Учебное пособие 800534

онные установки» дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий» [9].

6.3.6.2. Обессоливание воды ионным обменом

Более чистую воду (по сравнению с полученной при однократной дистилляции в промышленном масштабе) дает последовательная обработка ее на ионообменных смолах —

катионитах и анионитах, предварительно переведенных в Н

и ОН -форму.

Обмен катионов на катионите происходит по типовой реакции

K OH MeАн K Me HAн

где K - сложный радикал катионита;

Me - катионы солей, подлежащие извлечению из

воды;

Aн - анионы солей в растворе.

Обмен анионов на анионите осуществляется по типовой реакции

A OH HАн A Aн H2O

где A - сложный радикал анионита.

Катиониты по своим свойствам разделяются на слабо- и сильнокислотные, а аниониты — на слабо- и сильноосновные. Слабоосновные аниониты могут поглощать только ионы

сильных кислот, например SO42 и С1 . Сильноосновные

аниониты отличаются от слабоосновных тем, что кроме ионов сильных кислот они могут поглощать также и ионы слабых кислот, например угольной и кремниевой, заменяя их на ио-

ны ОН . Слабоосновные аниониты применяют для того, чтобы разгрузить сильноосновные анионитные фильтры.

Преимуществом слабоосновных анионитов по сравнению с сильноосновными анионитами является меньшая их

110

стоимость при высокой рабочей способности поглощения, а также меньший расход реагента на регенерацию.

Обессоливание природных вод для питания прямоточных котлов (любых давлений) считается экономически целесообразным, когда суммарное содержание сульфатных, хлоридных и нитратных ионов в исходной воде не превышает 3 - 4 мг-экв/л (солесодержание не более 300 мг/л).

При одноступенчатой схеме обессоливания воды (Н- катионирование - удаление углекислоты - ОН-анионирование) общее содержание растворенных солей может быть снижено до 2 - 10 мг/л, что не всегда удовлетворяет технологическим требованиям.

Вмногоступенчатых установках воду последовательно обрабатывают сначала на слабоионитовых фильтрах, а затем на сильноионитовых.

При обессоливании воды в две ступени общее содержание растворенных солей в воде может быть снижено до 1 - 3 мг/л (в том числе содержание кремниевой кислоты до 0,15 мг/л).

При более высоких требованиях к качеству обессоленной воды (солесодержание 0,05—0,1 мг/л, в том числе кремниевой кислоты 0,02— 0,05 мг/л), применяют технологические схемы с трехступенчатым ионированием.

Всхемах глубокого обессоливания воды применяют так называемые фильтры смешанного действия — ФСД, содержащие смесь Н-катионита и ОН-анионита.

Для получения обессоленной воды особой степени чистоты (ОСЧ) разработана технологическая схема, состоящая из десяти стадий обработки питьевой воды.

6.3.6.3. Опреснение воды

Многие страны испытывают недостаток в пресной воде. Наряду со странами, расположенными в безводных районах земного шара - Кувейт, Алжир, Марокко и др., к ним относятся даже такие страны, как Соединенные Штаты Америки.

111

Россия по ресурсам поверхностных пресных вод занимает первое место в мире. Однако до 80% этих ресурсов приходится на районы Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20% пресноводных источников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностью населения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством.

Вместе с тем ряд районов нашей страны располагает большими запасами подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемых для нужд водоснабжения из-за неприемлемо высокого содержания растворенных солей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения при условии их опреснения.

Проектные проработки показывают, что подача пресной воды из естественного источника даже на расстояние до 300400 км дешевле опреснения только для крупных водопотребителей.

Оценка эксплуатационных запасов солоноватых и соленых подземных вод в случае удаленности от естественных пресноводных источников позволяет сделать вывод о том, что опреснение является для них единственно возможным способом водообеспечения.

Наряду с этим во многих районах, чаще всего наиболее развитых в промышленном отношении, имеющиеся естественные пресноводные источники все более и более загрязняются промышленными и бытовыми стоками и становятся непригодными для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Применяемые в технике опреснения соленых вод методы могут быть с успехом использованы для возвращения природе использованной воды, не ухудшающей состояния пресных водоемов.

К настоящему времени в мировой практике определились следующие основные, методы опреснения воды: дистилляция, ионный обмен, электродиализ, вымораживание (газогидратный метод), гелиоопреснение и обратный осмос (гиперфильтрация).

