СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЛЕГКОЙ И ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДЫ Российский патент 2022 года по МПК C02F1/22 B01D59/08 C01B5/02 

Известно, что природные воды содержат как молекулы легкой воды H₂О, так и молекулы D₂O, где D изотоп водорода с молекулярной массой, равной 2. Кроме того, тяжелая вода содержит и тяжелые изотопы кислорода ¹⁸O и тритий. Считается, что легкая протиевая вода Н₂О поддерживает жизнедеятельность растений и животных, а тяжелая, дейтериевая вода подавляет биологические процессы и губительна для всего живого. При опреснении морской воды с целью удовлетворения растущих потребностей в пресной воде, в том числе питьевой, возникает опасность существенного роста употребления тяжелой воды. Это связано с тем, что вода морей и океанов содержит повышенное содержание тяжелой воды, которое сохраняется и в опресненной морской воде. Так на полуострове Мангышлак (Каспийское море, Казахстан) в 1973 году были построены атомная электростанция и мощная опреснительная установка для снабжения водой жителей и экономики нового города Шевченко (ныне Актау). В результате употребления этой воды для питья, еды и полива пищевых растений в городе возросло количество онкологических заболеваний и случаев появления мертворожденных детей, что напрямую связывают с повышенным содержанием в воде изотопов тяжелой воды.

В странах Средиземноморья и Персидского залива, в которых сосредоточено более 50% опреснительных установок, имеющихся в мире, разрешают использовать опресненную воду только для технических и хозяйственных нужд, исключающих ее попадание внутрь живых организмов. Питьевая и пищевая вода завозится из-за рубежа и продается в бутылках и/или на разлив.

В связи с возрастающим дефицитом пресной воды предложены различные методы очистки обессоленной морской воды от тяжелой воды, например, изотопный обмен, электролиз, вакуумная заморозка с последующим оттаиванием. Однако в силу сложности этих процессов рассматривается, как правило, получение относительно небольших количеств легкой протиевой воды, в частности для оздоровления человека, выпуска косметики, использования в селекционной работе с растениями и т.д.

Известен способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия с помощью электролиза (RU 97994). Полученная в электролизере смесь кислорода и обедненного дейтерием водорода осушается, после чего сжигается и в виде водяного пара поступает в паровую турбину, а затем в конденсатор. Паровая турбина вырабатывает до 40% первоначально использованной в электролизе электроэнергии.

Недостатком этого решения является большое потребление электроэнергии в процессе электролиза воды, несмотря на частичный возврат энергии.

Известно отделение тяжелой воды от легкой воды термальным способом, основанным на разнице температур замерзания тяжелой и легкой фракций воды (Касьянов Г.И., Ольховатов Е.А., Косенко О.В. Перспективы получения и применения легкой воды. Научный журнал КубГАУ, №127(03), 2017 года http://ej.kubagro.ru/2017/03/pdf/54.pdf). Согласно этому способу после предварительной подготовки питьевой воды в электромагнитном поле низкой частоты от 18 до 48 Гц производят резкое ее охлаждение и перемешивание с гранулами твердого СО₂, в соотношении 1:10, разделение жидкой и твердой фаз и дальнейшее использование жидкой фазы с низким содержанием дейтерия при последующем нагревании и утилизации твердой фазы. Структурирование питьевой воды осуществляют путем фильтрования через шунгитовый фильтр.

