СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DESALINATION OF WATER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к физическим способам и устройствам для опреснения воды, основанным на принципе дистилляции.
Известны несколько способов опреснения воды: химическое опреснение, дистилляция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ, замораживание.
Опреснение воды может производиться химическими (химическое осаждение, ионный обмен), физическими (дистилляция, обратный осмос или гиперфильтрация, электродиализ, вымораживание) и биологическими методами с использованием способности некоторых фотосинтезирующих водорослей избирательно поглощать NaCl из морской воды. Известны также альтернативные методы опреснения морской воды за счет воздействия ультразвуком, акустическими и электромагнитными полями.
Наиболее широкое применение в промышленности нашли физические способы опреснения, основанные на принципе дистилляции. В устройствах, реализующих данный метод, используют многокорпусные выпарные аппараты, снабженные теплообменниками. Такие установки отличаются большими габаритами, металлоемкостью и высокими энергетическими затратами для производства пара. Это связано с тем, что в соленой воде содержатся ионы хлора и натрия, которые находятся среди молекул воды. Между ними происходит процесс гидратации - присоединение молекул воды к ионам соли, а так как гидратационная связь намного сильнее водной межмолекулярной, то соленая вода требует для закипания больше энергии по сравнению, например, с пресной водой.
3
2
3
2
Кроме того, эффективность работы дистилляционных испарителей ограничена образованием накипи в системе циркуляции горячего рассола. По мере выпаривания морской воды из дистилляционного опреснителя, раствор соли становится более концентрированным, и в конечном итоге осаждается на стенках аппарата в виде накипи из солей, состоящих, главным образом, из хлоридов и карбонатов кальция (СаСО, CaCl) и магния (MgCO, MgCl), что ухудшает теплопроводность стенок теплообменника, приводит к разрушению труб и теплообменного оборудования. Это требует применения специальных антинакипных добавок, что существенно увеличивает энергозатраты на проведение дистилляции (Мосин О.В. Физико-химические основы опреснения морской воды // Сознание и физическая реальность, 2012, №1, с. 19-30).
Таким образом, физические способы и устройства опреснения, основанные на принципе дистилляции, имеют существенные недостатки: значительные отложения на поверхностях теплообмена, мембранах и т.п.; большие удельные энергетические затраты; наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов.
В связи с этим актуальным остается вопрос разработки более эффективных и экологически безопасных методов опреснения воды.
Предшествующий уровень техники
Известны способ опреснения морской воды и установка для опреснения, предложенные в патенте RU 2393995 C1, C02F 1/04 (2006.01), B01D 3/10 (2006.01). Способ включает подачу опресняемой воды под давлением в зону испарения, испарение при пониженном давлении с отводом образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации, конденсацию пара путем контакта с охлаждаемой циркулирующей пресной водой, вывод выделившихся газов и опресненной воды и слив рассола. Процессы испарения и конденсации осуществляют в соответствующих зонах, расположенных на высоте, превышающей барометрическую высоту столба опресняемой воды над свободной поверхностью морской воды. Отвод образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации осуществляют по сужающемуся каналу с повышением скорости смеси до скорости, равной 0,6-1,0 от скорости звука. Давление циркулирующей пресной воды на входе в зону конденсации поддерживают на уровне, достаточном для реализации режима сверхзвукового течения парогазожидкостной смеси в зоне конденсации. Вывод выделившихся газов осуществляют непрерывно. Установка содержит зону испарения воды, зону конденсации пара, образованную камерой смешения сверхзвукового эжектора и связанную с циркуляционной магистралью пресной воды, снабженной насосом и теплообменником, паропровод, сужающийся по ходу движения соединяющий зоны испарения и конденсации.
Основной недостаток способа и установки - использование вакуумного насоса для обеспечения парообразования при низких температурах опресняемой воды, что существенно усложняет конструкцию установки.
