УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК C02F9/10 C02F1/44 C02F1/22 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу обессоливания солевого раствора. Настоящее изобретение также относится к устройству для исполнения этого способа, и к применению указанного способа или устройства для сокращения объема концентрированного солевого раствора как побочного продукта обратноосмотической мембранной опреснительной установки, или в устройстве, или в установке, или в способе получения обессоленной воды, для получения соли, для совместного получения электроэнергии и обессоленной воды, или для кондиционирования воздуха.

В настоящей заявке термин «солевой раствор» относится к любому водному раствору, содержащему по меньшей мере одну растворенную соль, и термин «поток первого побочного продукта» относится к побочному продукту в виде концентрированного солевого раствора, полученному из обратноосмотической (RO) мембранной опреснительной установки. Другие примеры концентрированных солевых растворов включают морскую воду, солоноватую воду или шахтную воду. Следует отметить, что подаваемый поток солевого раствора и поток первого побочного продукта RO-мембранной опреснительной установки, а также другие вышеуказанные примеры концентрированных солевых растворов, все, содержат по меньшей мере одну растворенную неорганическую соль, типично NaCl.

Пресная вода требуется для общественного и бытового потребления воды, в сельском хозяйстве для полива и для домашнего скота, и в промышленном масштабе для разнообразных технологических процессов. В настоящей заявке термин «пресная вода» в основном относится к воде, отличающейся тем, что она имеет низкие концентрации растворенных солей и вообще других растворенных твердых веществ, и, более конкретно, не включает морскую воду и солоноватую воду. В одном варианте исполнения «пресная вода» имеет отношение к воде, содержащей менее 3000, предпочтительно менее 1000, наиболее предпочтительно менее 500 млн^-1 растворенных солей. Одним примером пресной воды является питьевая вода. Вследствие отсутствия равномерного распределения источников пресной воды, во многих областях необходимо получать пресную воду обессоливанием солевого раствора, например, из моря. В настоящей заявке термин «поток первого водного продукта» имеет отношение к пресной воде, полученной способом, устройством или применением изобретения.

Обратный осмос (RO) представляет собой наиболее широко распространенную технологию обессоливания воды, и

обратноосмотическая опреснительная установка и способ раскрыты, например, в патентных документах US 4115274 или US 4125463. Он представляет собой мембранный процесс разделения, в котором воду извлекают из солевого раствора созданием давления на раствор сверх его осмотического давления, и по существу с использованием мембраны для отфильтровывания ионов соли из находящегося под давлением раствора и обеспечением возможности проходить только воде. Основной расход энергии в RO-технологии приходится на создания давления на солевой раствор. Относительно низкое энергопотребление в RO-технологии может быть преимущественно получено, когда сведены к минимуму потери энергии, обусловленные сбросом давления на концентрированный солевой раствор, с использованием устройств для регенерации механической энергии сжатия из потока концентрированного солевого раствора (потока первого побочного продукта). RO-технология является наиболее широко распространенной промышленной технологией обессоливания, благодаря ее выгодным экономическим показателям, обеспечиваемым относительно благоприятным потреблением энергии.

Тем не менее, RO-технология имеет недостатки. Поскольку давление, необходимое для извлечения дополнительной пресной воды, повышается, когда поток солевого раствора или рассола концентрируется, скорость извлечения воды в RO-системах проявляет тенденцию к снижению. Кроме того, соответственным основным недостатком является стоимость и воздействие на окружающую среду от сброса больших объемов потоков концентрированного солевого раствора как побочного продукта (потоков первого побочного продукта) из RO-установки, в особенности для RO-установок, находящихся на суше. Например, побочный продукт в виде солевого раствора часто сбрасывают в море или в наземную поверхностную воду, или нагнетают в глубокие скважины. Такая практика не является благоприятной для окружающей среды, и тем самым она больше недопустима. Поэтому было бы желательно располагать способом и устройством для увеличения объема извлекаемой пресной воды, сокращения объема потока первого побочного продукта (концентрированного солевого раствора) из RO-установок, и без причинения дополнительного ущерба окружающей среде.

Известны способы концентрирования на термической основе для сокращения объема потоков первого побочного продукта из RO-систем, такие как способ взрывного испарения, раскрытый в патентном документе US 4083781, способ принудительного испарения, представленный в патентном документе US 4434057; и способ испарения теплотой сгорания из патентного документа US 5695643. Такие способы концентрирования на термической основе имеют недостаток в большом потреблении энергии и тем самым высокой стоимости. В дополнение, они чувствительны к образованию отложений и связанным с этим термическим и механическим проблемам. В альтернативном варианте, потоки первого побочного продукта могут быть сконцентрированы с помощью солнечных прудов, имеющих малые затраты на энергию, но этот термический способ требует больших площадей территории и прямого солнечного света, и отличается низкой продуктивностью и дорогостоящим и трудоемким техническим обслуживанием. Кроме того, солнечные термические способы неприменимы во всех регионах и/или климатических условиях, поскольку присутствие пыли может блокировать солнечный свет и/или площадь поверхности испарения, тем самым увеличивая необходимое для испарения время. В дополнение, в случае пруда испаренная вода теряется в окружающую среду, и в таком случае становится недоступной как источник пресной воды. Наконец, токсичные соединения, такие как серосодержащие соединения, могут испаряться и переноситься в окружающую среду, приводя к EHS-проблемам (Environmental, Health, Safety - «экология, охрана здоровья, безопасность»).

Также известны способы электродиализа для обработки потоков первого побочного продукта RO-систем. Например, объединенная система RO и электродиализа известна из патентного документа ЕР 2070583 А2, и в способе согласно патентному документу US 6030535 применяют комбинацию электродиализной установки и испарителя для обработки концентрированного солевого раствора как потока побочного продукта из RO-системы. Однако способы электродиализа имеют недостаток в том, что они чувствительны к засорению мембраны и отложениям, и они также требуют больших количеств постоянного тока, и их электрические поля способны удалять только ионные компоненты. В заключение, было бы желательно иметь способ и устройство для сокращения объема концентрированных солевых растворов как потоков побочного продукта из RO-систем, которые имеют пониженные требования в отношении энергии без необходимости в крупных инфраструктурах, и без чувствительности к засорению мембраны, и проявляют меньшую чувствительность к отложениям.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Исходя из этого состояния технологии, одна цель изобретения состоит в создании способа сокращения объема потоков первого побочного продукта из RO-установок. Дополнительные цели изобретения включают создание устройства, пригодного для применения в указанном способе, и применение указанного способа или устройства для сокращения объема потоков первого побочного продукта обратноосмотической мембранной опреснительной установки, или в устройстве, или в установке, или в способе получения обессоленной воды, для получения соли, для совместного получения электроэнергии и обессоленной воды или для кондиционирования воздуха.

Согласно изобретению, эти цели достигаются способом обессоливания воды, причем указанный способ включает стадии, в которых: (i) пропускают подаваемый поток солевого раствора в первую стадию обессоливания через обратноосмотическую мембранную опреснительную установку, включающую по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок, с образованием потока первого водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли подаваемого потока солевого раствора, и потока первого побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли подаваемого потока солевого раствора, причем (ii) поток первого побочного продукта пропускают во вторую стадию обессоливания через блок суспензионной кристаллизации с образованием потока второго водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока первого побочного продукта, и потока второго побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока первого побочного продукта.

