Установка для непрерывного обессоливания воды в замкнутом контуре при переменном давлении в одном контейнере
Изобретение предназначено для опреснения морской и обессоливания жесткой воды. Установка непрерывного ступенчатого обессоливания солевого водного раствора обратным осмосом включает контур замкнутого цикла с одним или несколькими модулями обессоливания, соединенными параллельно, средство создания противодавления, средство циркуляции для обеспечения рециркуляции обессоленного раствора в указанном замкнутом контуре и контейнер для замены концентрированного солевого раствора свежим питающим раствором. Установка дополнительно снабжена средствами контроля и клапанным механизмом, обеспечивающим отключение контейнера и подключение его к замкнутому контуру, замену концентрированного соляного раствора на свежий питающий раствор из контейнера, а также нагнетание давления и декомпрессию контейнера. Каждый из модулей обессоливания включает один или более мембранных элементов. Изобретение также относится к способу обессоливания солевого водного раствора посредством указанной установки. Изобретение позволяет уменьшить энергозатраты и обеспечить непрерывный процесс обессоливания при помощи простой установки. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу и установке для опреснения морской воды (SW, Sea Water) или обессоливания жесткой воды (BW, Brackish Water) обратным осмосом (Sea Water Reverse Osmosis, SWRO или Brackish Water Reverse Osmosis, BWRO) в замкнутом контуре.
Обессоливание методом обратного осмоса (RO, Reverse Osmosis) происходит при движении солевого водного раствора через полупроницаемую мембрану при создаваемом насосом внешнем давлении, превышающем осмотическое. При обессоливании в поршневом режиме потока «Plug Flow Desalination» (далее PFD) происходит движение питающего потока под давлением через резервуары (модули) давления, включающие полупроницаемые мембраны, в которых непрерывно происходит разделение на поток обессоленного пермеата, не находящийся под давлением, и поток концентрированного солевого раствора под давлением. Способ обессоливания SWRO или BWRO с применением PFD относится к концентрации питающего потока, прилагаемому давлению, количеству элементов в модуле, установке модулей и спецификации элементов. Питающий поток под давлением при обессоливании способом PFD всегда больше, чем поток пермеата; 50% обессоливание означает, что питающий поток под давлением в два раза больше потока пермеата. Обессоливание способом PFD включает также частичную рециркуляцию для увеличения конверсии; данный способ также характеризуется непрерывным потоком трех компонентов: питающим потоком под давлением, концентрированным солевым раствором и потоком пермеата.
В противоположность способу PFD обессоливание в замкнутом контуре (Closed Circuit Desalination, далее CCD) представляет собой периодический процесс, происходящий при рециркуляции раствора при гидростатическом давлении с одинаковой скоростью питающего потока под давлением и отведении потока пермеата. Внутренний поток в CCD (замкнутом контуре) создают при помощи устройства циркуляции с тем, чтобы минимизировать эффект концентрационной поляризации. Сообщения о технологии CCD впервые появились в конце семидесятых годов в работах Szuz et al. в US 4983301 и Bartt в US 4814086; здесь при непрерывном периодическом процессе предлагали использовать «…два резервуара относительно большой емкости», поочередно задействованных в процессе, позволяющих, таким образом, перезаполнять замкнутый контур свежим питающим потоком, не останавливая процесс обессоливания. В патентах начала семидесятых годов, таких как DE 2622461 А (1977) и JP 54128985 A (1979), описан способ обессоливания в поршневом режиме потока с частичной рециркуляцией, принципиально отличающийся от CCD несмотря на сходство отдельных характеристик (напр., контур с мембранными модулями, линии питающего потока и рециркуляции, средства осуществления циркуляции, средства подачи давления, средства отвода отходящего потока, средства контролирования процесса и т.д.). Различие между PFD и CCD ясно и очевидно, поскольку только в варианте с замкнутым контуром процесс включает замену концентрированного солевого раствора на свежий питающий поток при атмосферном давлении, что, таким образом, позволяет исключить необходимость возмещения затрат энергии на создание давления в потоке концентрированного солевого раствора, что является существенной частью процесса в режиме поршневого потока.
