ОПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2010 года по МПК C02F1/00 C02F1/22 B63J1/00 

Изобретение относится к устройствам для опреснения морской воды.

Известен опреснитель, использующий солнечную энергию, электроэнергию для принудительной циркуляции воздуха вентилятором, а также приводы насосов форсуночного (орошающего насадку) и дистиллятного (см. SU №1578082, кл. C02F 1/14, 1990).

Однако эти весьма перспективные опреснители пока практического применения не нашли. Это связано с их значительной энергоемкостью. При увеличении единичной производительности опреснителя существенно возросла бы затрата традиционных источников электроэнергии на приводы вентилятора, а также форсуночного (орошения насадки) и дистиллятного насосов. Например, при площади нагрева оранжереи (камеры) около 0,4 га потребуется затратить до 500 кВт электроэнергии.

Известна опреснительная установка, содержащая подогреватель исходной питательной морской воды, выполненный в виде спиральных лотков, над которыми размещена прозрачная оболочка с солнцепоглощающим покрытием, конденсатор, расположенный над опреснителем, вентилятор, выполненный в виде солнечно-ветровой установки с установкой дефлектора на верхнем срезе вытяжного воздухопровода, при этом опреснитель снабжен турбокомпрессором, системой пневмофорсунок, погруженных в лотки, насадкой, выполненной в виде матово-черного кускообразного теплопроводного материала, размещенной в лотках (см. RU № 2048444, C02F 1/14, 1991). Достоинство этого решения - использование для работы возобновляемых источников энергии.

Недостаток этого решения - большая громоздкость установки (большая материалоемкость) на единицу объема опресненной воды. Кроме того, для реализации процесса опреснения необходим внешний подвод энергии.

Известна опреснительная установка, включающая плавсредство, выполненное в виде судна, корпус которого снабжен средством приема морской воды и системой ее опреснения (см. RU 2006124355, 2004 г.).

Недостаток этого решения - громоздкость системы опреснения, выполненной на мембранной основе. Кроме того, устройство характеризуется конструктивной сложностью.

Известна также опреснительная установка, содержащая плавучий корпус, снабженный средством приема воды, средством опреснения и средством хранения опресняемой воды (см. №2006112922, 2006 г.).

Недостаток этого решения - высокое энергопотребление установки из-за энергоемкости процесса опреснения, базирующегося на испарении воды и сборе конденсата.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в обеспечении возможности снижения энергоемкости процесса опреснения за счет использования потенциальной энергии окружающей среды.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в упрощении конструкции оборудования, обеспечивающего опреснение воды. Кроме того, обеспечивается возможность получения одновременно с пресной водой природного горючего газа.

Для решения поставленной задачи опреснительная установка, содержащая плавучий корпус, снабженный средством приема воды, средством опреснения и средством хранения опресняемой воды, отличается тем, что плавучий корпус выполнен в виде газгольдера с плавучестью, близкой к нулевой, снабжен средствами его позиционирования на глубинах, где термобарические условия соответствуют условиям гидратообразования природного газа, при этом корпус выполнен с возможностью поддержания в его полости термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа, для чего снабжен средствами теплоизолирования и/или охлаждения полости и выполнен с расчетом на внутреннее давление не меньшее давления, соответствующего давлению диссоциации гидрата природного газа при температурном режиме, поддерживаемом в полости газгольдера, кроме того, средство для приема воды содержит герметизируемый люк, выполненный с возможностью подводного приема природного газа и с возможностью сообщения полости газгольдера с акваторией, кроме того, верхняя часть полости газгольдера снабжена газоотводящим патрубком, а его донная часть снабжена приемным отверстием водоотводящего трубопровода, при этом газгольдер выполнен с возможностью его буксировки судном-буксировщиком.

Кроме того, средство теплоизолирования выполнено в виде теплоизолирующего покрытия корпуса, предпочтительно съемного.

Кроме того, средство охлаждения полости корпуса содержит термоэлектрические охлаждающие элементы, линии питания которых выведены за пределы корпуса и снабжены герметичными разъемами, выполненными с возможностью подключения к внешним источникам электропитания.

Кроме того, средство охлаждения полости корпуса содержит каналы для прокачки хладагента, выполненные с возможностью подключения к внешнему источнику хладагента, снабженному средством его прокачки. Кроме того, внешний источник хладагента, снабженный средством его прокачки, и внешний источник электропитания размещены на судне-буксировщике.

