СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК C02F1/12 C02F103/08 

Изобретение относится к способу и устройству для опреснения воды.

Известны несколько способов опреснения воды: химическое опреснение, дистилляция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ, замораживание.

Наиболее широкое применение нашли физические способы опреснения, основанные на принципе дистилляции. В устройствах, реализующих данный метод, используют многокорпусные выпарные аппараты, снабженные теплообменниками. Такие установки отличаются большими габаритами, металлоемкостью и высокими энергозатратами для производства пара.

Кроме того, эффективность работы дистилляционных испарителей ограничена образованием накипи в системе циркуляции горячего рассола. По мере выпаривания морской воды из дистилляционного опреснителя, раствор соли становится более концентрированным и в конечном счете осаждается на стенках аппарата в виде накипи. (Мосин О.В. Физико-химические основы опреснения морской воды // Сознание и физическая реальность, 2012, №1, с. 19-30).

Известны способ опреснения морской воды и установка для опреснения, предложенные в патенте RU 2393995 C1, C02F 1/04 (2006.01), B01D 3/10 (2006.01). Способ включает подачу опресняемой воды под давлением в зону испарения, испарение при пониженном давлении с отводом образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации, конденсацию пара путем контакта с охлаждаемой циркулирующей пресной водой, вывод выделившихся газов и опресненной воды и слив рассола. Процессы испарения и конденсации осуществляют в соответствующих зонах, расположенных на высоте, превышающей барометрическую высоту столба опресняемой воды над свободной поверхностью морской воды. Отвод образовавшейся парогазовой смеси в зону конденсации осуществляют по сужающемуся каналу с повышением скорости смеси до скорости, равной 0,6-1,0 от скорости звука. Давление циркулирующей пресной воды на входе в зону конденсации поддерживают на уровне, достаточном для реализации режима сверхзвукового течения парогазожидкостной смеси в зоне конденсации. Вывод выделившихся газов осуществляют непрерывно. Установка содержит зону испарения воды, зону конденсации пара, образованную камерой смешения сверхзвукового эжектора и связанную с циркуляционной магистралью пресной воды, снабженной насосом и теплообменником, паропровод, сужающийся по ходу движения соединяющий зоны испарения и конденсации.

Основной недостаток способа и установки - использование вакуумного насоса для обеспечения парообразования при низких температурах опресняемой воды, что существенно усложняет конструкцию установки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «Способ опреснения воды и устройство для его осуществления» (описание к патенту №2688764 МПК С02F 1/12), формула которого предусматривает:

1. Способ опреснения соленой воды, включающий подачу опресняемой соленой воды в область фрагментации, испарение опресняемой соленой воды, отделение частиц соли от паров воды, отвод пресной воды потребителю и удаление солевого остатка, отличающийся тем, что опресняемая соленая вода, подаваемая в виде струи или пелены, периодически подвергается воздействию сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации, приводящему к тонкой аэродинамической фрагментации струи или пелены опресняемой соленой воды с получением микрокапель опресняемой соленой воды и к образованию двухфазного факела, состоящего из микрокапель опресняемой соленой воды и газообразных продуктов детонации, а образованный двухфазный факел подается тангенциально в вихревую зону, где в условиях сильно закрученного высокотемпературного потока происходит быстрое испарение микрокапель опресняемой соленой воды с образованием мелкодисперсной кристаллической морской соли, отделяемой от газообразных продуктов детонации и водяного пара благодаря полю центробежных сил, а газообразные продукты детонации и водяной пар выводятся из вихревой зоны в зону конденсации водяного пара и его отделения от газообразных продуктов детонации, а солевой остаток непрерывно удаляется из вихревой зоны в виде мелкодисперсной кристаллической морской соли.