По сравнению со способом PFD при применении способа CCD требуются установки меньшей мощности для создания давления в питающем потоке, и процесс проходит с меньшими энергозатратами при отсутствии необходимости рекуперации энергии. Технология CCD согласно вышеуказанным патентам представляет собой периодический процесс, непрерывность которого обеспечивается посредством выполнения последовательно чередующихся этапов с использованием двух контейнеров относительно большой емкости. Данный подход при проектировании установок для обессоливания считают экономически невыгодным.
Настоящее изобретение описывает установку и способы, согласно которым обессоливание в замкнутом контуре (CCD) проводят непрерывно, при этом установка включает один относительно небольшой контейнер, что делает данную технологию экономически выгодной в различных областях применения, включая опреснение морской воды и обессоливание жесткой воды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает установку и способы опреснения морской воды или обессоливания жесткой воды на основе обратноосмотического процесса в замкнутом контуре, согласно которым питающий поток пропускают через параллельные модули обессоливания при помощи средств создания циркуляции (побудителя расхода), при этом контур содержит устройство, задающее давление в системе, при помощи которого также производят отвод пермеата, прошедшего через мембрану, и замену его на свежий питающий раствор. Объем питающего потока, находящегося под давлением в замкнутом контуре, при последовательном проведении обессоливания контролируют при помощи измерителя потока, объем жидкости, проходящей через измеритель потока в любой момент времени, равен объему отводимого пермеата. Средства циркуляции устанавливают так, чтобы при минимальном перепаде давления на входе и выходе в условиях, соответствующих спецификации элементов, обеспечивать максимальное обессоливание на элементе и оптимальное соотношение потоков концентрата и пермеата; устройство, создающее давление в системе, устанавливают так, чтобы обеспечить возможность подачи переменного давления в зависимости от степени обессоливания, контролируемой по показаниям измерителя потока пермеата, и/или питающего потока под давлением, и/или меняющихся в ходе последовательного процесса обессоливания концентраций. Заданное давление при обессоливании на входе в модули поддерживают на заданном уровне, превышающем осмотическое давление, в ходе всего последовательного процесса обессоливания.
Устройство для обессоливания в замкнутом контуре при переменном давлении может работать непрерывно, если оно включает один контейнер, периодически подключаемый для перезагрузки контура свежим питающим потоком при периодическом удалении из системы накопившегося концентрированного соляного раствора. При подсоединенном к замкнутому контуру контейнере с питающим раствором, находящимся под давлением, процесс обессоливания продолжается, и модули работают непрерывно с выходом пермеата согласно спецификации.
Способы и устройство для обессоливания при переменном давлении в замкнутом контуре путем обратного осмоса согласно настоящему изобретению можно реализовать при помощи простой установки, изготовленной из компонентов, имеющихся в продаже; это позволяет обеспечить проведение процессов обессоливания с большой экономией, в частности, в отношении активных компонентов и энергопотребления.
Установка согласно настоящему изобретению может работать при постоянном давлении; при этом затраты на установку для создания давления в системе значительно снижаются; а энергозатраты остаются ниже по сравнению с энергозатратами согласно ранее применявшимся способам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.IА - Чертеж устройства с шестью модулями, содержащими по три элемента каждый, и одним контейнером для непрерывного обессоливания в замкнутом контуре морской воды или жесткой воды с указанием позиций клапанов в процессе обессоливания в замкнутом контуре в момент перезагрузки контейнера свежей морской водой в соответствии с предпочтительным примером реализации настоящего изобретения.
Фиг.IВ - Чертеж устройства с шестью модулями, содержащими по три элемента каждый, и одним контейнером для непрерывного обессоливания в замкнутом контуре морской воды или жесткой воды с указанием позиций клапанов в процессе обессоливания в замкнутом контуре в момент подачи давления на перезагруженный свежей морской водой контейнер в соответствии с предпочтительным примером реализации настоящего изобретения.