Согласно изобретению, эти дополнительные цели достигаются, во-первых, с помощью устройства, включающего: обратноосмотическую (RO) мембранную опреснительную установку, включающую по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок, имеющий впуск для подаваемого потока солевого раствора, выпуск для потока первого водного продукта, выпуск для потока первого побочного продукта, причем выпуск для потока первого побочного продукта находится в сообщении по текучей среде с впуском блока суспензионной кристаллизации, имеющей выпуск для потока второго водного продукта, и выпуск для потока второго побочного продукта. Указанное устройство используют в соответствии с изобретением для сокращения объема потока первого побочного продукта обратноосмотической мембранной опреснительной установки, предпочтительно расположенной на суше опреснительной установки, или в устройстве, или в установке, или в способе получения обессоленной воды, для получения соли, для совместного получения электроэнергии и обессоленной воды или для кондиционирования воздуха.

Настоящее изобретение достигает этих целей и представляет решение этой проблемы с помощью пропускания потока первого побочного продукта во вторую стадию обессоливания через блок суспензионной кристаллизации, с образованием потока второго водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока первого побочного продукта, и потока второго побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока первого побочного продукта. В результате этого поток первого побочного продукта RO-мембранной опреснительной установки, имеющий относительно высокую концентрацию соли, легко концентрируется дополнительно посредством суспензионной кристаллизации, давая уменьшенный объем высококонцентрированного солевого раствора (отбросного концентрированного рассола) в качестве потока второго побочного продукта, и поток второго водного продукта, имеющий сниженную концентрацию соли, и тем самым пригодный для повторного использования или других вариантов применения. Поэтому общий объем отходов значительно сокращается.

Кроме того, поток второго водного продукта преимущественно может иметь качество питьевой воды для повышения производительности процесса. В альтернативном варианте, поток второго водного продукта преимущественно может быть подан с подаваемым потоком солевого раствора в RO-мембранную опреснительную установку, чтобы снизить ее жесткость и тем самым опасность образования отложений.

Дополнительное концентрирование потока первого побочного продукта из RO-мембранной опреснительной установки способом согласно настоящему изобретению позволяет в таком случае легко сократить объем потоков отходов с высокой концентрацией соли и повысить производительность всего процесса обессоливания в целом. Например, применение настоящего изобретения позволяет сократить объем высококонцентрированных солевых растворов (отходов) более чем на 80%, и оставшийся небольшой объем отбросного высококонцентрированного солевого раствора (потоков второго или третьего побочного продукта) затем может быть без труда обработан стандартными способами, такими как выпаривание.

Таким образом, эти результаты неожиданно достигнуты без необходимости в расходовании больших количеств энергии или крупных инфраструктур, и при пониженной опасности отложений.

В особенно предпочтительных вариантах исполнения способа и устройства согласно изобретению, блок суспензионной кристаллизации представляет собой установку многоступенчатой противоточной кристаллизации, например, как представленную в патентном документе US 6719954 В2.

В одном предпочтительном варианте исполнения способ включает дополнительную стадию, в которой поток второго побочного продукта блока суспензионной кристаллизации пропускают в третью стадию обессоливания либо через блок статической кристаллизации, либо через ту же или второй блок суспензионной кристаллизации, с образованием потока третьего водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока второго побочного продукта, и потока третьего побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока второго побочного продукта. Эта дополнительная стадия еще больше сокращает объем потока первого побочного продукта и повышает производительность процесса, и поток третьего водного продукта может быть преимущественно использован повторно либо подачей его в поток первого побочного продукта в особенно предпочтительном варианте исполнения, либо в RO-мембранную опреснительную установку, чтобы снизить эксплуатационные расходы.

Подобным образом, один предпочтительный вариант исполнения устройства дополнительно включает блок статической кристаллизации или второй блок суспензионной кристаллизации, имеющий впуск в сообщении по текучей среде с выпуском для потока второго побочного продукта блока суспензионной кристаллизации, и выпуски для потока третьего водного продукта и потока третьего побочного продукта, для достижения ранее обсуждаемых преимуществ варианта исполнения объединенного процесса. Подобным образом, выпуск для потока третьего водного продукта преимущественно может быть в сообщении по текучей среде с потоком первого побочного продукта.

Согласно еще одному предпочтительному варианту исполнения способа, концентрация соли в потоке первого побочного продукта составляет между около 3 до около 7 вес.%, предпочтительно между около 3,5 до около 7, более предпочтительно между около 5 до около 7, наиболее предпочтительно между около 6 до около 7.

Подача в блок суспензионной кристаллизации потока, имеющего такие концентрации соли, обеспечивает то, что блок производит поток второго водного продукта достаточно хорошего качества, то есть, для использования в качестве питьевой воды или для промышленных вариантов применения, таких как охлаждение, вместе с тем одновременно сводя к минимуму относительный объем потока второго побочного продукта (отбросного концентрированного солевого раствора).

В еще одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения способа, поток первого побочного продукта подвергают кристаллизации в блоке суспензионной кристаллизации при температуре между около -1 до около -4°С, предпочтительно от около -1,5 до около -4, более предпочтительно от около -2 до около -4, наиболее предпочтительно от около -3 до около -4. Кроме того, в еще одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения способа, имеющем третью стадию обессоливания, поток второго побочного продукта подвергают кристаллизации при температуре между около -4 до около -13, предпочтительно от около -6 до около -10, наиболее предпочтительно от около -7,5 до около -8,5. Снижение температуры кристаллизации увеличивает относительный объем потока второго или третьего водного продукта. С другой стороны, слишком низкая температура становится непроизводительной в том отношении, что ухудшается качество потока второго водного продукта, так как снижается эффективность разделения в блоке суспензионной кристаллизации. Тем не менее, было найдено, что качество потока второго водного продукта остается достаточно хорошим, чтобы он мог иметь качество питьевой воды или мог быть использован повторно как подаваемый поток солевого раствора в RO-мембранную опреснительную установку, или же поток третьего водного продукта все еще может иметь достаточное качество для подачи обратно в поток первого побочного продукта, и тем самым подвергнут обессоливанию в блоке суспензионной кристаллизации. Однако при более низких температурах существует повышенная опасность образования кристаллов соли и карбонатных и сульфатных осадков. Поэтому, как неожиданно было обнаружено, ранее упомянутые температурные диапазоны создают наилучший компромисс между этими разнообразными конкурирующими факторами в согласовании предпочтительных эксплуатационных температур.

Кроме того, в еще одном дополнительном варианте исполнения способа поток первого побочного продукта пропускают через теплообменник, тем самым снижая его температуру перед пропусканием через блок суспензионной кристаллизации. Снижение температуры потока до поступления его в блок сокращает время и теплопередачу, необходимые в блоке перед тем, как может начинаться процесс кристаллизации.

Подобным образом, еще один предпочтительный вариант исполнения устройства дополнительно включает теплообменник, имеющий впуск и выпуск, причем впуск теплообменника находится в сообщении по текучей среде с выпуском для потока первого побочного продукта, и выпуск теплообменника сообщается по текучей среде с впуском блока суспензионной кристаллизации.

Кроме того, в еще одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения способа, температуру потока первого побочного продукта снижают перед входом в блок суспензионной кристаллизации, предпочтительно до температуры между около 2 до около 20°С, более предпочтительно от около 2 до около 10, наиболее предпочтительно от около 2 до около 5. Неожиданно было обнаружено, что снижение температуры до этих диапазонов обеспечивает оптимальные благоприятные условия для повышения производительности и сокращения продолжительности обработки.