5
2
Известны способ опреснения морской воды и установка для опреснения морской воды, предложенные в патенте RU 2120415 C1, C02F 1/48 (1995.01). Способ заключается в одновременном воздействии на поток опресняемой воды постоянным магнитным полем и акустическими волнами ультразвуковой частоты. Воздействие упругими волнами ультразвуковой частоты приводит к "разрыхлению" гидратных оболочек сольватированных ионов и к частичному или полному освобождению ионов солей от молекул воды, что резко повышает эффективность воздействия на него постоянным магнитным полем. В данном способе опреснения воды разнозаряженные ионы диссоциирванных солей разделяются силами Лоренца, возникающими при движении ионов через силовые линии постоянного магнитного поля, затем на поток опресняемой воды воздействуют упругими волнами ультразвуковой частоты (УЗ-волнами). Частоту и интенсивность УЗ-волн выбирают так, чтобы сообщить максимальную энергию диполям воды, входящим в состав гидратной оболочки сольватов. При прохождении УЗ-волн через упругую среду происходит образование областей сжатия и разрежения с перепадом давления между ними в сотни атмосфер, что приводит к формированию в среде ударных волн (Физический энциклопедический словарь. - М "Большая Российская энциклопедия", 1995, с. 780-782). Действие ударных волн на гидратные оболочки ионов солей приводит к увеличению колебательных движений молекул воды в гидратных оболочках, к "разрыхлению" гидратных оболочек вокруг ионов солей и к частичному или полному освобождению ионов солей от связанных с ними молекул воды. В результате освобождения ионов от гидратных оболочек эффективность воздействия магнитного поля на них резко возрастает и становится возможным выведение ионов солей из потока минерализованной воды до любой степени деминерализации. Частота УЗ-волн должна превышать 100 кГц, так как при меньшей частоте сильно проявляется эффект кавитации, вызывающий потери энергии и разрушительные воздействия на опреснительное устройство. Интенсивность или плотность потока мощности УЗ-волн должна быть не менее 10 Вт/м, так как при меньших интенсивностях УЗ-волн процесс "разрыхления" гидратных оболочек не будет достаточным.
Недостаток способа и установки - значительные ударные нагрузки на элементы конструкции, особенно магнитную систему, возникающие под действием образованных ударных волн с амплитудой «в сотни атмосфер».
Известны способ опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его осуществления, предложенные в патенте RU 2335459 C1, C02F 1/04 (2006.01). Способ опреснения деаэрированной соленой воды включает ее подвод, в том числе и с одновременным нагревом, нагрев и парообразование при низком давлении, последующее охлаждение и конденсацию пара в конденсаторе, отвод пресной воды и рассола, в котором низкое давление в сообщающихся полостях испарителя и конденсатора создается за счет гидростатического вакуумирования столбом соленой воды и рассола от уровня жидкости в соответствующих магистралях, на котором полное давление жидкости равно атмосферному, до уровня соленой воды в испарителе и столбом пресной воды от ее уровня в магистрали отвода пресной воды, на котором полное давление пресной воды равно атмосферному, до уровня пресной воды в конденсаторе. Устройство для опреснения деаэрированной соленой воды содержит резервуар соленой деаэрированной воды, магистраль подвода соленой воды на опреснение, регенеративный теплообменник, испаритель с нагревателем, датчик уровня воды в испарителе, паропровод, восходящий участок паропровода, вакуумный вентиль, датчик параметров газовой фазы, экран, нисходящий участок паропровода, конденсатор, устройство сброса теплоты конденсации, магистраль отвода пресной воды, резервуар сброса пресной воды, устройство отвода тепла от испарителя, магистраль отвода рассола, устройство теплоотвода от магистрали, пусковой насос, водяной радиатор, море. Низкое давление в сообщающихся полостях испарителя и конденсатора создается за счет гидростатического вакуумирования столбом соленой воды и рассола от уровня жидкости в подводящей и отводящей магистралях, на котором полное давление жидкости равно атмосферному, до уровня соленой воды в испарителе и столбом пресной воды от ее уровня в магистрали, на котором полное давление пресной воды равно атмосферному, до уровня пресной воды в конденсаторе.
Основной недостаток способа и установки - предварительная деаэрация соленой воды, до запуска установки резервуар сбора опресненной воды должен быть заполнен пресной водой, а паропровод должен быть вакуумирован. Все вышеперечисленное существенно усложняет конструкцию установки.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются способ и устройство для его реализации, предложенные в патенте RU 2335345 С2, В05В 1/08, C02F 1/12 (2006.01), 10.10.2008. Способ-прототип опреснения соленой воды включает следующие шаги: (а) подачу соленой воды в систему для опреснения соленой воды; (б) разбрызгивание соленой воды в испарительную камеру; (в) испарение капель в испарительной камере с выделением соли; (г) осаждение выделенной соли под действием силы тяжести; (д) сбор опресненной воды. Соленая вода подается в систему для опреснения соленой воды одновременно с подачей импульсов на импульсные генераторы давления, расположенные в рабочих камерах форсунок, что позволяет осуществить пакетное капельное разбрызгивание, многократно повышающее производительность устройства для опреснения за счет повышения эффективности испарения и повышения качества опреснения (снижение остаточной солености на выходе) за счет более полного разделения соли и паровоздушных потоков. Способ реализован в системе опреснения соленой воды, в основе которой лежит устройство для разбрызгивания жидкости, содержащее форсунку с рабочей камерой, канал для подвода жидкости в указанную рабочую камеру форсунки, на выходе которой имеется сопло, и генератор давления. Генератор давления представляет собой импульсный генератор давления, установленный внутри рабочей камеры форсунки и соединенный с генератором электрических или электромагнитных импульсов. Основные недостатки способа-прототипа и устройства-прототипа заключаются в том, что, во-первых, опресняемая вода фрагментируется под действием давления холодного воздуха и испарение капель воды осуществляется при незначительных перепадах температуры, а, во-вторых, разделение паров воды и частиц соли происходит под действием сил тяжести, что снижает эффективность процесса отделения солевого остатка.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа опреснения соленой воды с помощью циклического термомеханического воздействия на струю или пелену соленой воды сильной ударной волной и высокоскоростным потоком горячих газообразных продуктов детонации, получаемыми в циклическом рабочем процессе с импульсно-детонационным сжиганием того или иного горючего.