Кроме того, объем полости корпуса газгольдера не менее 500 м.

Кроме того, средство позиционирования газгольдера содержит средства его вертикального и горизонтального перемещения в толще воды, например, выполненные в виде подруливающих устройств, предпочтительно съемных, предпочтительно электроприводных.

В основе заявленного технического решения лежат свойства смесей воды и газа образовывать специфические соединения без формирования химической связи (газовые гидраты) посредством включения молекул газов (молекулы-гости, или гостевая подсистема) в полиэдрические пустоты льдоподобного каркаса, построенного водородно-связанными молекулами воды (каркас хозяина, или подсистема хозяина), без формирования химической связи между молекулами гостей и хозяина. В случаях, если молекула гостя химически не связана с хозяином, т.е. не участвует в построении водного каркаса (взаимодействия гость-хозяин только ван-дер-ваальсовы), гидратные соединения включения относят к клатратным гидратам, причем если в качестве гостя выступает газообразное при нормальных условиях вещество либо легкокипящая жидкость, то для их обозначения часто используют термин «газовые гидраты». В газовых гидратах молекулы воды, объединенные водородными связями, образуют трехмерную структуру из полостей-клеток, в которые захватываются молекулы газов, таких как метан, аргон, оксиды углерода. Способность воды образовывать гидраты объясняется наличием в ней водородных связей, под действием которой молекулы воды выстраиваются в геометрически правильные структуры. В присутствии молекул некоторых веществ эта упорядоченная структура стабилизируется и образуется смесь, выделяемая в виде твердого осадка. Кристаллические решетки гидратов имеют сложное трехмерное строение, где молекулы воды образуют каркас, в полостях которого находятся заключенные молекулы-гости. Стабилизация кристаллической решетки в присутствии молекул-гостей обусловлена ван-дер-ваальсовыми силами, которые возникают из-за межмолекулярного притяжения, не связанного с электростатическим притяжением. Большинство природных газов (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, СО₂, N₂, H₂S, изобутан, и т.п.) образуют гидраты, которые существуют при определенных термобарических условиях. Они стабильны или при очень низких температурах в условиях вечномерзлых пород на суше, или в режиме сочетания низкой температуры и высокого давления в придонной части осадочной толщи глубоководных районов Мирового океана. При этом молекулы газов преобразуются в твердое кристаллическое вещество консистенции рыхлого льда или мокрого спрессованного снега. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой М·nH₂O, где М- молекула газа-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа, причем n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

Признак «…плавучий корпус выполнен в виде газгольдера» обеспечивает возможность сбора природного газа, выделяющегося со дна моря.

Признак «…газгольдер выполнен с плавучестью, близкой к нулевой» обеспечивает минимизацию затрат энергии на погружение газгольдера на заданную глубину (на глубину, где термобарические условия обеспечивают превращение газа в газогидрат, т.е. соединение, включающее в себя и газ и пресную воду). Соответственно минимизируются массогабаритные параметры средств вертикального перемещения газгольдера.

Признаки, указывающие, что газгольдер «снабжен средствами его позиционирования на глубинах на глубинах где термобарические условия соответствуют условиям гидратообразования природного газа», обеспечивают возможность позиционирования газгольдера на любой глубине (и тем самым обеспечивают возможность размещения газгольдера на глубине где природные термобарические условия обеспечивают превращение газа в газогидрат без приложения к газу специальных искусственных воздействий, требующих расходования энергии).

Признаки «…корпус выполнен с возможностью поддержания в его полости термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа, для чего снабжен средствами теплоизолирования и/или охлаждения полости и выполнен с расчетом на внутреннее давление не меньшее давления, соответствующего давлению диссоциации гидрата природного газа при температурном режиме, поддерживаемом в полости газгольдера…» обеспечивает «автоматический» перевод в гидратную форму газа, попавшего в полость газгольдера, и его накопление в компактной форме.

Признаки «…средство для приема воды содержит герметизируемый люк, выполненный с возможностью подводного приема природного газа» обеспечивают прием газа в полость газгольдера.

