Способ обессоливания воды методом обратного осмоса и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК C02F1/44 C02F103/04 

Область техники

Изобретение относится к области очистки воды, а именно к способу обессоливания воды методом обратного осмоса и устройству для осуществления этого способа, и может быть использовано при получении глубоко обессоленной воды для различных применений, например, в области микроэлектроники, медицины, фармацевтики и косметики, пищевой промышленности и т.д.

Уровень техники

Спектр применения глубоко обессоленной воды достаточно широкий. Большие объемы этого продукта применяются в электро- и теплоэнергетике, где его использование ощутимо продлевает ресурс парового и водогрейного оборудования. Кроме того, эта полностью деминерализованная водный раствор постоянно используется в металлургических предприятиях. Подавляющие количество промышленных объединений нефтехимической промышленности могут осуществлять свою производственную деятельность только с применением воды, подвергнутой глубокому обессоливанию.

Полная водоочистка от частиц солей используется для фармацевтической промышленности и медицины. Наконец, глубоко обессоленная вода применяется в пищевой промышленности при приготовлении не только алкогольных напитков, но и других продуктов питания.

В настоящее время существует множество способов деминерализации воды, такие как дистилляционная водоподготовка, которая не решает проблем с полным обессоливанием, дистиллятор не доводит водный раствор до нужной кондиции, поэтому необходима дополнительная обработка, что усложняет и удорожает процесс. Также для обессоливания воды широко используются ионообменные смолы, с применением которых производится полное обессоливание водных растворов, а также электродиализ.

Частичное удаление соли достигается при применении таких способов, как известкование, баритовое умягчение, н-катионирование, вымораживание.

Методы обессоливания воды требуют затрат как финансовых, так и энергетических. Выбор способа обработки зависит от степени содержания соли в первоначальной жидкости, производительности установки, затрат на составляющие процесса (тепло, электроэнергия, реагенты). Каждый из методов имеет свои преимущества, недостатки и происходит при помощи технических средств.

Технический прогресс и начавшая наблюдаться нехватка пресной воды рождают новые технологии опреснения и обессоливания. Популярным способом становится метод обработки обратным осмосом, надежность ему гарантирует развитие мембранных технологий. Промышленный интерес вызван сравнительно низкими энергозатратами. Большая часть аппаратов этого принципа используются для доочистки речной воды, где их эффективность многократно доказана.

Для бытового использования установки для обессоливания воды, основанные на принципе обратного осмоса, пригодны как в плане энергозатрат, так и по качеству получаемого продукта. В основе принципа обратного осмоса лежит пропускание воды под давлением через мембрану, которая непроницаема для растворенных солей и других примесей. Процесс обессоливания воды обеспечивают синтетические полупроницаемые мембраны.

В документе RU 2006490 С1, дата публикации 30.01.1994, описана станция очистки и опреснения воды, содержащая последовательно соединенные подводящую магистраль, фильтр предварительной очистки, первый насос высокого давления, первую ступень обратноосмотического аппарата, последовательно соединенные второй насос высокого давления, вторую ступень обратноосмотического аппарата с выходной магистралью и стерилизующее устройство, сорбционный фильтр, первую и вторую линии отвода концентрата, подсоединенные к выходам первой и второй ступеней обратноосмотического аппарата соответственно.

В документе WO 9721630 А1, дата публикации 19.06.1997, описана установка для обессоливания воды с использованием обратного осмоса, содержащая фильтрующий элемент с мембранами, ограничивающими солевые каналы, насос высокого давления для накачки обессоливаемой воды к указанному фильтрующему элементу, и препятствие на пути потока воды между указанным насосом и указанным фильтрующим элементом, предназначенное для ввода турбулентности в протекающую воду и для создания падения давления через препятствие, при этом указанное препятствие имеет множество каналов прохождения потока воды разной площади.

В документе RU 2363663 С2, дата публикации 10.08.2009, описана установка непрерывного ступенчатого обессоливания солевого водного раствора обратным осмосом, которая включает контур замкнутого цикла с одним или несколькими модулями обессоливания, соединенными параллельно, средство создания противодавления, средство циркуляции для обеспечения рециркуляции обессоленного раствора в указанном замкнутом контуре и контейнер для замены концентрированного солевого раствора свежим питающим раствором. Установка дополнительно снабжена средствами контроля и клапанным механизмом, обеспечивающим отключение контейнера и подключение его к замкнутому контуру, замену концентрированного соляного раствора на свежий питающий раствор из контейнера, а также нагнетание давления и декомпрессию контейнера. Изобретение также относится к способу обессоливания солевого водного раствора посредством указанной установки.

В документе US 2015376034 А1, дата публикации 31.12.2015, принятом за прототип, описана многоступенчатая обратноосмотическая мембранная обработка, в которой сырая вода находится под давлением первого насоса и подается на первое мембранное устройство обратного осмоса на первой стадии. Вода в промежуточном резервуаре нагнетается под давлением вторым насосом и подается на второе мембранное устройство обратного осмоса на второй стадии, пермеат отводится через трубу, а концентрат возвращается к резервуару для сырой воды.

