Система подготовки обессоленной воды с двухступенчатой по концентрату установкой обратного осмоса
SYSTEM FOR TREATING DESALINATED WATER WITH REVERSE-OSMOSIS TWO-STAGE CONCENTRATE

Область техники
Изобретение относится к способам подготовки воды с применением установок обратного осмоса (УОО) и может быть использовано в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности для получения питательной воды энергетических котлов.
Уровень техники
Известна система подготовки обессоленной воды на промышленном предприятии, содержащая первую ступень установки обратного осмоса (УОО-1) с линией концентрата и трубопровод с установленным на нем насосом подачи концентрата УОО-1 на вторую по концентрату ступень (УОО-2) указанной УОО с баком сбора концентрата указанной второй ступени при атмосферном давлении (патент RU 2281257, C02F 9/08, 2006 [1]-аналог). Согласно [1] для предотвращения накипеобразования на мембранах
УОО-1 в исходную воду вводят антинакипины и/или серную кислоту. Однако такие средства способны предотвратить накипеобразование только на первой ступени УОО, и перед второй ступенью УОО потребуется дополнительное введение серной кислоты для разрушения накопленной на первой ступени щелочности воды. Это вызывает значительное увеличение солесодержания «дожимаемого» концентрата, высокие расходы серной кислоты, опасность перекисления указанного концентрата и, как следствие, образование кислых солевых стоков.
Известна система подготовки обессоленной воды на промышленном предприятии, содержащая:
- первую ступень установки обратного осмоса с линией концентрата, подключенной к баку его сбора при атмосферном давлении;
- трубопровод с установленным на нем насосом подачи концентрата первой ступени «для дожима» во второй ступени установки обратного осмоса с линией концентрата, подключенной к баку его сбора при атмосферном давлении;
- кристаллизатор для извлечения из пересыщенного раствора концентрата солей жесткости, оборудованный узлом подачи агента в указанный пересыщенный раствор для увеличения скорости кристаллизационного процесса. При этом кристаллизатор не является одноэлементным признаком, так как для возможного его функционирования должны быть созданы термодинамические условия доведения раствора до состояния пересыщения (первый элемент) и наличие узла дозирования агента, вызывающего ускоренный процесс кристаллизации, в частности, затравка NaOH (второй элемент). (Технология утилизации концентрата установок обратного осмоса в системах водоподготовки / Первов А.Г., Андрианов А.П., Горбунова Т.П., Юрчевский Е.Б. // Водоснабжение и санитарная техника, 2012, №8, с. 20-26 [2]-прототип). Применительно к прототипу средство для создания указанных термодинамических условий для кристаллизации может быть реализовано линией рециркуляции раствора из бака сбора концентрата УОО-1 в обратноосмотическую установку, а средство для увеличения скорости процесса - узлом периодического дозирования затравки NaOH. В ограничительной части формулы наличие двух элементов кристаллизатора применительно к прототипу [2] в принципе может быть применено как в баке сбора концентрата УОО-1, так и в баке сбора концентрата УОО-2. Однако, практически организация кристаллизатора на участке тракта за мембранами УОО-2 нецелесообразна из-за возможности промежуточного выпадения из насыщенного раствора накипеобразующих солей на указанных мембранах. Поэтому реально практикуется возврат концентрата УОО-2 в бак сбора концентрата УОО-1, то есть использование только одного кристаллизатора. Практическая целесообразность применительно к прототипу представляется только в отношении бака для сбора концентрата УОО-1, так как в противном случае это будет вызывать неизбежную кристаллизацию накипи на мембранах УОО-2 с необходимостью для ее предотвращения повышенного расхода серной кислоты. При этом не будет достигаться обеспечение надежного предотвращения накипеобразования на второй ступени УОО и получение концентрата в виде умягченного раствора.
