Исследование возможности повышения эффективности дистилляционной опреснительной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

^{1, 2, 3, 4 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия}

* Корреспондирующий автор (skorneev1993[at]mail.ru)

Исследование возможности повышения эффективности дистилляционной опреснительной установки

Благин Е.В.¹, Горшкалев А.А.²,

Корнеев С.С.^3, *, Урлапкин В.В.⁴

Аннотация

пресный вода морской дистилляционный

Данная статья посвящена проблеме нехватки пресной воды на Земле. Рассмотрены основные способы опреснения воды с их достоинствами и недостатками. Приведен способ опреснения морской воды методом дистилляции. Изложены основные тенденции развития в области энергосберегающих установок для опреснения морской воды. Описана схема дистилляционной вакуумной опреснительной установки. Представлены расчёты испарителей-конденсаторов и теплообменников предварительного подогрева. Оценено влияние различных факторов на работу теплообменных аппаратов. Изучен потенциал использования скрытых источников энергии для повышения эффективности вакуумной дистилляционной опреснительной установки.

Ключевые слова: дистилляция, солёность, теплообменник, коэффициент теплоотдачи, степень вакуумирования, испаритель-конденсатор.

Abstract

This article is devoted to the problem of the lack of fresh water on Earth. The main methods of desalination both with advantages and with disadvantages are considered in the paper. The sea water desalination method with the use of distillation is also presented. The main trends in the development of energy-saving plants for the desalination of sea water are described, the scheme of the distillation vacuum desalination plant is described as well. The calculations of evaporators, condensers and heat exchangers preheating are presented. The authors evaluated the influence of various factors on the operation of heat exchangers. The potential for the use of hidden energy sources to improve the efficiency of a vacuum distillation desalination plant has been studied.

Keywords: distillation, salinity, heat exchanger, heat transfer coefficient, vacuum degree, evaporator-condenser.

Проблема пресной воды на Земле с каждым годом становится все более актуальной. Население планеты увеличивается, промышленное производство тоже растет, а вслед за ними значительно возрастает потребление пресной воды. Глобальная проблема пресной воды заключается в том, что не происходит восполнение водных ресурсов.

Таким образом, запасы пресной воды на планете постепенно уменьшаются, и если не изменить экстенсивный путь траты водных ресурсов, то это может привести к дефициту пресной воды в большинстве регионов, а затем -- к экологической катастрофе.

Не менее значимой проблемой, на сегодняшний день, является утилизация и переработка рассолов и компонентов, полученных в результате опреснения морской воды [1].

В настоящее время основными методами опреснения являются [2]:

? дистилляция -- перевод воды в пар (испарением, выпариванием) с последующей конденсацией пара на охлаждаемой поверхности;

? вымораживание -- превращение морской воды в лёд, механическое отделение пресной воды от рассола с последующим расплавлением льда;

? мембранный -- обратный осмос (удаление из воды ионов солей фильтрацией через специальные мембраны) и электродиализ (удаление из воды ионов солей через анионо - и катионообменные мембраны под воздействием электрического тока).

Каждый метод имеет свою рациональную область применения, которая зависит от многих факторов и прежде всего от расхода и качества минерализованной воды, условий её забора и транспортирования. Уровень современного развития опреснительной техники не позволяет назвать наиболее экономичный метод опреснения. По предварительным оценкам [3] наилучшие перспективы имеются у обратного осмоса и дистилляционного метода -- многоступенчатого выпаривания в вертикально-трубных и горизонтально-трубных плёночных аппаратах, в том числе с использованием термической (пароструйной) и механической компрессии пара.

Используемые способы опреснения составляют [4]:

- MSF (Multi Stage Flash -- многоступенчатое мгновенное вскипание) -- 55 % мирового рынка;

- RO (Reverse Osmosis -- обратный осмос) -33 %;

- MED (Multi Effect Distillation -- многоступенчатая пленочная дистилляция) -- 9 %;

- остальные -- 3 %.

Проведенный анализ [5] показал основные тенденции развития в области энергосберегающих установок для опреснения морской воды:

- уменьшение энергетических затрат на производство дистиллята;

- применение гибридных установок, сочетающих в себе разные методы опреснения;

- оптимизация работы парокомпрессора;

- утилизация тепла дистиллята и рассола;

- использование альтернативных источников энергии;

- увеличение коррозионной стойкости;

- снижение времени выхода на режим работы;

- усовершенствование способов и систем управления.