В еще одном предпочтительном варианте исполнения способа концентрация соли в потоке второго побочного продукта составляет между около 8 до около 18 вес.%, предпочтительно между около 10 до около 15, более предпочтительно между около 12 до около 13. Поддержание концентрации соли в этих диапазонах обеспечивает возможность проведения процесса на оптимальном уровне извлечения воды.

В одном предпочтительном варианте исполнения способа, имеющего третью стадию обессоливания в том же или во втором кристаллизационном блоке, поток второго побочного продукта пропускают через второй теплообменник, тем самым снижая его температуру перед пропусканием через тот же или второй блок суспензионной кристаллизации, чтобы повысить производительность и сократить продолжительность обработки. В еще одном предпочтительном варианте исполнения способа, имеющего третью стадию обессоливания, температуру потока второго побочного продукта снижают перед входом в тот же или во второй блок суспензионной кристаллизации, предпочтительно до температуры между около 2 до около 20°С, более предпочтительно от около 2 до около 10, наиболее предпочтительно от около 2 до около 5. Подобным образом, в еще одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения способа, имеющего третью стадию обессоливания, поток второго побочного продукта подвергают кристаллизации при температуре между около -4 до около -13°С, предпочтительно от около -6 до около -10, более предпочтительно от около -7,5 до около -8,5. Эти температурные диапазоны для снижения температуры потока и его последующей кристаллизации делают возможным получение максимально благоприятных условий для улучшения производительности и продолжительности обработки.

Подобным образом, в одном предпочтительном варианте исполнения устройство, имеющее второй блок суспензионной кристаллизации, включает второй теплообменник, смонтированный в линии между выпуском для потока второго побочного продукта блока суспензионной кристаллизации и впуском второго блока суспензионной кристаллизации, и имеющий впуск и выпуск, где впуск второго теплообменника находится в сообщении по текучей среде с выпуском блока суспензионной кристаллизации, и выпуск второго теплообменника сообщается по текучей среде с впуском второго блока суспензионной кристаллизации, для достижения ранее обсуждаемых преимуществ вариантов исполнения объединенного процесса.

Квалифицированному специалисту в этой области технологии будет понятно, что комбинация предметов разнообразных пунктов патентной формулы и вариантов осуществления изобретения возможна без ограничения изобретения в той мере, насколько такие комбинации технически реализуемы. В этой комбинации предмет любого одного пункта патентной формулы может быть объединен с предметом одного или более других пунктов патентной формулы. В такой комбинации предметов изобретения предмет любого одного описывающего способ пункта патентной формулы может быть объединен с предметом одного или более других описывающих способ пунктов патентной формулы, или с предметом одного или более описывающих устройство пунктов патентной формулы, или с предметом сочетания одного или более описывающих способ пунктов патентной формулы и описывающих устройство пунктов патентной формулы. Аналогично, предмет любого описывающего устройство пункта патентной формулы может быть объединен с предметом одного или более других описывающих устройство пунктов патентной формулы, или с предметом одного или более описывающих способ пунктов патентной формулы, или с предметом сочетания одного или более описывающих способ пунктов патентной формулы и описывающих устройство пунктов патентной формулы. В качестве примера, предмет пункта 1 может быть объединен с предметом любого одного из пунктов от 11 до 15 патентной формулы. В одном варианте исполнения предмет пункта 11 объединен с предметом любого одного из пунктов от 1 до 10 патентной формулы. В одном конкретном варианте исполнения предмет пункта 12 объединен с предметом пункта 2 патентной формулы. В еще одном конкретном варианте исполнения предмет пункта 3 объединен с предметом пункта 12 патентной формулы. В порядке еще одного примера, предмет пункта 1 также может быть объединен с предметом любых двух из пунктов от 2 до 15 патентной формулы. В одном конкретном варианте исполнения предмет пункта 1 объединен с предметом пунктов 2 и 12 патентной формулы. В еще одном конкретном варианте исполнения предмет пункта 11 объединен с предметами пунктов 1 и 4 патентной формулы. В качестве примера, предмет пункта 1 может быть объединен с предметом любых трех из пунктов от 2 до 15 патентной формулы. В одном конкретном варианте исполнения предмет пункта 1 объединен с предметами пунктов 2, 9 и 12 патентной формулы. В еще одном конкретном варианте исполнения, предмет пункта 12 объединен с предметами пунктов 2, 3 и 5 патентной формулы. В еще одном дополнительном конкретном варианте исполнения предмет пункта 1 объединен с предметами пунктов от 2 до 10 патентной формулы. В еще одном дополнительном конкретном варианте исполнения предмет пункта 11 объединен с предметами пунктов от 12 до 15 патентной формулы. В качестве примера, предмет любого одного пункта патентной формулы может быть объединен с предметами любого числа других пунктов патентной формулы, без ограничения в той мере, насколько такие комбинации являются технически реализуемыми.

Квалифицированному специалисту в этой области технологии будет понятно, что комбинация предметов разнообразных вариантов осуществления изобретения возможна без ограничения в изобретении. Например, предмет одного из вышеупомянутых предпочтительных вариантов исполнения может быть объединен с предметом одного или более из других вышеупомянутых предпочтительных вариантов исполнения без ограничения. В качестве примера, согласно одному в особенности

предпочтительному варианту исполнения способа, концентрация соли в потоке первого побочного продукта составляет между около 3 и до около 7 вес.%, предпочтительно между около 3,5 до около 7, более предпочтительно между около 5 до 7, наиболее предпочтительно между около 6 до 7, и концентрация соли в потоке второго побочного продукта составляет между около 8 до около 18 вес.%, предпочтительно между около 10 до около 15, более предпочтительно между около 12 до около 13. В порядке еще одного примера, согласно еще одному в особенности предпочтительному варианту исполнения, способ включает дополнительные стадии, в которых поток второго побочного продукта пропускают в третью стадию обессоливания через второй блок суспензионной кристаллизации, и потоки как первого, так и второго побочных продуктов пропускают через теплообменники перед пропусканием их через блоки суспензионной кристаллизации. В качестве еще одного дополнительного примера, согласно еще одному в особенности предпочтительному варианту исполнения, устройство включает второй блок суспензионной кристаллизации и теплообменник, смонтированный в линии между выпуском блока суспензионной кристаллизации для потока второго побочного продукта и впуском второго блока суспензионной кристаллизации, и имеющий впуск и выпуск, где впуск теплообменника находится в сообщении по текучей среде с выпуском блока суспензионной кристаллизации, и выпуск теплообменника сообщается по текучей среде с впуском второго блока суспензионной кристаллизации, и где выпуск второго блока суспензионной кристаллизации для потока третьего водного продукта находится в сообщении по текучей среде с потоком первого побочного продукта.

Кроме того, согласно формуле изобретения заявляется применение вышеуказанного способа или вышеуказанного устройства для сокращения объема потока первого побочного продукта обратноосмотической мембранной опреснительной установки, предпочтительно расположенной на суше опреснительной установки, или в устройстве, или в установке, или в способе получения обессоленной воды, для получения соли, для совместного получения электроэнергии и обессоленной воды, или для кондиционирования воздуха.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более подробно разъяснено далее со ссылкой на разнообразные варианты осуществления изобретения, а также на чертежи. Одиночный апостроф (') после кодового номера позиции используется для обозначения тех признаков, которые имеются в прототипе. Чертежи схематически показывают:

Фиг. 1 показывает схематический вид одного варианта исполнения способа обессоливания воды согласно изобретению, имеющего первую и вторую стадии обессоливания.

Фиг. 2 показывает схематический вид одного предпочтительного варианта исполнения способа обессоливания воды согласно изобретению, в котором третью стадию обессоливания проводят в блоке статической кристаллизации.