Недостатком прототипа, как и других известных аналогов, является высокая материалоемкость, сложность, длительность и многостадийность процесса обработки, высокие энергетические и материальные затраты.

Задачей, на которую направлена предложенная разработка, является преодоление недостатков известного уровня техники и получение технического результата, который заключается в уменьшении площади занимаемым оборудованием в 2-3 раза, за счет размещения оборудования на одной раме с одним шкафом автоматизации и одним силовым шкафом, уменьшении материалоемкости всего оборудования, за счет снижения количества трубной и кабельной обвязки, уменьшении количества основного оборудования, вследствие отсутствия промежуточной емкости и повысительного насоса подачи на 2-ю ступень, упрощение процесса очистки, уменьшение времени обработки за счет отсутствия промежуточных стадий, при сохранении высокой производительности и эффективности очистки воды от солей. Также способ позволяет снизить количество потребляемой энергии за счет снижения количества оборудования.

Перечень чертежей

На фиг. 1 схематически изображено устройство для осуществления способа.

Раскрытие изобретения

Указанный технический результат достигается посредством предложенного способа обессоливания воды, заключающегося в том, что исходная вода насосом или насосной станцией высокого давления подается на первую ступень обратноосмотической установки, где происходит разделение потока исходной воды на два: концентрат первой ступени - вода обогащенная солями и пермеат первой ступени - частично обессоленная вода, затем пермеат первой ступени поступает на вторую ступень обратноосмотической установки, где происходит также разделение потока на два: концентрат второй ступени - обогащенная солями вода, и пермеат второй стадии - обессоленная вода, далее концентрат второй ступени возвращают в начало процесса на первую ступень и смешивают с исходной водой, при этом используется только один насос или насосная станция высокого давления, а в установке первой ступени обеспечивается повышение давления в пермеатном канале от 5 до 30 ати, что позволяет на второй стадии проводить процесс обратного осмоса обессоленной воды без дополнительного насосного и емкостного оборудования.

Также предложена обратноосмотическая установка обессоливания, которая содержит размещенный на линии (1) подачи исходной воды насос или наносную станцию (2) высокого давления, соединенные указанной линией подачи исходной воды с первым блоком (3) обратного осмоса, при этом первый блок (3) соединен со вторым блоком (5) обратного осмоса линией (4) подачи пермеата первой ступени, второй блок (5) соединен линией подачи (6) концентрата второй ступени с линией подачи (1) исходной воды, обеспечивающей подачу концентрата второй ступени в линию подачи (1) исходной воды перед насосом или насосной станцией (2), а также первый блок (3) обратного осмоса снабжен линией отвода концентрата первой ступени (7), второй блок (5) обратного осмоса снабжен линией отвода (8) обессоленной воды, при этом насос или насосная станция (2) обеспечивают повышение давления в пермеатном канале первой ступени от 5 до 30 ати.

Вышеперечисленные преимущества обеспечиваются тем, что в установке первой ступени обеспечивается повышение давления в пермеатном канале от 5 до 30 ати насосом или насосной станции первой ступени, что требует особенных правил проекта и автоматизации первой ступени и выходит за рамки проектирования традиционных обратноосмотических установок.

Под давлением от 5 до 30 ати подразумевается любое значение внутри указанного диапазона (например, 6, 10, 15, 20, 25, 29 ати), включая нецелые числа (например, 5, 1 или 29, 9 ати) и крайние значения, т.е. 5 и 30 ати.

Интервал давления в перметаном канале 5-30 ати является технико-экономически обоснованным и наиболее целесообразным, но возможна работа установки при давлении в пермеатном канале первой ступени вне интервала 5-30 ати.

Поддержание давления ниже нижу 5 ати, например 2-3 ати, в пермеатном канале 1-ой стадии приведет к нарушению работы установки - уменьшению производительности установки по очищенной воде ниже номинальной более чем на 30-50%. В исключительных случаях возможны проектирование, изготовление и настройка работы установки на давление в пермеатном канале ниже 2-3 ати.

Использование давления свыше 30 ати в пермеатном канале 1-ой стадии технологически нецелесообразно, так как материалоемкость оборудования и энергетические затраты при работе оборудования выше либо сравнимы с другими методами обессоливания воды. Кроме того, существенное повышение давления требует установки дополнительного оборудования для упрочнения конструкции, типа арматуры, поскольку его отсутствие повышает уровень опасности при работе установки и увеличивает вероятность выхода ее из строя.

Комплектация установки мембранами, насосом производиться на основе предварительного расчета, основанного на химическом анализе исходной воды и технического задания, при этом могут использоваться любые известные мембраны и насосы, если они по своим характеристикам удовлетворяют требованиям предварительного расчета.

Осуществление изобретения

Были проведены экспериментальные испытания по работе устройства, показывающие эффективность предложенного способа и устройства для его осуществления.