Недостатком указанного способа является необходимость использования твердого СО₂ и получение гранулированного твердого диоксида углерода с диаметром гранул от 4,0 до 1,5 мм. В способе предполагается удаление ледяной шуги с тяжелой водой, однако само образование ледяной шуги при введении в воду твердых гранул СО₂ размером 1.5-4.0 мм при малом содержании тяжелой воды выглядит проблематичным. Все это предполагает сложность реализации предложенного процесса в производственных условиях с большими расходами воды.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа разделения легкой и тяжелой воды для изменения изотопного состава с низким расходом энергии при переработке больших объемов воды.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является высокопроизводительный производственный процесс получения легкой воды с низким содержанием примеси тяжелой воды. Особенно это относится к опресненной морской воде.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что в предварительно охлажденную разделяемую воду добавляют легководную суспензию частиц в качестве центров кристаллизации тяжелой воды, затем воду распыляют в поток холодного воздуха, после достижения температуры водо-воздушной смеси 0.1-0.2°С воду отделяют от воздуха, осветляют с помощью коагулянта и окончательно отфильтровывают частицы с осажденными на них кристаллами тяжелой воды в ультрафильтре при постоянной указанной температуре, получая легкую воду.

При обработке коагулята и очистке ультрафильтра отделенную твердую фазу нагревают до плавления кристаллов тяжелой воды и отделяют тяжелую воду с помощью центробежной сепарации и ультрафильтрации, а твердую фазу высушивают и возвращают в процесс получения легководной суспензии частиц.

Для получения легководной суспензии частиц используют ферромагнитные вещества, например магнетит, при этом воду после вымораживания кристаллов тяжелой воды на частицах суспензии перед коагуляцией и ультрафильтрацией предварительно очищают от частиц в магнитном сепараторе.

Преимуществом предлагаемого изобретения является малые затраты энергии по сравнению с электролизным или испарительным способами, простота и возможность осуществления обработки воды с высокой производительностью в промышленных масштабах.

Предлагаемый способ поясняется чертежом фиг. 1. Здесь основными элементами являются теплообменник 1, устройство 2 подготовки легководной суспензии, теплообменник 3 смесительного типа, воздушный сепаратор 4, емкость 5 осветления воды коагуляцией, насос 6, ультрафильтр 7 суспензии и отделитель тяжелой воды 8. Способ осуществляют следующим образом. Исходную воду по линии 9 подают в теплообменник 1, где ее предварительно охлаждают потоком уже обработанной воды. В линию 10 выхода воды из теплообменника 1 подают легководную суспензию по линии 11 из устройства 2 подготовки суспензии. Далее воду, смешанную с легководной суспензией, распыляют холодным воздухом в теплообменнике 3 смесительного типа. Холодный воздух в теплообменник 3 подают по линии 12. В теплообменнике 3 за счет непосредственного контакта воды и холодного воздуха воду охлаждают до температуры 0.1-0.2°С. Дейтерий и тритий в обычной воде находятся в форме HDO и НТО. При этом температура замерзания для D₂O составляет +3,8°С, а для Т₂О +9°С, HDO и НТО замерзают соответственно при +1,9°С и при +4,5°С. Установлено (Мосин О.В. Очистка воды от тяжелых изотопов дейтерия, трития и кислорода. Сантехника, Отопление, Кондиционирование. №9, 2012), что при температуре в пределах от 0 до +1,9°С молекулы воды с дейтерием и тритием, в отличие от «легкой» (протиевой) воды, находятся в метастабильно-твердом неактивном состоянии. Известно, что в загрязненных средах центры кристаллизации возникают на посторонних кристаллических частицах при небольших отклонениях температуры от равновесия. Поэтому при охлаждении до примерно 0.1-0.2°С тяжелая вода замерзает на частицах суспензии, на которых формируются центры кристаллизации тяжелой воды. Из теплообменника 3 по линии 13 водо-воздушную смесь подают в воздушный сепаратор 4, где воздух отделяют от воды. Воздух из сепаратора 4 отводят по линии 14, а по линии 15 отводят воду. Трубопроводом 15 воду из воздушного сепаратора 4 подают в емкость 5 осветления воды коагуляцией. Из емкости 5 осветленную воду насосом 6 по трубопроводу 16 подают в ультрафильтр 7 суспензии. Причем перед емкостью 5 осветлителя может быть установлен магнитный сепаратор, при использовании суспензии из ферромагнитных частиц. Очищенную от частиц суспензии в ультрафильтре 7 воду по линии 17 отводят в теплообменник 1, где этим потоком предварительно охлаждают свежую воду. Часть очищенной воды по линии 18 подают в устройство 2 подготовки легководной суспензии. Твердую фазу, содержащую частицы суспензии с осажденными на них кристаллами тяжелой воды, выводят из емкости 5 осветлителя и ультрафильтра 7 суспензии по линиям 19 в отделитель тяжелой воды 8. В отделителе 8 смесь нагревают так, что лед тяжелой воды плавится, и частицы суспензии отделяют от тяжелой воды с помощью центробежной сепарации и ультрафильтрации. После этого частицы суспензии высушивают и возвращают в устройство 2 подготовки легководной суспензии по линии 20. Полученную тяжелую воду отводят из отделителя 8 по линии 21.

