Способ адиабатического опреснения воды
METHOD ADIABATIC DESALINATION

Изобретение относится к способам опреснения морской (соленой) воды и может быть эффективно использовано для получения воды питьевого качества.
Проблема обеспечения населения питьевой водой с каждым годом становится все более актуальной. Особенно это касается регионов с жарким и сухим климатом, испытывающих значительный дефицит как питьевой воды, так и воды для нужд сельского хозяйства, и промышленности.
В то же время огромная масса воды сосредоточена в морях и океанах. По имеющимся данным, в Мировом океане сосредоточено порядка 97% воды нашей планеты.
Однако морская вода не может использоваться ни в качестве питьевой, ни технической, из-за большого количества содержащихся в ней минеральных солей.
Поэтому использование водных ресурсов Мирового океана для питьевых, равно как для многих других целей, возможно только после ее обессоливания.
Известны различные методы опреснения воды: химическое опреснение, дистилляция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ, замораживание, газогидратный метод, основанный на способности некоторых углеводородов образовывать соединения клатратного типа (Мосин О.В. «Физико-химические основы опреснения морской воды», Сознание и физическая реальность, 2012, №1, стр. 19-20).
Наиболее распространенным методом обессоливания морской воды является перегонка или дистилляция.
Суть процесса заключается в переводе воды в парообразное состояние с последующей конденсацией паров воды путем охлаждения. Получаемая в результате вода практически не содержит минеральных солей и может использоваться как в качестве питьевой, так и технической.
Дистилляция является одним из наиболее разработанных, простых и эффективных методов опреснения. Существенный недостаток дистилляции заключается в крайне высокой энергоемкости и, следовательно, недостаточной экономической эффективности. На испарение 1 кг воды необходимо затратить примерно 2400 кДж тепловой энергии.
Многочисленные работы по снижению затрат на опреснение, в том числе за счет использования вакуумной дистилляции, ядерных энергетических установок, энергии солнца, не приводят к желаемому результату из-за значительно усложнения технологии и конструкции опреснительных установок.
В регионах с жарким климатом и высокой солнечной активностью, наиболее перспективным оказывается снижение затрат на испарение за счет использования энергии солнца.
Известны дистилляционные опреснительные установки, достаточно эффективно использующие солнечное излучение и позволяющие существенно уменьшить энергопотребление опреснительных установок.
Описаны гелиоопреснители с однократным циклом испарение-конденсация (Кахаров С., Батиров К. Гелиотехника, №4, 1985, АН УССР), которые, однако, несмотря на простоту и надежность, характеризуются низкой удельной производительностью.
Известен гелиоопреснитель, состоящий из солнечного коллектора и многосекционного дистиллятора, в котором дистиллят образуется в многоступенчатом процессе испарения (J.L. Fernandez, N. Chargoy. Multi-Stage indirectly heated solar still. Solar Energy, 44, N4, 1990), с производительностью примерно 100 л/сутки.
Наиболее близким к предложенному является способ опреснения морской воды с помощью ветрового опреснителя, использующего энергию солнца и ветра, заключающийся в том, что первоначально испарение с поверхности соленой воды осуществляют под воздействием солнечных лучей, затем в режиме слабого ветра направляют поток сухого воздуха в пространство над поверхностью воды, поток увлажненного воздуха приводят последовательно в контакт с пластинами, на каждой из которых остается часть влаги, и обогнув все пластины воздух выходит сухим. В режиме ветра умеренной силы и сильного ветра соленую воду поднимают с помощью вращающихся дисков на пластины, с которых вода стекает вниз, оставляя влажной поверхность дисков и пластин, на которую направляют поток сухого воздуха (RU 2436737 C2, опубл. 20.12.2011).
Известный способ имеет следующие недостатки.
1. Ветровой опреснитель не позволяет получать воду питьевого качества, так как в режиме ветра умеренной силы и сильного ветра в конденсат неизбежно будут попадать микрокапли морской воды. Получаемая вода может использоваться только «для мойки автомашин и другой техники, а также на хозяйственно-бытовые нужды».
2. Для одновременного эффективного использования ветровой и солнечной энергии необходима правильная ориентация опреснителя как по направлению ветра, так и по солнцу. Флюгер обеспечивает ориентацию опреснителя только по направлению ветра, не учитывая положение солнца по отношению к опреснителю.
3. Опреснитель может работать только в светлое время суток, поскольку для испарения необходимо интенсивное солнечное облучение, и покрытие корпуса опреснителя черной краской эту проблему не решает.
4. Опреснитель представляет собой достаточно сложное устройство с движущимися частями, работу которых будет затруднять неизбежно образующийся на их поверхности осадок морской соли.
5. Конденсация водяных паров происходит практически при той же температуре, что и испарение. Это ограничивает производительность по обессоленной воде.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа опреснения морской воды, лишенного указанных недостатков, ориентированного на использование в странах с жарким и сухим климатом и позволяющего получать воду питьевого качества с низкими энергетическими затратами за счет использования энергии окружающей среды.
Поставленная задача решается способом опреснения морской или соленой воды, заключающимся в том, что осуществляют испарение воды путем воздействия на соленую воду потоком воздуха с образованием паровоздушной смеси и затем осуществляют конденсацию воды из паровоздушной смеси. При этом отличие способа заключается в том, что соленую воду подают в верхнюю часть вертикально расположенной пористой гидрофильной мембраны, а воздействие потоком воздуха на соленую воду осуществляют путем пропускания воздуха через мембрану в поперечном направлении.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности и качества обессоливания вследствие исключения попадания капель соленой воды в конденсат, а также из-за увеличения площади контакта сухого воздуха с соленой водой. Кроме того, возможно осуществление способа в отсутствии солнечного излучения и независимо от направления и скорости ветра. Способ может быть осуществлен на более простом, чем в прототипе, оборудовании, легко масштабируется, не сопровождается образованием трудно удаляемых солевых отложений, практически не образует отходов и, поэтому, не загрязняет окружающую среду.