Пример 1

Исходная вода с расчетным содержанием солей 950 мг/л насосом или насосной станцией высокого давления (2) подается по линии подачи воды (1) на первую ступень обратноосмотической установки (3) с расходом исходной воды 10 м³/ч, где происходит разделение потока исходной воды на два: концентрат первой ступени - вода обогащенная солями и пермеат первой ступени - частично обессоленная вода. Концентрат первой ступени по линии отвода концентрата (7) отводится из с первой ступени обратноосмотической установки (3). Измеренная концентрация солей в отводимом концентрате составляет 1582 мг/л. Затем пермеат первой ступени, обедненный солями, по линии подачи пермеата первой ступени (4) поступает на вторую ступень обратноосмотической установки (5), где происходит также разделение потока на два: концентрат второй ступени -обогащенная солями вода, и пермеат второй стадии - обессоленная вода. При этом работу насоса регулируют таким образом, чтобы давление в пермеатном канале первой ступени (4) составляло 5 ати. Далее концентрат второй ступени возвращают в начало процесса по линии подачи концентрата второй ступени (6) на первую ступень и смешивают с исходной водой в линии подачи исходной воды (1) перед насосом (2). Очищенную обессоленую воду отводят по линии отвода обессоленой воды (8). Производительность установки по очищенной воде составляет 4 м³/ч. Содержание солей в очищенной воде составляет 2 мг/л, т.е. степень очистки воды по сравнению с исходной водой составляет 99,789%.

Также были проведены испытания при работе установки при других значениях давления в пермеатном канале первой ступени для очистки воды с различным содержанием солей (см. примеры 2-7). Результаты испытаний показаны в таблице 1.

Примеры показывают, что наиболее эффективным является использование давления в пермеатном канале от 5 до 30 ати. При увеличении или уменьшении значения давлении снижается производительность установки. Также примеры показывают эффективность обессоливая как слабосоленых так и сильносоленых вод.

Использование только одного насоса или насосной станции позволяющих создать оптимальное давление в пермеатном канале первой ступени позволяет уменьшить площади занимаемым оборудованием в 2-3 раза за счет размещения оборудования на одной раме с одним шкафом автоматизации и одним силовым шкафом, уменьшить материалоемкость всего оборудования за счет снижения количества трубной и кабельной обвязки, уменьшении количества основного оборудования, вследствие отсутствия промежуточной емкости и повысительного насоса подачи на 2-ю ступень, исключения использования арматуры или другого оборудования для упрочнения конструкции. Также достигается упрощение процесса очистки, уменьшение времени обработки за счет отсутствия промежуточных стадий, при сохранении высокой производительности и эффективности очистки воды от солей. Также способ позволяет снизить количество потребляемой энергии за счет снижения количества оборудования.

Изобретение может быть использовано для очистки воды. Исходная вода насосом или насосной станцией высокого давления подается на первую ступень обратноосмотической установки, где происходит разделение потока исходной воды на два: концентрат первой ступени – воду, обогащенную солями, и пермеат первой ступени - частично обессоленную воду. Затем пермеат первой ступени поступает на вторую ступень обратноосмотической установки, где происходит также разделение потока на два: концентрат второй ступени - обогащенную солями воду, и пермеат второй стадии - обессоленную воду. Далее концентрат второй ступени возвращают в начало процесса на первую ступень и смешивают с исходной водой, а обессоленую воду отводят из процесса. При этом используют только один насос или насосную станцию высокого давления, а в установке первой ступени обеспечивают повышение давления в пермеатном канале от 5 до 30 ати. Предложенная группа изобретений обеспечивает упрощение процесса очистки, уменьшение времени обработки за счет отсутствия промежуточных стадий при сохранении высокой производительности и эффективности очистки воды от солей, а также уменьшение материалоемкости оборудования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ обессоливания воды, заключающийся в том, что исходная вода насосом или насосной станцией высокого давления подается на первую ступень обратноосмотической установки, где происходит разделение потока исходной воды на два: концентрат первой ступени - воду, обогащенную солями, и пермеат первой ступени - частично обессоленную воду, затем пермеат первой ступени поступает на вторую ступень обратноосмотической установки, где происходит также разделение потока на два: концентрат второй ступени - обогащенную солями воду, и пермеат второй стадии - обессоленную воду, далее концентрат второй ступени возвращают в начало процесса на первую ступень и смешивают с исходной водой, а обессоленую воду отводят из процесса, при этом используется один насос или насосная станция высокого давления, а в установке первой ступени обеспечивают повышение давления в пермеатном канале от 5 до 30 ати.

2. Установка для обессоливания воды, содержащая размещенный на линии подачи исходной воды насос или наносную станцию высокого давления, соединенные указанной линией подачи исходной воды с первым блоком обратного осмоса, при этом первый блок обратного осмоса соединен со вторым блоком обратного осмоса линией подачи пермеата первой ступени, второй блок обратного осмоса соединен линией подачи концентрата второй ступени с линией подачи исходной воды, а также первый блок обратного осмоса снабжен линией отвода концентрата первой ступени, а второй блок обратного осмоса снабжен линией отвода обессоленной воды, при этом насос или насосная станция выполнены с возможностью обеспечения повышения давления в пермеатном канале первой ступени от 5 до 30 ати.