Известно устройство (RU 98995) разделения легкой и тяжелой воды для получения пищевой протиевой талой воды с пониженным содержанием дейтерия, трития, солей и вредных примесей и повышенной биологической активностью. Устройство состоит из двух сообщающихся емкостей, расположенных друг над другом и соединенных между собой, в каждой емкости установлено по одному датчику объема воды, для контроля объема ее замерзания, которые подключены к входам управляющего устройства (УУ). Верхняя емкость заполняется водой и все устройство помещается в морозильную камеру холодильника или на улицу. При понижении температуры сначала замерзает «тяжелая» вода, что фиксируется датчиком и УУ подает сигнал либо открывает сливной клапан. В результате вода сливается в нижнюю емкость. При дальнейшем понижении температуры часть оставшейся воды начинает замерзать. Когда объем замерзшей воды достигнет примерно 2/3 содержимого нижней емкости, срабатывает датчик и УУ подает сигнал готовности. По этому сигналу извлекают емкость из морозильной камеры и сливают остатки незамерзшей воды. При этом, лед, оставшийся в емкости, служит для получения талой биологически активной воды.

Недостатком такого устройства является то, что для замораживания воды в емкости при теплообмене через стенку необходим градиент температур. При этом на внутренней стенке сосуда, заполненного водой, будет температура существенно ниже нулевой, т.е. ниже температуры замерзания протиевой воды. Поэтому в верхнем сосуде фактически будет происходить одновременное замерзание как тяжелой, так и легкой воды. Это фактически сводит на нет эффект разделения тяжелой и легкой воды при замораживании. При создании же очень малого перепада температур, который бы обеспечил начальное замерзание только тяжелой воды, процесс потребует значительного времени, что не применимо для высокопроизводительного производственного процесса.

Известно устройство ВИН-4 «Надiя» (Мосин О.В. Очистка воды от тяжелых изотопов дейтерия, трития и кислорода. Сантехника, Отопление, Кондиционирование. №9, 2012) по производству «легкой» воды с пониженным на 30-35% содержанием дейтерия и трития, использующая свойство молекулы воды с дейтерием и тритием находиться в метастабильно-твердом неактивном состоянии при низкой температуре. «Легкая» вода интенсивно испаряется в вакуумной емкости, а затем улавливается при помощи морозильного устройства, превращаясь в лед. «Тяжелая» же вода, находясь в неактивном твердом состоянии и обладая значительно меньшим парциальным давлением, остается в испарительной емкости исходной воды вместе с растворенными в воде солями и примесями. Когда толщина льда на поверхности трубчатых элементов морозильника достигает заранее заданной величины, процесс испарения прекращают. Вакуумный насос выключают, включают источники ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а в вакуумную емкость вводят очищенный воздух или смесь газов, затем доводят давление до уровня атмосферного или выше него. По мере облучения и таяния льда талая вода поступает в сборную емкость и проходит минерализацию, приобретая целебные биологически активные свойства.