2. Устройство для опреснения соленой воды, включающее систему подачи опресняемой соленой воды, системы фрагментации и испарения опресняемой соленой воды, конденсатор водяного пара и систему удаления солевого остатка, отличающееся тем, что системы фрагментации и испарения опресняемой соленой воды выполнены в виде импульсного генератора сильной ударной волны и высокоскоростного потока горячих газообразных продуктов детонации, присоединенного через входной патрубок тангенциально к вихревому реактору, предназначенному для испарения микрокапель опресняемой соленой воды с образованием мелкодисперсной кристаллической морской соли и для отделения образованной мелкодисперсной кристаллической морской соли от газообразных продуктов детонации и водяного пара, а вихревой реактор, снабженный системой непрерывного удаления мелкодисперсной кристаллической морской соли, соединен с конденсатором водяного пара с помощью коллектора отвода газообразных продуктов детонации и водяного пара, а конденсатор водяного пара снабжен системой удаления газообразных продуктов детонации и системой отвода опресненной воды потребителю, причем вихревой реактор снабжен экраном, установленным со стороны коллектора газообразных продуктов детонации и водяного пара, предотвращающим попадание мелкодисперсной кристаллической морской соли в конденсатор водяного пара.

Недостатком ближайшего прототипа является сложность способа и невысокая производительность установки.

Предлагаемый способ и установка основаны на принципе дистилляции, а также на принципе насыщения нагретого атмосферного воздуха водяными парами при барботировании им морской воды.

Установка включает конденсатор-охладитель и емкость-накопитель для сбора опресненной воды, генератор горячего воздуха, куполообразный корпус барботажа, вентилятор для нагнетания воздуха в корпус в зону барботажа, вентилятор для откачивания насыщенного влагой воздуха из купола барботажа, позволяющие отбирать водяной пар из морской воды без ее перекачивания и нагревания до температуры кипения.

Насыщение воздуха водяным паром производится путем барботажа морской воды нагретым до температуры выше 100°С атмосферным воздухом внутри куполообразного корпуса непосредственно в море без ее перекачивания и нагревания до температуры кипения.

Предложенное устройство для опреснения воды может быть стационарным и мобильным.

Стационарное устройство может устанавливаться в зоне литорали вблизи берегов морей, океанов, а также на морских платформах.

Мобильное устройство предназначено для эксплуатации на судах. Насыщение горячего воздуха водой производится путем барботажа морской воды внутри куполообразного корпуса (Рисунок).

На время работы по получению пресной воды куполообразный корпус мобильного устройства опускается за борт на тросе (5) и погружается в воду до уровня ватерлинии (3).

Зона барботажа (2) расположена внутри куполообразного корпуса под мелкоячеистой металлической сеткой (1). В рабочем положении мелкоячеистая сетка (1) находится под слоем морской воды, а над уровнем ватерлинии под куполом корпуса (4) имеется не заполненное водой пространство, в которое поступает насыщенный водой воздух.

Для повышения эффективности процесса насыщения воздух в зоне барботажа разделяется на мелкие пузырьки путем пропускания его через мелкоячеистую металлическую сетку (1). Это позволяет увеличить скорость насыщения воздуха парами воды, так как скорость насыщения зависит не только от температуры, но и от площади контакта жидкой и газообразной фаз.

Через нижнюю открытую часть куполообразного корпуса происходит свободный обмен морской воды, что уменьшает отложение солей на мелкоячеистой сетке и внутренней поверхности корпуса.

Куполообразный корпус, в котором осуществляется барботаж морской воды горячим воздухом и собирание насыщенного водой воздуха, выполнен из устойчивого к коррозии металла или прочного пластика, устойчивого к температурам до 150°С.

В нижнюю часть куполообразного корпуса - зону барботажа (2) установки через питающий воздуховод (7) подается горячий воздух, который при помощи мелкоячеистой металлической сетки (1), выполненной из устойчивого к коррозии металла, разделяется на мелкие пузырьки газа. Воздух нагнетается под давлением, температура воздуха выше 100°С.

Сетка выполнена из устойчивого к коррозии металла или прочного пластика, устойчивого к температурам до 150°С. Диаметр ячеек сетки составляет 1-5 мм в зависимости от объема корпуса барботажа, количества горячего воздуха в единицу времени.

Чем мельче получаются пузырьки горячего газа, тем эффективнее воздух насыщается водой, однако слишком мелкоячеиская сетка способна существенно замедлить прохождение газа. Размер ячеек сетки подбирается с таким расчетом, чтобы найти оптимальную скорость потока воздуха и не допускать выхода воздуха наружу через нижнюю часть купола барботажа.

Горячий воздух, проходя через ячейки сетки, нагревает ее и вызывает кипение воды в присеточном слое. При этом пузырьки горячего воздуха, поднимаясь вверх из жидкой фазы в газообразную, резко снижают энергию парообразования.