Задача изобретения - создание устройства, которое обеспечит опреснение соленой воды с помощью циклического термомеханического воздействия на струю или пелену соленой воды сильной ударной волной и высокоскоростным потоком горячих газообразных продуктов детонации, получаемыми в циклическом рабочем процессе с импульсно-детонационным сжиганием того или иного горючего.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом опреснения соленой воды, включающим подачу опресняемой соленой воды в область фрагментации, испарение опресняемой соленой воды, отделение частиц соли от паров воды, отвод пресной воды потребителю и удаление солевого остатка, в котором опресняемая соленая вода, подаваемая в виде струи или пелены, периодически подвергается воздействию сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации, приводящему к тонкой аэродинамической фрагментации струи или пелены опресняемой соленой воды с получением микрокапель опресняемой соленой воды и к образованию двухфазного факела, состоящего из микрокапель опресняемой соленой воды и газообразных продуктов детонации, а образованный двухфазный факел подается тангенциально в вихревую зону, где в условиях сильно закрученного высокотемпературного потока происходит быстрое испарение микрокапель опресняемой соленой воды с образованием мелкодисперсной кристаллической морской соли, отделяемой от газообразных продуктов детонации и водяного пара благодаря полю центробежных сил, а газообразные продукты детонации и водяной пар выводятся из вихревой зоны в зону конденсации водяного пара и его отделения от газообразных продуктов детонации, а солевой остаток непрерывно удаляется из вихревой зоны в виде мелкодисперсной кристаллической морской соли.
- устройством, включающим систему подачи опресняемой соленой воды, системы фрагментации и испарения опресняемой соленой воды, конденсатор водяного пара и систему удаления солевого остатка, в котором системы фрагментации и испарения опресняемой соленой воды выполнены в виде импульсного генератора сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации, присоединенного через входной патрубок тангенциально к вихревому реактору, предназначенному для испарения микрокапель опресняемой соленой воды с образованием мелкодисперсной кристаллической морской соли и для отделения образованной мелкодисперсной кристаллической морской соли от газообразных продуктов детонации и водяного пара, а вихревой реактор, снабженный системой непрерывного удаления мелкодисперсной кристаллической морской соли, соединен с конденсатором водяного пара с помощью коллектора отвода газообразных продуктов детонации и водяного пара, а конденсатор водяного пара снабжен системой удаления газообразных продуктов детонации и системой отвода опресненной воды потребителю, причем вихревой реактор снабжен экраном, установленным со стороны коллектора газообразных продуктов детонации и водяного пара, предотвращающим попадание мелкодисперсной кристаллической морской соли в конденсатор водяного пара.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства: 1 - вихревой реактор, 2 - входной патрубок, 3 - дозатор подачи опресняемой соленой воды, 4 - секция фрагментации, 5 - импульсный генератор сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации, 6 - экран, 7 - коллектор отвода газообразных продуктов детонации и водяного пара, 8 - система удаления мелкодисперсной кристаллической морской соли, 9 - конденсатор водяного пара.
Вариант осуществления изобретения
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства. Устройство включает вихревой реактор (1) с входным патрубком (2), снабженный дозатором подачи опресняемой соленой воды (3), установленным в секции фрагментации (4), импульсным генератором сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации (5), экраном (6), коллектором отвода газообразных продуктов детонации и водяного пара (7), системой удаления мелкодисперсной кристаллической морской соли (8), а также системами подачи окислителя и горючего и системой управления (на фиг. не показаны). Через коллектор отвода газообразных продуктов детонации и водяного пара (7) вихревой реактор (1) соединен с конденсатором водяного пара (9). Конденсатор водяного пара (9) снабжен системами удаления газообразных продуктов детонации и отвода опресненной воды потребителю (на фиг. не показаны). Входной патрубок (2) установлен в нижней части вихревого ректора (1) и ориентирован тангенциально, как показано на разрезе А-А.