Недостатком такого устройства является то, что в одном аппарате проводят несколько операций. Так, сначала, снижая давление в емкости, проводят удаление растворенных в воде газов, т.е. деаэрацию воды. После удаления газов начинают испарение воды и накопление льда. Для получения льда используют охлаждаемые трубчатые поверхности морозильника. Обрастая льдом, эти поверхности постепенно теряют в эффективности теплоотдачи. Для восстановления эффективного теплообмена трубчатые поверхности морозильника нужно размораживать. Все это требует периодического цикла работы устройства, что не позволяет организовать промышленное производство с большими объемами получаемой воды.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства для высокопроизводительного непрерывного отделения тяжелой воды от легкой с низким расходом энергии.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является высокопроизводительное устройство для получения легкой воды с низким содержанием примеси тяжелой воды. Особенно это относится к опресненной морской воде. Дополнительным результатом является низкий расход энергии при работе этого устройства.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что устройство разделения воды, состоящее из теплообменника предварительного охлаждения воды, смесительного теплообменника охлаждения, сепаратора разделения потоков воды и воздуха, дополнительно имеет устройство подготовки суспензии, соединенное трубопроводом готовой суспензии с выходным трубопроводом теплообменника предварительного охлаждения, который соединен со входом по воде с теплообменником охлаждения смесительного типа. Вход теплообменника смесительного типа по воздуху подключен трубопроводом к источнику холодного воздуха, выходной трубопровод теплообменника охлаждения соединен трубопроводом с воздушным сепаратором, выход которого по воде трубопроводом подключен к емкости осветления воды коагуляцией. Выход емкости коагуляции по воде трубопроводом, на котором установлен насос, подключен к ультрафильтру суспензии. Выход ультрафильтра по воде подключен трубопроводом к входу по охлаждающей среде теплообменника предварительного охлаждения воды. Выход по твердой фазе емкости осветления воды коагуляцией и ультрафильтра трубопроводом подключен к отделителю тяжелой воды, выход которого по твердой фазе подключен трубопроводом к устройству подготовки суспензии, а выход по воде подключен трубопроводом к накопительной емкости тяжелой воды.

Вход смесительного теплообменника охлаждения по воздуху подключен трубопроводом к нагнетателю атмосферного холодного воздуха.

Вход смесительного теплообменника охлаждения по воздуху подключен трубопроводом к выходному патрубку турбодетандерного блока, вход которого по воздуху соединен трубопроводом с воздушным выходом сепаратора.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 представлена схема устройства, использующего в качестве охлажденного воздуха атмосферный холодный воздух в зимнее время, а на фиг. 3 - использующего воздух замкнутого контура охлаждения воздуха с помощью турбодетандера.

На фиг. 2 трубопровод 9 обрабатываемой воды подключен к теплообменнику 1 предварительного охлаждения. К выходному трубопроводу 10 воды подключен трубопровод 11, соединяющий его с устройством 2 подготовки легководной суспензии (кристаллизационной затравки). Трубопровод 10 подключен ко входу теплообменника 3 смесительного типа. Выход теплообменника 3 трубопроводом 13 соединен со входом в воздушный сепаратор 4, воздушный выход которого трубопроводом 14 соединен с атмосферой, а водяной выход трубопроводом 15 подключен к емкости 5 осветления воды коагуляцией. Выход емкости 5 по осветленной воде трубопроводом 16, на котором установлен насос 6, соединен со входом в ультрафильтр 7. Выход ультрафильтра 7 по воде подключен трубопроводом 17 к входу по охлаждающей среде теплообменника 1 предварительного охлаждения исходной воды. К трубопроводу 17 также подключен трубопровод 18, который соединен с устройством 2 подготовки легководной суспензии. Выходы по твердой фазе емкости 5 осветления воды коагуляцией и ультрафильтра 7 трубопроводами 19 подключены к отделителю тяжелой воды 8. Выход отделителя 8 по твердой фазе трубопроводом 20 подключен к устройству 2 подготовки легководной суспензии, а выход по тяжелой воде трубопроводом 21 подключен к накопительной емкости тяжелой воды (не показано). Вход смесительного теплообменника 3 по воздуху подключен трубопроводом 12 к нагнетателю атмосферного холодного воздуха 22.

