СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ
METHOD OF DESALINATING SEA WATER

Изобретение относится к способам опреснения морской воды.
Известен способ опреснения морской воды, включающий использование солнечной энергии, с принудительной циркуляцией воздуха вентилятором и с распылением в его объеме опресняемой морской воды (см. SU № 1578082, кл. C02F 1/14, 1990 г.).
Однако это весьма перспективное решение пока практического применения не нашло. Это связано с его значительной энергоемкостью. При увеличении единичной производительности опреснителя существенно возросла бы затрата традиционных источников электроэнергии на приводы вентилятора, а также форсуночного (орошения насадки) и дистиллятного насосов. Например, при площади нагрева оранжереи (камеры) около 0,4 га потребуется затратить до 500 кВт электроэнергии.
Известен также способ опреснения морской воды, включающий ее ввод в контакт с гидратообразующим газом в реакторе, создание в реакторе термобарических условий, обеспечивающих гидратообразование, образование газовых гидратов и последующее их разложение на газ и очищенную воду (см. RU 2311347, 2006 г.).
Недостаток этого решения - необходимость подвода энергии извне, громоздкость системы опреснения, обеспечивающей реализацию способа.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в обеспечении возможности снижения энергоемкости процесса опреснения за счет использования потенциальной энергии окружающей среды.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в упрощении конструкции оборудования, обеспечивающего опреснение воды. Кроме того, обеспечивается возможность получения одновременно с пресной водой природного горючего газа.
Для решения поставленной задачи способ опреснения морской воды включает ее ввод в контакт с гидратообразующим газом в реакторе, создание в реакторе термобарических условий, обеспечивающих гидратообразование, образование газовых гидратов и последующее их разложение на газ и опресненную воду, отличается тем, что в качестве гидратообразующего газа используют природный газ, источники которого расположены на дне моря на глубинах, где термобарические условия соответствуют условиям гидратообразования названного газа, при этом в качестве реактора используют плавучий корпус, снабженный средством приема воды, выполненный с плавучестью, близкой к нулевой, с возможностью его позиционирования в произвольной точке морской толщи, с возможностью поддержания в его полости термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа, с возможностью контролируемого приема воды и газа и с возможностью его буксировки судном-буксировщиком, снабженным средствами выгрузки газа и пресной воды, причем в плавучий корпус принимают природный газ на глубине, где давление воды соответствует давлению, обеспечивающему гидратообразование природного газа, накопленного в полости корпуса, причем на время приема природного газа полость плавучего корпуса сообщают с акваторией, а после ее заполнения газогидратом плавучий корпус поднимают на поверхность и буксируют к месту разгрузки, где разлагают газогидрат на газ и опресненную воду, при этом в процессе буксировки в полости плавучего корпуса поддерживают термобарические условия на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа.
Кроме того, для поддержания в полости плавучего корпуса термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа, его теплоизолируют и/или охлаждают содержимое полости и выполняют плавучий корпус с расчетом на внутреннее давление, не меньшее давления, соответствующего давлению диссоциации гидрата природного газа при температурном режиме, поддерживаемом в его полости.
Кроме того, в качестве природного газа используют природный горючий газ.
В основе заявленного технического решения лежат свойства смесей воды и газа образовывать специфические соединения без формирования химической связи (газовые гидраты) посредством включения молекул газов (молекулы-гости, или гостевая подсистема) в полиэдрические пустоты льдоподобного каркаса, построенного водородно-связанными молекулами воды (каркас хозяина, или подсистема хозяина), без формирования химической связи между молекулами гостей и хозяина. В случаях, если молекула гостя химически не связана с хозяином, т.е. не участвует в построении водного каркаса (взаимодействия гость-хозяин только ван-дер-ваальсовы), гидратные соединения включения относят к клатратным гидратам, причем если в качестве гостя выступает газообразное при нормальных условиях вещество либо легкокипящая жидкость, то для их обозначения часто используют термин «газовые гидраты».