Фиг. 3 показывает схематический вид одного предпочтительного варианта исполнения способа обессоливания воды согласно изобретению, в котором третью стадию обессоливания проводят во втором блоке суспензионной кристаллизации.

Фиг. 4 показывает схематический вид одного варианта исполнения устройства согласно изобретению для исполнения способа обессоливания воды согласно изобретению, имеющего первую и вторую стадии обессоливания.

Фиг. 5 показывает схематический вид одного предпочтительного варианта исполнения устройства для исполнения способа обессоливания воды согласно изобретению, в котором третью стадию обессоливания проводят в блоке статической кристаллизации.

Фиг. 6 показывает схематический вид одного предпочтительного варианта исполнения устройства для исполнения способа обессоливания воды согласно изобретению, в котором третью стадию обессоливания проводят в блоке статической кристаллизации.

Фиг. 7 показывает схему технологического процесса (PFD) одного варианта исполнения типичного блока суспензионной кристаллизации.

Фиг. 8 показывает схему технологического процесса (PFD) одного варианта исполнения устройства для многоступенчатой противоточной кристаллизации.

Фиг. 9 показывает степени извлечения воды в зависимости от температуры остатка, полученные в примерах согласно изобретению для трех различных концентраций соли в потоке первого побочного продукта.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ФИГ. 1 показывает схематический вид способа согласно изобретению, который в целом обозначен ссылочной позицией 100. Способ 100 включает первую стадию обессоливания, которая обозначена как 110'; и вторую стадию обессоливания, которая обозначена как 120. В первой стадии 110' обессоливания подаваемый поток солевого раствора 2' пропускают через обратноосмотическую мембранную опреснительную установку 3', причем установка 3' включает по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок 4', с образованием потока 5' первого водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли подаваемого потока солевого раствора 2', и потока 6' первого побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли подаваемого потока солевого раствора 2'. Во второй стадии 120 обессоливания поток 6' первого побочного продукта пропускают через блок 7 суспензионной кристаллизации с образованием потока 8 второго водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока 6' первого побочного продукта, и потока 9 второго побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока 6' первого побочного продукта.

Как показано в Фиг. 1, а также в Фиг. 2-6, поток 6' первого побочного продукта из обратноосмотического опреснительного блока 4' подают непосредственно в блок 7 кристаллизации в падающей пленке, без пропускания через любые промежуточные концентрирующие или испарительные устройства, такие как устройство механического сжатия пара или испаритель с термическим или паровым подогревом. Поэтому концентрация соли в потоке 6' первого побочного продукта остается относительно неизменной после того, как он выходит из обратноосмотического опреснительного блока 4', до того, как его подают непосредственно в блок 7 кристаллизации в падающей пленке, как показано в этих фигурах. Отсутствие таких промежуточных концентрирующих или испарительных устройств имеет преимущество в минимизации сложности, капитальных затрат и расходов на техническое обслуживание, и производственной площади, занимаемой устройством и способом обессоливания воды.

В описании и пунктах патентной формулы этой заявки концентрация соли солевого раствора выражается в вес.% (вес соли / вес солевого раствора × 100%). В технологии существуют несколько общеизвестных методов измерения концентрации соли в воде, и они включают Общее Количество Растворенных Твердых Веществ (TDS), обычно вместе с массовым балансом соли, гравиметрическим определением веса, оставшегося при выпаривании воды, определением температуры плавления (или температуры замерзания), оптической рефрактометрией, UV/Vis-спектрофотометрией для детектирования основных компонентов ионных компонентов в растворе (например, с использованием UV/Vis-спектрометра HACH LANGE DR 5000), полным химическим анализом с учетом зарядового баланса ионов, и измерениями удельной электропроводности.

Измерения удельной электропроводности основываются на измерении количества электрического тока, пропущенного через длину в сантиметрах водяного столба относительно единицы площади поперечного сечения. Вода, содержащая большое количество растворенных солей, имеет более высокую проводимость. Как используемую здесь, концентрацию соли в вес.% получают делением на 10000 концентрации соли в частях на миллион. Концентрацию соли (С) в единицах частей на миллион (ppm, млн^-1), как применяемую здесь, определяют измерением удельной электропроводности, где удельную электропроводность (U) выражают в единицах миллисименсов на см (мСм/см). Взаимосвязь между С в млн^-1 и U в мСм/см представлена следующим уравнением:

С=((0,0154009*(U³))-(2,67657*(U²))+(922,071*(U))-(744,133)).

ФИГ. 2 показывает схематический вид одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, который представляет способ 100, включающий первую стадию 110' обессоливания, вторую стадию 120 обессоливания и третью стадию обессоливания, которое происходит в блоке 10 статической кристаллизации, которая обозначена как 130. В третьей стадии 130 обессоливания образуется поток 12 третьего водного продукта, имеющий сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока 9 второго побочного продукта, и поток 13 третьего побочного продукта, имеющий повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока 9 второго побочного продукта. Как обсуждалось ранее, эта дополнительная стадия благоприятно сокращает объем выводимого концентрированного солевого раствора и повышает производительность, и поток 12 третьего водного продукта преимущественно может быть использован повторно в одном варианте исполнения подачей его в поток 6' первого побочного продукта.

ФИГ. 3 показывает схематический вид еще одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, который представляет способ 100, включающий первую стадию 110' обессоливания, вторую стадию 120 обессоливания и третью стадию обессоливания, которое происходит в том же 7 или во втором блоке 11 суспензионной кристаллизации, которая обозначена как 135. В третьей стадии 135 обессоливания образуется поток 12 третьего водного продукта, имеющий сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока 9 второго побочного продукта, и поток 13 третьего побочного продукта, имеющий повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока 9 второго побочного продукта. Этот предпочтительный вариант исполнения имеет преимущества, подобные преимуществам варианта, показанного в ФИГ. 2, и поток 12 третьего водного продукта преимущественно может быть использован повторно в одном варианте исполнения подачей его в поток 6' первого побочного продукта.

Все из первой стадии 110' обессоливания и ее подаваемого потока солевого раствора 2', обратноосмотической мембранной опреснительной установки 3', обратноосмотического

опреснительного блока 4', потока 5' первого водного продукта и потока 6' первого побочного продукта являются традиционными и общеизвестными в технологии, например, как раскрыто в патентном документе US 4125463.

Предпочтительные технологические условия для второй стадии 120 обессоливания являются такими же, как для способа согласно изобретению, показанного в ФИГ. 1, и предпочтительные варианты исполнения ее показаны в ФИГ. 2 и 3, если конкретно не оговорено иное. Секции 7 суспензионной кристаллизации и их работа являются общеизвестными в технологии, например, как представлено в патентном документе 6241954 В1. Если не оговорено иное, могут быть использованы стандартные блоки 7 суспензионной кристаллизации, и могут эксплуатироваться, как известно в технологии, для второй стадии 120 обессоливания и третьей стадии 130 обессоливания.

Секции 10 статической кристаллизации и их действие общеизвестны в технологии, например, как изложено в журналах «Sulzer Technical Review 2/99», с. 8-11, «Sulzer Technical Review 1/2006», с. 4-6, или в патентном документе US 6145340. Если не оговорено нечто иное, может быть использован стандартный блок 10 статической кристаллизации, и может эксплуатироваться, как известно в технологии, для третьей стадии 130 обессоливания.