Фиг.IC - Чертеж устройства с шестью модулями, содержащими по три элемента каждый, и одним контейнером для непрерывного обессоливания в замкнутом контуре морской воды или жесткой воды с указанием позиций клапанов в процессе обессоливания в замкнутом контуре в момент перезагрузки замкнутого контура новым питающим потоком с одновременным отводом концентрированного соляного раствора через контейнер в соответствии с предпочтительным примером реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению для решения проблемы высокого энергопотребления и высокой стоимости известных систем обратного осмоса для обессоливания предложены способ и установка для последовательного ступенчатого обессоливания раствора, причем данный раствор может представлять собой морскую воду, жесткую воду, промышленный сток или очищенный бытовой сток, на основе обратноосмотического процесса в замкнутом контуре, согласно которому питающий поток пропускают через параллельные модули обессоливания при помощи циркуляционного насоса, перезагрузку замкнутого контура питающим потоком и отвод концентрированного соляного раствора осуществляют периодически через один контейнер, а заданное давление поддерживают при помощи насоса, который также служит для отвода пермеата и замены его на свежий питающий раствор.
Согласно настоящему изобретению объем питающего потока, находящегося под давлением в замкнутом контуре, контролируют в процессе обессоливания измерителем потока, при этом объем жидкости, проходящей через измеритель потока в любой момент времени, равен объему отводимого пермеата. Объем образовавшегося пермеата при этом прямо пропорционален росту осмотического давления; значение данного объема непрерывно контролируют при помощи средств измерения противодавления на входах в модули обессоливания, причем давление поддерживают на заданном уровне, превышающем осмотическое давление, в ходе всего процесса обессоливания.
Согласно предложенным в настоящем изобретении установке и способу каждый из модулей может включать один, два, три или более мембранных элементов, при этом число элементов определяет степень протекания процесса в модуле за один циркуляционный этап, в то время как суммарная степень протекания всего ступенчатого процесса зависит только от общего количества циркуляционных этапов, проходящих в замкнутом контуре в условиях переменного давления при постоянном полезном вытесняющем давлении. Для сравнения, при проведении процесса обессоливания морской воды за один цикл способом CFD согласно ранее применявшимся методикам требовались модули, состоящие из семи или восьми элементов, и общая степень обессоливания оставалась низкой (40%-42%), если не была превышена максимальная степень конверсии на элементе, указанная производителем в спецификации к мембранному элементу для тестовых условий (напр., 10%). Иными словами, настоящее изобретение позволяет достичь любого уровня конверсии без превышения максимальной конверсии для элемента, указанной в спецификации для тестовых условий, в то время как при обессоливании способом CFD по ранее применявшимся методикам при данных условиях предельная конверсия составляла 40%-42%.
Способ согласно настоящему изобретению позволяет достичь высокой средней степени конверсии в каждом модуле без превышения максимальной конверсии для элемента, указанной в спецификации для тестовых условий, что было невозможно при обессоливании способом CFD по ранее применявшимся методикам.
Обессоливание в модулях с 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 элементами при указанной в спецификации степени конверсии составляет соответственно 10,0 (10)%, 18,1 (9,05)%, 24,5 (8,1)%, 29,7 (7,4)%, 33,9 (6,8) %, 37,3 (6,2) %, 40,0 (5,7) %, 42,1 (5,3) %, при этом в скобках указаны средние величины конверсии для каждого элемента. Более высокая средняя степень конверсии в элементе при применении способа обессоливания по настоящему изобретению в сравнении с обессоливанием по способу CFD по ранее применявшимся методикам обеспечивает значительную экономию на мембранных элементах при проведении процесса согласно настоящему способу.
Средние параметры потока через элемент, указанные производителем в спецификации для тестовых условий, напрямую связаны со средней величиной конверсии в элементе, поэтому при более высокой конверсии увеличивается скорость потока пермеата. Проникновение соли через полупроницаемый мембранный элемент обратно пропорционально средней величине потока через элемент, поэтому при применении способа обессоливания согласно настоящему изобретению ожидается получение пермеата с пониженным содержанием соли и более высокого качества в сравнении с пермеатом, полученным по способу CFD согласно ранее применявшимся методикам. В свете вышеупомянутого по настоящему изобретению ожидается снижение проникновения соли с уменьшением количества элементов в модуле. Следовательно, согласно настоящему изобретению можно получить пермеаты лучшего качества при использовании модулей с меньшим количеством элементов.
