УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СОЛЕВОГО РАСТВОРА
UNIT FOR CONCENTRATION OF SALT SOLUTION

Область применения предлагаемой установки – концентрирование солевых растворов сточных вод для уменьшения их объема, в технологических процессах химического производства, в пищевой промышленности.
Кроме того, возможно использование для получения очищенной обессоленной воды из сточных вод в системах замкнутого цикла водоснабжения различных производств, а также при опреснении морской воды.
Устройства для концентрирования солевых растворов, в которых используются мембранные модули, известны и применяются в промышленности, а также в районах с сухим климатом для опреснения морской воды и обеспечения их пресной водой.
Так, например, известно устройство для обессоливания солоноватых и морских вод с использованием насоса высокого давления, обратноосмотических мембран и циркуляционного контура, в котором установлены 2 или более напорные емкости для концентрата и циркуляционного насоса (патент US 2009/0152197 A1). В данном устройстве насос высокого давления подает исходный раствор в замкнутый циркуляционный контур на вход мембранных элементов. Обессоленный пермеат отводится из контура. Концентрат после мембранных элементов без сброса давления направляется по очереди в одну из напорных емкостей и из нее циркуляционным насосом возвращается на вход мембранных элементов. Первоначально, контур заполняется исходной водой, по мере отвода пермеата, концентрация солей в контуре растет и растет осмотическое давление солей в концентрате, что требует повышения рабочего давления. При достижении некоторой предельной величины концентрации солей, напорные емкости с помощью системы клапанов меняются местами. Из первой емкости концентрат вытесняется исходной водой. А во второй емкости происходит накопление концентрата. В дальнейшем происходит циклическое повторение переключения емкостей.  Данное устройство обеспечивает непрерывное получение обессоленного пермеата и имеет преимущество перед установками, работающими по традиционной схеме, в более высокой энергоэффективности (особенно при повышенном солесодержании исходной воды и концентрата), а также в возможности создания интенсивного потока через мембранный модуль с помощью циркуляционного насоса, который обеспечивает смыв отложений с поверхности мембран и увеличивает их ресурс.
К недостаткам данной схемы следует отнести следующее.
1. Вытеснение концентрата из напорных емкостей будет приводить к частичному перемешиванию концентрата и поступающей в него воды. При необходимости получения высококонцентрированного раствора потребуется либо оставлять часть разбавленного концентрата в емкости, либо получать частично разбавленный концентрат, что снижает энергетическую эффективность устройства.
2. При продувке исходной водой напорных емкостей с концентратом, концентрат внутри мембранных элементов не вытесняется и затем снова разбавляется исходной водой в следующем цикле, что также снижает энергетическую эффективность устройства и создает условия для выпадения осадков на поверхности мембран.
Наиболее близкой является установка для получения очищенной от растворенных примесей воды методом обратного осмоса «Raifil RO-500» (Инструкция по эксплуатации (паспорт) от 2017 года). Работа этой установки основана на использовании обратноосмотических мембран, которые под избыточным давлением (превышающем осмотическое давление раствора) пропускают молекулы воды, но задерживают растворенные примеси. При этом одним продуктом является прошедшая через мембрану очищенная вода (пермеат), а оставшаяся исходная вода, двигаясь вдоль поверхности мембраны уносит другой продукт - концентрат солей. Обратноосмотические мембраны обычно используются в виде рулонных мембранных элементов, обеспечивающих большую поверхность фильтрации в компактном объеме и возможность пропускания вдоль поверхности мембран достаточного объема воды для смыва концентрата солей. Мембранные элементы устанавливаются в трубчатые корпуса, из которых, комбинируя параллельные и последовательные соединения, формируют дизайн установки обратного осмоса. Для эффективной работы установки обратного осмоса и предотвращения осадкообразования на мембранах требуется достаточное рабочее давление в сочетании с эффективным уносом концентрата солей с поверхности мембраны. Обычная схема установки обратного осмоса имеет прямоточный вид, последовательно включает насос высокого давления, подающий исходную воду и ряд корпусов с мембранными элементами. На выходе из корпусов раздельно отводятся обессоленный пермеат и концентрат солей. Подача исходной воды и отвод пермеата и концентрата происходят непрерывно.
