МОДУЛЬ 8 методы получения пресной воды

МОДУЛЬ 8 методы получения пресной воды

Вопросы лекции.

1. ВИДЫ ПРЕСНОЙ ВОДЫ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРЕСНОЙ ВОДЕ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

МЕТОДЫ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ

3.1 ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

3.2 ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

3.3 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

3.4 МЕТОД ОБРАТНОГО ОСМОСА (ГИПЕРФИЛЬТРАЦИЯ)

3.5 ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

4 НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

4.1 НАЗНАЧЕНИЕ СУДОВЫХ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

4.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

4.3ТРЕБОВАНИЯ К СУДОВЫМ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ

Принципиальные схемы опреснительных установок

5 ПОЛУЧЕНИЕ ДИСТИЛЛЯТА ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА

5. 1 ПУТИ ПОПАДАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ДИСТИЛЛЯТ

Факторы, определяющие влажность вторичного пара и качество дистиллята

Методы очистки вторичного пара

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Виды пресной воды и показатели качества

На кораблях и судах воду подразделяют на забортную и пресную. Забортной называют высокоминерализованную морскую (океанскую) воду, либо совсем необработанную, либо пропущенную через механические фильтры. Пресной называют предварительно обработанную воду различного назначения и качества, содержащую небольшое количество примесей.

Пресную воду на судах готовят из забортной морской воды в опреснительных установках (ОУ) и в зависимости от назначения и качества подразделяют на следующие виды:

· питательная;

· подпиточная (добавочная);

· аккумуляторная;

· питьевая;

· мытьевая.

Основными показателями качества воды являются следующие:

1. Общее солесодержание (S) – это суммарная концентрация всех катионов и анионов солей воды в мг/л. Иногда отдельного измеряют содержание хлор - ионов Cl^-

2. Соленость (s) - это общее количество катионов и анионов хлористых солей в мг/л.

Соленость иногда измеряют в градусах Брандта (°Бр). Солености в 1°Бр соответствует содержание в 1 л воды хлористых солей (вместе с бромистыми и йодистыми) эквивалентное 10 мг NaCl.

При анализе морских и океанских вод содержание главных ионов выражают в г/кг, обозначая знаком ‰. (Промилле - 1/1000 часть или 0,1%).

Соленость морской воды в открытом море в среднем принимают равной 35‰ или 3500°Б

3. Жесткостью называется суммарное содержание в воде катионов кальция и магния, выраженное количеством миллиграмм-эквивалентов Ca или Mg в 1л (мг-экв/л). Иногда её измеряют градусами жесткости (Ж). Жесткость воды 1 мг-экв/л соответствует 2,8 Ж, а 1 Ж соответствует содержанию в 1л воды 10 мг CaO или 7,19 мг MgO.

4. Сухой остаток – это суммарное количество нелетучих веществ, присутствующих в воде в коллоидном и молекулярно-дисперсном состояниях, выраженное в мг/л.

5. Водородным показателем pH называется величина, характеризующая количество водородных ионов, образованных при диссоциации воды. При pH=7 число водородных ионов (H⁺) равно числу гидроксильных ионов (ОН^-), образовавшихся при диссоциации воды. Такая вода считается нейтральной. При pH<7 - кислой, pH>7 - щелочной.

6. Концентрация растворенных газов - это количество растворенных в воде газов в мг/л. Наибольший интерес представляют концентрации О₂ и СО₂.

Требования, предъявляемые к пресной воде различного назначения

В зависимости от назначения к пресной воде предъявляются различные требования.

Питательная вода для питания парогенераторов и паровых котлов.Требования зависят, главным образом, от рабочего давления. Общее солесодержание S до 10 мг/л для котлов среднего и низкого давления и не более 1 мг/л для котлов высокого давления. Жесткость 0,015...0,4 мг-экв/л (при р=7 МПа - 0,015; при 5 МПа - 0,03; при р=1,6 МПа - 0,4), Сухой остаток <12 мг/л. Кислородосодержание £ 0,05 мг/л и pH=7...8. В современных ПТУ утечки пара и конденсата составляют 0,5…1,0% от производительности котлов.

Подпиточная вода для заполнения и подпитки первого контура Я ЭУ.Общее солесодержание S£1,0 мг/л, содержание Cl^- - 0,02 мг/л, . Сухой остаток - 1,5 мг/л. Кислородосодержание 0,01...0,05 мг/л и рН=8...9.

Аккумуляторная вода для доливки в аккумуляторные батареи и приготовления электролита. Концентрация ионов примесей, вызывающих саморазряд аккумуляторов или закупорку пластин, в воде должна быть следующей: катионы железа £ 0,2 мг/л; анионы Cl £ 3 мг/л, окислов Mg и Ca £ 10 мг/л.