Еще одним преимуществом изобретения является то, что при постепенном повышении противодавления в процессе обессоливания, при поддержании его на уровне, превышающем осмотическое давление концентрата на входе в модули, среднее противодавление процесса в целом значительно ниже постоянного противодавления в процессе обессоливания по ранее применявшемуся способу CFD, что обеспечивает значительную экономию энергии по настоящему изобретению.
По еще одному преимущественному аспекту изобретения поток в замкнутом контуре, создаваемый средствами циркуляции, можно контролировать и изменять для минимизации эффекта концентрационной поляризации путем возмущения тонкого слоя концентрированного солевого раствора на поверхности мембран.
Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет избежать применения дорогостоящих устройств для рекуперации энергии, которые представляют собой наиболее громоздкие и ненадежные части установки для обессоливания по ранее применявшемуся способу CFD.
Установка и способ, предложенные в настоящем изобретении, позволяют избежать избыточного энергопотребления и использования дополнительных устройств для рекуперации энергии, применявшихся при обессоливании по существующим способам CFD.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что площадь, занимаемая блоками обессоливания, значительно меньше по сравнению с таковой при обессоливании по существующим способам CFD благодаря существенной экономии при размещении блоков подачи энергии, мембранных элементов, а также отсутствию необходимости в рекуперации энергии из отводимого концентрированного солевого раствора.
На Фиг.IА представлен чертеж установки, являющейся одним из предпочтительных примеров реализации настоящего изобретения. Как показано на Фиг.IА, опреснительная установка согласно настоящему изобретению включает контур с морской водой под давлением, питающий подсоединенные параллельно модули обессоливания М1-М6; при этом указанный контур вместе с модулями образует замкнутый контур («Closed-Circuit», далее «СС»), в котором происходит обессоливание. Следует понимать, что число модулей не ограничено шестью модулями, изображенными на Фиг.IА; оно может быть больше или меньше согласно различным проектным требованиям. Одним из преимуществ установки согласно настоящему изобретению является то, что в ней можно использовать коммерческие модули, применявшиеся ранее. Предусмотрена также возможность проектирования новых вариантов модулей для применения в установке по настоящему изобретению или же возможность применения коммерческих модулей, не существовавших на момент настоящего изобретения. Модули для применения в установке по настоящему изобретению содержат, как правило, один или несколько элементов в корпусе. Концентрат на выходе из модулей возвращается по замкнутому контуру СС на вход при помощи циркуляционного насоса СР, который работает при небольшом перепаде давлений на входе и выходе. Желаемое гидростатическое давление в СС, в том числе в модулях M1-M6, создают при помощи насоса РР, подающего морскую воду в установку по линии L, таким образом, чтобы происходило вытеснение объема отводимого пермеата (поток обозначен стрелкой А) объемом свежей морской воды (поток обозначен стрелкой Е1). Объем подаваемой морской воды непрерывно контролируют при помощи измерителя потока FM. Насос РР работает при постоянном давлении или при постепенно возрастающем давлении в функции от степени завершенности процесса обессоливания, контроль которого осуществляют по объему раствора, проходящего через измеритель потока FM. Установка также включает линии L1, обеспечивающие приток в замкнутый контур СС от циркуляционного насоса СР на входы в модули M1-М6 по вторичным линиям L1.1,
L1.2, L1.3, L1.4, L1.5, L1.6. Далее, установка включает линию L2 для рециркуляции частично обессоленной морской воды, подаваемой с выходов модулей по вторичным линиям
L2.1, L2.2, L2.3, L2.4, L2.5, L2.6 при помощи циркуляционного насоса СР. Полный замкнутый контур СС включает линии L1 и L2 и модули M1-M6 и соединяющие их входы и выходы вторичные линии. Следует понимать, что на Фиг.IA изображена упрощенная схема контура обессоливания и линий; данная схема никак не лимитирует область охвата настоящего изобретения. На практике установка для обессоливания может включать дополнительные линии, ответвления, клапаны и другие устройства и средства в соответствии с конкретными требованиями, оставаясь при этом в рамках настоящего изобретения и формулы изобретения.