Один в особенности предпочтительный вариант исполнения блока 7 суспензионной кристаллизации для применения как в способе, так и в устройстве согласно изобретению, представляет собой блок 71 многоступенчатой противоточной кристаллизации, например, как раскрыто в патентном документе US 6719954 В2. В таком блоке 71 дополнительную стадию суспензионной кристаллизации проводят внутри того же блока 71. Блок 71 имеет несколько преимуществ, поскольку он позволяет проводить суспензионную кристаллизацию в нескольких ступенях концентрирования внутри одного и того же блока. Поэтому применение блока 71 многоступенчатой противоточной кристаллизации является более экономичным, нежели использование двух или более отдельных ступеней в одном или более одноступенчатых кристаллизаторах.

В принципе, технология опреснения вымораживанием имеет много преимуществ перед другими традиционными способами обессоливания, для обработки высококонцентрированных солевых растворов, в особенности благодаря ее более низкому энергопотреблению и уменьшенному образованию отложений, меньшим проблемам с засорением и коррозией. Вследствие низких эксплуатационных температур в технологии опреснения вымораживанием не требуются специальные материалы конструкции (например, коррозионно-стойкие).

Разнообразные потоки продуктов и побочных продуктов из кристаллизационных блоков могут без труда контролироваться с помощью баланса масс в сборных резервуарах, непосредственно соединенных с кристаллизационным блоком. Необходимые условия нагревания и охлаждения кристаллизационных блоков варьируют в зависимости от времени, и могут быть благоприятно применены буферные системы накопления энергии, чтобы свести к минимуму колебания потребностей в паре и замораживании. В случае эксплуатации в периодическом режиме потоки могут быть сохранены в накопительных резервуарах перед их пропусканием через конкретный кристаллизационный блок. Кристаллизационные блоки можно без труда контролировать с помощью компьютерной системы с использованием приборов для измерения уровня и температуры, а также двухпозиционных (on/off) или регулировочных вентилей.

Дополнительная информация о кристаллизаторах и их работе раскрыта в изданиях «Handbook of Industrial Crystallization* («Руководство по промышленной кристаллизации»), 2-е издание, под ред. Allan S. Myerson, опубл. 9 января 2002 г. издательством Butterworth-Heinemann, Вобурн, Массачусетс, Международный стандартный книжный номер (ISBN): 978-0750670128, и «Crystallization Technology Handbook» («Руководство по технологии кристаллизации»), 2-е издание, под ред. А. Mersmann, опубл. в 2001 г. издательством Marcel Dekker, Базель, ISBN: 0-8247-0528-9.

В одном варианте исполнения концентрация соли в потоке 6' первого побочного продукта составляет между около 3 до около 7 вес.%, предпочтительно между около 3,5 до около 7, более предпочтительно между около 5 до 7, наиболее предпочтительно между около 6 до 7. Как обсуждалось ранее, подача в блок 7 суспензионной кристаллизации потока 6', имеющего такие концентрации соли, обеспечивает то, что блок 7 производит поток 8 второго водного продукта достаточно хорошего качества, вместе с тем одновременно сводя к минимуму объем потока 6' первого побочного продукта и любого выводимого концентрированного солевого раствора.

В еще одном варианте исполнения поток 6' первого побочного продукта подвергают кристаллизации в блоке 7 суспензионной кристаллизации при температуре между около -1 до около -4°С, предпочтительно от около -1,5 до около -4, более предпочтительно от около -2 до около -4, наиболее предпочтительно от около -3 до около -4. Как обсуждалось ранее, такие температурные диапазоны создают оптимальные технологические условия в отношении качества и объема потока 8 второго водного продукта.

Температуру кристаллизации в конкретном кристаллизационном блоке, как упоминаемую в описании настоящей заявки, выражают в градусах Цельсия (°С), и измеряют ее определением температуры плавления потока водного продукта, выведенного из конкретного кристаллизационного блока.

В еще одном дополнительном варианте исполнения поток 6' первого побочного продукта пропускают через теплообменник 14, тем самым снижая его температуру перед пропусканием через блок 7 суспензионной кристаллизации. Как обсуждалось ранее, снижение температуры потока 6' первого побочного продукта сокращает время и теплопередачу, необходимые перед тем, как может начинаться кристаллизация.

В еще одном дополнительном варианте исполнения температуру потока 6' первого побочного продукта снижают перед поступлением в блок 7 суспензионной кристаллизации, предпочтительно до температуры между около 2 до около 20°С, более предпочтительно от около 2 до около 10, наиболее предпочтительно от около 2 до около 5. Подобным образом, в еще одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения поток второго побочного продукта подвергают кристаллизации при температуре между около -4 до около -13°С, предпочтительно от около -6 до около -10, более предпочтительно от около -7,5 до около -8,5. Эти температурные диапазоны для снижения температуры потока и его последующей кристаллизации делают возможным получение максимального преимущества в повышении производительности и сокращении продолжительности обработки.

В описании и пунктах патентной формулы настоящей заявки температуру потока побочного продукта перед поступлением в конкретный кристаллизационный блок выражают в градусах Цельсия (°С), и измеряют ее встроенным температурным датчиком, размещенным непосредственно перед впуском данного кристаллизационного блока.

Кроме того, в еще одном дополнительном варианте исполнения концентрация соли потока 9 второго побочного продукта составляет между около 8 до около 18 вес.%, предпочтительно между около 10 до около 15, более предпочтительно между около 12 до около 13. Как обсуждалось ранее, эти диапазоны действуют как оптимизирующие степень извлечения воды в процессе.

В вариантах исполнения способа согласно изобретению, в которых третья стадия 135 обессоливания происходит в том же блоке 7 суспензионной кристаллизации или во втором блоке 11 суспензионной кристаллизации, например, таком, как показано в ФИГ. 3, в некоторых конкретных дополнительных вариантах исполнения поток 9 второго побочного продукта пропускают через второй теплообменник 15, тем самым снижая его температуру перед пропусканием через тот же блок 7 суспензионной кристаллизации или второй блок 11 суспензионной кристаллизации. В других конкретных дополнительных вариантах исполнения температуру потока 9 второго побочного продукта снижают перед входом во второй блок 11 суспензионной кристаллизации. Температуры предпочтительно снижают до температуры между около 2 до около 20°С, более предпочтительно от около 2 до около 10, наиболее предпочтительно от около 2 до около 5. Подобным образом, в еще одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения способа, имеющего третью стадию обессоливания, поток второго побочного продукта подвергают кристаллизации при температуре между около -4 до около -13°С, предпочтительно от около -6 до около -10, более предпочтительно от около -7,5 до около -8,5. Эти температурные диапазоны для снижения температуры потока и его последующей кристаллизации делают возможным получение максимально благоприятных условий для повышения производительности и сокращения продолжительности обработки.

Квалифицированному специалисту в этой области технологии будет понятно, что применение очень низких температур кристаллизации для достижения еще более высоких концентраций соли в потоке побочного продукта будет ограничено на практике до максимальной концентрации соли около 23 вес.% вследствие достижения точки эвтектики солевого раствора.

В случае тех вариантов исполнения, которые имеют третью стадию обессоливания в том же блоке 7 суспензионной кристаллизации, квалифицированному специалисту в этой области технологии будет понятно, что поток 9 второго побочного продукта может просто храниться в накопительном резервуаре между второй и третьей стадиями обессоливания.