Предлагаемая установка состоит из следующих блоков (рис. 1): ступеней испарителей-конденсаторов, блока подогревателей, парокомпрессора, блоков подготовки воды. Установка работает на двух типовых режимах: режиме запуска и установившемся режиме.

В ступенях испарителя-конденсатора 4 и 5 во внутритрубном пространстве происходит конденсация пара, в межтрубном - пленочное кипение. Образовавшийся в межтрубном пространстве пар поступает во внутритрубное пространство следующей ступени, образовавшийся во внутритрубном пространстве дистиллят 6 поступает в дистиллятный поддон 2 следующей ступени, недоиспарившаяся вода с высокой концентрацией солей - в рассолльный поддон следующей ступени. Вода из рассольного контура подается в распылители 1 ступени при помощи циркуляционного насоса. Установка называется вакуумной, так как в ступенях поддерживается давление ниже атмосферного при помощи блока вакуумирования, который откачивает часть пара из межтрубного пространства ступеней. Из последней ступени пар поступает в центробежный компрессор 3, в котором производится повышение давления и температуры пара.

Рис. 1 - Схема опреснительной установки

Исходные данные для термодинамического расчета:

- производительность установки по дистилляту G_д=2 м³/ч=0,556 кг/с;

- потребление исходной воды G_исх=4 м³/ч=1,111 кг/с;

- температура рассола в первой ступени =59°С;

- температура исходной воды на входе в установку t_исх=15°С;

- давление в контуре испарителя на последней ступени =20000 Па.

Вначале определено количество ступеней. Оно определяется из следующих условий:

- одинаковый температурный перепад между конденсатором и испарителем в каждой ступени Дt (согласно [6] рекомендуемый перепад составляет 1,5-2°С);

- минимальная мощность компрессора.

Мощность компрессора зависит от двух параметров: расхода пара и степени повышения давления. Считаем, что расход пара, проходящего через компрессор, обратно пропорционален числу ступеней:

Максимальная температура конденсации определена по наивысшему давлению, минимальная температура кипения - по начальному давлению. Температурный перепад между ними кратен температурному перепаду между конденсаторами и испарителями:

Мощность компрессора:

Преобразовав предыдущие формулы и применив выражение получаем:

Теперь мощность компрессора зависит только от одного параметра - степени повышения давления. График зависимости показан на рис. 2. минимальная работа компрессора (равная 8,12 кВт) соответствует степени повышения давления, равной

Рис. 2 - Зависимость потребной мощности компрессора от степени повышения давления

Давление в конденсаторе первой ступени равно , число ступеней равно 5.

Распределение давления по ступеням отображено на рис. 3.

Рис. 3 - Распределение давления по ступеням

Проверки правильности теплового расчета осуществляется составлением материального и энергетического баланса каждой ступени [7]. На рис. 4 представлены потоки рабочего тела, входящие и выходящие из ступени.

В ступень входят: пар 1, произведенный на предыдущей ступени; исходная вода 2, смешанная с рассолом с предыдущих ступеней; дистиллят 5, произведенный на предыдущих ступенях; орошающая вода 9. Из ступени выходят: орошающая вода 3; концентрированный рассол 4; дистиллят 6; недоконденсировавший дистиллят 7; пар 8.

Рис. 4 - Схема материальных потоков на ступени

Суммы входящих массовых расходов и энтальпий должны быть равны выходящим массовым расходам и энтальпиям [8]:

Массовый и энергетический баланс приводятся к следующему виду:

Достоинство вакуумных дистилляционных установок - осуществление процессов кипения и конденсации при относительно более низких температурах, чем при давлении окружающей среды. Предельное значение степени вакуумирования для данной установки ограничивается температурой исходной воды, таким образом максимальное значение составляет 51.

Степень вакуумирования в подогревателях оказывает влияние на изменение тепловой мощности теплообменных аппаратов и теплофизических свойств воды. Влияние степени вакуумирования на потребную суммарную площадь теплообмена подогревателей (рис. 5) [9].

Рис. 5 - Влияние степени вакуумирования на потребную суммарную площадь теплообмена подогревателей

Увеличение степени вакуумирования приведет к уменьшению площади теплообмена, тем самым уменьшив массогабаритные характеристики теплообменников предварительного подогрева.

Влияние степени вакуумирования на остальные теплофизические свойства (рис. 6) [10].