К недостаткам данной установки следует отнести то, что при работе с повышенными концентрациями солей в растворе, осмотическое давление линейно нарастает с ростом солесодержания в потоке концентрата, что приводит к снижению производительности, а величина потока концентрата существенно снижается по ходу движения, в то время как в концентрированном растворе требуется максимальная скорость потока над мембраной для снижения эффекта концентрационной поляризации. Все это препятствует эффективной работе установки при значительном росте концентрации солей в концентрате. Для увеличения степени извлечения очищенной воды (пермеата) и увеличения достигаемой концентрации солей в концентрате приходится ставить последовательно по концентрату две и более ступеней установок обратного осмоса, каждая из которых обеспечивает работоспособность в определенном диапазоне концентраций и соответствующих давлений.
В случае, если ставится задача максимального концентрирования солей исходного раствора, такая установка становится громоздкой, т.к. требуется дополнительное использование бустерных насосов для повышения давления по мере концентрирования солей в концентрате, необходимость согласовывать работу отдельных ступеней концентрирования, а также то, что гидродинамика потока над мембранами не всегда обеспечивает эффективный унос солей и защиту от отложений. В случае сброса концентрата ступеней в промежуточные емкости в них создаются условия преждевременного выпадения осадков. Последующее повторное поднятие давления увеличивает общее энергопотребление процесса. При работе с высококонцентрированными растворами солей или морской водой величина извлечения пресной воды из концентрата оказывается невысокой, а сброс значительного объема концентрата под высоким давлением приводит к большим потерям энергии.
Предлагаемая установка для концентрирование солевого раствора позволяет преодолеть перечисленные выше недостатки и повысить энергоэффективность процесса и степень концентрирования растворов, снизить отложения на мембране за счет оптимизации потока над ней и при этом обеспечить возможность работы как в непрерывном, так и в периодическом режиме с одновременным получением и пермеата, и концетрата.
Данный технический результат достигается тем, что предложенная установка для концентририрования солевого раствора содержит соединённые последовательно посредством трубопроводов патронный микрофильтр, насос высокого давления (НВД) и мембранный модуль с линией отвода пермеата, оснащённой расходомером, и линией отвода концентрата, сообщённой с магистралью для слива концентрата, оснащённой краном. В предложенной установке трубопровод подачи солевого раствора после НВД и перед мембранным модулем оснащён гидроакумулятором, выполненным с возможностью предотвращения гидроударов при переключении насосов, с линией   отвода  концентрата сообщается вход основной напорной ёмкости с распределителем потоков, выход которой сообщается со входом циркуляционного насоса промежуточной магистрали,  выход которого, в свою очередь, сообщён посредством крана  с магистралью для слива концентрата, при этом к промежуточной магистрали подсоединена замыкающая магистраль с краном и датчиком электропроводности, также соединённая с трубопроводом с гидроаккумулятором. Установка также снабжена дополнительной напорной ёмкостью с распределителем потоков, сообщённой посредством трубопроводов с кранами с одной стороны с магистралью для слива концентрата перед соответствующим краном, а с другой – с замыкающей магистралью после соответствующего крана и с   трубопроводом подачи солевого раствора между патронным микрофильтром и НВД. Объём дополнительной напорной ёмкости больше объёма основной напорной ёмкости, а для дозирования антискаланта и реагентов для корректировки рН дополнительно предусмотрены соответствующие линии.
Предложенная установка схематически изображена на фиг. 1 и содержит следующие элементы:
1 – бак для исходного солевого раствора
2 – насос подачи исходного солевого раствора
3 – патронный микрофильтр
4 – насос высокого давления (НВД)
5 – гидроаккумулятор
6- мембранный модуль
7 – основная напорная ёмкость с распределителем потоков
8 – циркуляционный насос промежуточной магистрали
9 – дополнительная напорная ёмкость с распределителем потоков
10-14 – краны
15 - линия отвода пермеата
16 - магистраль для слива концентрата
17 – линия дозирования реагентов для корректировки рН
18 – линия дозирования антискаланта
19 –расходомер
20 – датчик электропроводности.
Предложенная установка может использоваться как для глубокого концентрирования (в 10 - 15 и более раз) водных растворов солей баромембранным методом обратного осмоса в циклическом режиме, так и для получения очищенной от солей воды в непрерывном режиме. Концентрирование осуществляется в замкнутом контуре с периодическим сливом концентрата (поступление исходного раствора в установку происходит непрерывно, однако слив концентрата происходит периодически).
Установка, схема которой приведена на фиг. 1, работает следующим образом.