ФИГ. 4 показывает схематический вид устройства согласно изобретению, которое в целом обозначено кодовым номером 1 позиции. Устройство 1 включает обратноосмотическую мембранную опреснительную установку 3', включающую по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок 4', имеющий впуск 21' для подаваемого потока солевого раствора 2', выпуск 51' для потока 5' первого водного продукта, выпуск 61' для потока 6' первого побочного продукта, причем выпуск 61' находится в сообщении по текучей среде с впуском 62 блока 7 суспензионной кристаллизации, имеющим выпуск 81 для потока 8 второго водного продукта и выпуск 91 для потока 9 второго побочного продукта.

ФИГ. 5 показывает схематический вид одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, который представляет устройство 1, как показанное в ФИГ. 4, но в котором устройство 1 дополнительно включает блок 10 статической кристаллизации, имеющий впуск 92 в сообщении по текучей среде с выпуском 91 блока 7 суспензионной кристаллизации, и выпуск 121 для потока 12 третьего водного продукта, и выпуск 131 для потока 13 третьего побочного продукта.

ФИГ. 6 показывает схематический вид еще одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, который представляет устройство 1, как показанное в ФИГ. 4, но в котором устройство 1 дополнительно включает теплообменник 14, имеющий впуск 141 и выпуск 142, причем впуск 141 находится в сообщении по текучей среде с выпуском 61', и выпуск 142 находится в сообщении по текучей среде с впуском 62 блока 7 суспензионной кристаллизации. Устройство 1 также дополнительно включает второй блок 11 суспензионной кристаллизации, имеющий впуск 92 в сообщении по текучей среде с выпуском 91 блока 7 суспензионной кристаллизации, и выпуск 121 для потока 12 третьего водного продукта, выпуск 131 для потока 13 третьего побочного продукта, и второй теплообменник 15, смонтированный в линии между выпуском 91 и впуском 92 второго блока 11 суспензионной кристаллизации, и имеющий впуск 151 и выпуск 152, где впуск 151 находится в сообщении по текучей среде с выпуском 91, и выпуск 152 находится в сообщении по текучей среде с впуском 92 второго блока 11 суспензионной кристаллизации.

Предпочтительные конфигурации устройств для блока 7 суспензионной кристаллизации являются такими же, как для устройства согласно изобретению, показанного в ФИГ. 4, и предпочтительные варианты исполнения их показаны в ФИГ. 5 и 6, если конкретно не оговорено иное. Как обсуждалось ранее, все из обратноосмотической мембранной опреснительной установки 3', обратноосмотического опреснительного блока 4', впуска 21', выпуска 51' и выпуска 61' являются традиционными и общеизвестными в технологии, например, как раскрыто в патентном документе US 4125463. Блоки 7 и 11 суспензионной кристаллизации также хорошо известны и раскрыты в патентном документе US 6241954 В1, и они могут быть просто использованы и могут эксплуатироваться в изобретении, как описано в технологии, если конкретно не оговорено иное. Как обсуждалось ранее, предпочтительный вариант исполнения блока 7 суспензионной кристаллизации для применения в способе или устройстве согласно изобретению представляет собой блок 71 многоступенчатой противоточной кристаллизации. Блоки 11 статической кристаллизации также являются общеизвестными и представлены как описанные в журналах «Sulzer Technical Review 2/99», с. 8-11, «Sulzer Technical Review 1/2006», с. 4-6, или в патентном документе US 6145340, и они также могут просто использоваться и эксплуатироваться в изобретении, как описано в технологии, если конкретно не оговорено иное.

В некоторых конкретных предпочтительных вариантах исполнения устройство 1 включает блок 10 статической кристаллизации или второй блок 11 суспензионной кристаллизации, имеющий впуск 92 в сообщении по текучей среде с выпуском 91 блока 7 суспензионной кристаллизации, и выпуск 121 для потока 12 третьего водного продукта и выпуск 131 для потока третьего побочного продукта, такие как в вариантах исполнения, показанных в ФИГ. 5 и 6, причем выпуск 121 для потока 12 третьего водного продукта находится в сообщении по текучей среде с потоком 6' первого побочного продукта, чтобы преимущественно использовать повторно поток 12 в конкретных вариантах исполнения.

В некоторых вариантах исполнения устройства 1, таких как показанный в ФИГ. 6 предпочтительный вариант исполнения, устройство 1 дополнительно включает теплообменник 14 и/или второй теплообменник 15. Как обсуждалось ранее, применение теплообменников благоприятно сокращает время и теплопередачу, необходимые перед тем, как может начинаться кристаллизация.

ФИГ. 7 показывает схему технологического процесса одного варианта исполнения типичного блока суспензионной кристаллизации. Сырье поступает в блок самотеком через питающий резервуар V-103, размещенный на верхнем уровне базовой опорной конструкции. Питающий резервуар заполняют с помощью подающего насоса Р-100. Резервуар Е-101 объединяет функцию кристаллизатора с очищаемой стенкой (внутренняя труба окружена оболочкой, содержащей хладагент) для получения кристаллов льда, и функцию ростовой камеры, где эти кристаллы имеют достаточное время пребывания для роста до размера, который может быть пригоден для действия промывной колонны S-200.

После пуска хладагент охлаждает продукт, когда между внутренней трубой и оболочкой происходит теплоперенос. Когда хладагент поглощает теплоту из суспензии, существует некоторая степень переохлаждения (температура жидкости ниже равновесной температуры) воды. Как только достигается температура замерзания сырья, начинают образовываться кристаллы льда (центры кристаллизации). Процентная доля кристаллов льда медленно нарастает. Для внутренней трубы применяют вращающийся вал, который оснащен скребковыми лопатками. Лопатки непрерывно скоблят внутреннюю стенку трубы. Этим поверхность трубы поддерживается свободной от кристаллов во время работы, что важно для эффективной теплопередачи.

Суспензия ледяных кристаллов вовлекается в непрерывную рециркуляцию через кристаллизатор с помощью циркуляционного насоса Р-101. Весь блок поддерживают заполненным с помощью находящегося под атмосферным давлением питающего резервуара V-103, размещенного выше основного блока. Обычно основной блок поддерживают под небольшим избыточным давлением с помощью системы для создания азотной подушки.

Из основного циркуляционного контура смесь льда и потоков 9 или 13 второго или третьего побочных продуктов подают в промывную колонну S-200, где лед отделяется от концентрата.

Лед расплавляют в плавильном устройстве и выводят из системы через автоматический вентиль. Потоки 9 или 13 второго или третьего побочных продуктов выводят через автоматический вентиль из трубопровода для фильтрата промывной колонны.

Промывная колонна представляет собой устройство для механического разделения, которое удаляет ледяные кристаллы из потоков 9 или 13 второго или третьего побочных продуктов (концентрированных солевых растворов). Основной корпус промывной колонны представляет собой цилиндр. Внутри цилиндра вверх и вниз перемещается поршень, создавая уплотненный слой кристаллов. Производительность промывной колонны зависит от размера кристаллов и вязкости продукта. Более крупные кристаллы и меньшая вязкость делают разделение более эффективным.

Потоки 8 или 12 второго или третьего водных продуктов выводят из промывной колонны, и фильтрат направляют с рециркуляцией в кристаллизационный/ростовый блок. Выведенные потоки 8 или 12 второго или третьего водных продуктов замещают потоком 6' первого побочного продукта, выведенного из RO-установки. Некристаллизованные компоненты в потоках 9 или 13 второго или третьего побочных продуктов накапливаются в блоке.

После достижения желательной температуры кристаллизации (соответственно определенной концентрации некристаллизованных компонентов в потоках 9 или 13 второго или третьего побочных продуктов) начинается удаление концентрированной воды. Концентрированная вода выходит из установки через промывную колонну в качестве бокового потока вытекающего фильтрата.