Рис. 6 - Влияние степени вакуумирования на динамическую вязкость и теплопроводность воды

В разрабатываемой установке температура исходной воды, прошедшей через теплообменники предварительного подогрева, составляет 59єС. Для оптимальной работы первой ступени опреснительной установки, в неё необходимо подавать исходную воду с температурой 70 єС. Из расчета известно, что для подогрева исходной воды в первой ступени необходимо количество теплоты равное 8 кВт. Оценив схемы получения скрытых источников тепла получаем (табл. 1).

Таблица 1 - Использование альтернативных источников тепла

В целом можно отметить, что располагаемые источники тепла позволяют подогревать температуру исходной воды на 5°С, поэтому их все-таки можно рассматривать в качестве способов повышения температуры исходной воды.

Работа над оптимизацией сложного технического устройства, которым является вакуумно-дистилляционная установка с механической компрессией пара требует изучения влияния различных факторов на работу установки [11]. В данной работе было изучено влияние величины степени вакуумирования на площадь теплообменников предварительного подогрева и теплофизические свойства воды. Кроме того, была проанализирована возможность использования скрытых источников тепла, повышающих энергетическую эффективность установки. В результате расчетов было установлено, что при использовании скрытых источников энергии, энергетическая эффективность установки увеличилась на 3%.

Основными путями повышения энергетической эффективности установки видятся более полное использования тепла, которое производится некоторыми элементами установки (электродвигатель, мультипликатор, блок водо-эжекции), а также определение более эффективных способов получения пара высокого давления.

Список литературы / References

1. Сигора Г. А. Обзор методов переработки рассолов, образующихся в результате работы дистилляционных установок / Г. А. Сигора, Л. А. Ничкова, Т. Ю. Хоменко и др. // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. - № 12 Том 1. - С. 140-146.

2. Дегремон С. А. Технический справочник по обработке воды. В 2 т. / С. А. Дегремон // перевод с фр. ООО «Новый журнал» при участии ООО «Лингва Франка Тим».- СПб.: Новый журнал. - 2007. - Т. 2. - С. 1696.

3. Ивлева Г. А. Анализ мирового опыта и научно-технических разработок в области кондиционирования опресненных высокоминерализованных вод для питьевых целей / Г. А. Ивлева, Н. Н. Гусев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. - № 10. - С. 162-170.

4. Слесаренко В. Н. Опреснительные установки / В. Н. Слесаренко // Владивосток: ДВГМА, 2012.- 244 с. ISBN 5-8343-0007-3.

5. Создание семейства импортозамещающих энергосберегающих установок, основанных на применении инновационных технологий для опреснения морской воды и получения дистиллята из сточных вод производительностью до 10 м куб./час: Отчет о патентных исследованиях/ рук. С.В. Лукачев; исполн. А. А. Шиманов [и др.]. - Самара, 2016. - 60 с. - №ГР АААА-А16-116051110084-8.

6. Бухмиров В. В. Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения) / В.В. Бухмиров // Изд-во Ивановского государственного энергетического университета имени В. И. Ленина. - 2007. - С. 39.

7. Воронин Г. И. Эффективные теплообменники / Г. И. Воронин, Е. В. Дубровский. - М.: Машиностроение, 1973. - 96 с.

8. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б. Е. Рябчиков / М.:ДеЛи принт, 2004. -328 с.

9. Пояснительная записка к эскизному проекту «Создание семейства импортозамещающих энергосберегающих установок, основанных на применении инновационных технологий для опреснения морской воды и получения дистиллята из сточных вод производительностью до 10 м куб./час»: договор от 20 июля 2015 года № 77/15 на выполнение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ; рук. С. В. Лукачев; исполн. В. В. Бирюк [и др.]. - Самара, 2016. - 205 с.

10. Отчет о научно-исследовательской, опытно-конструкторской и технологической работе по теме: «Создание семейства импортозамещающих энергосберегающих установок, основанных на применении инновационных технологий для опреснения морской воды и получения дистиллята из сточных вод производительностью до 10 м куб./час» (Этап 1. Промежуточный): договор от 20 июля 2015 года № 77/15 на выполнение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ; рук. С. В. Лукачев; исполн. В. В. Бирюк [и др.]. - Самара, 2016. - 275 с.

11. Отчет о патентных исследованиях по теме «Создание семейства импортозамещающих энергосберегающих установок, основанных на применении инновационных технологий для опреснения морской воды и получения дистиллята из сточных вод производительностью до 10 м куб./час». - Самара: Самарский университет, 2016. - 59 с.

Размещено на Allbest.ru