Питьевая вода для питья и приготовления пищи. Она должна быть прозрачной, не иметь неприятного запаха и вкуса, не содержать вредных для здоровья примесей и болезнетворных бактерий. Содержание хлористых солей £ 350 мг/л, Жесткость 7...1,4 мг-экв/л. Содержание тяжелых металлов: Pb ≤ 0.1 мг/л, Ni - 0,3 мг/л, Cu - 3 мг/л, Zn - 5,0 мг/л, Fe – 0.3 мг/л, F- 0.7..1.5 мг/л , Mb – 0.5 мг/л. Дистиллированная вода неприятна на вкус и при систематическом употреблении обессоливает клетки пищеварительных органов, что отражается на здоровье человека. На кораблях и судах дистиллят, из которого приготовляют питьевую воду, подвергают обогащению соответствующими солями и газами.Хранение питьевой воды в судовых цистернах допускается до 5 суток летом и до 7 суток зимой. Норма расхода питьевой воды составляет 10-15 л/сутки на человека.

Мытьевая вода для умывания, мытья в душах и банях, для стирки, мытья буфетов, камбузов и посуды. Она может содержать 300-400 мг/л хлористых солей, но ограниченную жесткость- до 7мг-экв/л. Хранение на судне - до 10 суток. Норма расхода - 45 л/сут.

К пресной воде предъявляются жесткие требования по содержанию в ней радиоактивных веществ, ионизирующее излучение которых оказывает вредное воздействие на здоровье. Предельные уровни радиоактивности относят к отдельным радиоактивным изотопам. В таблице 1 приведены данные по изотопам, нахождение которых в питьевой воде наиболее вероятно. Предельные уровни радиоактивности для технической воды - 10^-4-10^-5 Ku/л, для питьевой воды в зависимости от радиоактивного изотопа - 10^-5...3*10^-9.

(Кюри́ - обозначение: Ки, Ci — внесистемная единица измерения активности.

Радиоактивность вещества равна 1 Ки, если в нём каждую секунду происходит 3,7×10¹⁰ радиоактивных распадов).

Таблица 1 - Максимально допустимая концентрация радиоактивных веществ в воде при систематическом употреблении

Радиоактивный изотоп	Орган, в котором абсорбируется изотоп	Максимально допустимая концентрация, Ки/л
Na - 24	Во всех органах	8*10-6
С1-36	Во всех органах	1*10-5
Са—45	Кости	2*10-5
Sr—90	Кости	4*10-7
I—131	Щитовидная железа	2*10-7
U —233	Кости	3*10-9
Pu—239	Кости	3*10-9

При разовом употреблении воды указанные дозы могут быть увеличены.

Основные требования для различных видов воды приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные показатели качества различных видов пресной воды

Показатель качества	Питательная вода	Подпиточная вода	Аккумуляторная вода	Питьевая вода	Мытьевая вода
Общее солесодержание (S), мг/л	≤10 СД и НД ≤1 ВД	£1,0 (Cl- ≤ 0,02)	Fe+ £ 0,2 Cl- £ 3	-	-
Соленость (s), мг/л	-	-	-	£ 350	300-400
Жесткость, мг-экв/л	0,015 – р=7 0.03 – р=5 0,4- р=1,6МПа	-	-	7...1,4	≤7
Сухой остаток, мг/л	<12	1,5	-	-	-
Водородный показатель pH	7...8	8...9	-	-	-
Концентрация растворенных газов (O2), мг/л	£ 0,05	0,01...0,05	-	-	-
Предельные уровни радиоактивности, Ки/л	10-4...10-5	10-5...3*10-9	-

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Все методы очистки морской воды можно подразделить на:

- физические;

- химические;

- электрохимические;

- обратного осмоса;

- термические.

Выбор того или иного метода определяется характером удаляемых примесей и требуемой степенью очистки.

Для грубодисперсных примесей с размером частиц 10^-3...10^-4 мм применяют физические методы очистки воды. Вода с коллоидными частицами с размером 10^-5 ...10^-6 мм и молекулярно-дисперсными с размером 10^-7...10^-8 мм очищается физическими и химическими методами. Для очистки от более мелких примесей применяют химические или термические методы, иногда совместно.

Для удаления из воды коллоидных и взвешенных частиц на судах используют фильтрование, т.е. воду пропускают через специальный фильтрующий материал (активированный уголь, антрацит, целлюлозная стружка), на поверхности которого задерживаются частицы примесей. Средняя скорость фильтрования Vср=5¸20 м/ч (1.5...6 мм/с).

Для очистки воды от грубодисперсных механических частиц применяют механические фильтры, в которых в качестве фильтрующего материала помещают металлические сетки с размерами ячейки 1,0...1,5 мм.

Аппарат, в котором происходит фильтрование называется фильтром (см. рис.1).

1- крышка; 2 и 5 - патрубки подвода и отвода воды; 3- корпус; 4 - фильтрующая сетка; 6 - спускной клапан

Рисунок 1 - Механический фильтр

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Очистка воды химическими методами предусматривает либо умягчение, при котором из воды удаляют катионы солей Ca и Mg, либо полная обессоливание, когда из воды удаляют все ионы солей.

