УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ ЛЕГКОЙ И ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/22 B01D59/08 C01B5/02 

Известно, что природные воды содержат как молекулы легкой воды H₂O, 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. Легкая протиевая вода Н₂О считается «живой» и поддерживает жизнедеятельность растений и животных, а тяжелая, дейтериевая вода относится к условной категории «мертвой» 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, полива пищевых растений и содержания домашних животных в городе возросло количество онкологических заболеваний и случаев появления мертворожденных детей.

В связи с этим в странах Средиземноморья и Персидского залива, в которых сосредоточено более 50% опреснительных установок, имеющихся в мире, разрешают использовать уже существующие на их территориях опреснительные установки только для технических и хозяйственных нужд, исключающих попадание опресненной воды 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 и устройства 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.

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 устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелой воды при низком расходе энергии при работе этого устройства.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что устройство разделения воды, состоящее из регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды, охладителя и вымораживателя тяжелой воды, дополнительно имеет устройство подготовки кристаллизационной затравки в виде суспензии твердых микро- и наночастиц, соединенное трубопроводом готовой суспензии со смесителем на выходном трубопроводе регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды. Этот трубопровод подключен к первому теплообменнику мгновенного вскипания, являющемуся охладителем воды. Выходной трубопровод по пару первого теплообменника мгновенного вскипания соединен трубопроводом с водяным эжектором, выход которого подключен трубопроводом к входному трубопроводу регенеративного теплообменника. Вход водяного эжектора по воде трубопроводом, на котором установлен нагнетательный насос, подключен к выходному трубопроводу регенеративного теплообменника. Выходной трубопровод первого теплообменника мгновенного вскипания по воде трубопроводом соединен со вторым теплообменником мгновенного вскипания, являющимся вымораживателем тяжелой воды. Выходной трубопровод по пару второго теплообменника мгновенного вскипания соединен трубопроводом с водяным эжектором, вход которого по воде трубопроводом, на котором установлен нагнетательный насос, подключен к трубопроводу очищенной воды. Выходной трубопровод по воде второго теплообменника мгновенного вскипания трубопроводом, на котором установлен откачивающий насос, соединен с емкостью осветления воды коагуляцией. Емкость осветления по очищенной воде трубопроводом, на котором установлен насос, подключена к ультрафильтру суспензии. Выход ультрафильтра по воде подключен трубопроводом ко входу по охлаждающей среде регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды, при этом выходы по твердой фазе емкости осветления воды коагуляцией и ультрафильтра трубопроводами подключены к отделителю тяжелой воды. Выход отделителя тяжелой воды по твердой фазе подключен трубопроводом к устройству подготовки суспензии, а выход по воде подключен трубопроводом к накопительной емкости тяжелой воды.

Второй теплообменник мгновенного вскипания, емкость осветления воды коагуляцией, ультрафильтр суспензии и соединяющие их трубопроводы с насосами имеют теплоизоляцию, обеспечивающую поддержание температуры протекающих в них процессов равной 0.1-0.2°С.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом на фиг.1.

На фиг.1 трубопровод 1 обрабатываемой воды подключен к регенеративному теплообменнику 2 предварительного охлаждения. На выходном трубопроводе 3 предварительно охлажденной воды теплообменника 2 установлен смеситель 4, к которому трубопроводом 5 подключено устройство 6 подготовки легководной суспензии микро- и наночастиц (кристаллизационной затравки). Трубопровод 3 подключен к входу первого теплообменника 7 мгновенного вскипания, являющегося охладителем воды. Выход по пару теплообменника 7 трубопроводом 8 соединен с входом в водяной эжектор 9 по эжектируемой среде, выход из которого трубопроводом 10 соединен с трубопроводом 1 регенеративного теплообменника 2 предварительного охлаждения. Вход по воде водяного эжектора 9 трубопроводом 11, на котором установлен насос 12, подключен к трубопроводу 3 предварительно охлажденной воды. Водяной выход теплообменника 7 трубопроводом 13 подключен ко второму теплообменнику 14 мгновенного вскипания, являющимся вымораживателем тяжелой воды. Паровой выход теплообменника 14 трубопроводом 15 подключен к входу в водяной эжектор 16 по эжектируемой среде. Водяной выход теплообменника 14 трубопроводом 17, на котором установлен откачивающий насос 18, подключен к емкости 19 осветления воды. Выход емкости 19 по осветленной воде трубопроводом 20, на котором установлен насос 21, соединен со входом в ультрафильтр 22. Выход ультрафильтра 22 по воде подключен трубопроводом 23 к входу по охлаждающей среде регенеративного теплообменника 2 предварительного охлаждения исходной воды. К трубопроводу 23 также подключен трубопровод 24, который соединен с устройством 6 подготовки легководной суспензии. Выходы по твердой фазе емкости 19 осветления воды коагуляцией и ультрафильтра 22 трубопроводами 25 подключены к отделителю тяжелой воды 26. Выход отделителя 26 по твердой фазе трубопроводом 27 подключен к устройству 6 подготовки легководной суспензии, а выход по тяжелой воде трубопроводом 28 подключен к накопительной емкости тяжелой воды (не показано). Водяной эжектор 16 по эжектирующей воде подключен трубопроводом 29, на котором установлен насос 30, к трубопроводу 24. Трубопровод 31 водяного эжектора 16 отводит воду в трубопровод 23 (не показано). Теплообменник 14, емкость 19 осветления воды коагуляцией, ультрафильтр 22, насосы 18 и 21, трубопроводы 17 и 25 имеют теплоизоляцию 32, показанную условно.

