной воды и слив рассола. Согласно способу процессы испарения и конденсации осуществляют в зоне, расположенной на высоте, превышающей барометрическую высоту столба воды над поверхностью опресняемой морской воды.
Описанная в известном патенте установка для опреснения морской воды содержит запорные и контрольно-измерительные устройства, камеру испарения воды, связанную с магистралью подачи морской воды, оборудованной насосом, и с магистралью слива рассола, камеру конденсации пара, связанную с циркуляционной магистралью пресной воды, снабженной насосом, теплообменным устройством и трубопроводом вывода опресненной воды, и паропровод, соединяющий камеру испарения и камеру конденсации, при этом камера испарения, паропровод и камера конденсации размещены на высоте, превышающей барометрическую высоту столба воды над свободной поверхностью опресняемой морской воды.
Недостатки известного технического решения, принятого за прототип, сводятся к следующему. Проведение периодического удаления попутно выделившихся из воды газов, для чего приходится останавливать процесс, осуществления конденсации за счет естественного контакта ниспадающего потока распыленных капель воды с неподвижным объемом пара низкого давления, что в совокупности не позволяет обеспечить высокую производительность процесса.
Задачей изобретения является создание высокопроизводительного экономичного способа опреснения морской или океанической воды, использующего естественные природные условия, в частности, перепад температур между теплым и холодным слоями воды.
Поставленная задача решается описываемым способом опреснения морской воды, который включает 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, при этом 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 парогазожидкостной смеси в зоне конденсации, а вывод выделившихся газов осуществляют непрерывно.
Предпочтительно конденсацию парогазовой смеси осуществляют в зоне конденсации, образованной камерой смешения сверхзвукового эжектора.
Предпочтительно подачу опресняемой воды в зону испарения осуществляют через сопловую насадку под давлением, исключающим вскипание воды внутри упомянутой насадки.
Предпочтительно забор опресняемой воды осуществляют из слоя морской воды с температурой более 20°C, охлаждение циркулирующей пресной воды осуществляют в теплообменном устройстве, погруженном в слой морской воды с температурой не более 10°С.
В случае необходимости, перед подачей опресняемой воды в зону испарения ее можно нагревать от источника внешнего тепла до 30-60°C, при этом охлаждение циркулирующей пресной воды можно осуществлять морской водой из приповерхностного слоя.
Поставленная задача решается также описываемой установкой для опреснения морской воды, которая содержит зону испарения воды, связанную с магистралью подачи морской воды, оборудованной насосом, и с магистралью слива рассола, зону конденсации пара, связанную с циркуляционной магистралью пресной воды, снабженной насосом, теплообменным устройством и трубопроводом вывода опресненной воды, паропровод, соединяющий зону испарения и зону конденсации, причем зона испарения, паропровод и зона конденсации размещены на высоте, превышающей барометрическую высоту столба опресняемой воды над свободной поверхностью морской воды, запорно-регулировочную арматуру, контрольно-измерительную аппаратуру, причем зона конденсации образована камерой смешения сверхзвукового эжектора, установленного на выходе из паропровода и снабженного сопловым блоком на входе в камеру смешения, диффузором на выходе из камеры смешения и вакуумным насосом, паропровод выполнен сужающимся по ходу движения пара в камеру смешения сверхзвукового эжектора.
Предпочтительно зона испарения, паропровод и зона конденсации размещены в установке последовательно, горизонтально и соосно.
Возможно выполнение установки, в которой магистраль подачи морской воды на выходе снабжена сопловой насадкой, причем упомянутая насадка размещена в зоне испарения и установлена с разворотом к направлению движения пара предпочтительно под углом 135-180 градусов.
Возможно выполнение установки, в которой на выходе из магистрали подачи морской воды между зоной испарения и паропроводом установлено устройство предотвращения капельного уноса.
Магистраль подачи морской воды может быть дополнительно снабжена теплообменником, связанным с внешним источником тепла.
Заявленная установка схематически представлена на фиг.1, 2 и 3.