Широкое распространение получили реагентная обработка и ионный обмен. В 1-м случае ионы некоторых растворенных в воде солей связываются различными реагентами – осадителями в практически нерастворимые соединения, которые затем удаляют. Реагентная обработка широко применяется на береговых водоприготовительных станциях, как правило, с целью умягчения воды.

Ионный обмен предусматривает использование специальных органических веществ, называемых ионитами. Эти вещества способны избирательно обменивать свои ионы на ионы солей воды. На судах (в том числе с ЯЭУ) ионный обмен применяют для полного обессоливания воды. Ионообменные фильтры (рис.2) заполняют катионитом (КУ-2, сульфоуголь) или анионитом (ЭД-10П, АВ-17, АВ-18).

Химические методы позволяют получить пресную воду с общим солесодержанием до 0.1 мг/л.

1 и 10 - патрубки подвода и отвода воды; 2 – клапан выпуска воздуха; 3 и 9 – крышки; 4 и 8 – решетки; 5 – колпачки со щелями; 6 – корпус; 7 – ионообменный материал; 11 – труба отбора проб фильтрата

Рисунок 2 – Ионообменный фильтр

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

В основу электрохимического метода обессоливания воды положен электродиализ, физико-химическую природу которого можно понять из следующей схемы. Если в сосуд с водным раствором NaCl поместить анодный и катодный электроды и подвести к ним постоянный ток, то в растворе начнется движение катионов Na⁺ к катоду, а анионов Cl^- к аноду. Если в тот же раствор поместить две селективные мембраны-диафрагмы и, тем самым, разделить объем сосуда на три камеры (I, II, III), то в средней камере будет происходить обессоливание воды. Диафрагмы, изготовлены из ионитовых смол с избирательными свойствами. Они пропускают только катионы и анионы солей и совсем не пропускают молекулы воды. Анионитовая мембрана будет проницаема только для анионов, вторая катионитовая мембрана - для катионов.

Электроионитовые (электродиализные) установки – это ванны, разделенные при помощи диафрагм на ряд камер. Опыт эксплуатации установок на Черном море показал, что при обессоливании воды от 18000 мг/л (18 ‰ соленость Черного моря) до конечного солесодержания » 400 мг/л, расход энергии составляет 72 МДж/тн или 20кВт*ч/т. При обессоливании океанской воды от 35000 мг/л расход энергии почти в 2 раза выше: »130 МДж/тн.

Рисунок 3 – Схема электродиализа воды: I,II,III - камеры

Использование химических и электрохимических методов целесообразно при общем солесодержании исходной воды не более 1200 мг/л. Наибольший эффект они дают при обессоливании пресной воды с S£75 мг/л.

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Эти методы включают подогрев воды, вымораживание и дистилляцию.

Вымораживание - простой и низкокачественный метод, требующий громоздких устройств. Подогрев чаще всего используют для умягчения воды. На судах широко применяются дистилляция и выпаривание.

За счёт подведённого к воде тепла дистилляция сопровождается высокой концентрацией солей и других примесей в водяном объёме выпарного аппарата и образованием достаточно чистого водяного пара. После конденсации образовавшегося водяного пара получают пресную воду достаточно высокой степени чистоты, называемую дистиллятом.

Выпарной аппарат называется испарителем, а совокупность испарителя, конденсатора, насосов, трубопроводов и другого оборудования, обеспечивающая получение пресной воды называется опреснительной установкой.

На рис. 6 приведена схема простейшей опреснительной установки.

1 – трубопровод продувки рассола; 2 – греющие батареи; 3 – испаритель;

4 – трубопровод вторичного пара; 5 - водоподогреватель; 6 – конденсатор;

7 – трубопровод отвода дистиллята; 8 - насос

Рисунок 6– Схема простейшей опреснительной установки с греющей батареей

Забортная вода насосом 8 подаётся в корпус испарителя 3 (непосредственно или через водоподогреватель 5) и в конденсатор 6. В испарителе вода нагревается и испаряется за счёт тепла, подводимого к греющим батареям 2. Кипящую в корпусе воду называют рассолом, апар, подводимый к батареям – греющим или первичным паром. Пар, образующийся в корпусе испарителя, называется вторичным. Конденсат вторичного пара – дистиллятом. Для поддержания постоянной концентрации рассола предусмотрено продувание испарителя: удаление части рассола в 1.

Термический метод позволяет получить пресную воду с общим солесодержанием до 1,0... 5,0 мг/л.

Требования к судовым опреснительным установкам

Выбор той или иной схемы СОУ или конструкции испарителей определяется предъявленными к ним основными требованиями. Среди них:

надёжность и живучесть на всех режимах работы, в условиях качки, длительного дифферента и изменения температуры забортной воды;

сохранение заданной производительностив течение длительного срока ( до 2000 ¸ 3000 часов без чистки);

простота конструкции и обслуживания, удобства ремонта в судовых условиях;

высокая экономичность при оптимальных массе и габаритах;

МОДУЛЬ 8 методы получения пресной воды

Вопросы лекции.

1. ВИДЫ ПРЕСНОЙ ВОДЫ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРЕСНОЙ ВОДЕ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