Технология обработки воды в опреснителях

Тема 6.

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 - дистиллятныйнасос; 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 водыв испарителе, ° С 5... 15

Допускаемая температура забортнойводы,°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.

Литература: [1]

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?