УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
APPARATUS FOR THERMAL DISTILLATION PURIFICATION OF WATER

Настоящее изобретение относится к термодистилляционной очистке воды и может быть использовано для опреснения морской воды, очистки промышленных стоков с высоким содержанием солей жесткости, выпарки растворов до получения сухого остатка.
Пресная вода является ценным сырьевым продуктом, недостаток которого все больше и больше ощущается не только в зонах с сухим климатом, но и во всем земном шаре, включая индустриально развитые страны. Имеется большая потребность в использовании морской воды для получения воды, пригодной для полива растений в регионах с сухим климатом. Имеется также потребность в очистке промышленных стоков в индустриально развитых странах для создания оборотной системы водоснабжения технологических процессов с большими расходами воды. Имеются большие проблемы при необходимости выпарки различных растворов до сухого остатка.
Известна установка для термического дистилляционного опреснения минерализованной воды (Подберезный В.Л., Никулин В.А., Гринев Д.И. «Термодистилляционное оборудование получения особо чистой воды для промышленных и хозяйственно-бытовых целей», http://www.mahp.ustu.rn). Установка содержит двухступенчатый горизонтальнотрубный пленочный аппарат, состоящий из двух ступеней испарения и двух подогревателей, парокомпрессора, конденсатора, заключенных в общий корпус с плоскими стенками, с верхней плоской крышкой и днищем, паровыми камерами. Каждая ступень испарения состоит из горизонтально расположенного трубного пучка, заключенного между двумя трубными решетками, общими для обеих ступеней испарения.
В известном термодистилляционном аппарате используется пленочная конденсация или испарение с горизонтальными трубными пучками, которые, как правило, работают совместно с каким-либо источником пара (котел, ТЭЦ, АЭС). Эти установки требуют предварительной подготовки опресняемой воды, собственно опреснения и кондиционирования, если эта вода предназначена для питья. Предварительная подготовка воды является обязательной, т.к. без подготовки воды оборудование быстро выходит из строя из-за образования накипи на поверхностях горизонтальных трубных пучков. При подогреве загрязненной или соленой (морской) воды через поверхности нагрева, устройство необходимо защищать от накипеобразования, - основного недостатка всех аналогичных установок. Кроме того, разность (перепад) температур для таких установок ограничена температурой первоначального пара (100-130°C) и температурой воды (20-100°C), что является существенным ограничением интенсивности процесса парообразования или нагрева воды для дальнейшего ее испарения.
Задачей данного изобретения является создание термодистилляционного устройства для очистки воды, пригодного как для опреснения морской воды с целью получения стерильного дистиллята высокого качества с минимальным содержанием остаточных солей и экономным потреблением тепловой энергии, так и для очистки промышленных стоков за счет тепла отходящих газов промышленных агрегатов, а также для выпарки растворов до получения сухого остатка в одном цикле с упрощением технологии и конструкции теплообменников.
Для решения поставленной задачи устройство для термодистилляционной очистки воды содержит корпус теплообменника, нагреваемые элементы в виде насадки, патрубки подвода воды и отвода пара, при этом устройство снабжено механизмом для выгрузки и очистки насадки от накипи, выполненном с вращающимся барабаном, а также подогревателем опресняемой или очищаемой воды смесительного типа.
Кроме того, устройство снабжено объемным испарителем перегретой жидкости, выпускаемой из корпуса теплообменника. Например, в случае получения перегретого пара высокого давления, когда не вся нагретая вода испаряется в теплообменнике.
Заявляемое устройство представляет собой регенеративный теплообменник, который в качестве насадки может содержать шары, предпочтительно металлические, которые легко загружаются в корпус устройства и выгружаются, если потребуется их очистка от солей жесткости (накипи).
В предлагаемом изобретении нагреваемые элементы (шары) нагреваются высокотемпературным газовым теплоносителем до максимально возможных температур, а затем, после отключения теплоносителя, на них подается опресняемая или очищаемая вода, которая интенсивно испаряется благодаря большому перепаду температур между температурой насадки регенеративного теплообменника и температурой воды. Благодаря высокой температуре насадки, получается значительный перегрев пара, что исключает каплеунос с паром, а следовательно, и солесодержание в дистилляте. Предлагаемое изобретение позволяет использовать морскую воду без предварительной подготовки и испарять до сухого остатка с получением морской соли, являющейся потребительским товаром.