112

Многообразие методов объясняется тем, что ни один из них не может считаться универсальным, приемлемым для любых конкретных местных условий.

Дистилляция (термический метод) является наиболее изученным и распространенным методом опреснения соленых, особенно морских вод. Этот метод целесообразен в тех случаях, когда в наличии имеется крупный источник дешевого тепла и большой водоем исходной воды.

Сочетание дистилляционной установки с тепловой электростанцией на минеральном или ядерном топливе, так называемая многоцелевая энергетическая установка, позволяет обеспечить промышленный район всеми видами энергетических услуг по минимальной себестоимости при наиболее рациональном использовании топлива7.

Основная трудность опреснения дистилляцией заключается в предотвращении образования накипи на теплообменных поверхностях.

Сущность методов предотвращения образования накипи сводится к устранению одного или нескольких условий, вызывающих ее образование.

За рубежом наиболее распространен метод предотвращения карбонатной накипи (и гидрата окиси магния), называемый «методом контроля рН» (стабилизация подкислением). Сущность этого метода сводится к устранению ионов CO32 и

HCO3 путем введения в испаряемую исходную воду стехио-

метрического (теоретически необходимого) количества кислоты (обычно H2SO4 ) и проведения дегазации с целью удаления

CO2 . Этот метод требует весьма точного дозирования и кон-

7 В Советском Союзе впервые в мире в 1972 году была построена и запущена атомная опреснительная установка, поставлявшая пресную воду для города Шевченко (п-ов Мангышлак) и промышленных объектов в объ - ме 120 000 м³ в сутки, на основе реактора на быстрых нейтронах БН-350 с установленной тепловой мощностью 350 МВт.

113

троля, чтобы избежать кислотности, вызывающей коррозию материалов.

Умягчение воды с помощью ионообменных смол является одним из эффективных методов предупреждения образования накипи, однако он дороже предварительной кислотной обработки воды.

В Советском Союзе был разработан и получил широкое распространение метод предотвращения накипеобразования с помощью «затравки» (модификация метода контактной стабилизации Лажелье). Этот метод заключается в следующем. В исходную испаряемую воду перед ее поступлением на установку вводят мелкодисперсное вещество состава выделяющейся накипи. Соединения, образующие накипь, кристаллизуются на частицах затравки, а поверхности теплообменных аппаратов остаются свободными от накипи. Затравку, выводимую из опреснительной установки с концентратом морской воды, улавливают с помощью вертикального отстойника и возвращают в систему.

Применение этого метода эффективно в аппаратах специальной конструкции, в которых кипение из трубок греющих камер вынесено в надтрубное пространство (вынесенная зона кипения).

Основными типами дистилляционных установок, которые в настоящее время получают широкое распространение, являются установки мгновенного испарения и многоступенчатые выпарные установки (см. соответствующий раздел курса «Тепломассообменное оборудование предприятий») [10].

Ионообменное опреснение воды, как и ионообменное обессоливание, заключается в последовательном фильтровании соленой воды через катионитные и анионитные фильтры, периодически регенерируемые кислотой и щелочью. Рентабельность применения этого метода ограничивается исходным содержанием растворенных солей 1,5-2,5 г/л. Однако при необходимости, когда себестоимость воды не играет большой роли, можно опреснять ионообменным методом воду с весьма высоким солесодержанием.

114

Ионообменный способ опреснения имеет ряд достоинств: простота оборудования, малый расход исходной воды на собственные нужды (15-20 % производительности установки), малый расход электроэнергии, малый объем сбросных род и др. Недостаток ионообменного метода - необходимость в расходовании реагентов; однако в рассмотренных технологических схемах расход их сведен до минимума.

Электродиализ как метод опреснения соленых вод получил промышленное значение лишь после освоения производства селективных ионообменных мембран из ионитных смол. Ведь от их свойств и качеств зависит эффективность процесса опреснения. Мембраны должны обладать высокой электропроводностью, селективностью (способность пропускать ионы с зарядом одного знака) и высоким диффузионным сопротивлением, отличаться достаточной прочностью и стойкостью в воде и рассолах. Ионитовые мембраны разделяются на катионо- и анионо-активные. Первые пропускают в электрическом поле катионы, но практически не пропускают анионов, вторые пропускают анионы, но не пропускают катионов.