Бак 1 заполняют исходным водным солевым раствором, откуда насосом подачи 2 его подают через патронный микрофильтр 3 рейтингом 1 - 5 мкм. При необходимости корректировки величины рН исходного раствора во входную магистраль дозируют реагент блоком дозирования по линии 17, а блоком дозирования по линии 18 дозируют антискалант для снижения образования отложений нерастворимых солей на мембранах установки. После патронного микрофильтра 3 исходный солевой раствор подают насосом высокого давления (НВД) 4 в рабочий контур концентрирования, включающий в себя: трубопровод подачи раствора с гидроаккумулятором 5, мембранный модуль 6, состоящий из установочного корпуса с мембранными элементами, основную напорную ёмкость 7 с распределителем потоков, промежуточную магистраль с циркуляционным насосом 8 и замыкающую магистраль с краном 11.
Установка также содержит дополнительную напорную ёмкость 9 с распределителем потоков 9, аналогичную напорной емкости 7, но большего объема (ее объем равен сумме объемов емкости 7 и объему воды в мембранном модуле 6). Для этого краны 10 и 12 открывают, кран 11 закрывают.
Полный слив концентрата из контура возможен через магистраль для слива концентрата 16 с краном 14.
Очищенную от солей воду (пермеат) выводят по линии отвода пермеата 15.
Работа насоса высокого давления 4 управляется по сигналу расходомера 19. При этом система автоматики поддерживает постоянной заданную величину расхода пермеата в течение всего цикла концентрирования, увеличивая давление в контуре по мере роста концентрации солей в контуре и роста осмотического давления.
Установка может использоваться как для глубокого концентрирования разбавленных растворов солей, так и для получения очищенной от солей воды из солесодержащих растворов с непрерывным отводом пермеата.
В режиме глубокого концентрирования разбавленных растворов солей часть установки, включающая дополнительную напорную ёмкость 9, не используется. При этом краны 12 и 13 закрыты, кран 10 открыт.
Мембранный модуль 6 может быть заполнен мембранными элементами не полностью, при этом часть его внутреннего пространства (около 30 - 50%) остается пустой, что позволяет при концентрировании в 10 - 15 раз увеличить продолжительность цикла концентрирования до 25 - 30 минут и облегчить управление установкой. При необходимости большего увеличения объема циркуляционного контура возможна установка пустых установочных корпусов и /или напорных емкостей. Распределитель потоков представляет собой одну или несколько пластин, установленных внутри корпуса поперек потока, со множеством отверстий, которые препятствуют турбулентному перемешиванию раствора в части корпуса без мембранного элемента, и обеспечивает получение более ламинарного и равномерного потока по всему сечению свободной части установочного корпуса и/или напорной емкости. В режиме вытеснения полученного концентрата исходным водным раствором распределитель потоков снижает турбулентное перемешивание потока и укорачивает зону перемешивания полученного концентрата исходным раствором, приближает этот процесс к режиму «полного вытеснения».
Первичное заполнение
Перед включением установки в работу контур концентрирования через входную магистраль заполняют исходной водой, для чего открывают кран 14, при этом кран 11 закрыт. При включении насоса подачи 2 исходная вода вытесняет воздух из мембранного модуля 6, основной напорной емкости 7 и заполняет контур. После этого включают циркуляционный насос 8, а кран 14 закрывают.
Отработка цикла концентрирования
При включении установки в работу включаются: насос 2, системы дозирования 17 и 18, насос высокого давления 4 и циркуляционный насос 8; открывается кран 11 обеспечивающий циркуляцию в контуре. Насос высокого давления 4 увеличивает давление в контуре таким образом, чтобы обеспечить заданную величину отвода обессоленного пермеата. Поступающий исходный раствор через насос 4 подают под давлением в рабочий контур, при этом вода продавливается через поверхность мембран и отводится в линию отвода пермеата 15, а соли остаются в контуре концентрирования. Величина потока пермеата равна потоку исходного раствора и постоянна благодаря регулированию работы насоса высокого давления. Концентрация солей в контуре концентрирования возрастает. Она пропорциональна времени работы и производительности установки. Величину концентрации солей в контуре концентрирования контролируют датчиком электропроводности 20. Предельная концентрация солей в контуре определяются условиями выпадения отложений на мембранах. Установка позволяет концентрировать растворы в 10 - 15 раз и более, в зависимости от растворимости содержащихся в исходной воде примесей и максимально допустимого давления в контуре концентрирования. Величина давления в контуре концентрирования может меняться от 10 до 70 бар. При достижении заданной величины концентрации солей в контуре установка переходит в режим слива концентрата.
