Способ концентрирования водных растворов вымораживанием Советский патент 1984 года по МПК B01D9/00 

Изобретение относится к переработке водных растворов неорганических солей и может быть использовано для переработки сточных вод химикотехнологических, гидронеталлургичес ких и других производств с целью выделения пресной воды, уменьшения выбросов со сточнь ми водами и утилизации, солей, содержащихся в раствор а также для концентрирования технологических растворов. Известен способ концентрирования водных растворов вымораживанием,. включающий охлаждение раствора при его контактировании с хладагентом, сепарацию льда от рассола, промывку и плавление льда tl 1 Недостатками данного способа являются йизкое качество получаемых пресной воды и рассолу из-за наличия в них примесей вредных веществ, применяека 1х в качестве контактирующего с раствором хладагента, посколь ку вскипающие частицы хладагента являются центрами кристаллизации воды, при этом неизбежны включения агента в структуру льда (повышенное содержание вредных примесей в продуктах переработки обусловлено растворимостью хладагентов в воде, хотя бы и малой, а также тонкодисперсным эмульгированием), повышенный расход дорогостоящих хладагентов (фреоны, бутан и др.) в связи с их большими утечками с уходящими пресной водой и рассолом, вредное воздействие на окружающую среду вследствие утечек ток сичньк веществ (фреонов, бутана и др Цель изобретения - снижение содержания примесей в отделенной воде и повьшение степени концентрирования раствора путем селективного отбора менее загрязненных и более крупных кристаллов льда, а также повышение его экономичности за счет выделения растворенных веществ в твердой фазе Поставленная цель,достигается тем,что согласно способу концентриро вания водных растворов вымораживанием включающему подачу хладагента, контакт его с раствором с образованием кристаллов льда и концентрированного раствора, сепарацию кристаллов льда от раствора, промывку и плавление льда, хладагент подают в газообразном состоянии, а контакт его с раств ром осуществляют в режиме флотации. Целесообразно температуру и концентрацию раствора поддерживать в области эвтектической точки. Газообразное состояние хладагента обеспечивает невысокую скорость образования кристаллов льда, что препятствует их загрязнению растворенными веществами, а флотационный режиг контакта хладагента с раствором обуславливает селективный отбор относительно чистых и крупных кристаллов. На фиг. 1 показана зависимость температуры замерзания воды в зависимости от концентрации соли в растворе на фиг. 2 - процесс изменения состояния хладагента-газа при его контактировании с раствором. 1 Рабочий процесс переработки раствора протекает следующим образом. Охлажденньй воздух через аэратор поступает в нижнюю часть емкости с исходным раствором и в виде пузырьков барботирует через раствор. При аэрации раствора большим количеством всплывающих воздушных пузырьков образуется ледяная .суспензия в верхней зоне раствора. Образовавшийся лед удаляется съемником, а воздух улавливается и возвращается на дополнительное охлаждение и аэрацию. Четкая селекция льда от раствора обеспечивается не только низкой плотностью льда по сравнению с раствором, но и вкраплрнием воздушных пузырьков в кристаллы льда, ускоряющим процесс всплывания льда. В случае образования в растворе кристаллов соли за Счет снижения температуры эти кристаллы седиментационно опускаются в нижнюю часть раствора и могут быть вьщелены как самостоятельньй продукт. Кривая АОЭ йа фиг. 1 характеризует зависимость температуры замерзания воды в водосолевом растворе в зависимости от концентрации соли в растворе. Точка О (фиг. 1) определяется наивысшей температурой образования льда TO в растворе исходной концентрации Bfl и при малых начальных солесодержаниях близка к точке /4 , характеризующей температуру замерзания чистой воды Тд , равную 273 К. Например, для водного раствора NaCI с начальной концентрацией солей 8о 2 мас.%,То «. 272 К. Точка 3 является эвтектической точкой раст«вора со строго определенными п рамет Например, для вЬдного рами 6, раствора NaC1 6j 23,3 мас.%, Tj 251,95К. Вдоль кривой ОЭ происходит вьщеление кристаллов .льда из раствора, в точке Э образуются также кристаллы солевых гидратов. На кривой 03 существуют две фазы: рассол доэвтектической концентрации и кристаллы льда, в точке Э - три фазы: рассол эвтектической концентрации, кристаллы льда и кристаллы солевых гидратов. Например, для раст вора NaCI с начальной концентрацией Во 2 мае.%при исходной температур 272 К: (над кривой 03 ). существует только раствор NaC1+ на кривой 03 раствор NaCI+Н20 с концентрацией В и температурой Т (при а Тд Т TO ) сосуBOществует с кристаллами льда , а в точке 9 (Вд, Tj ) к указанным фазам добавляются кристаллы солевых гидратов NaC1-2Н20. Для получения из раствора концентрата и льда (фиг. 1) необходимо поддерживать температуру раствора Тр в пределах Тд а для. выделения рассола, льда и солевых гидратов температуру раствора следует снижать вплоть до Тд .