Признак, указывающий, что герметизируемый люк газгольдера выполнен «с возможностью сообщения полости газгольдера с акваторией», позволяет поддерживать внутреннее давление в полости газгольдера на уровне соответствующем давлению окружающей воды, что позволяет обеспечить возможность погружения газгольдера на любую глубину без риска разрушения корпуса, кроме того, обеспечивается возможность поддержания давления в полости газгольдера на уровне, обеспечивающем превращение природного газа в его газогидрат в процессе приема газа в полость газгольдера.

Признаки «…верхняя часть полости газгольдера снабжена газоотводящим патрубком, а его донная часть снабжена приемным отверстием водоотводящего трубопровода…» обеспечивают выгрузку содержимого из газгольдера (вначале выгрузку газа, а потом воды).

Признак, указывающий на то, что «газгольдер выполнен с возможностью его буксировки судном-буксировщиком…» обеспечивает транспортирование газгольдера к месту переработки его содержимого.

Признаки второго пункта формулы изобретения направлены на поддержание термобарических условий в полости газгольдера на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа и минимизацию потребления энергии средствами охлаждения, при этом «съемность» теплоизоляции способствует ее сохранению при погружениях газгольдера (особенно при выполнении теплоизоляции из вспененных материалов).

Признаки третьего - четвертого пунктов формулы изобретения обеспечивают поддержание термобарических условий в полости газгольдера на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа за счет минимизации температурного уровня в полости газгольдера и тем самым минимизации требований по прочностным параметрам корпуса, при этом герметизация разъемов повышает сохранность средств охлаждения и исключает утечки тока в процессе их активирования. Кроме того, обеспечивается возможность «включения - выключения» процесса подачи свободного газа из полости газгольдера при переключении режима работы с охлаждения на нагрев (при выгрузке газа).

Признаки пятого пункта формулы изобретения позволяют упростить конструкцию устройства за счет «выноса с газгольдера» названных узлов.

Признак шестого пункта формулы изобретения обеспечивает возможность использования газгольдера не только в качестве промежуточного средства, обеспечивающего прием пресной воды (в виде компонента газогидрата) под водой, но и использование в качестве транспортного средства - для доставки пресной воды к потребителю.

Признаки седьмого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность погружения газгольдера на заданную глубину и управляемую с поверхности процедуру стыковки газгольдера с установкой для сбора природного газа.

На чертеже схематически показан разрез корпуса опреснительного устройства (газгольдера).

Газгольдер выполнен в виде корпуса 1, объем полости которого не менее 500 м³. Корпус должен быть рассчитан на внутреннее давление порядка 20-30 кг/см²). Корпус снабжен средствами теплоизолирования и охлаждения полости. Средство теплоизолирования выполнено в виде теплоизолирующего покрытия 2 корпуса. Если в качестве материала для такого покрытия используют материал, способный выдерживать многократное его нагружение высоким давлением (при глубинах порядка 1000 м - порядка 100 атм), то такое покрытие может быть постоянным, в противном случае предпочтительно использовать съемный вариант покрытия. Средство охлаждения полости корпуса выполнено в виде технологического комплекса, включающего термоэлектрические охлаждающие элементы 3, линия питания 4 которых выведена за пределы корпуса газгольдера 1 и снабжена герметичными разъемами 5, выполненными с возможностью подключения к внешним источникам электропитания 6, кроме того, в состав технологического комплекса входят каналы 7 для прокачки хладагента, образующие трубчатый змеевик, выполненный с возможностью подключения к внешнему источнику хладагента 8, снабженному средством его прокачки 9, например насосу известной конструкции. Внешний источник хладагента 8, средство его прокачки и внешний источник электропитания размещены на судне-буксировщике 10. Газгольдер снабжен люком 11 для приема газа из подводной установки для его сбора (на чертежах не показана). Люк 11 снабжен системой управления (на чертежах не показана), обеспечивающей возможность сообщения полости газгольдера с акваторией 12 в процессе погружения газгольдера и приема газа из подводной установки для его сбора. Кроме того, донная часть газгольдера снабжена приемным отверстием 13 водовыдачного трубопровода 14. Верхняя часть полости газгольдера снабжена газоотводящим патрубком 15. Корпус газгольдера также снабжен средством стабилизации его положения в надводном или подвсплытом состоянии, например, балластирующими емкостями известной конструкции, расположенными на донной части корпуса (на чертежах не показаны). Средства вертикального и горизонтального перемещения корпуса газгольдера выполнены в виде поворотных подруливающих устройств 16, предпочтительно съемных, предпочтительно электроприводных.