Далее, согласно Фиг.IА установка для обессоливания включает линию АА для сбора отводимого пермеата (обессоленного раствора) с выходов модулей A1, А2, А3,
А4, A5, А6.
Далее, согласно Фиг.IА установка для обессоливания включает систему перезагрузки питающего раствора («Feed Recharge», далее FR), при помощи которой концентрированный солевой раствор заменяют свежим питающим потоком в замкнутом контуре СС по завершении каждого этапа процесса при достижении желательной степени конверсии. Система перезагрузки питающего раствора включает линии Е2, B1, B2 и С, двухходовые клапаны V1-V5, контейнер CN, насос RP для перезагрузки. Фиг.IA иллюстрирует процесс обессоливания, который протекает в системе замкнутого контура СС, при этом в системе FR одновременно происходит процесс перезагрузки. Системы СС и FR по Фиг.IA отсоединены, поскольку клапан V1 открыт, а клапаны V2 и V3 закрыты. Во время операции перезагрузки FR системы свежий питающий раствор подают через открытый клапан V4 по линии B2 сверху в контейнер CN; одновременно концентрированный солевой раствор удаляют со дна контейнера CN в дренаж (стрелка С) по линии B1 через открытый клапан V5 и по линии С при помощи насоса RP для перезагрузки, срабатывающего при низком давлении (-1,0 бар) в условиях, близких к условиям ламинарного течения.
На Фиг.IB показано положение клапанов после завершения операции перезагрузки контейнеров, когда в систему FR подано давление и система подготовлена к подаче потока свежего раствора в замкнутый контур СС. Клапаны FR системы на данном этапе закрыты за исключением клапана V3, через который подают давление.
На Фиг.IC показано положение клапанов, при котором в системе FR поток свежего раствора поступает в систему замкнутого контура СС, из которого выходит концентрированный солевой раствор. Если у СС и FR систем одинаковый внутренний объем, то одного наполненного свежим питающим раствором FR контейнера достаточно для завершения перезагрузки всей системы замкнутого контура СС. Во время операции перезагрузки процесс обессоливания продолжается непрерывно.
Направление потока в установке по настоящему изобретению обозначено светлыми серыми стрелками. Линии, в которых давление отсутствует, обозначены пунктиром; линии, на которые периодически подается давление, обозначены точечными линиями, а линии системы СС, постоянно находящиеся под давлением, обозначены непрерывными линиями. Следует понимать, что линии, клапаны и насосы, показанные на Фиг.I (A-C), представляют собой лишь один из вариантов исполнения изобретения, в то время как согласно различным примерам реализации предполагается возможность существования различных вариантов установки.
Следует понимать, что установку и способ по настоящему изобретению можно реализовать как в виде модульной системы, так и при отсутствии модульной конструкции; в первом случае средства нагнетания давления включают насос (или насосы) переменного давления для подачи раствора при атмосферном давлении; во втором случае средства нагнетания давления включают бустерный (вспомогательный) насос (или насосы) переменного давления там, где поток уже подается под давлением. Безагрегатная установка по настоящему изобретению предназначена в основном для автономных блоков обессоливания, в то время как установка с модульной системой предназначена для использования в качестве составных блоков больших опреснительных заводов, в которых питающий поток подается под давлением к блокам централизованно от главной линии, а бустерные (вспомогательные) насосы переменного давления служат для корректировки давления в каждом блоке системы в соответствии с требованиями к работе каждого отдельного блока.
Согласно одному из возможных вариантов реализации установка по настоящему изобретению содержит большое количество модулей; при этом модули расположены в несколько параллельных линий, на каждую параллельную линию подают раствор для обессоливания от главной линии установки; на каждый модуль каждой линии также подают раствор параллельно. В подобных установках возможно применение отдельных средств циркуляции для каждой из указанных линий соответственно; или же возможно применение одного средства циркуляции для всех указанных линий.
Согласно другому возможному варианту реализации установка по настоящему изобретению содержит большое количество модулей, сгруппированных в параллельные батареи, причем каждая из указанных параллельных батарей содержит по несколько модулей.