4
2
6
3
8
2
2
2
В газовых гидратах молекулы воды, объединенные водородными связями, образуют трехмерную структуру из полостей-клеток, в которые захватываются молекулы газов, таких как метан, аргон, оксиды углерода. Способность воды образовывать гидраты объясняется наличием в ней водородных связей, под действием которых молекулы воды выстраиваются в геометрически правильные структуры. В присутствии молекул некоторых веществ эта упорядоченная структура стабилизируется и образуется смесь, выделяемая в виде твердого осадка. Кристаллические решетки гидратов имеют сложное трехмерное строение, где молекулы воды образуют каркас, в полостях которого находятся заключенные молекулы-гости. Стабилизация кристаллической решетки в присутствии молекул-гостей обусловлена ван-дер-ваальсовыми силами, которые возникают из-за межмолекулярного притяжения, не связанного с электростатическим притяжением. Большинство природных газов (СН, СН, СН, CO, N, HS, изобутан и т.п.) образуют гидраты, которые существуют при определенных термобарических условиях. Они стабильны или при очень низких температурах в условиях вечномерзлых пород на суше, или в режиме сочетания низкой температуры и высокого давления в придонной части осадочной толщи глубоководных районов Мирового океана. При этом молекулы газов преобразуются в твердое кристаллическое вещество консистенции рыхлого льда или мокрого спрессованного снега.
2
В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой МnHO, где М - молекула газа-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа, причем n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признаки «…в качестве гидратообразующего газа используют природный газ, источники которого расположены на дне моря на глубинах, где термобарические условия соответствуют условиям гидратообразования названного газа…» обеспечивают возможность реализации «гидратного» опреснительного цикла за счет использования потенциальной энергии окружающей среды без необходимости ее подвода извне.
Признак «…в качестве реактора используют плавучий корпус, снабженный средством приема воды,… с возможностью его позиционирования в произвольной точке морской толщи…, с возможностью контролируемого приема воды и газа и с возможностью его буксировки судном-буксировщиком, снабженный средствами выгрузки газа и пресной воды…» обеспечивает возможность сбора природного газа, выделяющегося со дна моря. При этом обеспечивается возможность его позиционирования на любой глубине (и тем самым обеспечивается возможность размещения на глубине, где природные термобарические условия обеспечивают превращение газа в газогидрат, без приложения к газу специальных искусственных воздействий, требующих расходования энергии).
Признак «… плавучий корпус выполнен с плавучестью, близкой к нулевой…» обеспечивает минимизацию затрат энергии на его погружение на заданную глубину (на глубину, где термобарические условия обеспечивают превращение собираемого природного газа в газогидрат, т.е. соединение, включающее в себя и газ, и пресную воду). Соответственно минимизируются массогабаритные параметры средств вертикального перемещения плавучего корпуса.
Признаки, указывающие, что корпус «снабжен средствами его позиционирования на глубинах, где термобаричсские условия соответствуют условиям гидратообразования природного газа» обеспечивают «автоматический» перевод в гидратную форму газа, попавшего в полость газгольдера, и его накопление в компактной форме.
Признаки «… корпус выполнен с возможностью поддержания в его полости термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа…» обеспечивают сохранение газогидрата во время его транспортирования к месту «переработки» на пресную воду и газ, что исключает разрушение корпуса во время транспортировки.
Признаки «…в плавучий корпус принимают природный газ на глубине, где давление воды соответствует давлению, обеспечивающему гидратообразование природного газа, накопленного в полости корпуса…» обеспечивают превращение в газогидрат газа, накопленного в полости плавучего корпуса без подвода энергии извне.
Признак, указывающий, что «на время приема природного газа полость плавучего корпуса сообщают с акваторией», позволяет поддерживать внутреннее давление в полости корпуса на уровне, соответствующем давлению окружающей воды, что позволяет обеспечить возможность поддержания давления в полости корпуса на уровне, обеспечивающем превращение природного газа в его газогидрат, в процессе накопления газа в полости корпуса.
Признаки «…после ее заполнения газогидратом плавучий корпус поднимают на поверхность и буксируют к месту разгрузки, где разлагают газогидрат на газ и опресненную воду…» обеспечивают доставку газогидрата к месту его переработки.
