МЕМБРАННЫЙ ДИСТИЛЛЯЦИОННЫЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ
MEMBRANE DISTILLATION MODULE AND METHOD OF MINERALIZED WATER DESALINATION

Изобретение относится к области разделения или концентрирования водных растворов различных веществ, в частности получения пресной воды из солоноватых или морских вод методом мембранной дистилляции, и может быть использовано для создания малогабаритных и малоэнергоемких опреснителей коллективного пользования, например, для маломерных морских судов.
К настоящему времени мембранная дистилляция является хорошо изученным процессом разделения водных растворов.
Согласно общепринятой классификации все известные конфигурации дистилляционных модулей разделяют на четыре типа: мембранный дистиллятор прямого контакта, мембранный дистиллятор со сдувкой конденсата потоком газа, вакуумный мембранный дистиллятор и мембранный дистиллятор с воздушным зазором. В последней конфигурации единичного дистилляционного модуля в подмембранном пространстве между обратной поверхностью мембраны и дополнительно устанавливаемой перегородкой образуется непродуваемый воздушный зазор. В этот зазор попадают прошедшие через мембрану пары, которые конденсируются при контакте с охлаждаемой поверхностью этой перегородки, являющейся конструктивным элементом модуля.
Каждая из конфигураций дистилляционных модулей имеет свои достоинства и недостатки, но главным является общее требование к основному рабочему органу таких аппаратов - применяемые мембраны должны быть гидрофобными и обладать высокой пористостью.
2
Мембранные дистилляционные аппараты производительностью 5-20 кг/ч пресной воды могут быть использованы для оснащения маломерных судов или групп потребителей на изолированных островах морской акватории. Такие аппараты могут быть компактными, малоэнергоемкими, с применением в качестве источников энергии, в том числе солнечной, или рекуперированных тепловых потоков от энергетических установок, обеспечивающих движение судов. Для этих целей дистилляционные аппараты должны сохранять устойчивую работоспособность в условиях эксплуатации (например, при сильном волнении морской поверхности в штормовую погоду). Наибольший интерес для этих целей представляют дистилляционные модули с воздушным зазором (камерой), где прошедшие через мембрану пары конденсируются на специально установленной в модуле на некотором расстоянии от мембраны охлаждаемой перегородке. Подобное устройство мембранного дистилляционного модуля обеспечивает существенное снижение теплопотерь. Аппараты с воздушным зазором позволяют оптимально комбинировать направление всех потоков для оптимизации расхода тепла. Например, трубопровод с исходным холодным потоком проходит через воздушный зазор, где предварительно подогревается конденсируемым паром (скрытая теплота испарения), а это, в свою очередь, позволяет охладить продукт - пресную воду. Но у всех этих конструкций есть общий недостаток - сток и сбор конденсата, образующегося в воздушном зазоре, осуществляются за счет силы земного тяготения. Это определяет необходимость вертикального расположения мембран, охлаждающих перегородок и т.д., что приводит к увеличению габаритов модулей, поскольку охлаждаемая пластина должна отстоять от поверхности мембраны на расстояние более 1 мм, чтобы исключить образование сплошного слоя конденсата, который препятствует переносу паров и тем самым снижает производительность аппарата. Например, в Евразийском патенте № ЕА 016271 В1 (2012) описан многосекционный аппарат, оснащенный пористой гидрофобной мембраной толщиной преимущественно 200-400 мкм, которая образует воздушный зазор с охлаждаемой монолитной металлической перегородкой, на которой происходит конденсация паров, проходящих через мембрану. Устройство предусматривает максимальную рекуперацию тепла за счет использования скрытой теплоты испарения путем организации противотоков исходного потока и продукта. Достигаемые значения производительности составляют при 55°С 6-8 кг/м⋅ч  пресной воды.
В патенте США №4545862 А (1985) описан дистилляционный аппарат для опреснения морской воды, где мембрана выполнена из политетрафторэтилена и имеет следующие характеристики: общая пористость 80-90%, средний размер пор 0,45 мкм, толщина 25-125 мкм. Охлаждающая перегородка - монолитная металлическая или полиэтиленовая пластина, при этом полиэтиленовая пластина должна быть достаточно тонкой и одновременно жесткой, чтобы обеспечить достаточный коэффициент теплопередачи, поэтому как один из вариантов рассматривается полиэтиленовая пленка, ламинированная алюминием для придания ей необходимой теплопроводности и прочности. Таким образом, воздушный зазор в описанной конструкции образуют две плоскости: пористая мембрана (со стороны выхода паров) и сплошная охлаждающая пластина, на которой происходит конденсация паров. Недостатки этой конструкции аналогичны.