Устройство работает следующим образом. Предварительно очищенная деаэрированная вода по трубопроводу 1 подается в регенеративный теплообменник 2 предварительного охлаждения, где охлаждается. В смеситель 4, установленный на выходном трубопроводе 3 предварительно охлажденной воды, по трубопроводу 5 из устройства 6 подают подготовленную легководную суспензию. Хорошо перемешанная вода с твердыми микро- и наночастицами распыляется в первый теплообменник 7 мгновенного вскипания, являющийся охладителем. В теплообменнике 7 распыленная вода охлаждается до температуры примерно 3°С. Образующийся при этом пар по трубопроводу 8 откачивается водяным эжектором 9. Эжектирующей средой при этом является предварительно охлажденная вода из трубопровода 3, которая насосом 12 по трубопроводу 11 нагнетается в водяной эжектор 9. В результате повышения давления и конденсации пара по трубопроводу 10 вода возвращается в трубопровод 1 на вход теплообменника 2. Охлажденная вода из теплообменника 7 по трубопроводу 13 подается во второй теплообменник 14 мгновенного вскипания, являющийся вымораживателем тяжелой воды. За счет откачки пара по трубопроводу 15 в теплообменнике 14 поддерживается давление, при котором температура кипения воды равна 0.1 - 0.2°С.При этом тяжелая вода замерзает на частицах суспензии, на которых формируются центры кристаллизации тяжелой воды. Пар по трубопроводу 15 откачивают водяным эжектором 16. При этом эжектирующей средой является очищенная от примеси тяжелых изотопов холодная вода, которая по трубопроводу 29 нагнетается насосом 30 в эжектор 16. После сжатия и конденсации пара в эжекторе 16 воду из него отводят по трубопроводу 31. Воду из теплообменника 14 мгновенного вскипания с образовавшимися на центрах кристаллизации частицами льда тяжелой воды, откачивают насосом 18 и по трубопроводу 17 подают в осветлитель 19. Осветленную воду насосом 21 по трубопроводу 20 закачивают в ультрафильтр 22, где вода окончательно очищается от твердых частиц с кристаллами тяжелой воды. Чистая вода, из которой удалена твердая фаза с кристаллами тяжелой воды, по трубопроводу 23 поступает в регенеративный теплообменник 2, где предварительно охлаждает поступающую на очистку свежую воду. Часть чистой воды по трубопроводу 24 подают в устройство 6 для приготовления легководной суспензии. Твердую фазу из емкости 19 осветления воды коагуляцией и ультрафильтра 22 трубопроводами 25 подают в отделитель 26 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 высушивают и по трубопроводу 27 возвращают (показано условно) в устройство 6 подготовки легководной суспензии.

При точном поддержании давления в теплообменнике 14, за счет наличия теплоизоляции 32, показанной условно, температура воды в теплообменнике 14, емкости 19 осветления воды коагуляцией, ультрафильтре 22, в насосах 18 и 21 и трубопроводах 17 и 25 поддерживается равной 0.1-0.2°С, что позволяет вымораживать примесь тяжелой воды на центрах кристаллизации и отделять твердую фазу с кристаллами льда тяжелой воды от жидкой легкой воды.