Признаки, указывающие на то, что «в процессе буксировки в полости плавучего корпуса поддерживают термобарические условия на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа…», обеспечивают безопасное транспортирование газогидрата к месту его переработки.
Признаки второго пункта формулы изобретения раскрывают приемы и операции, направленные на поддержание термобарических условий в полости плавучего корпуса на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа и минимизацию потребления энергии средствами охлаждения.
Признаки третьего пункта формулы изобретения исключают необходимость специального подвоза гидратообразующего материала к месту реализации гидратной процедуры опреснения, кроме того, обеспечивается возможность утилизации гидратообразующего газа.
На чертеже схематически показан разрез плавучего корпуса (устройства, обеспечивающего реализацию заявленного способа).
3
2
Полость плавучего корпуса 1 имеет объем не менее 500 м. Корпус должен быть рассчитан на внутреннее давление порядка 20-30 кг/см). Корпус 1 снабжен средствами теплоизолирования и охлаждения полости. Средство теплоизолирования выполнено в виде теплоизолирующего покрытия 2 корпуса. Если в качестве материала для такого покрытия используют материал, способный выдерживать многократное его нагружение высоким давлением (при глубинах порядка 1000 м - порядка 100 атм), то такое покрытие может быть постоянным, в противном случае предпочтительно использовать съемный вариант покрытия. Средство охлаждения полости корпуса выполнено в виде технологического комплекса, включающего термоэлектрические охлаждающие элементы 3, линия питания 4 которых выведена за пределы корпуса 1 и снабжена герметичными разъемами 5, выполненными с возможностью подключения к внешним источникам электропитания 6, кроме того, в состав технологического комплекса входят каналы 7 для прокачки хладагента, образующие трубчатый змеевик, выполненный с возможностью подключения к внешнему источнику хладагента 8, снабженному средством его прокачки 9, например насосу известной конструкции. Внешний источник хладагента 8, средство его прокачки 9 и внешний источник электропитания 6 размещены на судне-буксировщике 10. Корпус 1 снабжен люком 11 для приема газа из подводной установки для его сбора (не показана). Люк 11 снабжен системой управления (не показана), обеспечивающей возможность сообщения полости корпуса 1 с акваторией 12 в процессе его погружения и приема газа из подводной установки для его сбора. Кроме того, донная часть корпуса 1 снабжена приемным отверстием 13 водовыдачного трубопровода 14. Верхняя часть полости корпуса 1 снабжена газоотводящим патрубком 15. Корпус 1 также снабжен средством стабилизации его положения в надводном или подвсплытом состоянии, например балластирующими емкостями известной конструкции, расположенными на донной части (не показаны). Средства вертикального и горизонтального перемещения корпуса 1 выполнены в виде поворотных подруливающих устройств 16, предпочтительно съемных, предпочтительно электроприводных. Корпус 1 выполнен с плавучестью, близкой к нулевой, и снабжен средством 17 скрепления с судном-буксировщиком. На чертеже показаны также средства 18 отображения в реальном масштабе времени пространства на участке под корпусом 1, выдачной трубопровод 19 аккумулирующей емкости, его запорная арматура 20.
Заявленный способ опреснения морской воды осуществляют следующим образом.
Предварительно выявляют газовые фонтаны на дне моря, которые зачастую приурочены к газогидратным полям, залегающим под покрывающей толщей дна. Донные газовые фонтаны выявляют известным образом (на основе сейсмоакустического профилирования и/или эхозондирования, и/или съемки локатором бокового обзора, и/или газогеохимическими исследованиями) на глубинах, где термобарические условия соответствуют условиям превращение газа в газогидрат. Газ собирают известным образом с использованием куполообразных газосборников, размещаемых на дне моря (не показаны). При незначительных дебитах газовых фонтанов целесообразно использовать аккумулирующую емкость (не показана), которую связывают с несколькими куполообразными газосборниками. Уловленный газ всплывает в верхнюю часть полости куполообразных газосборников и далее всплывает по трубопроводам, соединяющим их с полостью аккумулирующей емкости, собираясь в ее верхней части. Остановившись в своем движении, пузырьки газа начинают воспринимать давление воды (которое на этой глубине превышает давление, при котором происходит диссоциация гидрата природного газа, и с учетом температуры воды соответствует термобарическим условиям гидратообразования), вследствие чего газ переходит в гидратную форму. Таким образом, в полости аккумулирующей емкости начинает накапливаться газогидрат природного газа, который представляет собой твердое соединение, в котором молекулы газа заполняют ячейки кристаллической решетки, образованной молекулами воды (без формирования химической связи между молекулами газа и воды).