Удельная теплота парообразования для воды составляет величину Q=2,3 × 10⁶ Дж/кг, что значительно превышает энергию, необходимую для нагрева такой же массы воды до температуры кипения. Снижение расхода топлива на величину энергии парообразования даст большой экономический эффект.

Горячий воздух, насыщенный водой, поднимается в пространство под куполом корпуса (4), откуда перекачивается в охладитель-конденсатор по воздуховоду (6).

В конденсаторе-охладителе пресная вода конденсируется и направляется в емкость-накопитель.

Влагоемкость воздуха при температуре 100°С превышает 500 г/м³. Производительность установки зависит от объема воздуха, подаваемого для барботажа. Например, при подаче 10000 м³/ч производительность установки составит 5000 л × 24 ч=120000 л/сутки пресной воды.

При опреснении воды предложенным способом исключаются процессы перекачивания морской воды в установку и ее нагревания до температуры кипения. За счет исключения этих процессов снижается себестоимость получаемой пресной воды, а сам процесс существенно упрощается.

Атмосферный воздух имеет теплоемкость в 4 раза ниже, чем вода, поэтому расход энергии на получение насыщенного водой воздуха уменьшается во столько же раз: не нужно тратить энергию на нагрев всей воды до температуры испарения. Нагревается только воздух, который и передает тепловую энергию воде в присеточном слое.

Барботирование морской воды позволяет значительно уменьшить расход энергии на процесс парообразования, так как пузырьки барботируемого воздуха создают в жидкости «кипящий слой», способствующий парообразованию.

Для повышения производительности стационарной установки требуется только масштабирование мобильной.

Изобретение может быть использовано для опреснения морской воды в мобильных условиях - на судах или в стационарных условиях – вблизи берегов морей, океанов, а также на морских платформах. Насыщение воздуха водяным паром производят внутри куполообразного корпуса 4 путем барботажа морской воды нагретым до температуры выше 100°С атмосферным воздухом, который подают под давлением через мелкоячеистую сетку 1 с размером ячеек, обеспечивающим прохождение воздуха через неё, но исключающим выход воздуха через нижнюю часть корпуса. Куполообразный корпус 4 размещают так, чтобы сетка 1 находилась под слоем морской воды. Для этого его опускают на тросе 5 и погружают ниже ватерлинии 3. При этом под куполом образуется незаполненное водой пространство для поступления воздуха, насыщенного паром. Устройство для опреснения солёной воды также включает конденсатор-охладитель, ёмкость-накопитель для сбора опреснённой воды, генератор горячего воздуха, питающий воздуховод 7, сообщённый с вентилятором для нагнетания воздуха в зону барботажа 2, а также воздуховод 6, сообщённый с вентилятором для откачивания насыщенного влагой воздуха из подкупольного пространства. Изобретение позволяет упростить способ и устройство за счёт исключения перекачивания морской воды и её нагревания до температуры кипения, а также значительно уменьшить расход энергии на процесс парообразования и повысить производительность, т.к. она зависит только от объёма пропускаемого горячего воздуха. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ опреснения соленой воды, включающий конденсацию воды из насыщенного паром воздуха, отличающийся тем, что насыщение воздуха водяным паром производят внутри куполообразного корпуса путем барботажа морской воды нагретым до температуры выше 100°С атмосферным воздухом, который подают под давлением через мелкоячеистую сетку с размером ячеек, обеспечивающим прохождение воздуха через нее, но исключающим выход воздуха через нижнюю часть корпуса, при этом куполообразный корпус размещают так, чтобы сетка находилась под слоем морской воды, а под куполом образовалось незаполненное водой пространство для поступления воздуха, насыщенного паром.

2. Устройство для опреснения соленой воды, включающее конденсатор-охладитель и емкость-накопитель для сбора опресненной воды, отличающееся тем, что оно снабжено генератором горячего воздуха, куполообразным корпусом с мелкоячеистой сеткой, размер которой выбран таким образом, чтобы обеспечивать прохождение воздуха через нее для барботажа морской воды, но исключать выход воздуха через нижнюю часть корпуса, вентилятором для нагнетания воздуха в зону барботажа в корпусе, а также вентилятором для откачивания насыщенного влагой воздуха из подкупольного пространства.