Газгольдер выполнен с плавучестью, близкой к нулевой, а его корпус снабжен средством 17 скрепления с судном-буксировщиком 10. На чертеже показаны также средства 18 отображения в реальном масштабе времени пространства на участке под газгольдером, выдачной трубопровод 19 аккумулирующей емкости газосборного узла, его запорная арматура 20.

Заявленная опреснительная установка работает следующим образом.

Предварительно выявляют газовые фонтаны на дне моря, которые зачастую приурочены к газогидратным полям, залегающим под покрывающей толщей дна. Донные газовые фонтаны выявляют известным образом (на основе сейсмоакустического профилирования и/или эхозондирования и/или съемки локатором бокового обзора и/или газогеохимическими исследованиями) на глубинах, где термобарические условия соответствуют условиям превращение газа в газогидрат. Газ собирают известным образом с использованием куполообразных газосборников, размещаемых на дне моря (на чертежах не показаны). При незначительных дебитах газовых фонтанов целесообразно использовать аккумулирующую емкость (на чертежах не показана), которую связывают с несколькими куполообразными газосборниками. Уловленный газ всплывает в верхнюю часть полости куполообразных газосборников и далее всплывает по трубопроводам, соединяющим их с полостью аккумулирующей емкости, собираясь в ее верхней части. Остановившись в своем движении, пузырьки газа начинают воспринимать давление воды (которое на этой глубине превышает давление, при котором происходит диссоциация гидрата природного газа, и с учетом температуры воды соответствует термобарическим условиям гидратообразования), вследствие чего газ переходит в гидратную форму. Таким образом, в полости аккумулирующей емкости начинает накапливаться газогидрат природного газа, который представляет собой твердое соединение, в котором молекулы газа заполняют ячейки кристаллической решетки, образованной молекулами воды (без формирования химической связи между молекулами газа и воды).

При заданном наполнении аккумулирующей емкости ее контрольно-измерительная аппаратура дает на обслуживающее судно-буксировщик 10 сигнал о готовности к приему газгольдера. Газгольдер буксируют к месту установки. Далее на корпусе 1 закрепляют поворотные подруливающие устройства 16, убирают заглушки с каналов 7 для прокачки хладагента и открывают люк 11, обеспечивая поступление воды в полость газгольдера. Затем, включив систему дистанционного управления, снабженную средствами 18 отображения в реальном масштабе времени пространства на участке под газгольдером и поворотные подруливающие устройства 16, погружают газгольдер на заданную глубину. Далее, используя часть подруливающих устройств 16 для горизонтального перемещения, выводят газгольдер на выдачной трубопровод 19 аккумулирующей емкости газосборного узла и опускают на него люком 11. После этого прогревают выдачной трубопровод 19 аккумулирующей емкости, открыв его запорную арматуру 20. Вследствие прогрева газогидраты, находящиеся в полости аккумулирующей емкости, превращаются в газ и уходят (всплывают) в полости корпуса газгольдера 1, накапливаясь в ее верхней части. Остановившись в своем движении, пузырьки газа начинают воспринимать давление воды (которое на этой глубине превышает давление, при котором происходит диссоциация гидрата природного газа, и с учетом температуры воды соответствует термобарическим условиям гидратообразования), вследствие чего газ переходит в гидратную форму. Таким образом, в полости газгольдера начинает накапливаться газогидрат природного газа. В процессе гидратообразования морская вода отдает в газогидрат пресную воду. Объем морской воды в процессе роста объема газогидрата вытесняется через люк 11 в пространство акватории. Процесс продолжают до полного освобождения аккумулирующей емкости от газогидрата либо до заполнения газгольдера. При наполнении газгольдера его контрольно-измерительная аппаратура (на чертежах не показана) дает команду на всплытие. При отрыве газгольдера от выданного трубопровода 19 его выпускное отверстие перекрывается запорной арматурой, кроме того, люк 11 газгольдера также герметизируется. После всплытия газгольдера его корпус изолируют размещением на его поверхности теплоизолирующего покрытия 2, продувают каналы 7 для прокачки хладагента и подключают их к внешнему источнику хладагента 8 и начинают прокачку последнего средствами его прокачки 9, например насосом. Герметичные электрические разъемы 5 средств электроохлаждения подключают к внешниму источнику электропитания 6 и включают их на охлаждение. Тем самым за счет отвода тепла из полости газгольдера обеспечивают поддержание термобарических условий в его полости на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа. Дальнейшую транспортировку газогидратной массы к потребителям осуществляют известным образом - буксируя газгольдер обслуживающим судном-буксировщиком 10.

