Тема 6. Технология обработки воды в опреснителях
6.1 Типы водоопреснительных установок
Типы водоопреснительных установок (ВОУ) зависят от методов получения пресной воды из морской (опреснения). Существуют следующие методы опреснения: дистилляции, вымораживания, электродиализа, гиперфильтрации, химический.
Сущность метода дистилляции заключается в том, что при нагревании морской воды до температуры насыщения вся получаемая тепловая энергия расходуется на интенсивный перевод молекул воды из жидкой фазы в газообразную. Содержащиеся в морской воде соли являются малоподвижными образованиями, поэтому они не могут приобрести необходимой энергии для испарения с поверхностного слоя, не участвуют в процессе преобразования и остаются в растворе морской воды. При конденсации пара получают обессоленный дистиллят, незначительное содержание солей в котором обусловлено уносом мельчайших капелек рассола в процессе образования вторичного пара.
При медленном замораживании морской воды лед оказывается пресным (солесодержание 500 ... 1000 мг/л), расходы энергии на выработку холода сравнительно невелики, что является достоинством этого метода. Вместе с тем применение метода требует сложного оборудования больших габаритов, что для судовых условий неприемлемо.
Опреснение методом электродиализа основано на удалении солей из морской воды под действием электрического поля, при этом камеры, в которых опресняется вода, отделены от рассольных камер полупроницаемыми ионитовыми мембранами. Метод экономичен при опреснении слабосоленых вод (солесодержание до 104 мг/л), остаточное солесодержание в опресненной воде достигает 103 мг/л, что ограничивает его применение на судах, где к опресненной воде предъявляются более жесткие требования.
Метод гиперфильтрации с технической точки зрения прост: при достижении определенного давления (около 10 МПа) специально обработанные пленки пропускают молекулы воды, но не пропускают ионы растворенных солей.
Метод химического опреснения основан на образовании нерастворимых соединений солей, содержащихся в морской воде, с последующим их осаждением. Поскольку солесодержание в морской воде велико (около 3,5 ∙ 104 мг/л), а для осаждения соединений натрия и хлора может использоваться только серебро, то метод широкого распространения не получил.
6.1 Обработка воды в опреснителях высокого давления, среднего давления и обработка воды в вакуумных опреснителях
На судах ФРП, как правило, применяется метод дистилляции. ВОУ, работающие по этому методу, в зависимости от способа испарения подразделяются на установки с испарителями: поверхностного типа, где нагревание испарение воды происходит от батарей и змеевиков; бесповерхностного типа, в которых нет греющих батарей. Испарители поверхностного типа: иногда называют испарителями с погруженными батареями, бесповерхностного типа – адиабатными.
В поверхностных испарителях испарение происходит при постоянном давлении. В зависимости от давления в процессе испарения поверхностные испарители подразделяются на вакуумные и избыточного давления.В адиабатных испарителях испарение происходит при пониженном давлении вследствие адиабатического расширения струи воды, т. е. без подвода и отвода тепла в испарительной камере. В зависимости от числа ступеней давления вторичного пара ВОУ делятся на одно-, двух- и многоступенчатые. ВОУ, использующие тепло вторичного пара, называются регенеративными. Схемы ВОУ с поверхностным и адиабатным испарителями представлены на рис.6.1.1
ВОУ с адиабатными испарителями имеют следующие преимущества по сравнению с испарителями поверхностного типа: меньшее образование накипи на поверхностях нагрева, так как кипения не происходит; более высокое качество дистиллята благодаря отсутствию пены и крупных пузырей пара, которые меньше загрязняются каплями рассола; упрощенную конструкцию. Производительность адиабатных испарителей ничем не ограничивается, тогда как в испарителях поверхностного типа при большой высоте слоя кипящей воды ухудшается теплопередача, особенно на нижних трубках из-за повышенного гидростатического давления, которое препятствует образованию паровых пузырей. Недостатком адиабатных испарителей является необходимость прокачки большого количества воды. Показатели работы вакуумных ВОУ приведены ниже.