Пример 1. Известно (М.П. Вукалович, И.И. Новиков. Техническая термодинамика, М. 1968, стр. 484), что в пароэжекторных холодильных машинах, работающих на водяном паре, без затруднений достигается температура 0°С. При этом давление пара составляет примерно 0.0062 бар. В предложенной установке обрабатываемая вода является рабочим телом такой пароэжекторной холодильной машины. Примем, что температура воды за теплообменником 2 равна 10°С, а в теплообменнике 7 равна 3°С. Тогда энтальпия воды на входе в теплообменник 7 равна 41.99 кДж/кг (С.Л. Ривкин, А.А. Александров. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М. Энергия, 1980), а энтальпия насыщенной воды в теплообменнике 7 равна 12.6 кДж/кг, при этом теплота испарения равна 2493.9 кДж/кг. Отсюда при вскипании воды в теплообменнике 7 образуется (41.99-12.6)72493.9=0.01178 кг пара на каждый кг поданной воды. Соответственно, 0.9882 кг воды поступает в теплообменник 14. При температуре 1°С в теплообменнике 14 энтальпия воды на линии насыщения равна 4.17 кДж/кг, а теплота испарения 2498.6 кДж/кг. Отсюда при вскипании воды в теплообменнике 14 образуется (12.6-4.17)/2498.6=0.003374 кг пара. Если бы в теплообменнике 14 поддерживались параметры, соответствующие тройной точке воды (t=0.01°С, р=611.657 Па), то при вскипании образовывалось (12.6-0.000614)/2501=0.00504 кг пара. Таким образом, эжектором 9 откачивается 0.01178 кг пара на каждый кг поданной воды, а эжектором 16 откачивается 0.003334 - 0.00504 кг пара.

Изобретение относится к устройству очистки обессоленной морской воды от тяжелой воды. Установка состоит из регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды, охладителя и вымораживателя тяжелой воды. Дополнительно она имеет устройство подготовки кристаллизационной затравки в виде суспензии твердых микро- и наночастиц, соединенное трубопроводом готовой суспензии со смесителем на выходном трубопроводе регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды. Теплообменник предварительного охлаждения подключен к первому теплообменнику мгновенного вскипания, выходной трубопровод по пару которого соединен с водяным эжектором. Выход эжектора подключен к входному трубопроводу регенеративного теплообменника, а вход его по воде подключен к выходному трубопроводу регенеративного теплообменника. Выходной трубопровод первого теплообменника мгновенного вскипания по воде соединен со вторым теплообменником мгновенного вскипания, выходной трубопровод по пару которого соединен с водяным эжектором. Вход эжектора по воде подключен к трубопроводу очищенной воды. Выход второго теплообменника по воде соединен с емкостью осветления воды коагуляцией. Емкость по очищенной воде подключена к ультрафильтру суспензии. Выход ультрафильтра по воде подключен трубопроводом очищенной воды к входу по охлаждающей среде регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды. Выходы по твердой фазе емкости осветления воды коагуляцией и ультрафильтра подключены к отделителю тяжелой воды, выход которого по твердой фазе подключен к устройству подготовки суспензии, а выход по воде подключен к накопительной емкости тяжелой воды. Технический результат: получение воды с пониженным содержанием тяжелой воды при низком расходе энергии при работе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Установка разделения легкой и тяжелой воды, состоящая из регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды, охладителя и вымораживателя тяжелой воды, отличающаяся тем, что она дополнительно имеет устройство подготовки кристаллизационной затравки в виде суспензии твердых микро- и наночастиц, соединенное трубопроводом готовой суспензии со смесителем на выходном трубопроводе регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды, который подключен к первому теплообменнику мгновенного вскипания, являющемуся охладителем воды, выходной трубопровод по пару которого соединен трубопроводом с водяным эжектором, выход которого подключен трубопроводом к входному трубопроводу регенеративного теплообменника, а вход его по воде трубопроводом, на котором установлен нагнетательный насос, подключен к выходному трубопроводу регенеративного теплообменника, выходной трубопровод первого теплообменника мгновенного вскипания по воде трубопроводом соединен со вторым теплообменником мгновенного вскипания, являющимся вымораживателем тяжелой воды, выходной трубопровод по пару которого соединен трубопроводом с водяным эжектором, вход которого по воде трубопроводом, на котором установлен нагнетательный насос, подключен к трубопроводу очищенной воды; выход второго теплообменника по воде трубопроводом, на котором установлен откачивающий насос, соединен с емкостью осветления воды коагуляцией, которая по очищенной воде трубопроводом, на котором установлен насос, подключена к ультрафильтру суспензии, выход ультрафильтра по воде подключен трубопроводом очищенной воды к входу по охлаждающей среде регенеративного теплообменника предварительного охлаждения воды, при этом выходы по твердой фазе емкости осветления воды коагуляцией и ультрафильтра трубопроводами подключены 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.

2. Установка разделения легкой и тяжелой воды по п. 1, отличающаяся тем, что второй теплообменник мгновенного вскипания, являющийся вымораживателем тяжелой воды, емкость осветления воды коагуляцией, ультрафильтр суспензии и соединяющие их трубопроводы с насосами имеют теплоизоляцию, обеспечивающую поддержание температуры протекающих в них процессов равной 0,1-0,2°С.