При этом устройство по изобретению не боится накипеобразования, позволяет использовать в процессе испарения воды большой температурный перепад, легко поддается очистке от накипи, позволяет испарять воду до сухого остатка. Для обеспечения непрерывности процесса способ реализуется при наличии как минимум двух устройств - теплообменников, а лучше всего трех. Большее количество теплообменников позволит полнее использовать тепло газового теплоносителя.
Изобретение позволяет нагреть испарительные поверхности до максимально возможных температур, вплоть до температуры газового теплоносителя, за счет чего резко увеличивается удельная производительность устройства и снижается его металлоемкость. Поверхности нагрева и испарения воды не боятся солевых отложений. При повторном нагреве за счет значительной разности коэффициентов линейных расширений материала насадки и солевых отложений, последние автоматически будут отслаиваться от поверхностей нагрева за счет эффекта термоудара, притом, что шаровые элементы нагрева легко очищаются во вращающемся барабане после выгрузки их из теплообменника самотеком. Передача тепла морской воде от предварительно нагретого тела исключает все ограничения по температуре нагрева, присущие традиционным теплообменникам, чем интенсифицируется и упрощается процесс испарения опресняемой или очищаемой воды.
Предлагаемое изобретение позволяет осуществить выпарку различных растворов до сухого остатка или до достижения максимальной концентрации компонента. При этом соли жесткости, отбитые с поверхности шаров, могут быть использованы, как сопутствующий продукт. Например, в случае опреснения морской воды - это морская соль, которая может продаваться, а в случае очистки промышленных стоков - соли тех или иных металлов, которые могут быть возвращены в производство.
Предлагаемое устройство может быть использовано взамен трубчатых котлов-утилизаторов, применяемых в настоящее время в хвосте промышленных тепловых агрегатов. Благодаря простоте и двухцелевому назначению, а именно, периодически нагреваемый регенеративный теплообменник, установленный, например, за периодически работающим конвертером, будет служить накопителем тепла до следующего цикла работы конвертера, и тепло для получения пара энергетических параметров из очищаемой воды будет выдавать постепенно, перекрывая время простоя агрегата. Таким образом, пар, полученный из загрязненной воды, позволит вырабатывать электроэнергию при прохождении через конденсационную турбину и дистиллят после конденсатора турбины. Технический эффект от использования предлагаемого устройства вместо трубчатого котла-утилизатора удваивается. Высокая ремонтопригодность котла-утилизатора, созданного на основе изобретения, позволит исключить сброс тепла газами в атмосферу.
Кроме того, по конструктивной простоте регенеративного теплообменника, по безопасности от абразивного и химического износа, предлагаемое изобретение не имеет аналогов по утилизации высокопотенциального тепла металлургических агрегатов, особенно работающих с регулярным перерывом процесса.
Таким образом, снабжение устройства механизмом для выгрузки и очистки насадки от накипи, выполненным с вращающимся барабаном, позволяет повысить ремонтоспособность устройства, наличие в нем подогревателя опресняемой или очищаемой воды смесительного типа обеспечивает утилизацию вторичного тепла за счет конструкции теплообменника.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении ремонтоспособности устройства и утилизации вторичного тепла.
Схема реализации предлагаемого изобретения представлена на рисунке 1 и включает устройство, представляющее собой регенеративный теплообменник 1, предпочтительно с шаровой насадкой из чугуна или стали, дымосос 2 для подачи газового теплоносителя (топочные или отходящие дымовые газы), паросборник 3 перегретого или насыщенного пара, турбогенератор 4 для использования потенциальной энергии перегретого пара высокого давления для выработки электроэнергии, конденсатор 5 отработанного пара, конденсатный насос 6, обеспечивающий пониженное давление (вакуум), сборник конденсата 7, дымовую трубу 8, барабанный мельничный регенератор шаров 9, корзину регенерированных шаров 10, смесительный подогреватель 11 опресняемой или очищаемой воды, шламовый насос 12, насос 13 подачи подогретой опресняемой воды, насос 14 подачи морской или очищаемой воды.