Рисунок 6.1.1 – Схемы водоопреснительных установок: а - с испарителем поверхностного типа; б ~ с адиабатным испарителем.
1 - подвод пара или греющей воды с температурой 60-80° С; 2 - нагревательный элемент; 3 - конденсатор; 4 - насос забортной воды; 5 – дистиллятный насос; 6 - отвод рассола за борт; 7 - рассольный насос; 8 - испаритель; 9 -регулятор уровня; 10 - циркуляционный насос; 11 -подогреватель рассола
Температура греющей воды, поступающей в испаритель, ° С 60 ... 70
Понижение температуры греющей воды в испарителе, ° С 5 ... 15
Допускаемая температура забортной воды,°С До 30
Нагрев охлаждающей воды в конденсаторе, °С 4... 8
Коэффициент продувки 2 ... 3
Температура вторичного пара, ° С 30... 40
Давление вторичного пара, МПа 0,1043 ... 0Д075
Общее солесодержание по NaCl, мг/л 6 ... 9 (максимумдо 40)
Расход воды, м3 /ч:
забортной (охлаждающей) 50 ... 250 (4 ... 5 на 1 т
суточной производительности)
греющей 60 ... 200 (3 ... 4 на 1 тсуточной производительности)
Давление рабочей забортной воды
на эжектор, МПа, не менее 0,4
Удельный расход электроэнергии,кВт-ч/т 5 ... 6,5
Сравнительные показатели ВОУ избыточного давления и вакуумныхприведены в таблице
Рассмотрим принцип работы и характеристики ВОУ серии Д с испарителями поверхностного типа и ВОУ с адиабатными испарителями, которые получили наибольшее распространение на судах ФРП.
ВОУ серии Д — вакуумные с водяным греющим контуром. В качестве' теплоносителя, обеспечивающего процесс испарения, используется отбираемая из системы охлаждения дизелей горячая вода с температурой 60 ... 80° С либо пресная вода, нагреваемая паром в пароводяном инжекторе. Опреснители серии Д выполняются в агрегатированном виде и включают в себя: испаритель с конденсатором блочной конструкции, воздушно-рассольный эжектор, насосы дистиллята и забортной воды, элементы автоматики и контрольно-измерительные приборы, арматуру и трубопроводы. Основные характеристики ВОУ серии Д приведены в таблице 6.1схема ее работы рис.6.1.1
Таблица 6.1 – Показатели работы водоопреснительных установок избыточного давления и вакуумных
| Показатель | ВОУ избыточного давления ВОУ | ВОУ вакуумные |
| Удельный паросъем (напряженность поверхности нагрева), кг/ (м2∙ч) | 140 ... 180 | |
| Суточная производительность по отношению: | ||
| - к габаритному объему, т/ (м3 ∙ сут) | 10 ... 12 | 3 ... 5 |
| - к массе, т/ (т ∙ сут) | 14 ... 20 | 5 ... 10 |
| Продолжительность работы между очистками, ч | 240 ... 360 | 1500 ... 2000 |
| Удельный расход пара, кг/кг | 1,15 ... 1,40 | 0,9 ... 1,0 |
Таблица 6.1.2 – Основные характеристики водоопреснительных установок серии Д
| Характеристика | Д2У | ДЗУ | Д4У | Д5У |
| Дистиллят | ||||
| Производительность установки, т/сут | 3,2 | 6,3 | 12,5 | 25,0 |
| Общее солесодержание по NaCl, мг/л, не более | ||||
| Температура на выходе из установки, ° С, не более | ||||
| Вакуум в конденсаторе, МПа (мм рт. ст.), не менее 0,93 (700) | ||||
| Давление дистиллята за агрегатом, МПа, не более | 0,14 | 0,24 | 0,24 | 0,24 |
| Забортная вода | ||||
| Расход, м3 /ч: | ||||
| - общий | 18... 20 | '35...40 | 55... 60 | 90...100 |
| - на питание испарителя | 0,53 | 1,05 | 2,08 | 4,16 |
| Общее солесодержание по NaCl, мг/л, не более | ||||
| Температура,0С -2 ... 30 | ||||
| Давление перед установкой, МПа 0,22 ... 0,3 | ||||
| Расход рабочей воды и рассола завоздушно-рассольным эжектором, м3 /ч, не более | ||||