Установка содержит следующие узлы и детали:
1 - магистраль подачи морской воды, оборудованная насосом;
2 - сопловая насадка (представлен вариант с расположением сопловой насадки под углом 180° к направлению движения пара);
3 - зона испарения;
4 - магистраль слива рассола;
5 - паропровод;
6 - сопловой блок сверхзвукового эжектора;
7 - камера смешения сверхзвукового эжектора;
8 - диффузор;
9 - вакуумный насос;
10 - циркуляционная магистраль пресной воды;
11 - насос;
12 - теплообменник;
13 - выходной трубопровод опресненной воды;
14 - устройство предотвращения капельного уноса;
15 - теплообменник, связанный с внешним источником тепла.
На фиг.1 представлена установка, в которой процесс опреснения осуществляют без использования дополнительного нагрева морской воды от внешнего источника тепла. Такой процесс оптимально проводить в районах, где существует естественный перепад температур, равный 10-20 градусам, между слоями теплой и холодной воды морской воды. Магистраль подачи опресняемой воды в установке, изображенной на фиг.1, снабжена сопловой насадкой.
На фиг.2 представлена установка для работы в тех же климатических условиях. Ее отличием является отсутствие сопловой насадки на выходе из магистрали подачи опресняемой воды. В этом случае процесс испарения проходит непосредственно в верхней части подающей магистрали 1, а для предотвращения капельного уноса перед паропроводом установлено устройство предотвращения капельного уноса 14.
На фиг.3 представлена установка, аналогичная изображенной на фиг.2, но снабженная теплообменником 15 для дополнительного нагрева морской воды от внешнего источника тепла.
Следует отметить, что энергетические затраты на подачу воды в отсутствие сопловой насадки при подаче воды в зону испарения будут несколько ниже, чем при подаче через сопловую насадку, однако они в любом случае будут ниже, чем в способе-прототипе, а сама конструкция установки обеспечивает возможность ее непрерывной работы.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
изб.
изб.
изб.
Перед началом работы установки ее основные узлы (зону испарения 3, паропровод 5 и зону конденсации 7) размещают на барометрической высоте, а в ее циркуляционную магистраль 10 заливают предварительно опресненную воду (вода может быть с заданным солевым составом, соответствующим нормативным требованиям, не обязательно дистиллят). Количество заливаемой воды соответствует сумме объемов циркуляционной магистрали и теплообменника. Необходимую барометрическую высоту подъема морской воды (h1) над поверхностью моря рассчитывают предварительно, исходя из температуры, при которой предполагается осуществлять испарение теплой морской воды, и атмосферного давления. Так, например, задаваясь условиями кипения воды при 25°C и давлении атмосферы на уровне моря, равном 101,3 кПа, высота гидростатического столба воды, необходимая для обеспечения в зоне испарения вакуума, соответствующего кипению морской воды при 25°C, составит 10,032 м. Это для данных условий и будет барометрической высотой h1. Для практической реализации процесса опреснения обеспечивают подвод теплой опресняемой воды на высоту - h, которая будет несколько превышать барометрическую высоту h1 столба исходной морской воды. h при центральном размещении сопловой насадки в зоне испарения будет задаваться конструктивно. Она составляет примерно половину высоты зоны испарения, что в промышленных установках будет составлять 0,5-1 м. В случае расположения сопловой насадки в нижней части камеры испарения или при отсутствии в подающей магистрали сопловой насадки h будет задаваться расположением подающей магистрали относительно магистрали слива рассола. На практике эта высота составит не более 0,3 м. Для реализации процесса испарения при пониженных температурах, соответствующих температуре теплых морских слоев 20-30°C, в установке создают вакуум, соответствующий давлению насыщения опресняемой морской воды, для чего перед пуском установки ее подвергают вакуумированию с помощью установленного в зоне конденсации вакуумного насоса 9. В процессе работы вакуум поддерживают за счет удаления выделившихся из воды растворенных газов.