Средства создания давления, или средства циркуляции, или и те и другие средства могут быть представлены двумя или более нагнетательными или циркуляционными насосами соответственно, установленными параллельно или последовательно; возможна любая другая схема в соответствии с особыми требованиями.
В установке по настоящему изобретению контейнер не обязательно представляет собой резервуар большой емкости, он может быть реализован в виде секции трубопровода или канала.
Способ обессоливания по настоящему изобретению включает следующие этапы, описанные далее со ссылками на Фиг.I (A-C): (I) заполнение всей установки свежей морской водой или жесткой водой; (II) включение насоса (или насосов) для подачи постоянного питающего потока под давлением в соответствующих условиях переменного давления; (III) включение циркуляционного насоса СР при низком перепаде давлений на входе и на выходе так, чтобы отношение скоростей потоков концентрата и пермеата было постоянным в соответствии со спецификацией модулей; (IV) последовательный процесс RO обессоливания в замкнутом контуре СС проводят путем рециркуляции концентрата и смешивания его со свежим питающим потоком, под давлением подаваемым в замкнутый контур СС в ходе последовательного процесса обессоливания; (V) одновременно с завершением процесса по достижению желательной конверсии при последовательном процессе в замкнутом контуре СС периодически отводят циркулирующий поток через систему FR до завершения перезагрузки системы СС свежим питающим раствором и отвода концентрированного солевого раствора; (VI) одновременно с завершением перезагрузки системы СС свежим питающим раствором системы СС и FR отсоединяют, в системе СС начинается новый процесс последовательного обессоливания, а в систему FR загружают новый питающий раствор, одновременно отводят концентрированный солевой раствор, затем подают в систему давление; таким образом, система СС готова к новой операции перезагрузки.
Следует понимать, что для поддержания постоянного потока пермеата от модулей установки по настоящему изобретению переменное давление в системе СС должно соответствовать постоянному, или приблизительно постоянному, вытесняющему давлению («Net Driving Pressure», далее NDP). Следует понимать, что указанное NDP в контексте настоящего изобретения представляет собой разность между приложенным давлением, называемым также противодавлением, и осмотическим давлением циркулирующего раствора на входе в модули при непрерывном процессе обессоливания.
Согласно одному возможному варианту реализации в установке по настоящему изобретению при проведении последовательных этапов процесса обессоливания прикладывают такое постоянное давление, при котором разность между подаваемым давлением и максимальным осмотическим давлением в ходе указанного процесса обессоливания остается выше минимального предварительно заданного уровня.
Для специалиста в данной области очевидно, что способ обессоливания по настоящему изобретению можно применять в установках с различными схемами, как описано выше, при рассмотрении установки согласно настоящему изобретению, при этом установка должна включать замкнутый контур, соединенный подводящими линиями с контейнером, один или несколько модулей обессоливания с одним или несколькими мембранными элементами, причем каждый модуль подсоединен параллельно, средства создания давления, средства циркуляции, средства мониторинга потока и средства мониторинга электропроводности.
Далее, для специалистов в данной области очевидно, что отдельные установки упомянутой модульной схемы любой предпочтительной производительности по настоящему изобретению можно объединять с получением опреснительной установки повышенной производительности с питающим потоком, подаваемым централизованно к отдельным блокам установки через отводы от линии питающего потока высокого давления.