Слив концентрата из контура
При переходе установки в режим слива концентрата выключают насос высокого давления 4 и циркуляционный насос 8, кран 11 закрывают, а кран 14 открывают. При этом насос 2 обеспечивает вытеснение концентрата из контура исходной водой и слив концентрата через открытый кран 14. Расход исходной воды для вытеснения концентрата остается таким же как в рабочем режиме. Требуемый объем слива определяется и задается в зависимости от объема циркуляционного контура с концентратом. При вытеснении концентрата исходной водой промывается мембранный элемент и затем концентрат вытесняется из установочного мембранного корпуса и напорной емкости. В процессе вытеснения концентрата образуется промежуточная зона с разбавленным концентратом (для уменьшения этой зоны служат распределители потока в свободной части установочного корпуса, или в дополнительных пустых корпусах). После слива заданного объема концентрата кран 14 закрывают, кран 11 открывают, установка готова к следующему циклу концентрирования, который начнется включением насоса высокого давления 4 для наработки пермеата и циркуляционного насоса 8 (см. описание цикла концентрирования). Для предотвращения гидроударов при переключении насосов и кранов в схеме предусмотрен гидроаккумулятор 5.
При выключении установки
все насосы выключают, краны 11 и 14 закрывают.
Работа устройства может быть полностью автоматизирована.
Устройство может работать не только с водными растворами солей, но и с другими видами растворов и жидких многокомпонентных систем.
Приведенная схема не является единственно возможной и работа установки может обеспечиваться другими вариантами схем, расположения КИП, арматуры и иными способами регулирования насосов и расходов. Количество насосов, корпусов для мембранных элементов, напорных емкостей и мембранных элементов может быть различным в зависимости от производительности установки, используемой арматуры и т.п. Последовательность включения – выключения насосов, запорной арматуры может отличаться от указанного при сохранении базового принципа работы устройства.
Преимущества работы установки в режиме циклического концентрирования
Обеспечивается повышение степени концентрирования исходного раствора в десятки раз в условиях оптимальной гидродинамики потока над поверхностью мембран. Степень извлечения очищенной обессоленной воды составляет более 80% на одной ступени/установке, если это не ограничено величиной напора подающего насоса высокого давления и пределом растворимости солей. Осмотическое давление пропорционально концентрации растворённых веществ в контуре концентрирования, которая возрастает по мере извлечения обессоленной воды. Кроме того, концентрация растворённых веществ у поверхности мембраны значительно выше, чем в потоке концентрата, так как здесь происходит отбор обессоленной воды и наихудшие гидродинамические условия для отвода солей обратно в поток. В силу этого обычные установки обеспечивают степень извлечения от 60 до 80 %, а при высоком солесодержании (морская вода солесодержанием до 35 – 40 г/л) не более 50%, что соответствует концентрированию в 2 - 5 раз. Большая степень извлечения требует использования нескольких последовательных ступеней (установок), рассчитанных на различное давление, с применением дополнительного оборудования для отделения и отвода осадков.
Циркуляционный насос 8 обеспечивает высокую и постоянную скорость потока над поверхностью мембраны в любой момент времени цикла концентрирования, независимо от степени концентрирования раствора в контуре и производительности установки по обессоленной воде, что гарантирует наилучшие условия для смыва с поверхности мембран концентрата солей и отложений осадков, в то время как в традиционных установках по мере отбора пермеата уменьшается объем протекающего концентрата и соответственно скорость его протока над поверхностью мембраны.
3
3
3
Обеспечиваются существенно меньшие удельные энергозатраты на получение обессоленной воды (пермеата), чем в установках обратного осмоса прямоточного типа, особенно при работе с растворами с высокой концентрацией солей в диапазоне 10 – 35 г/л, а также при опреснении морской воды (до 40 г/л). Как показывают расчеты, при опреснении морской воды на прямоточной установке (без рекуператора энергии) энергозатраты составляют около 5 кВт-ч/м, при использовании рекуператора энергии около 2,5 кВт-ч/м, а на предложенной установке в режиме циклического концентрирования в замкнутом контуре - 1,8 - 2,0 кВт-ч/м.