ФИГ. 8 показывает схему технологического процесса (PFD) одного варианта исполнения типичного блока 71 многоступенчатой противоточной кристаллизации, который представляет собой предпочтительный тип блока 7 суспензионной кристаллизации.

В этой PFD сырье поступает в основной контур ступени низкой концентрации самотеком через питающий резервуар, V-3000. Кроме того, основной контур состоит из одного или более кристаллизаторов, Е-2Х00, одного или более циркуляционных насосов для суспензии, Р-2Х01, и резервуара для роста кристаллов, V-2000. Со ступенью низкой концентрации связана(-ны) одна или более промывных колонн, S-1500, с циркуляционным насосом для расплава, Р-3Х01, и устройством для плавления льда, E-3X00. Воду выводят из ступени низкой концентрации. Фильтрат из промывной колонны направляют в питающий резервуар, V-1500, ступени высокой концентрации. Избыточное сырье возвращают в питающий резервуар ступени низкой концентрации по перепускному трубопроводу.

Ступень высокой концентрации подобна ступени низкой концентрации. Однако суспензию из основного контура теперь направляют в так называемый концентратор, S-1500. Концентратор представляет собой промывную колонну, где лед не вымывают и не расплавляют. Концентратор только сжимает суспензию с образованием уплотненного ледяного слоя. Фильтрат из концентратора выводят из установки в качестве продукта или возвращают в основной суспензионный контур ступени высокой концентрации. Уплотненный ледяной слой повторно суспендируют в суспензионном циркуляционном контуре из ступени низкой концентрации и в нее.

Еще одним дополнительным аспектом изобретения является применение способа или устройства 1 для сокращения объема потока 6' первого побочного продукта (отбросного концентрированного солевого раствора) обратноосмотической мембранной опреснительной установки 3', предпочтительно расположенной на суше опреснительной установки 3', или в устройстве, или установке, или в способе для получения обессоленной воды, для получения соли, для совместного получения электроэнергии и обессоленной воды или для кондиционирования воздуха. Внедрение изобретения в RO-установке позволяет снизить необходимую мощность RO-установки и тем самым капиталовложения для конкретного варианта применения. Например, благодаря использованию изобретения возрастает производительность, поскольку требуется подача меньшего количества солевого раствора, так как повторно используется некоторое количество воды, которая в противном случае терялась бы. В дополнение, эти разнообразные варианты применения, как правило, являются благоприятными в плане снижения расходов на техническое обслуживание благодаря использованию испытанных кристаллизационных блоков и технологий.

ПРИМЕРЫ

Нижеследующие примеры приведены для того, чтобы предоставить специалистам с обычной квалификацией в этой области технологии подробное описание, как оценивать заявленные здесь способы, устройства и варианты применения, и они не предполагают ограничения области, какую авторы настоящего изобретения рассматривают как их изобретение. Если не оговорено нечто иное, части указаны по весу, и температура выражена в градусах Цельсия (°С).

Экспериментальная установка, использованная в примерах, имела конфигурацию, показанную в Фиг. 7 и описанную ранее. Температура теплопередающей среды (НТМ) составляла между 15 и -19°С. Температура сырья (потока 6' первого побочного продукта) составляла 15°С и конечная рабочая температура составляла -19°С.

Веса всех потоков, выводимых из кристаллизатора, измеряли с использованием цифровых весов, и измерения температур замерзания проводили, где это было уместно (при более низких уровнях чистоты, где отклонения от температуры замерзания чистого продукта являются достаточно значительными для детектирования). Образцы отбирали во время выполнения испытаний и анализировали.

Концентрацию (С) соли определяли измерением удельной электропроводности, где удельная электропроводность (U) выражается в единицах миллисименсов на см (мСм/см). Взаимоотношение между С в млн^-1 и U в мСм/см представлено следующим уравнением:

С=((0,0154009*(U³))-(2,67657*(U²))+(922,071*(U))-(744,133)).

Степень извлечения воды (WR) в процентах (%) в примерах определяли по следующему уравнению

WR=(w_p/w_f)*100%,

где w_p = вес продукта и W_f = вес подводимого сырья. Степень отделения соли (SR) в процентах (%) в примерах определяли по следующему уравнению

SR=(1-X_p/X_f)*100%,

где х_р = концентрация соли в продукте и X_f = концентрация соли в подводимом сырье.

Примеры 1-3

В этих примерах подаваемый поток солевого раствора (поток 6' первого побочного продукта), имеющий концентрацию соли от 3,5 до 6,1 вес.%, подвергали обработке во второй стадии 120 обессоливания путем кристаллизации в одной ступени экспериментальной установки суспензионной кристаллизации, и полученные результаты показаны в Таблицах 1-3. Следует отметить, что оба Примера 2 и 3 основываются на численном моделировании процесса в установке. Фиг. 9 обобщает степени извлечения воды в зависимости от температуры остатка, полученные в Примерах 1-3.

Примеры демонстрируют, что способ и устройство согласно изобретению могут быть успешно применены в обработке потока 6' первого побочного продукта (потоки сточных вод) RO-мембранных опреснительных установок, имеющих многообразные концентрации солевых растворов. Тем не менее, данные в таблицах и фигуре показывают, что в общем будет предпочтительно иметь концентрацию соли между около 3 и около 7 вес.%. Для обеспечения наиболее экономичной эксплуатации RO-мембранной установки концентрация соли будет более высокой, наиболее предпочтительно между около 6 и около 7 вес.%.

Фиг. 9 демонстрирует, что оптимальный результат получается, когда остаток (поток 9 второго побочного продукта) концентрируют до температуры от -8 до -9°С, что приводит к концентрации соли между около 13 до около 14 вес.%. Эта настройка технологических условий дает почти наилучшее извлечение воды и отделение соли, и тем самым приводит к оптимальному результату. Более высокие температуры остатка (≥-7°С) дают худшее извлечение воды. Более низкие температуры остатка (≤-9°С) требуют гораздо более высоких затрат на энергию, без обеспечения какого-нибудь существенного увеличения количества извлеченной воды. Кроме того, чистота продукта является более низкой для таких очень низких температур остатка.

Пример 4

В этом примере суспензионную кристаллизацию проводили, как в Примере 1, и остаток (поток 9 второго побочного продукта) пропускали в третью стадию 130 обессоливания через блок 10 статической кристаллизации. Экспериментальная установка, использованная в этом примере, состояла из стандартного блока статической кристаллизации кристаллизатора емкостью 70 литров, оборудованной такими же элементами кристаллизатора, какие применяются в промышленных кристаллизаторах. Поэтому предотвращается любой риск невозможности масштабирования конструкции до конечной мощности, которое потребуется сделать.

В этом примере была введена стадия выпотевания, которая приводит к более высокой чистоте продукта и более значительному отделению соли; однако степень извлечения воды и выход в некоторой степени снижаются, и требуется более крупногабаритное оборудование и более длительная продолжительность обработки. Квалифицированному специалисту в этой области технологии будет понятно, как найти компромисс между этими конкретными аспектами, чтобы получить оптимизированный результат для конкретных ситуации и требований.

Этот пример демонстрирует, что поток 9 второго побочного продукта блока 7 суспензионной кристаллизации может быть преимущественно обработан в третьей стадии 130 обессоливания в блоке 10 статической кристаллизации для образования потока 12 третьего водного продукта с достаточной чистотой (около 4-6 вес.% соли), которая может быть подана обратно для питания обратноосмотического опреснительного блока 4', или в поток 6' первого побочного продукта, тем самым повышая общую степень извлечения воды.