Пример I
Применение новой технологии на примере опреснения морской воды представлено в Таблице I; процесс протекает при постепенно повышающемся давлении в условиях постоянного вытесняющего давления (constant net driving pressure) с применением установки, схема которой показана на Фиг.1 (А-С), с шестью модулями, содержащими по три элемента каждый и единичный контейнер емкостью 394 л, этот объем соответствует внутреннему объему замкнутого контура. Элементы по настоящему примеру являются элементами коммерческого образца или им подобными, их допустимые характеристики при тестовых условиях перечислены в Таблице I. 10% - максимальная конверсия, указанная в спецификации для заглавных элементов модулей, не превышена в течение полного последовательного (entire sequential) или поэтапного последовательного (consecutive sequential) процесса обессоливания, описанного в Примере. Конверсия в модуле по спецификации, указанной в Таблице I, составляющая 24,5%, относится к трехэлементному модулю в тестовых условиях с максимальной конверсией на элементе, равной 10%. По рассматриваемому примеру поток пермеата считают постоянным, поскольку процесс обессоливания протекает при постоянном, или приблизительно постоянном, вытесняющем давлении NDP (~30,4 бар) - специфицированном NDP элементов для тестовых условий. В условиях постоянного NDP, прилагаемого по данному примеру, питающий поток через модуль (37,4 л/мин) и рециркулированный поток концентрата через модуль (115,3 л/мин) остаются постоянными; питающий поток идентичен потоку пермеата через модуль (37,4 л/мин). Постоянные параметры потока для рассматриваемой в Примере шестимодульной установки в шесть раз превышают параметры, указанные в Таблице I для одного модуля.
Коэффициенты эффективности (I) насосов по данному примеру составляют fPP=0.88, fCP=0.85 и fRP=0.80; где fPP=0.88, fCP=0.85 и fRP=0.80 представляют собой коэффициенты эффективности насоса, подающего давление (РР), циркуляционного насоса (СР) и насоса, перезагружающего питающий поток (RP) соответственно. По данному примеру переменное давление, подаваемое насосом РР, варьирует в интервале 54.9-70. 8 бар (среднее давление - 62.8 bar), RP работает при 0.5 бар, а СР работает при перепаде давлений на входе и выходе (Ар) в 1.0 бар (-15 пси).
ТАБЛИЦА-I представляет параметры постоянного потока через модуль, ожидаемые в условиях переменного приложенного давления (Applied Pressure - АР) при постоянном вытесняющем давлении (NDP). Параметры постоянного потока выводят из уравнения потока пермеата (1) и уравнения, определяющего величину требуемого приложенного давления (2); где Qp - поток пермеата через элемент, А - коэффициент проницаемости, S - площадь поверхности мембраны, TCF - коэффициент поправки на температуру, FF - степень загрязнения, NDP - вытесняющее давление, АР - приложенное давление и ОР - осмотическое давление. Конверсия в рассматриваемом последовательном процессе обессоливания выражена уравнением (3); длительность периода, за который достигают желательной конверсии, вычисляют по уравнению (4); где Rec - конверсия, выраженная в процентах, V - внутренний объем замкнутого контура, v - объем питающего потока под давлением, добавляемого в систему, или объем полученного пермеата, Т - длительность этапа конверсии по спецификации, Q - поток пермеата через модуль и n - количество модулей в установке. По рассматриваемому примеру энергетические параметры рассчитывают из уравнения поток-давление (5); где Р - мощность в kW, Q - поток в литрах в минуту, р - давление или перепад давления в барах и f - коэффициент эффективности энергетических компонентов.
Среднее удельное энергопотребление в ТАБЛИЦЕ-I рассчитывают по энергетическим параметрам, времени работы системы (t) на последовательном этапе (Т) до достижения желательной конверсии, принимая во внимание объем отводимого пермеата.
(1) Qp=A·S·(TCF)·(FF)·(NDP)
(2) AP=(OP)+(NDP)
(3) Rec (%) = 100·v/(V+v)
(4) T={I/(n·Q)}·{(Rec·V)/(100-Rec)}
(5) P(kW)=(Q·p)/(592·f)
В ТАБЛИЦЕ I представлена также другая специфическая информация: временная координата (t, min) последовательного процесса; конверсия в модуле (REC. 24.5%), увеличение конверсии (DESL.REC.) в ходе процесса; отношение потоков концентрата и пермеата (CONCEN. PERM. FLOW RATIO); количество замкнутых контуров рециклирования (Number RCC); концентрации на входе в модули [CONC (%). t-0.25, inlet]; средние концентрации в замкнутом контуре [CONC (%), t], энергопотребление на один модуль; осмотическое давление (OP), приложенное давление (АР) и вытесняющее давление в системе (NDP), измеренное на входе в модули; и средняя величина удельного энергопотребления (Mean S.E. kWhm3).