| Противодавление за эжектором, МПа, не более | 0,07 | 0,07 | 0,07 | 0,07 |
| Греющая вода | ||||
| Расход, м3/ч | 10... 16 | 20 ...45 | 35 ... 70 | 70... 135 |
| Температура, °С 60 ... 80 | ||||
| Гидравлическое сопротивление нагревательной батареи по контуру греющей воды, МПа, не более | 0,015 | 0,07 | 0,02 | 0,06 |
| Пар на инжектор | ||||
| Расход, кг/ч | 130 ±20 | 265 ± 50 | 530 ± 100 | 1050 ±160 |
| Давление, МПа 0,5 ± 0,1 | ||||
| Противодавление на сливе конденсата, МПа | 0,02 | 0,02 | 0,02 | 0,02 |
| Электроэнергия | ||||
| Ток Переменный трехфазный | ||||
| Напряжение, В 220 или 380* | ||||
| Потребляемая мощность, кВт, не более | 0,85 | 1,4 | 1,4 | 1,4 |
| Масса агрегата, кг, не более: | ||||
| - в сухом состоянии | ||||
| - в рабочем состоянии |
Рис. 6.1.2 – Принципиальная схема работы опреснителя серии Д с вводом противонакипной присадки в испаритель.
1 - насос дистиллята; 2 — сборник дистиллята; 3 - расходомер дистиллята; 4 — солемер; 5 — электромагнитный управляющий клапан отвода дистиллята; 6 — отвод дистиллята в цистерну запаса; 7 — поплавковый регулятор уровня дистиллята; 8 - испаритель; 9 — подвод и отвод греющей воды; 10 - конденсатор; 11 - подвод пресной воды к расходному баку присадки; 12 — расходный бак присадки; 13 - слив раствора из бака; 14 — фильтр; 15 — клапан дозирующий; 16 — фонарь смотровой; 17 - рассольно-воздушный эжектор; 18 — насос забортной воды; 19 — расходомер питательной воды
Рисунок –6.1.3 – Принципиальная схема работы опреснительной установки 6А-25.
1 — сброс рассола за борт; 2 — эжектор водовоздушный; 3 — чувствительный элемент датчика реле температуры; 4 — чувствительный элемент терморегулятора; 5 — подвод пара от судовой магистрали; 6 — подвод и отвод греющей воды; 7 — терморегулятор; 8 — паровой фильтр; 9 —подогреватель питательной воды; 10 — отвод конденсата; 11 — снятие вакуума; 12 — шестиступенчатый адиабатный опреснитель; 13 - датчик солемера;14 — сброс засоленного дистиллята; 15 - электромагнитный переключающий клапан; 16 — отвод дистиллята в цистерны запаса; 17 - расходомер; 18 - заполнение от судовой магистрали; 19 — эжектор дистиллятный; 20 — бачок дистиллятный; 21 — спуск из дистиллятного бачка; 22 — пускатель с электродвигателем; 23 - насос для перекачки дистиллята; 24 - датчик давления; 25 — шит автоматики, управления и сигнализации; 26 — мост солемера; 27 — датчик реле температуры; 28 — подвод забортной воды (90 м3/ч); 29 — эжектор рассольный
Забортная вода прокачивается насосом 18 через конденсатор 10, затем поступает к рассольно-воздушному эжектору 17, при этом часть воды направляется на питание испарителя 8 через невозвратный клапан и ротаметр 19, предназначенный для измерения расхода питательной воды. Греющая вода циркулирует в межтрубном пространстве батареи и отдает свое тепло питательной воде, испаряющейся внутри труб. Рассол и паровоздушная смесь удаляются рассольно-воздушным эжектором 17 за борт. Вторичный пар конденсируется в конденсаторе 10 и поступает в сборник дистиллята 2, из которого с помощью насоса 1 подается через поплавковый регулятор уровня 7 и датчик солемера 4 к электромагнитному клапану 5. Через этот клапан в зависимости от солесодержания производится сброс дистиллята в цистерну пресной воды либо обратно в испаритель. Для измерения выработки дистиллята предназначен отдельный ротаметр 3.