Для перевода воды в парообразное состояние используется процесс адиабатического испарения, при котором вода испаряется под действием тепла проходящего потока сухого воздуха, насыщает его и образует паровоздушную систему с высоким содержанием водяных паров, чистая вода из которой затем выделяется путем конденсации.
Эффективность адиабатического испарения зависит главным образом от температуры и влажности воздуха, а также поверхности испарения, т.е. площади контакта между морской водой и потоком проходящего над ней воздуха.
Наиболее эффективно применение способа в регионах с жарким и сухим климатом.
В этом случае может использоваться окружающий воздух, который характеризуется крайне низкой влажностью и высокой среднесуточной температурой.
Так, в регионах Аравийского полуострова, Ближнего Востока, Северного побережья Африки относительная влажность воздуха может достигать 20-25% при температуре до 50°C.
Оценка показывает, что при этих условиях можно получить воздух, превосходящий по содержанию паров воды окружающий в 5-7 раз. Важно отметить, что процесс испарения проходит только за счет тепловой энергии окружающей среды и практически не требует дополнительных энергетических затрат.
2
3
Для увеличения площади контакта между воздухом и опресняемой водой предлагается использовать макропористые гидрофильные мембраны с низким аэродинамическим сопротивлением. Известные подобного типа мембраны изготавливаются из целлюлозы, полиэфирного или композитного стекловолокна, имеют сотовую структуру, обладают высоким влагопоглощением, поверхностью, достигающей 500 м/м объема мембраны, аэродинамическим сопротивлением, не превышающим десятка Паскаль.
2
3
Гидрофильная мембрана, например, может быть изготовлена из спрессованной целлюлозы. Ламели мембраны для воздуха и воды пересекаются под определенными углами. Могут быть использованы мембраны марки Celdek и Glasdek производства компании Munters (Швеция), а также мембраны Glaspsd и Celpad производства компании Hu Tek (Таиланд). Мембраны имеют площадь в интервале 300-500 м/м и сопротивление потоку воздуха на уровне 10-20 Па.
Поток окружающего воздуха создают с помощью вентилятора, обеспечивающего равномерное прохождение воздуха с заданной производительностью через мембрану.
Способ адиабатического опреснения воды осуществляется следующим образом. Морская или соленая вода, предварительно очищенная от механических примесей, подается насосом в верхнюю часть вертикально расположенной испарительной мембраны, выполненной в виде блока высотой и шириной 600-3000 мм и толщиной порядка 100 мм. Часть морской воды поглощается материалом мембраны, часть стекает по поверхности пор вниз, образуя микронную поверхностную пленку, прочно удерживаемую силами поверхностного натяжения на поверхности мембраны. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, проходит через мембрану в поперечном направлении, контактирует с тонким слоем воды, вызывая ее испарение. Воздух, поступающий на мембрану, предварительно очищают фильтрацией от механических примесей. Подачу воздуха можно осуществлять с помощью нагнетательного вентилятора, установленного перед мембраной, или с помощью вытяжного вентилятора, установленного за мембраной. В результате образуется паровоздушная смесь, состоящая из воздуха и молекул воды. Избыток неиспарившейся морской воды стекает в приемную емкость, откуда скачивается насосом за пределы испарительного блока, а паровоздушная смесь поступает в блок конденсации.
Конденсация может осуществляться в любом устройстве, обеспечивающем полноту выделения воды из паровоздушной системы. Конденсат, представляющий собой практически чистую воду, поступает в накопительную емкость, в которой хранится до использования.
В качестве конденсирующего устройств может быть использован обычный теплообменник трубчатого типа, межтрубное пространство, в котором охлаждается холодной водой до температуры ниже точки росы, а также любой другой метод, обеспечивающий получение воды из влажного воздуха, в том числе описанные в патентах RU 2146744, RU 2272877, RU 2045978, RU 2290480. Практический интерес из них представляет способ по патенту RU 2146744, согласно которому охлажденный воздух после конденсации поступает для предварительного охлаждения хладагента холодильной машины, обеспечивая снижения затрат электроэнергии на охлаждение паровоздушной системы. Охлажденный воздух также может быть использован в обычных системах кондиционирования воздуха, повышая эффективность их работы. Также можно использовать метод конденсации жидкости путем сжатия аэрозоля до давления, обеспечивающего его конденсацию.
2
3
Ниже в качестве примера приводятся некоторые технические параметры, характеризующие работу адиабатического опреснителя с мембраной площадью примерно 500 м/м.
Производительность по обессоленной воде
700 л/час
Расход воздуха с влажностью 20%
температурой 50°C
10000 м<sup>3</sup>/час
Потребляемая мощность
2700 кДж
Получаемая вода содержит 0,09% минеральных солей, имеет водородный показатель на уровне 8, при общей жесткости около 6 мг-экв/л, что согласно существующим нормам соответствует по минерализации воде питьевого качества.
6
Важно отметить, что для получения такого количества опресненной воды перегонкой или дистилляцией необходимо затратить только на испарение воды количество энергии на несколько порядков больше, чем по предлагаемому способу, примерно 1,5×10 кДж.