Работа в периодическом циклическом режиме концентрирования с практически постоянной подачей исходного раствора на вход установки. В конце цикла концентрирования концентрат вытесняется из контура (включая мембранные элементы) исходным раствором, после чего начинается следующий цикл концентрирования. Благодаря этому мембраны контактируют с предельно концентрированным раствором, склонным к выпадению отложений, не все время концентрирования, а только ограниченный период в конце цикла концентрирования, что увеличивает их ресурс и предельную величину концентрирования раствора, если она требуется.
Объем контура концентрирования увеличивается за счет незаполненных мест в установочных корпусах для мембранных элементов, а также возможной дополнительной установкой в циркуляционный контур пустых напорных емкостей. В незаполненных мембранными элементами участках установочных корпусов, а также пустых напорных емкостях устанавливаются распределители потока (поперечные перфорированные перегородки) препятствующие турбулизации и продольному перемешиванию потока при вытеснении концентрата исходным раствором. Это позволяет более полно вытеснять концентрат из контура исходным раствором без перемешивания, что увеличивает эффективность работы установки (как для достижения наибольшей степени концентрирования концентрата, так и в плане энергоэффективности).
Исходный раствор подается в циркуляционный контур установки насосом высокого давления 4 таким образом, чтобы обеспечить заданный постоянный поток обессоленной воды (пермеата). По мере роста концентрации раствора давление автоматически возрастает. Окончание цикла концентрирования определяется по установленной предельной величине удельной электропроводности концентрата в контуре. Таким образом, производительность установки и финишная концентрация концентрата не зависят от возможных изменений солесодержания исходной воды, что обеспечивает стабильную работу установки при очистке (и концентрировании) различного рода вод переменного солесодержания.
Описанная выше установка может быть использована для получения очищенной от солей воды (пермеата) из растворов солей концентрацией 10 - 40 г/л (например, морской воды).
Недостатком периодического режима работы предложенной установки является то, что в период слива концентрата давление на мембранных модулях снижается и пермеат не образуется. Для обеспечения непрерывной работы по производству пермеата с сохранением описанных выше достоинств циркуляционной схемы, к работе установки подключаются дополнительная напорная емкость 9 и краны 10, 12 и 13. Перед включением установки в работу емкость 9 заполняется исходной водой также, как емкость 7.
Включение установки в работу и накопление концентрата в напорной емкости 7 происходит как описано ранее. Далее сброс концентрата из мембранного модуля 6 и основной напорной емкости 7 осуществляется в два этапа, обеспечивающих сохранение высокого давления в мембранном модуле и отвод концентрата без потерь энергии.
На первом этапе открывают краны 10 и 12, одновременно закрывают кран 11, при этом емкость 9 соединяется с рабочим контуром. Вытеснение концентрата из мембранного модуля 6 и основной напорной емкости 7 в дополнительную напорную емкость 9 происходит за счет циркуляции насосом 8. При этом давление в циркуляционном контуре остается высоким, и установка продолжает производство пермеата.
На втором этапе, как только концентрат переместится из емкости 7 в емкость 9, кран 11 открывают, краны 10 и12 закрывают, установка переходит в режим концентрирования в контуре, а емкость 9 отсекается от рабочего контура. После этого краны 13 и 14 открывают и концентрат из емкости 9 насосом 2 под низким давлением будет вытесняться исходной водой в магистраль для слива концентрата 16. После вытеснения концентрата из емкости 9 краны 13 и 14 закрывают, и установка продолжает работу до завершения цикла концентрирования в контуре. Далее циклы повторяются. Таким образом, установка продолжает непрерывное получение очищенной воды с сохранением всех выше описанных преимуществ.
При этом высокая скорость потока над мембраной обеспечивается не только за счет секционирования мембранных корпусов по потоку концентрата, но и за счет увеличения расхода подаваемого на мембранные аппараты раствора в результате организации циркуляции всего объема концентрата с помощью циркуляционного насоса 8;
- обеспечивается постоянная производительность установки по очищенному и исходному потоку в течение цикла независимо от колебаний состава и температуры исходного потока;
- увеличивается энергоэффективность процесса разделения за счет исключения дросселирования давления концентрата на регулирующей арматуре.
- контакт высококонцентрированного, в том числе пересыщенного, раствора с мембранами обеспечивается только в конце цикла концентрирования; такая минимизация времени контакта с высококонцентрированным раствором позволяет предотвратить непрерывное образование осадков на мембранах, а, значит, сократить количество химических моек мембран и продлить срок их службы, сократить затраты времени и ресурсов на обслуживание установки.