Установка выводится на режим вручную и затем требуется лишь периодический контроль за ее работой. Автоматическая система контроля и сигнализации обеспечивает:
– контроль солесодержания дистиллята (комплектом солемера СКМО-1), производительности установки и расхода питательной воды (ротаметрами), вакуума в испарителе и давления забортной воды и дистиллятного насоса, давления пара (в случае, если установка рассчитана на его использование), температуры греющей воды на входе и выходе из нагревательной батареи и забортной воды из конденсатора (биметаллическими термометрами типа ТК-100-100);
автоматический сброс дистиллята в корпус испарителя при увеличении солесодержания выше спецификационного по команде солемера СКМО-1 через электромагнитный переключающий клапан;
– отключение дистиллятного насоса при падении давления в нагнетательном трубопроводе ниже 0,05 МПа (0,5 кгс/см2) по команде реле давления Р Д-1К-01;
– световую и звуковую сигнализацию в случае падения давления в нагнетательном трубопроводе дистиллятного насоса ниже заданного, увеличения солесодержания выше спецификационного и температуры греющей воды выше 83 °С (только при работе установки на паре с подключенным эжектором).
Адиабатная опреснительная установка 6А-25 (рис. 6.1.3) представляет собой агрегат, выполненный на одной раме и состоящий из шестиступенчатого вертикального опреснителя со встроенным в каждую ступень вертикальным конденсатором и жалюзийным сепаратором пара; подогревателя питательной воды с поверхностью нагрева 9,5 м2; дистиллятного бачка и циркуляционного насоса; четырех эжекторов для удаления воздуха из первой ступени, дистиллята, воздуха и рассола — из шестой ступени; элементов системы автоматического регулирования, сигнализации и аварийной защиты; арматуры и трубопроводов.
Установка работает следующим образом. Забортная вода подается питательным насосом в конденсатор шестой ступени, где за счет конденсации вторичного пара подогревается и переходит в конденсатор пятой ступени, затем четвертой ступени и т. д. В конденсаторе каждой степени забортная вода нагревается примерно на 6 °С. Пройдя последовательно все конденсаторы, забортная вода с температурой около 64 ° С поступает в паровой подогреватель, в котором нагревается до 80 °С, затем направляется в камеру испарения первой ступени, где поддерживается давление, равное давлению насыщения при 72 ... 75 °С, и частично испаряется. Оставшийся рассол по переливной трубе (за счет разности давлений) поступает в конденсатор следующей ступени, а из шестой ступени откачивается рассольным эжектором за борт. Вторичный пар поступает в конденсатор и, конденсируясь, подогревает забортную воду. Дистиллят скапливается в нижней части конденсатора и за счет перепада давлений поступает в нижнюю часть конденсатора второй ступени. Дистиллят отсасывается в бачок эжектором, в котором он служит рабочей жидкостью.