При выгрузке газа потребителю обеспечивают подогрев объема газогидрата, например, переключая термоэлектрические охлаждающие элементы 4 в режим нагрева и/или прокачивая по каналам подвода хладагента нагретый теплоноситель (например, забортной воды, если, это происходит летом). Вследствие прогрева газогидраты превращаются в газ, который под собственным давлением уходит из полости газгольдера через газоотводящий патрубок 15 (его принимают в береговые газгольдеры - на чертежах не показаны). Процесс продолжают до полного освобождения газгольдера от газа, при этом оставшуюся в газгольдере пресную воду сливают через отверстие 13 водовыдачного трубопровода 14 для дальнейшего использования. По завершению процесса разгрузки отключают герметичные электрические разъемы 5 средств электроподогрева от судового источника тока, перекрывают задорную арматуру газгольдера и транспортируют его к месту сбора газа. Далее все повторяется.

Изобретение предназначено для опреснения морской воды и получения одновременно природного газа. Опреснительная установка содержит плавучий корпус, оснащенный средствами теплоизолирования и/или охлаждения его полости, а также средствами его вертикального и горизонтального перемещения в толще воды. Плавучий корпус снабжен герметизируемым люком, выполненным с возможностью подводного приема природного газа вместе с водой с одновременным образованием газогидрата. Верхняя часть корпуса оснащена газоотводящим патрубком, а на его донной части установлен водоотводящий трубопровод. Плавучий корпус выполнен с возможностью его буксировки судном-буксировщиком. При разгрузке газогидрат разлагают на пресную воду и природный газ. Достигается снижение энергоемкости процесса опреснения, а также упрощение конструкции оборудования для опреснения воды. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Опреснительная установка, содержащая плавучий корпус, снабженный средством приема воды, средством опреснения и средством хранения опресняемой воды, отличающаяся тем, что плавучий корпус выполнен в виде газгольдера, с плавучестью близкой к нулевой, снабжен средствами его позиционирования на глубинах, где термобарические условия соответствуют условиям гидратообразования природного газа, при этом корпус выполнен с возможностью поддержания в его полости термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа, для чего снабжен средствами теплоизолирования и/или охлаждения полости и выполнен с расчетом на внутреннее давление не меньшее давления, соответствующего давлению диссоциации гидрата природного газа при температурном режиме, поддерживаемом в полости газгольдера, кроме того, средство для приема воды содержит герметизируемый люк, выполненный с возможностью подводного приема природного газа и с возможностью сообщения полости газгольдера с акваторией, кроме того, верхняя часть полости газгольдера снабжена газоотводящим патрубком, а его донная часть снабжена приемным отверстием водоотводящего трубопровода, при этом газгольдер выполнен с возможностью его буксировки судном-буксировщиком.

2. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что средство теплоизолирования выполнено в виде теплоизолирующего покрытия корпуса, предпочтительно съемного.

3. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что средство охлаждения полости корпуса содержит термоэлектрические охлаждающие элементы, линия питания которых выведена за пределы корпуса и снабжена герметичными разъемами, выполненными с возможностью подключения к внешним источникам электропитания.

4. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что средство охлаждения полости корпуса содержит каналы для прокачки хладагента, выполненные с возможностью подключения к внешнему источнику хладагента, снабженному средством его прокачки.

5. Опреснительная установка по п.1 или 4, отличающаяся тем, что внешний источник хладагента, снабженный средством его прокачки, и внешний источник электропитания размещены на судне-буксировщике.

6. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что объем полости корпуса газгольдера не менее 500 м³.

7. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что средство позиционирования газгольдера содержит средства его вертикального и горизонтального перемещения в толще воды, например, выполненные в виде подруливающих устройств, предпочтительно съемных, предпочтительно электроприводных.