При заданном наполнении аккумулирующей емкости ее контрольно-измерительная аппаратура дает на обслуживающее судно-буксировщик 10 сигнал о готовности к приему корпуса 1. Корпус 1 буксируют к месту установки. Далее на нем закрепляют поворотные подруливающие устройства 16, убирают заглушки с каналов 7 для прокачки хладагента и открывают люк 11, обеспечивая поступление воды в полость корпуса 1. Затем, включив систему дистанционного управления, снабженную средствами 18 отображения в реальном масштабе времени пространства на участке под корпусом 1, и поворотные подруливающие устройства 16 погружают корпус 1 на заданную глубину. Далее, используя часть подруливающих устройств 16 для горизонтального перемещения, выводят корпус 1 на выдачной трубопровод 19 аккумулирующей емкости газосборного узла и опускают на него люк 11. После этого прогревают выдачной трубопровод 19 аккумулирующей емкости, открыв его запорную арматуру 20. Вследствие прогрева газогидраты, находящиеся в полости аккумулирующей емкости, превращаются в газ и уходят (всплывают) в полость корпуса 1, накапливаясь в ее верхней части. Остановившись в своем движении, пузырьки газа начинают воспринимать давление воды (которое на этой глубине превышает давление, при котором происходит диссоциация гидрата природного газа, и с учетом температуры воды соответствует термобарическим условиям гидратообразования), вследствие чего газ переходит в гидратную форму. Таким образом, в полости корпуса 1 начинает накапливаться газогидрат природного газа. В процессе гидратообразования морская вода отдает в газогидрат пресную воду. Излишки объема морской воды в процессе роста объема газогидрата вытесняются через люк 11 в пространство акватории.
Процесс продолжают до полного освобождения аккумулирующей емкости от газогидрата, либо до заполнения корпуса 1.
При наполнении корпуса 1 его контрольно-измерительная аппаратура (не показана) дает команду на всплытие. При отрыве корпуса 1 от выдачного трубопровода 19 его выпускное отверстие перекрывается запорной арматурой 20, кроме того, люк 11 корпуса 1 также герметизируется.
После всплытия корпуса 1 его изолируют размещением на его поверхности теплоизолирующего покрытия 2, продувают каналы 7 для прокачки хладагента, подключают их к внешнему источнику хладагента 8 и начинают прокачку последнего средствами его прокачки 9, например насосом. Герметичные электрические разъемы 5 средств электроохлаждения подключают к внешнему источнику электропитания 6 и включают их на охлаждение. Тем самым, за счет отвода тепла из полости корпуса 1 обеспечивают поддержание термобарических условий в его полости на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа. Дальнейшую транспортировку газогидратной массы к потребителям осуществляют известным образом - буксируя корпус 1 обслуживающим судном-буксировщиком 10.
При выгрузке газа потребителю обеспечивают подогрев объема газогидрата, например, переключая термоэлектрические охлаждающие элементы 3 в режим нагрева и/или прокачивая по каналам подвода хладагента нагретый теплоноситель (например, забортной воды, если это происходит летом). Вследствие прогрева газогидраты превращаются в газ, который под собственным давлением уходит из полости корпуса 1 через газоотводящий патрубок 15 (его принимают в береговые газгольдеры - не показаны). Процесс продолжают до полного освобождения корпуса 1 от газа, при этом оставшуюся в нем пресную воду сливают через отверстие 13 водовыдачного трубопровода 14 для дальнейшего использования. По завершению процесса разгрузки отключают герметичные электрические разъемы 5 средств электроподогрева от судового источника тока, перекрывают запорную арматуру корпуса 1 и транспортируют его к месту сбора газа. Далее все повторяется.