Установка работает без постоянной вахты при периодическом контроле не более 1 раза в сутки, ввод в действие и остановка производятся вручную. Системы автоматики, контроля и сигнализации обеспечивают:
¾ местный контроль за следующими параметрами: солесодержанием дистиллята – электрическим солемером; температурой питательной воды на входе в первую ступень – электротермометрическим комплектом; производительностью установки – поплавковым расходомером; вакуумом в первой и шестой ступенях, давлением забортной воды на входе в опреснитель и после подогревателя, давлением дистиллята – вакуумметрами и манометрами; температурой питательной воды на выходе из подогревателя, по ступеням опреснителя, пара при входе в подогреватель и при выходе конденсата – термометрами;
¾ автоматический сброс дистиллята за борт при увеличении солесодержания дистиллята выше предельного значения – электромагнитным клапаном по команде солемера;
¾ автоматическое регулирование температуры забортной воды, поступающей в первую ступень опреснителя, в пределах 60 ... 80°С — терморегулятором, установленным на трубопроводе подвода пара к подогревателю;
¾ световую и звуковую сигнализацию на щите автоматики, фиксирующую следующие отклонения: увеличение солесодержания выше предельного значения 6 мг/л, понижение давления среды после дистиллятного насоса ниже 0,2 МПа, отключение дистиллятного насоса и повышение температуры питательной воды выше 90°С;
¾ световую сигнализацию о наличии напряжения и рабочем состоянии установки.
Основные показатели работы установки приведены ниже.
| Дистиллят | |
| Производительность номинальная, т/сут, при температуре забортной воды 28°С и температуре питательной воды 80°С | |
| Общее солесодержание по NaCl, мг/л, не более | |
| Температура на выходе, ° С, не более | |
| Напор дистиллята на выходе, МПа | 0,05 |
| Забортная вода | |
| Расход общий, м3/ч | |
| Температура, ° С | 0 - 32 |
| Общее солесодержание по NaCl, мг/л, не более | 38 000 |
| Давление, МПа: | |
| перед установкой | 0,26 - 0,40 |
| в сливном коллекторе | 0,05 |
| Греющий насыщенный пар | |
| Расход, кг/ч при номинальной производительности | |
| наибольшей (30т/сут) производительности пуске | |
| Удельный расход, кг/кг | 0,38 |
| Давление, МПа | 0,15 - 0,5 |
| Греющая вода | |
| Расход, м'/ч | 33 ... 40 |
| Производительность по дистилляту, т/сут, | |
| при температуре греющей воды: 60°С 80°С | |
| Разность температур на входе и выходе из подогревателя, °С | 5 - 6 |
| Электроэнергия | |
| Ток: переменный, трехфазный | |
| Напряжение, В | 220 или 380 |
| Потребляемая мощность, кВт, не более | 3,5 |
| Рассол и вторичный пар | |
| Температура, ° С: | |
| питательной воды перед I ступенью | 70 - 83 |
| то же, номинальная | 80 ± 3 |
| Рассола и пара по ступеням при температуре | |
| входящей воды 80°С | 64 – 28 |
| Вакуум в I—IV ступенях, МПа (мм рт. ст.) | 0,076 -0,089 (570 ... 670) |
| Площадь поверхности конденсатора, м2 | 6x4,3 |
| Подогреватель | |
| Площадь поверхности нагрева, м2 | 9,5 |
| Гидравлическое сопротивление по контуру греющего пара (воды), МПа (м вод.ст.) | 0,029 (3) |
| Масса установки | |
| В сухом состоянии, кг | 2250... 2495 |
| В рабочем состоянии, кг | 2260... 2695 |
| Продолжительность работы | |
| Без чистки нагревательных и испарительных элементов (при снижении спецификационной производительности не более 10 %), ч, не менее | |
| Без наладок и подрегулирования, ч, не менее |
6.2 Требования к дистилляту
Соленость дистиллята, используемого в качестве добавочной воды паровых котлов и систем, охлаждения дизелей должна быть минимальной – не более 15 мг/дм3хлоридов.