Для подачи необходимого количества опресняемой воды используют низконапорный насос, установленный в магистрали подачи морской воды. Забор опресняемой воды, имеющей температуру 20-30°С, осуществляют из приповерхностного теплого слоя моря. Достигая зоны испарения с пониженным давлением, вода мгновенно вскипает. При наличии в магистрали подачи морской воды сопловой насадки движение потока подаваемой воды должно осуществляться при давлении, исключающем ее вскипание в сопловой насадке. При испарении вместе с паром происходит унос мельчайших капелек исходной воды, т.н. капельный унос. Проблему отделения капелек воды от пара решают поворотом сопловой насадки на 135-180 градусов по отношению к движению парогазовой смеси (на фиг.1 изображена насадка с углом поворота 180 градусов от направления движения пара). Если установка не содержит сопловой насадки (см. фиг.2), то для предотвращения капельного уноса служит устройство предотвращения капельного уноса 14. Выделившиеся в зоне испарения пары воды и растворенные газы поступают в сужающийся канал парогазового паропровода, соединяющего зону испарения с зоной конденсации, а именно с камерой смешения сверхзвукового эжектора. Через сопловой блок сверхзвукового эжектора по циркуляционной магистрали с помощью насоса непрерывно циркулирует охлаждаемая в теплообменнике пресная вода. В камере смешения эжектора происходит интенсивное контактирование холодной воды с паром, его конденсация с одновременным нагревом циркулирующей воды за счет скрытой теплоты парообразования. Поступившие в зону контактной конденсации вместе с паром попутно выделившиеся из воды газы не конденсируются, поэтому в процессе работы установки их непрерывно выводят с помощью установленного в верхней части диффузора вакуумного насоса, за счет чего автоматически поддерживается заданное разрежение в системе. В воде при нормальных условиях содержание растворенных газов составляет около 0,012 г/л, т.е. по отношению к полученному пару их количество составляет около 0,001 массовой доли, что позволяет пренебречь энергетическими потерями на их откачку. Для полной конденсации полученного пара через эжектор пропускают 50-150 кг воды на 1 кг полученного в зоне испарения пара. Поскольку при конденсации пара вода будет нагреваться, то для ее охлаждения в нижней части циркуляционной магистрали установлен теплообменник. В установке, изображенной на фиг.1, теплообменник помещен в слой воды, имеющей температуру не более 10°C, а в установке, изображенной на фиг.3, теплообменник помещен в поверхностный слой воды. За счет конденсации пара происходит накапливание пресной воды, количество которой эквивалентно количеству образовавшегося конденсата. Опресненную воду через трубопровод подают потребителю. Образовавшийся в зоне испарения рассол имеет температуру ниже, чем температура исходной воды, при этом плотность рассола выше, поэтому рассол опускается под слои теплой воды. Ниже приведены конкретные примеры осуществления способа.
Пример 1.
2
2
зв
зв
В способе использована установка, изображенная на фиг.1, с производительностью 1 кг/с конденсата. Способ осуществляется в следующих условиях: испаряемая морская вода имеет T=30°C, а слой воды, используемой для охлаждения - 10°C. Данный перепад температур является достаточным для реализации течения пара на входе в камеру конденсации со скоростью звука в этом паре. Т.о., в испарительную зону подают соленую морскую воду с поверхности моря в количестве 116,23 кг/с с температурой 30°C и давлением 0,01 МПа. После испарения части воды (1 кг/с) ее температура снижается на 5°C и составляет 25°C. Полученный пар по сужающемуся паропроводу направляют к сверхзвуковому эжектору на конденсацию. При этом площадь входного сечения паропровода составляет 2,23 м, а выходного сечения - 0,179 м. Скорость пара в конце сужающегося паропровода составляет WC3=376 м/c, что близко к величине скорости звука в этом паре а=382 м/с (WC3/a≈1). Для конденсации выделившегося пара в камеру смешения эжектора, являющуюся зоной конденсации, непрерывно подают 50 кг/с воды с t=10°С. Давление подачи этой циркулирующей по циркуляционной магистрали воды к сопловому блоку эжектора составляет 0,05 МПа. После конденсации пара температура воды на выходе из эжектора составляет уже не 10, а 21,8°С. Для обеспечения возможности многократного использования этой воды на глубине в слое холодной воды установлен теплообменник, в котором ее снова охлаждают от 21,8°С до 10°С и т.д. Т.о. в контуре рециркуляции воды все время происходит увеличение количества опресненной воды на (1 кг/с), и часть воды из этого контура непрерывно отводят потребителю.