2
Наиболее близкой к предлагаемой является типичная конфигурация дистилляционного модуля и способ опреснения минерализованных вод с его помощью, предложенные в заявке США 2013/0277199 А1. Модуль состоит из камеры подачи исходного соленого раствора (морская вода, концентрация солей 35 г/л), образуемой напорной поверхностью мембраны и корпусом аппарата, и полости воздушного зазора, образуемой стороной мембраны, через которую выходит водяной пар, и поверхностью охлаждаемой стенки, выполненной из монолитного (сплошного) теплопроводного материала. Подогрев опресняемой воды осуществляется за счет солнечной радиации прямым нагревом. Конденсация паров происходит в газовом зазоре шириной ≥1 мм, чтобы избежать образования жидкого слоя и снижения производительности аппарата. В качестве гидрофобной мембраны применяют пористую мембрану из политетрафторэтилена (ПТФЭ). Производительность мембран в дистилляционных модулях такой конфигурации составляет 6-7 л/м⋅ч при 55°С.
Конструкция всех описанных выше модулей предусматривает только вертикальное расположение элементов, образующих воздушный зазор - мембран и охлаждаемых перегородок. Кроме того, наличие монолитной перегородки усложняет конструкцию модуля, что приводит к увеличению его размеров, в том числе из-за увеличения расстояния между поверхностями мембраны и охлаждаемой перегородки воздушного зазора, чтобы исключить образования конденсата непосредственно на поверхности мембраны. Это препятствует возможности использовать аппарат, например, на маломерных морских судах.
Изобретение решает задачу снижения сопротивления тепломассопереносу в воздушном зазоре, повышения устойчивости работы модуля и обеспечения эффективной работы дистилляционного аппарата при любом варианте его пространственной ориентации.
Для решения поставленной задачи в мембранном дистилляционном модуле с воздушным зазором для опреснения минерализованной воды с общим содержанием минеральных солей от 5 до 60 г/л для оснащения аппаратов мембранной дистилляции, включающем расположенные в корпусе модуля разделительную мембрану, охлаждаемую перегородку для конденсации прошедших через разделительную мембрану паров, напорную камеру для подачи исходного опресняемого потока, образуемую напорной стороной разделительной мембраны и стенкой корпуса, воздушный зазор, образуемый обратной стороной разделительной мембраны и поверхностью охлаждаемой перегородки, и камеру, образованную охлаждаемой перегородкой и стенкой корпуса, патрубок вывода пресной воды и циркуляционный контур, охлаждаемая перегородка является пористой, камера, образованная охлаждаемой перегородкой и стенкой корпуса, является камерой конденсации прошедших через разделительную мембрану и пористую охлаждаемую перегородку паров, патрубок вывода пресной воды встроен в трубопровод циркуляционного контура перед камерой конденсации, а модуль выполнен с возможностью вертикальной или горизонтальной ориентации.
Предпочтительно охлаждаемая пористая перегородка выполнена из пористой нержавеющей стали, или пористого титана, или пористых пластин полимерных материалов, или пористых керамических пластин.
Предпочтительно расстояние между обратной стороной разделительной мембраны и охлаждаемой пористой перегородкой составляет менее 1,0 мм.
Для решения поставленной задачи также предложен способ опреснения минерализованной воды, включающий подачу минерализованной воды в мембранный дистилляционный модуль, осуществление мембранной дистилляции, вывод части потока охлажденного конденсата как пресной воды и циркуляцию другой части указанного потока, в котором используют указанный модуль и циркуляцию потока охлажденного конденсата осуществляют через камеру конденсации.
Предлагаемая конфигурация мембранного дистиллятора обеспечивает снижение сопротивления потоку паров и их эффективный вывод из аппарата, а также возможность любой ориентации дистилляционного аппарата в пространстве как вертикальной, так и горизонтальной. Эти преимущества открывают возможность создания малогабаритных и малоэнергоемких опреснителей коллективного пользования, например, для маломерных морских судов.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема дистилляционного модуля по прототипу (модуля по заявке US №  2013/0277199).
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема дистилляционного модуля по изобретению.
На Фиг. 3 представлена вертикальная ориентация дистилляционного модуля.
На Фиг. 4 и 5 представлены варианты горизонтальной ориентации дистилляционного модуля  с мембраной над камерой конденсации и под камерой конденсации соответственно.
На представленных чертежах:
1 - корпус модуля, 2 - мембрана, 3 - воздушный зазор, 4 - сплошная перегородка, 5 - пористая перегородка, 6 - камера охлаждения, 7 - камера конденсации, 8 - насос, 9 - холодильник, 10 - исходный поток, 11 - напорная камера, 12 - поток, не прошедший через мембрану, 13 - пары, прошедшие через мембрану, 14 - продукт (питьевая вода), 15 - циркуляционный контур, 16 - конденсат для прокачки.
На Фиг. 2-5 не указана организация подаваемых и отводимых потоков, предусматривающая рекуперацию тепла в системе, поскольку это является общепринятым способом минимизации теплозатрат.