Раскрытие изобретения
Задачей патентуемого изобретения является сокращение расхода сбрасываемого концентрата, а техническим результатом - обеспечение надежного предотвращения накипеобразования на второй ступени УОО и получение концентрата в виде умягченного раствора. Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что в системе подготовки обессоленной воды на промышленном предприятии, содержащей:
- первую ступень установки обратного осмоса с линией концентрата, подключенной к баку его сбора при атмосферном давлении;
- трубопровод с установленным на нем насосом подачи концентрата первой ступени для «дожима» во второй ступени установки обратного осмоса с линией концентрата, подключенной к баку его сбора при атмосферном давлении;
- кристаллизатор для извлечения из пересыщенного раствора концентрата солей жесткости, оборудованный узлом подачи агента в указанный пересыщенный раствор для увеличения скорости кристаллизационного процесса,
согласно патентуемому изобретению
- указанный трубопровод подачи «дожимаемого» концентрата подключен к линии углекислого газа под регулируемым дополнительным давлением, обеспечивающим отсутствие нерастворимых солей жесткости в процессе пропускания указанного «дожимаемого» концентрата через вторую ступень установки обратного осмоса;
- на входе указанного трубопровода подачи концентрата первой ступени во вторую ступень установки обратного осмоса расположен рН-метр с датчиком непрерывного сигнала на указанный регулятор для установления по его показаниям требуемого давления углекислого газа;
- в качестве кристаллизатора служит бак для сбора при атмосферном давлении концентрата второй ступени установки обратного осмоса, а в качестве узла подачи агента для увеличения скорости кристаллизационного процесса служит воздуходувное устройство.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что:
3
2
3
- подключение трубопровода подачи концентрата на УОО-2 к линии углекислого газа с регулятором его давления позволяет предотвратить появление опасных накипеобразующих концентраций слаборастворимых соединений СаСО за счет перевода кальция из этих соединений в хорошо растворимый (в присутствии достаточной концентрации СО) СаНСО и удерживать его в этом состоянии в процессе концентрирования;
- расположение рН-метра на входе трубопровода подачи концентрата УОО-1 в УОО-2 позволяет по показаниям рН регулировать давление вводимого углекислого газа, и, соответственно его концентрацию, обеспечивающую отсутствие нерастворимых солей жесткости в процессе пропускания «дожимаемого» концентрата через УОО-2;
- использование в качестве кристаллизатора бака для сбора при атмосферном давлении концентрата УОО-2 и выполнение узла подачи агента для увеличения скорости процесса кристаллизации в виде воздуходувного устройства для подачи воздуха в указанный бак в результате резкого падения давления и отдувки углекислого газа удерживающего кальций от кристаллизации вызывают сдвиг углекислотного равновесия в сторону образования карбоната кальция, то есть осуществление кристаллизации и в результате преобразование концентрата в умягченный частично деминерализованный раствор, удобный для последующей утилизации.
Краткое описание чертежа
На чертеже представлена принципиальная технологическая схема системы подготовки обессоленной воды согласно патентуемому изобретению.
Перечень позиций чертежа
10 - УОО-1;
11 - линия исходной воды;
12 - линия пермеата УОО-1;
13 - линия концентрата УОО-1;
14 - бак сбора концентрата УОО-1;
20 - трубопровод подачи концентрата УОО-1 на «дожим»;
30 - УОО-2;
31 - линия пермеата УОО-2;
32 - линия концентрата УОО-2;
33 – бак-кристаллизатор концентрата УОО-2;
331 - линия отвода умягченного концентрата;
332 - линия отвода осадка;
40 - воздуходувное устройство;
41 - линия подачи воздуха в бак-кристаллизатор;
50 - линия углекислого газа;
51 - регулятор давления углекислого газа;
60 - рН-метр с датчиком непрерывного сигнала регулятора давления углекислого газа.
Осуществление изобретения
Система подготовки обессоленной воды на промышленном предприятии содержит первую ступень (УОО-1) 10 установки обратного осмоса (УОО) с линиями 11 исходной воды, 12 пермеата и линией 13 концентрата, подключенной к баку 14 его сбора при атмосферном давлении;
трубопровод 20 подачи концентрата УОО-1 на «дожим» во вторую по концентрату ступень (УОО-2) 30 указанной УОО. УОО-2 30 оборудована линией 31 пермеата и линией 32 концентрата, подключенной к баку 33 для его сбора при атмосферном давлении. Согласно патентуемому изобретению бак 33 служит кристаллизатором для выделения из концентрата солей жесткости. К баку-кристаллизатору 33 подключена линия 331 отвода умягченного концентрата и линия 332 отвода осадка. Узел подачи агента для увеличения скорости процесса кристаллизации выполнен в виде воздуходувного устройства 40 с линией 41 подачи воздуха в бак-кристаллизатор 33. Трубопровод 20 подачи концентрата на УОО-2 30 подключен к линии 50 углекислого газа с регулятором 51 его давления для обеспечения отсутствия нерастворимых солей жесткости в процессе пропускания «дожимаемого» концентрата первой ступени через вторую ступень УОО. На входе трубопровода 20 подачи концентрата из УОО-1 10 в УОО-2 30 установлен рН-метр 60 с датчиком (не показан) непрерывного сигнала на указанный регулятор 51 давления углекислого газа.