Энергетические затраты на получение заданного количества (1 кг/сек) конденсата будут складываться из трех составляющих:
- затраты на подачу воды на испарение (116,23 кг/с воды с давлением впрыскиваемой воды 0,01 МПа);
- затраты на подачу необходимой для конденсации пара воды (50 кг/с воды с давлением впрыскиваемой воды 0,05 МПа);
- затраты на работу вакуумного насоса для откачки попутно выделившихся из воды газов.
3
Общие энергетические затраты на опреснение воды в данном примере составляют 2,4 кВт·час/м опресненной воды.
Пример 2.
3
Способ осуществляют на установке с той же производительностью, как и в примере 1, но в конструктивном исполнении, изображенном на фиг.2. В этом случае за счет сокращения высоты подъема опресняемой воды энергозатраты на подачу воды на испарение значительно сокращаются и соответственно общие затраты составят около 1,9 кВт·час/м опресненной воды.
Пример 3.
2
2
2
зв
Способ осуществляют на установке с той же производительностью, как и в примере 1, но при этом в конструктивном исполнении, изображенном на фиг.3. Способ осуществляют в следующих условиях: исходная поверхностная вода имеет t=15°C, ее в теплообменнике 15 подогревают до 25°C, при этом для охлаждения используют ту же самую поверхностную воду с t=15°C. В этом случае количество воды, подаваемой на испарение, составляет 116,85 кг/с, после испарения (1 кг/с) температура воды составляет 20°C. Полученный пар по сужающемуся паропроводу направляют к эжектору на конденсацию. При этом площадь входного сечения паропровода составляет 3,05 м, а выходного сечения - 0,274 м. Скорость пара в конце сужающегося паропровода составляет WC3=230 м/c, что составляет 0,6 от скорости звука в этом паре (а=382 м/с). Давление пара перед эжектором составляет в этом случае 1779,8 н/м. При таких условиях обеспечивают расход воды на конденсацию в размере 150 кг/с. В результате температура воды на выходе из эжектора составляет 18,9°C. Для охлаждения и многократного использования опресненной воды в поверхностном слое воды помещен теплообменник, через который пропускают воду после конденсации в ней пара. Вода охлаждается от 18,9°C до 15°C и т.д. В контуре конденсации происходит увеличение количества опресненной воды на 1 кг/с, и часть воды из контура непрерывно отводят.
3
Общие энергетические затраты на получение заданного количества (1 кг/сек) конденсата будут в этом случае составлять 4,9 кВт·час/м опресненной воды, что в два раза выше, чем в примере 1.
Пример 4.
зв
3
Способ осуществляют на установке с той же производительностью, как и в примере 1, но при следующих условиях: исходная поверхностная вода имеет t=25°C, для охлаждения используют воду с t=20°C. При этом скорость пара в конце сужающегося паропровода будет WC3=130 м/с, что составляет 0,34 от скорости звука в этом паре (а=382 м/с). В таких условиях общие энергетические затраты на получение заданного количества (1 кг/сек) конденсата будут составлять около 10 кВт·час/м опресненной воды, что делает такое исполнение способа неэффективным.
Как видно из приведенных примеров, предложенное изобретение позволяет проводить опреснение соленых, в частности, морских вод с минимальными материальными и энергетическими затратами. Энергозатраты по настоящему изобретению значительно ниже, чем в способе-прототипе. При этом предложенная установка практически не имеет ограничений по производительности, так как основным узлом установки, определяющим ее производительность, является сверхзвуковой эжектор. При реализации заявленного изобретения становится возможным использование естественной разницы температур между поверхностным и более глубокими (находящимися на глубинах 20-100 м) слоями воды. Теплый поверхностный слой воды в океанах с температурой выше 20° покрывает 53% всей поверхности Мирового океана. Самая высокая температура поверхности воды в океане находится вблизи экватора: 28°С. В этом районе температурные колебания в течение года минимальны и составляют 2,2-2,4°С. В замкнутых морях и низких широтах температура приповерхностного слоя может достигать 32°С, причем данный слой имеет небольшую толщину, не более 100-150 м, а ниже находится огромный объем воды с более низкой температурой, что позволяет сделать вывод о перспективности использования изобретения именно в этих районах.