На фиг. 3 показано устройство, которое содержит турбодетандерный блок. Здесь вход смесительного теплообменника 3 по воздуху подключен трубопроводом 12 к турбодетандеру 23. Турбодетандер 23 смонтирован на одном валу с воздушным компрессором 24 и приводным двигателем 25. Вход в компрессор 24 соединен с трубопроводом 14 воздушного сепаратора 4. Выход компрессора 24 по воздуху соединен со входом в турбодетандер 23 трубопроводом 26, который проходит через холодильник 27 и влагоотделитель 28. В холодильник 27 охлаждающая среда подается по трубопроводу 29.

Устройство работает следующим образом. Предварительно очищенная вода по трубопроводу 9 подается в теплообменник 1 предварительного охлаждения, где охлаждается. В выходной трубопровод 10 предварительно охлажденной воды по трубопроводу 11 из устройства 2 подают подготовленную легководную суспензию. Хорошо перемешанная вода с твердыми микро- и нано- частицами распыляется холодным воздухом в теплообменник 3 смесительного типа. Холодный воздух в теплообменник 3 по трубопроводу 12 нагнетается нагнетателем 22 из атмосферы (фиг. 2). В теплообменнике 3 распыленная вода охлаждается до температуры примерно 0.1-0.2°С. При этом тяжелая вода замерзает на частицах суспензии, на которых формируются центры кристаллизации тяжелой воды. После этого воздушно-водяная смесь по трубопроводу 13 подается в воздушный сепаратор 4. В сепараторе 4 смесь разделяется на воздух, который отводится по воздушному трубопроводу 14, и воду, которая отводится по трубопроводу 15. Воздух выбрасывается в атмосферу, а вода подается по трубопроводу 15 в емкость 5 осветления воды коагуляцией. Осветленную воду насосом 6 по трубопроводу 16 закачивают в ультрафильтр 7, где вода окончательно очищается от твердых частиц с кристаллами тяжелой воды. Чистая вода, из которой удалена твердая фаза с кристаллами тяжелой воды, по трубопроводу 17 поступает в теплообменник 1, где охлаждает поступающую на очистку свежую воду. Часть чистой воды по трубопроводу 18 подают в устройство 2 для приготовления легководной суспензии. Твердую фазу из емкости 5 осветления воды коагуляцией и ультрафильтра 7 трубопроводами 19 подают в отделитель 8 тяжелой воды. Здесь смесь твердых частиц и кристаллов тяжелой воды нагревают, тяжелая вода переходит в жидкую фазу. Жидкую фазу от твердой отделяют центробежной сепарацией и ультрафильтрацией (не показано). Твердую фазу по трубопроводу 20 высушивают и возвращают (показано условно) в устройство 2 подготовки легководной суспензии.

При отсутствии холодного атмосферного воздуха установка работает с турбодетандерным блоком (фиг. 3). В этом случае холодный воздух в теплообменник 3 по трубопроводу 12 поступает из турбодетандера 23. Воздух из воздушного сепаратора 4 по трубопроводу 14 поступает в компрессор 24. После сжатия воздух по трубопроводу 26 проходит через холодильник 27. Выпадающая из воздуха в результате охлаждения в холодильнике 27 капельная влага отделяется во влагоотделителе 28, а осушенный воздух расширяется в турбодетандере 23, охлаждаясь до необходимой температуры. При охлаждении воздуха в холодильнике 27 его тепло передается к потоку охладителя, который поступает по трубопроводу 29. При точном выдерживании расходов обрабатываемой воды и холодного воздуха и их температур легко поддерживается на выходе из теплообменника 3 необходимая температура смеси 0.1-0.2°С.