Работа системы подготовки обессоленной воды согласно патентуемому изобретению осуществляется следующим образом. Исходная вода по линии 11 поступает в УОО-1 10. Пермеат УОО-1 10 по линии 12 поступает в бак сбора пермеата (не показан). Концентрат УОО-1 10 поступает в бак 14 его сбора при атмосферном давлении, откуда насосом (не показан) по трубопроводу 20 подается на УОО-2 30, пермеат УОО-2 30 по линии 31 поступает в указанный выше не показанный на чертеже бак пермеата. Перед поступлением «дожимаемого» концентрата УОО-1 на УОО-2 в него по линии 50, оборудованной регулятором давления 51, подается углекислый газ. При этом происходит сдвиг углекислотного равновесия в сторону удержания кальция в составе растворимого бикарбоната кальция. Контроль процесса насыщения концентрата углекислым газом ведется по значению рН, измеряемому с помощью рН-метра 60 с датчиком непрерывного сигнала на регулятор 51. Концентрат УОО-2 30 поступает в бак-кристаллизатор 33 его сбора при атмосферном давлении. Кристаллизация в этом баке осуществляется в результате того, что в концентрате при сбросе давления происходит обратный процесс сдвига равновесия в сторону образования карбоната кальция. Для увеличения скорости процесса кристаллизации с помощью воздуходувного устройства 40 в бак-кристаллизатор 33 по линии 41 подается воздух для удаления из него (отдувки) свободной углекислоты. Для интенсификации процесса концентрат в баке-кристаллизаторе 33 может дополнительно подогреваться до 45°С. Умягченный концентрат отводится из бака-кристаллизатора 33 по линии 331, а выпавший осадок по линии 332.
Пример
3
3
3
Исходная вода с расходом 96 м/ч после предочистки подается по линии на УОО-1 10. Качество исходной воды приведено в таблице. Пермеат в количестве 72 м/ч отводится в линию пермеата УОО-1 12 и линию пермеата УОО-2 31 и далее используется на технологические нужды хим-завода, концентрат УОО-1 10 в количестве 24 м/ч сбрасывается в бак 14 его сбора при атмосферном давлении. Концентрат из этого бака подается насосом на УОО-2 30 с целью «дожима» до минимального объема. То есть концентрат УОО-1 10 является питательной водой для УОО-2 30.
2
2
3
Перед поступлением в УОО-2 30 по соединительному трубопроводу 20 концентрат УОО-1 10 насыщается дозируемым в указанный трубопровод под давлением 1,6 МПа углекислым газом. Качество концентрата после насыщения СО приведено в таблице. В результате в УОО-2 30 поступает газо-водяная смесь, в которой растворенная углекислота обеспечивает снижение рН до 3,6, вследствие чего в концентрате присутствует только устойчивая форма НСО. Качество концентрата после насыщения углекислотой приведено в таблице.
3
3
3
3
2
Пермеат УОО-2 30 в количестве 20 м/ч поступает в непоказанный на чертеже бак сбора пермеата. Концентрат в количестве 4 м/ч поступает в бак-кристаллизатор 33 при атмосферном давлении. Качество пермеата и концентрата УОО-2 приведено в таблице. В баке-кристаллизаторе 33 концентрат подвергается декарбонизации (удалению СО) ускоряемой путем мелкодисперсной аэрации подаваемым воздухом с расходом 20 м на м(концентрата). Кроме того, в баке-кристаллизаторе поступивший концентрат может подогреваться до 45°С. Качество умягченного концентрата после выпадения осадка приведено в таблице.
3
3
Таким образом, в приведенном примере удается уменьшить расход сбрасываемого концентрата с 24 м/ч до 4 м/ч, то есть гидравлический к.п.д. УОО достигает 95%. Показатели качества концентрата после кристаллизатора характеризуются снижением жесткости на 75% и солесодержания - на 68%.
Промышленная применимость Патентуемое изобретение отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертеже достаточно ясно, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области энергетики, химии, нефтепереработки и других отраслей промышленности, требующих использования обессоленной воды.