В предлагаемой конфигурации дистилляционного модуля предусмотрена камера конденсации, отделенная от воздушного зазора пористой охлаждаемой перегородкой. Воздушный зазор образован поверхностью пористой гидрофобной мембраны со стороны выходящих из нее паров и поверхностью охлаждаемой перегородки, на которой происходит конденсация прошедших через мембрану паров, при этом охлаждаемая перегородка выполнена из пористого материала (сталь, полимерные пластины, включая ламинированные различными видами фольги). Замена сплошной охлаждающей перегородки на пористую принципиально меняет технологию опреснения. Согласно этой конфигурации дистилляционного модуля выходящие из мембраны пары конденсируются не в воздушном зазоре, а в дополнительно созданной камере конденсации, образованной наружной (по отношению к воздушному зазору) поверхностью пористой охлаждаемой перегородки и стенкой корпуса модуля. Таким образом, образующийся конденсат не контактирует с обратной поверхностью мембраны, что исключает возможность блокирования ее поверхности жидкостью (конденсатом) и гарантирует устойчивость работы модуля. Конденсация паров в этой камере обеспечивается постоянной циркуляцией через нее охлажденного конденсата. Данная конфигурация дистилляционного модуля предусматривает принудительный вывод конденсата из камеры конденсации циркулирующим потоком с последующим отбором из циркуляционного контура продукта (при запуске аппарата циркуляционный контур может быть заполнен обычной пресной водой) перед входом в насос циркуляции.
Принудительный вывод конденсата из камеры конденсации исключает необходимость вертикальной ориентации дистилляционного модуля в пространстве, что также является преимуществом предлагаемой конфигурации дистилляционного модуля.
Дистилляционный модуль по изобретению состоит из корпуса модуля 1, мембраны 2, воздушного зазора 3, пористой перегородки 5, камеры конденсации 7, насоса 8, холодильника 9, напорной камеры 11. Циркуляционный контур модуля 15 включает исходный поток 10, поток, не прошедший через мембрану 12, пары, прошедшие через мембрану 13, продукт (питьевая вода) 14, конденсат для прокачки камеры конденсации 16.
Согласно предлагаемой конфигурации дистилляционный модуль работает следующим образом. После подготовки системы к работе в циркуляционный контур (15) насосом подачи исходной воды (на схеме не указан) закачивают расчетное количество пресной воды (при ее отсутствии допускается заполнение минерализованной водой, которая на начальном этапе процесса постепенно заменяется на получаемую пресную воду). Затем включаются насос подачи исходной минерализованной воды и циркуляционный насос (8), а также система подогрева опресняемой воды (на схеме не указана) и холодильник (9) циркуляционного контура (15). Опресняемый поток поступает в напорную камеру (11), образующиеся пары воды проходят через мембрану (2) (микрофильтрационная мембрана из политетрафторэтилена ПЭТФ. Общая пористость 80%, размеры пор 0,1-0,3 мкм, толщина 100-200 мкм) и поступают в воздушный зазор (3). Поскольку в камере конденсации циркулирует поток воды, в воздушном зазоре (его ширина ≤1 мм), контактирующем согласно предлагаемому изобретению с пористой охлаждаемой перегородкой (5), создается небольшое разряжение. Поэтому пары, не конденсируясь в воздушном зазоре, проходят в камеру конденсации (7), где смешиваются с циркулирующим потоком и выводятся в виде конденсата (16). Пресная вода (14) постоянно отбирается из циркуляционного контура через вентиль (на схеме не указан), остающийся поток циркуляции вновь поступает в камеру конденсации (7). При этом поток, не прошедший через мембрану, является отходом и может быть сброшен в акваторию.
Предложенная конфигурация дистилляционного модуля обеспечивает его надежную эксплуатацию при любом пространственном расположении. Приведенные ниже примеры иллюстрируют различные варианты опреснения вод с различным содержанием хлористого натрия NaCl, поскольку эта соль является основным компонентом морской воды.
Приведенные в примерах результаты получены с применением конфигурации мембранного дистилляционного модуля, отвечающей схеме Фиг. 2.
Примеры
2
Мембрана - политетрафторэтилен, толщина 57 мкм, пористость 80%, площадь мембраны 96 см; ширина воздушного зазора 0,8 мм.
Во всех примерах растворы готовят весовым методом, концентрацию солей определяют по электропроводности.
В мембранный дистилляционный модуль подают минерализованную воду (раствор хлористого натрия). Осуществляют мембранную дистилляцию, как описано выше, выводя часть потока охлажденного конденсата как пресную воду и направляя другую часть потока охлажденного конденсата на циркуляцию через камеру конденсации.
Во всех примерах температура Т в холодном контуре колеблется в пределах 23-25°С, в горячем контуре составляет 50 или 80°С.
а) Вертикальная ориентация модуля.
Пример 1. Исходный раствор - 5 г/л NaCl.
Пример 2. Исходный раствор - 10 г/л NaCl
Пример 3. Исходный раствор - 42 г/л NaCl
Горизонтальная ориентация модуля
а) мембрана над пористой перегородкой.
Пример 4.
Исходный раствор - 5 г/л NaCl.
Пример 5.
Исходный раствор - 10 г/л NaCl.
Пример 6.
Исходный раствор - 20 г/л NaCl.
Пример 7.
Исходный раствор - 42 г/л NaCl.
Пример 8. Исходный раствор - 60 г/л NaCl
б) мембрана под пористой перегородкой.
Пример 9.
Исходный раствор - 5 г/л NaCl.
Пример 10.
Исходный раствор - 10 г/л NaCl.
Пример 11. Исходный раствор - 42 г/л NaCl