Обрабатываемую воду разделяют чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими также чередующиеся концентрирующие и обессоливающие ячейки (рис. 23). Через такую систему пропускается постоянный электрический ток (электрическое поле горизонтального или вертикального направления). Катионы, двигаясь к катоду, свободно проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми мембранами, а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одних ячеек ионы обоих знаков выводятся электрическим током постоянного направления в смежные ячейки. Поэтому вода в четных ячейках опресняется, а в смежных ячейках концентрация ионов эквивалентно повышается. Аппарат, в котором производится отделение солей от воды, называется многокамерным электродиализатором. Он имеет по одному катоду и ано-

115

ду и до 300 ячеек-камер, образованных стенками катионитовых и анионитовых мембран.

Рис. 23. Принцип работы электродиализной установки

Расстояние между мембранами в аппарате обычно принимается от 0,7 до 1,5 мм (размер ячейки). Большое количество мембран специальным устройством поддерживается в строго фиксированном положении. Во избежание коробления и для сохранения размеров ячеек мембраны фиксируются сепараторными сетками из полихлорвинила.

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов:

-аппаратов предварительнойподготовкиисходной воды;

-собственно электродиализной установки;

-кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха;

-фильтров, загруженных активированным углем, и бактерицидных установок.

116

Технологические схемы бывают следующих типов:

- прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход;

- циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания;

-циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рисунок 24), в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды;

-ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах.

Каждая из указанных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании технико-экономических расчетов. Исходными параметрами для расчета являются: конкретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержа-

ние и состав обрабатываемых вод. Например, при суточной потребности более 300—500 м3 обработанной воды считается рациональным применение технологических схем прямоточного типа.

Обратный осмос. Обратно осмотический метод осно-

ван на следующем явлении. Если в сосуде между пресной и соленой водой поместить полупроницаемую перегородку, способную пропускать воду и задерживать гидратированные ионы растворимых в воде солей. то можно наблюдать, как пресная вода начинает поступать в отсек с соленой водой. Переток чистой воды происходит вследствие разницы концентрации жидкости по обеим сторонам перегородки. Через некоторое время

117

уровень пресной воды станет заметно ниже уровня соленого раствора.

Рис. 24. Схема циркуляционной ЭДУ непрервыного действия: 1 – подача сточной воды; 2 – рабочие баки; 3 – бак для рассола; 4 – выпуск рассола; 5 – выпуск дилюата; 6 – электродиализатор; 7 – подача рециркуляционного рассола; 8 – насосы; 9 – подача смеси рециркуляционной и сточной воды;

10 – выпуск рассола из электродиализатора;

11 – выпуск обессоленой воды

118

Разница уровней после установившегося равновесия характеризует осмотическое давление растворенного вещества. Процесс самопроизвольного перетекания менее концентрированного раствора в более концентрированный через полупроницаемую перегородку называют осмосом. Если создавать в соленом растворе давление, превышающее осмотическое, то возникает перетекание молекул пресной воды в направлении, обратном ее естественному движению, т. е. вода из раствора начинает перетекать через перегородку в пресную воду. Такой процесс известен под название обратный осмос.

Таким образом, опреснение соленой воды методом обратного осмоса основывается как раз на процессе перетекания молекул чистой воды из раствора при создании давления, превышающего осмотическое, в направлении от раствора к пресной воде через полупроницаемую перегородку.

Полупроницаемая перегородка выбирается с таким расчетом, чтобы через ее поры могли проходить молекулы воды, но не могли проходить ионы солей, растворенных в соленой воде. Поскольку ионы солей в размере примерно в 1,5 раза больше, чем молекулы воды, то это осуществить (в техническом смысле) вполне возможно. Так как молекулы воды способны протекать через поры, слишком узкие для прохождения ионов солей, то это явление называется еще и гиперфильтрацией

Схема процесса показана на рис. 25. Опреснение воды методом обратного осмоса происходит без фазовых превращений, энергия при этом в основном расходуется на создание давления исходной воды — среды практически несжимаемой. Осмотическое давление растворов близких по составу к природным водам, даже при небольшой степени их минерализации достаточно велико, например, для морской воды, содержащей до 3,5% солей, оно составляет примерно 2,5 МПа. Рабочее давление в установках по опреснению рекомендуется поддерживать не менее 5 МПа и даже выше, поскольку производительность их определяется разностью между рабочим и осмотическим давлением.

119