Предлагаемое устройство работает следующим образом
Опреснение воды в вихревом реакторе (1) происходит в непрерывном режиме, а подача в вихревой реактор (1) двухфазного факела, состоящего из микрокапель опресняемой воды и газообразных продуктов детонации, осуществляется циклически с частотой рабочих циклов, задаваемых системой управления.
Опресняемая соленая вода непрерывно подается в секцию фрагментации (5) при помощи дозатора подачи опресняемой соленой воды (3) в виде струи из крупнодисперсных капель или в виде пелены. Импульсный генератор сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации (5), работающий, например, на принципе, изложенном в патенте WO/2015/099553 А1, Способ измельчения и плавления снежно-ледяной массы и устройство для его реализации E01H 5/10 (2006.01), опубликованном 02.07.2015, периодически генерирует сильную ударную волну и высокоскоростной поток горячих газообразных продуктов детонации. Сильная ударная волна и высокоскоростной поток горячих газообразных продуктов детонации выходят в секцию фрагментации (4), где воздействуют на струю из крупнодисперсных капель или на пелену опресняемой соленой воды. В результате такого термомеханического воздействия на струю или пелену опресняемой соленой воды происходит их тонкая аэродинамическая фрагментация с образованием в выходном сечении секции фрагментации (4) двухфазного факела, состоящего из микрокапель опресняемой соленой воды и газообразных продуктов детонации. Образованный двухфазный факел через входной патрубок (2) направляется тангенциально в вихревой реактор (1), где в условиях сильно закрученного потока происходит быстрое испарение микрокапель опресняемой соленой воды и образование мелкодисперсных частиц кристаллической морской соли, которые отделяются от газообразных продуктов детонации и водяного пара благодаря полю центробежных сил. Далее газообразные продукты детонации и водяной пар через коллектор отвода газообразных продуктов детонации и водяного пара (7) поступают в конденсатор водяного пара (9), в котором происходит конденсация водяного пара и отвод опресненной воды потребителю, а также удаление газообразных продуктов детонации. Образующаяся в процессе опреснения мелкодисперсная кристаллическая морская соль поступает в систему удаления мелкодисперсной кристаллической морской соли (8).
Приводим пример осуществления изобретения в части фрагментации и испарения пресной воды термомеханическим воздействием сильной ударной волной и высокоскоростным потоком горячих газообразных продуктов детонации.
Устройство включало импульсный генератор сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации (далее - импульсный генератор), секцию фрагментации и форсунку для струйной подачи воды, а также системы подачи воздуха и топлива для питания импульсного генератора и систему управления.
Импульсный генератор включал камеру сгорания внутренним диаметром 150 мм и длиной 400 мм, детонационную трубу внутренним диаметром 150 мм и длиной 6500 мм. Камера сгорания содержала смесительное устройство с обратным клапаном, коллектор подачи топлива с 20 распределенными соплами, обеспечивающими быстрое смешение топлива с воздухом, и 4 автомобильные свечи зажигания, обеспечивающие надежное зажигание топливной смеси, и была присоединена к магистрали подачи воздуха от воздуходувки. Выходное сечение детонационной трубы было присоединено к секции фрагментации, выполненной в виде трубы внутренним диаметров 100 мм, изогнутой под углом 90 градусов по отношению к продольной оси детонационной трубы импульсного генератора. В поворотной части секции фрагментации была установлена форсунка для струйной подачи воды, при этом направление подачи струи воды совпадало с осью выходного сечения секции фрагментации. В качестве топлива использовался сжатый природный газ, причем расходы воздуха и топлива выбирались такими, чтобы состав топливной смеси, заполняющей газодинамический тракт устройства, был близок к стехиометрическому составу.
На устройстве выполнены опыты по фрагментации и испарению воды с частотой термомеханических воздействий до 5 Гц, в ходе которых производилась скоростная видеосъемка факела распыленной воды в выходном сечении секции фрагментации. Анализ кадров скоростной видеосъемки показал, что факел выглядит как плотное облако водяного пара, что свидетельствует о высоком качестве термомеханического воздействия, обеспечивающего не только фрагментацию струи воды, но и частичное испарение микрокапель воды, образованных при таком воздействии.
Таким образом, в результате проведенных испытаний подтверждена работоспособность концепции способа опреснения соленой воды с помощью термомеханического воздействия на струю или пелену опресняемой соленой воды сильной ударной волной и высокоскоростным потоком горячих газообразных продуктов детонации, получаемыми в циклическом рабочем процессе с импульсно-детонационным сжиганием того или иного горючего, и устройства для его реализации.