Кристаллизация остатка (потока 12 третьего водного продукта) при температурах от -16 до -17°С приводит к остатку с концентрацией соли около 21 вес.%. Могут быть применены повышенные температуры остатка, но они обусловливают меньшие значения степени извлечения воды и степени отделения соли. Могут быть использованы даже более низкие температуры остатка, но этим повышаются затраты на энергию. Кроме того, достижение даже более низких температур становится ограниченным точкой эвтектики при концентрации соли около 23 вес.%.

В то время как разнообразные варианты исполнения были изложены с целью иллюстрации, вышеприведенные описания не должны считаться здесь как ограничение области. Соответственно этому, разнообразные модификации, адаптации и изменения могут быть сделаны здесь квалифицированным специалистом в этой области технологии без выхода за пределы смысла и области изобретения.

Изобретение относится к обессоливанию воды. Способ включает стадии, в которых пропускают подаваемый поток солевого раствора 2' в первую стадию обессоливания через обратноосмотическую мембранную опреснительную установку 3', включающую по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок 4' с образованием потока 5' первого водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации подаваемого потока солевого раствора 2', и потока 6' первого побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации подаваемого потока солевого раствора 2'. Поток 6' первого побочного продукта пропускают во вторую стадию обессоливания через установку 7 суспензионной кристаллизации с образованием потока 8 второго водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации потока 6' первого побочного продукта, и потока 9 второго побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации потока 6' первого побочного продукта. Устройство обессоливания дополнительно включает блок (10) статической кристаллизации или второй блок суспензионной кристаллизации, имеющий впуск (92) в сообщении по текучей среде с выпуском (91) блока (7) суспензионной кристаллизации, и выпуск (121) для потока (12) третьего водного продукта, и выпуск (131) для потока (13) третьего побочного продукта. Технический результат – сокращение объема потоков первого побочного продукта с повышенной концентрацией соли. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил., 4 табл., 4 пр.

1. Способ обессоливания воды, включающий стадии, в которых:

пропускают подаваемый поток солевого раствора (2') в первую стадию обессоливания через обратноосмотическую мембранную опреснительную установку (3'), содержащую по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок (4') для образования потока (5') первого водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли подаваемого потока солевого раствора (2'), и потока (6') первого побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли подаваемого потока солевого раствора (2'), причем

поток (6') первого побочного продукта пропускают во вторую стадию обессоливания через установку (7) суспензионной кристаллизации, предпочтительно блок (71) многоступенчатой противоточной кристаллизации для образования потока (8) второго водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока (6) первого побочного продукта, и потока (9) второго побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока (6') первого побочного продукта,

причем поток (9) второго побочного продукта пропускают в третью стадию обессоливания либо через блок (10) статической кристаллизации, либо тот же (7) или второй блок (11) суспензионной кристаллизации с образованием потока (12) третьего водного продукта, имеющего сниженную концентрацию соли относительно концентрации соли потока (9) второго побочного продукта, и потока (13) третьего побочного продукта, имеющего повышенную концентрацию соли относительно концентрации соли потока (9) второго побочного продукта, причем концентрация соли в потоке (6') первого побочного продукта составляет от 3 до 7 вес.%, предпочтительно от 3,5 до 7, более предпочтительно от 5 до 7, наиболее предпочтительно от 6 до 7.

2. Способ по п. 1, в котором поток (12) третьего водного продукта подают в поток (6') первого побочного продукта.

3. Способ по п. 1, в котором поток (6') первого побочного продукта подвергают кристаллизации в блоке (7) суспензионной кристаллизации при температуре между около -1 до около -4°С, предпочтительно от около -1,5 до около -4°С, более предпочтительно от около -2 до около -4°С, наиболее предпочтительно от около -3 до около -4°С.

4. Способ по п. 1, в котором поток (6') первого побочного продукта пропускают через теплообменник (14), тем самым снижая его температуру перед пропусканием через блок (7) суспензионной кристаллизации.

5. Способ по п. 1, в котором температуру потока (6') первого побочного продукта снижают перед входом в блок (7) суспензионной кристаллизации, предпочтительно до температуры от 2 до 20°С, более предпочтительно от 2 до 10°С, наиболее предпочтительно от 2 до 5°С.

6. Способ по п. 1, в котором концентрация соли в потоке (9) второго побочного продукта составляет от 8 до 18 вес.%, предпочтительно от 10 до 15 вес.%, более предпочтительно от 12 до 13 вес.%.

7. Способ по п. 1, в котором поток (9) второго побочного продукта подвергают кристаллизации в блоке (10) статической кристаллизации или в том же (7) или во втором блоке (11) суспензионной кристаллизации при температуре от -4 до -13°С, предпочтительно от -6 до -10°С, более предпочтительно от -7,5 до -8,5°С.

8. Способ по п. 1, в котором поток (9) второго побочного продукта пропускают через второй теплообменник (15), тем самым снижая его температуру перед пропусканием через второй блок (11) суспензионной кристаллизации, предпочтительно до температуры от 2 до 20°С, более предпочтительно от 2 до 10°С, наиболее предпочтительно от 2 до 5°С.

9. Устройство (1) для исполнения способа по любому из пп. 1-8, включающее:

обратноосмотическую мембранную опреснительную установку (3'), включающую в себя по меньшей мере один обратноосмотический опреснительный блок (4'), имеющий впуск (21') для подаваемого потока солевого раствора (2'), выпуск (51') для потока (5') первого водного продукта, выпуск (61') для потока (6') первого побочного продукта,

причем выпуск (61') находится в соединении по текучей среде с впуском (62) блока (7) суспензионной кристаллизации, предпочтительно блока (71) многоступенчатой противоточной кристаллизации, имеющим выпуск (81) для потока (8) второго водного продукта и выпуск (91) для потока (9) второго побочного продукта,

и дополнительно включающее блок (10) статической кристаллизации или второй блок (11) суспензионной кристаллизации, имеющий впуск (92) в сообщении по текучей среде с выпуском (91) блока (7) суспензионной кристаллизации, и выпуск (121) для потока (12) третьего водного продукта, и выпуск (131) для потока (13) третьего побочного продукта, и, необязательно, второй теплообменник (15), установленный в линии между выпуском (91) и впуском (92) второго блока (11) суспензионной кристаллизации, и имеющий впуск (151) и выпуск (152), причем впуск (151) находится в сообщении по текучей среде с выпуском (91), и выпуск (152) находится в сообщении по текучей среде с впуском (92) второго блока (11) суспензионной кристаллизации.

10. Устройство по п. 9, в котором выпуск (121) для потока (12) третьего водного продукта находится в сообщении по текучей среде с потоком (6') первого побочного продукта.

11. Устройство по любому из пп. 9-10, дополнительно включающее теплообменник (14), имеющий впуск (141) и выпуск (142), причем впуск (141) находится в сообщении по текучей среде с выпуском (61') и выпуск (142) находится в сообщении по текучей среде с впуском (62) блока (7) суспензионной кристаллизации.

12. Применение устройства по любому из пп. 9-11 для сокращения объема потока (6') первого побочного продукта обратноосмотической мембранной опреснительной установки (3'), предпочтительно расположенной на суше опреснительной установки (3'), или в устройстве, или в установке, или в способе получения обессоленной воды, для получения соли, для совместного получения электроэнергии и обессоленной воды, или для кондиционирования воздуха.