Заявленная группа изобретений относится к разделению тяжелой и легкой воды, особенно в опресненной морской воде. В предварительно охлажденную воду добавляют легководную суспензию частиц в качестве центров кристаллизации тяжелой воды. Затем воду распыляют в поток холодного воздуха. После достижения температуры водовоздушной смеси 0,1-0,2°С воду отделяют от воздуха. Далее воду осветляют с помощью коагулянта и окончательно отфильтровывают частицы с осажденными на них кристаллами тяжелой воды в ультрафильтре при постоянной температуре, получая легкую воду. Твердые частицы возвращают в процесс для создания легководной суспензии, а очищенной легкой водой предварительно охлаждают воду, поступающую на разделение. Технический результат: получение воды с низким содержанием примеси тяжелой воды при высокой производительности и низком расходе энергии. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ разделения легкой и тяжелой воды, основанный на разнице температур замерзания тяжелой и легкой фракций воды, отличающийся тем, что в предварительно охлажденную разделяемую воду добавляют легководную суспензию частиц в качестве центров кристаллизации тяжелой воды, затем воду распыляют в поток холодного воздуха, после достижения температуры водовоздушной смеси 0.1-0.2°С воду отделяют от воздуха, осветляют с помощью коагулянта и окончательно отфильтровывают частицы с осажденными на них кристаллами тяжелой воды в ультрафильтре при постоянной указанной температуре, получая легкую воду.

2. Способ разделения легкой и тяжелой воды по п. 1, отличающийся тем, что при обработке коагулята и очистке ультрафильтра отделенную твердую фазу нагревают до плавления кристаллов тяжелой воды и отделяют тяжелую воду с помощью центробежной сепарации и ультрафильтрации, а твердую фазу высушивают и возвращают в процесс получения легководной суспензии частиц.

3. Способ разделения легкой и тяжелой воды по п. 1, отличающийся тем, что для получения легководной суспензии частиц используют ферромагнитные вещества, например магнетит, при этом воду после вымораживания кристаллов тяжелой воды на частицах суспензии перед коагуляцией и ультрафильтрацией предварительно очищают от частиц в магнитном сепараторе.

4. Устройство разделения легкой и тяжелой воды, состоящее из теплообменника предварительного охлаждения воды, смесительного теплообменника охлаждения, сепаратора разделения потоков воды и воздуха, отличающееся тем, что оно дополнительно имеет устройство подготовки суспензии, соединенное трубопроводом готовой суспензии с выходным трубопроводом теплообменника предварительного охлаждения, который соединен со входом по воде с теплообменником охлаждения смесительного типа, вход которого по воздуху подключен трубопроводом к источнику холодного воздуха, выходной трубопровод теплообменника охлаждения соединен трубопроводом с воздушным сепаратором, выход которого по воде трубопроводом подключен к емкости осветления воды коагуляцией, которая по очищенной воде трубопроводом, на котором установлен насос, подключен к ультрафильтру суспензии, выход ультрафильтра по воде подключен трубопроводом к входу по охлаждающей среде теплообменника предварительного охлаждения воды, при этом выход по твердой фазе емкости осветления воды коагуляцией и ультрафильтра трубопроводом подключен к отделителю тяжелой воды, выход которого по твердой фазе подключен трубопроводом к устройству подготовки суспензии, а выход по воде подключен трубопроводом к накопительной емкости тяжелой воды.

5. Устройство разделения легкой и тяжелой воды по п. 4, отличающееся тем, что вход смесительного теплообменника охлаждения по воздуху подключен трубопроводом к нагнетателю атмосферного холодного воздуха.

6. Устройство разделения легкой и тяжелой воды по п. 4, отличающееся тем, что вход смесительного теплообменника охлаждения по воздуху подключен трубопроводом к выходному патрубку турбодетандерного блока, вход которого по воздуху соединен трубопроводом с воздушным выходом сепаратора.