К питьевой и мытьевой воде, а также воде для технологических нужд предъявляются требования по обеспечению безвредности химического состава и благоприятных органолептических свойств, а также эпидемиологической безопасности, с этой целью производят кондиционирования воды – комплекс технологических операций, направленных на корректирование физических, химических и бактериологических показателей. К таким операциям относятся: осветление, обеззараживание и минерализация.
Осветление воды на судах производят с помощью различных фильтровальных устройств, в которых фильтрующим материалом служат мелкопористые или мелкозернистые материалы, работающие по принципу ультра – и микрофильтрации. Наибольшее распространение на судах ФРП получили: патронные фильтры типа FW с угольными и керамическими элементами, фильтры засыпного типа с активированным углем, предназначенные для очистки, дезодорации, обесцвечивания и дехлорирования. Эксплуатации таких устройств показала, что они очищают воду от взвешенных частиц и даже микроорганизмов, но со временем фильтрующая способность резко снижается, а потери напора растут. В связи с этим необходимо производить очистку фильтров и регенерацию материала.
Обеззараживание воды достигается хлорированием, озонированием, обработкой ультрафиолетовыми лучами и серебром.
Озонирование воды является одним из перспективных методов, обеззараживания и улучшения органолептических свойств воды. Ввиду сильной окислительной способности озон обладает не только высокой бактерицидностью, в процессе обработки он также обесцвечивает воду и устраняет привкусы и запахи за счёт расщепления соединений минерального и органического происхождения.
Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей практически мгновенно и объясняется фотохимическим воздействием на бактерии. Метод имеет следующие достоинства: не изменяются физико-химические свойства воды; не попадают в воду посторонние вещества: обеззараживание воды происходит мгновенно, поэтому её можно сразу употреблять или передавать; эксплуатация устройств для облучения проще и безопаснее для обслуживающего персонала. Однако при обеззараживании ультрафиолетовыми лучами необходимо воду предварительно осветлять, что на многих судах не предусмотрено - отсутствует соответствующее оборудование.
Широкое распространение получило серебрение, в результате которого вода не только обеззараживается, но и консервируется, что позволяет хранить в течение длительного времени. Консервации подлежит вода, поступающая на судно из береговых источников питьевого водоснабжения, или минерализованная опресненная, предназначенная для питьевых целей. Серебрение воды можно осуществлять либо путём контакта воды с поверхностями, обработанными серебром или его соединениями, либо электрохимическим растворением серебра в воде. К первому типу относится установка типа Хила, состоящая из двух фильтров предварительной очистки типа Куно, двух фильтров Хила для стерилизации и дезодорации воды, циркуляционного насоса и приборов контроля за работой. Недостатком такой установки является необходимость ведения процесса серебрения под лабораторным контролем, а также длительность процесса обогащения воды серебром.
Ко второму типу относятся ионаторы, которые получили большое распространение на судах. Питьевая вода, обрабатываемая ионатором, должна быть прозрачной, содержать малое количество органических веществ, а ионов хлора не более 100 мг/дм3. Доза серебра для консервирования питьевой воды должна составлять 0,05 мг/дм3, для обеззараживания – 0,2-0,4 мг/дм3.
Минерализация воды производится с помощью комплекта солей. Комплекты солей запаяны в полиэтиленовый пакет, рассчитанный на приготовление 1,2,3 и 5 т питьевой воды. Процесс минерализации происходит при непрерывном введении солевых добавок в виде крепких растворов или вымывания солей опресненной водой в специальных установках – минерализаторах.
Вопросы самопроверки:
1. Назвать методы опреснения морской воды.
2. Назвать метод опреснения морской воды, который применяется на судах.
3. Как подразделяются поверхностные испарители?
4. Преимущества ВОУ с адиабатными испарителями.
5. Перечислить комплекс технологических операций питьевой воды.
6. Какими методами производится обеззараживание воды на судах?
7. Как осуществляется серебрение воды?
8. Как производится минерализация воды на судах?