Заявленное изобретение работает следующим образом. Устройство - периодически нагреваемый регенеративный теплообменник 1 с шаровой насадкой нагревается высокотемпературным газовым теплоносителем, подаваемым дымососом 2 от специальной топки или промышленного агрегата, например нагревательной или металлургической печи. В случае отсутствия такого источника вторичного тепла, оно может вырабатываться за счет сжигания топлива в специальной топке, в особенности для опреснения морской воды с получением высококачественного дистиллята. Для более полного использования тепла газов и непрерывного получения пара с попутной выработкой электроэнергии устанавливают три или четыре устройства - теплообменника 1. После нагрева первого теплообменника газовый теплоноситель переключается на второй теплообменник, а в первый начинают подавать воду и так далее. Для получения просто насыщенного пара вода подается сверху на орошение насадки. В этом случае вся подаваемая вода постепенно испаряется и в виде насыщенного пара отводится либо для конденсации, либо для использования в многоступенчатых вакуумных дистилляционных установках известных конструкций (на схеме не показаны).
Однако более интересным является вариант получения перегретого пара высокого давления для выработки электроэнергии. Для этого в данной схеме предусмотрена подача воды снизу вверх под определенным давлением. В этом случае способ позволяет получать перегретый пар с заданными давлением и температурой. Полученный при контакте воды с шаровой насадкой насыщенный пар, поднимаясь вверх, будет перегреваться. Одновременно будет подниматься давление пара и, достигнув значения, установленного регулирующим клапаном, начнет выдаваться в паросборник 3, а оттуда в турбогенератор 4, предназначенный для выработки электроэнергии по известным схемам.
Отработанный пар поступает в конденсатор 5, где поддерживается соответствующий вакуум за счет откачки воздуха (на схеме не показано) и конденсата насосом 6 в конденсатосборник 7 для отправки потребителю. При необходимости часть пара после турбины может быть отобрана для использования в качестве первичного пара в многоступенчатом вакуумном аппарате дистилляции воды. Это позволит увеличить удельное количество получаемого конденсата на тонну пара (или топлива) в 3-4 раза.
Дымовые газы после отработки в первом теплообменнике 1 в первое время до достижения температуры 150-200°C сбрасываются в дымовую трубу 8. При достижении температуры газов на выходе из первого теплообменника уровня 150-200°C газ переключается на второй теплообменник, после которого идет на сброс. Такая схема работы повторяется и с третьим теплообменником, и так, по кругу. После охлаждения водой первого теплообменника 1 вода, оставшаяся в теплообменнике, будет иметь температуру выше 100°C, т.е. соответствующую температуру насыщения рабочего давления, например 150°C. Эта вода сбрасывается в смесительный подогреватель 11 и, смешиваясь с новой порцией морской или очищаемой воды, подаваемой в подогреватель 11 насосом 14, подогревает ее. После чего эта подогретая вода из смесителя 11 насосом 13 подается в один из теплообменников 1 для получения пара. Она может быть направлена в объемный испаритель низкого давления для получения дополнительного свежего пара.
При работе устройства в насадке теплообменника 1 может осесть пыль, несущаяся с печными газами и частицы накипи, отслаивающиеся с поверхности шаров при термоударе, которая вместе со спускаемой водой будет попадать в смеситель 11 и отстаиваться. Для откачки отстоя предназначен шламовый насос 12. При длительной работе может наблюдаться нарастание накипи на поверхностях шаровой насадки. Для регенерации шаров, устройство снабжено в нижней части коническим дном с патрубком и шлюзом для периодической выгрузки шаров и регенерации их поверхностей в барабанной мельнице 9 с решетками для разделения порошка накипи и шаров. Регенерированные шары выгружаются в корзину 10 для передачи в накопитель запасных шаров. Установка может содержать как минимум два или три устройства, соединенные между собой трубами и газоходами с арматурой переключения потоков газа, пара и воды. Устройство может быть также снабжено объемным испарителем перегретой жидкости из корпуса теплообменника (на схеме не показано), если не будет необходимости в подогреве исходной воды.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет получать при опреснении морской воды: высококачественный дистиллят, порошок морской соли и электроэнергию. При очистке промышленных стоков: высококачественный конденсат для оборотного водоснабжения производства; соли металлов, которые могут быть возвращены в производство; электроэнергию; глубокую утилизацию вторичного тепла газов и частичную очистку газов от пыли. При использовании изобретения в качестве выпарного аппарата: одноступенчатое высокопроизводительное и высокоремонтоспособное оборудование и тот же дистиллят и порошок сухого остатка.