Параметры

Исходная концентрация NaCI в растворе, %

Достижимая конЦентрацияNaCI в переработанном рассоле, %

Концентрация NaCI

в отделенной воде, г/л

Концентрация органических примесей в отделенной воде, %Концентрация органических примесей в рассоле, %

Степень концентрирования раствора

Способ

Предлагаемый (по способу заморали-шаиия при контакте с инертным газом)

20

0,5+5

10 На фиг 2 в координатах температура-энтропия представлен процесс изменения состояния хладагента-газа при его контактировании с раствором. В отличие от изотермического испарения хладагента в способе переработки, являющемся прототипом, в данном случае происходит изобарический нагрев хладагента в газ.овой .области его термодинамических параметров. Т здесь обозначает температуру хладагента, вступающего в контакт с раствором, Т2 - температуру .хладагента, проконтактировавшего с раствором. Температура Т выбирается из условий Т. Тр , для рассматриваемого примера должна быть Т 262 К и, в частности, может быть равна Т 252 К, При этом степень концентрирования раствора и; составит -1 .-В таблице приведены некоторые параметры известного и предлагаемого способов переработки растворов- -замораживанием (данные исследований приведены для концентрирования раствора NaCI с начальной концентрацией 2 мас..%).

Прототип (по способу замораживания при контакте с кипящими хладагенСтепень извлечения пресной воды

Расход энергии,

Загрязнение окружающей среды хладагентами (фреоны и др.), Z

«

Потери дорогостоящего хладагента (фреонов) в окружающую среду %

Продолжение таблицы

Способ

Предлагаемый (по способу замораживания при контакте с инертным газом) тами)

0,95 50+100

0+30 0+5

1. СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ВЫМОРАЖИВАНИЕМ, включающий п одачу хладагента, конта его с раствором с образованием крис таллов льда и концентрированного ра -../ вора, сепарацию кристаллов льда от раствора, промывку и плавление льда, отличающийся тем, что,..сцелью снижения содержания примесей в отделенной воде и повышения степени концентрирования раствора путем селективного отбора менее загрязненных и более крупных кристаллов, хладагент подают в газообразном состоянии, а контакт его с раствором осуществляют в режиме флотации. 2. Способ по п. 1, от л.и ч а ю и с я тем, что, с целью повышения его экономичности за счет выделения растворенных веществ в твердой фазе, температуру и кон1дентра- i цию pactBopa поддерживают в области эвтектической точки. bf Ь Cpvt, f

Как видно иэ таблищ|, содержание iNaCI в отделенной воде для предлагаемого способа меньше., чем для известного способа замор мсивания через теплопередакщую стенку и при контакте с кипящими хладоносителями. Кроме того, отделенная вода и раствор в предлагаемом способе свободны от примесей органических веществ в отличие от прототипа, сзщественно выше степень концентрирования, потери дорогостоящих хладагентов и загрязнение окружающей среды в предлагаемом способе значительно снижены.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом характеризуется повышенным качеством получаемых пресной

воды и рассола вследствие их контактирования с инертным хладагентом воздухом, не претерпевающие в процессе контактирования фазовых превращений, применением доступных и дешевых

хладагентов при этом расход дорогостоящих хладагентов (галоидных производных метана) предельно снижен. Кроме того, предлагаег й способ обеспечивает снижение экологической вредности за счет ликвидации потерь токсичных хладагентов.