Объединение последовательных этапов последовательного обессоливания в непрерывный процесс последовательного обессоливания осуществляют при помощи системы контроля, переключающей клапаны и прочие компоненты в соответствии с данными контроля концентрации, и/или давления, и/или потока пермеата, и/или питающего потока под давлением, получаемыми в режиме реального времени. Мониторинг электропроводности раствора в замкнутом контуре является одним из средств эффективного контроля и управления процессом обессоливания.
По данным ТАБЛИЦЫ I установка по примеру работает при последовательном периоде (Т) длительностью 107 секунд (1,75 мин) при 50% конверсии, где около 34 сек уходит на перезагрузку замкнутого контура свежим питающим потоком через контейнер емкостью 395 литров, что эквивалентно объему самого замкнутого контура.
В заключение отметим, что предпочтительным примером реализации установки и способа по настоящему изобретению является представленный в Примере I блок с суточной производительностью 323 м3/день опресненной морской воды при условии 100% доступности и 50% конверсии, при среднем удельном энергопотреблении 2,18 kWh/m3 при постоянном приложенном давлении (70,8 бар).
| ТАБЛИЦА - II | |||
| Рабочие характеристики безмодульного обессоливания по Примеру I в сравнении с характеристиками установки, составленной из десяти модульных блоков. | |||
| Сравниваемые параметры | М1Е3 | 6 [М1Е3] | 10 {6 [М1Е3]} |
| Суточная выработка пермеата (м3/день) | 53,9 | 323,3 | 3,233 |
| Суточное расходование питающего раствора под давлением (м3/день) | 53,9 | 323,3 | 3,233 |
| Суточное расходование питающего раствора без подачи давления (м3/день) | 53,9 | 323,3 | 3,233 |
| Суточный объем отведенного концентрированного солевого раствора (м3/день) | 53,9 | 323,3 | 3,233 |
| Максимальная конверсия на элементе (%) | 10 | 10 | 10 |
| Конверсия в модуле (%) | 24,5 | 24,5 | 24,5 |
| Минимальное последовательное давление (бар) | 54,9 | 54,9 | 54,9 |
| Максимальное последовательное давление (бар) | 70,8 | 70,8 | 70,8 |
| Среднее последовательное давление (бар) | 62,8 | 62,8 | 62,8 |
| Минимальный расход электроэнергии (кВатт) | 4,17 | 25,0 | 250 |
| Максимальный расход электроэнергии (кВатт) | 5,77 | 34,6 | 346 |
| Средний расход электроэнергии (кВатт) | 4,97 | 29,8 | 298 |
| Длительность этапа (с) | 107 | 107 | 107 |
| Конверсия (%) | 50 | 50 | 50 |
| Среднее удельное энергопотребление (kWч/м3) | 2,18 | 2,18 | 2,18 |
| Занимаемая площадь (м2) | 6 | 6 | 60 |
М1Е3. В Примере I так же, как и здесь, применяется трехэлементный модуль.
6 [М1Е3]. Шестимодульный безагрегатный блок обессоливания по Примеру I.
10 {6[М1Е3]}. Соединение 10 блоков того же типа, что применяются в Примере 1 по модульной схеме.
Пример II
Подсоединение 10 блоков обессоливания по модульной схеме, аналогичных блокам по Примеру I, к центральной линии питающего потока под давлением, где каждый блок оборудован бустером переменного давления вместо насоса переменного давления, представляет собой пример применения установки по модульной схеме по новому способу по изобретению. Некоторые рабочие характеристики трехэлементных модулей обессоливания, модульного блока по схеме, аналогичной применявшейся в Примере - I - с 6-ю модулями и 18-ю элементами, и опреснительная установка, составленная из 10 блоков по модульной схеме, представлены в ТАБЛИЦЕ-II.
1. Установка непрерывного ступенчатого обессоливания солевого водного раствора обратным осмосом, включающая:
по меньшей мере один контур замкнутого цикла с одним или несколькими модулями обессоливания с входами и выходами, соединенными линиями соответственно параллельно, причем каждый из указанных модулей обессоливания включает один или более мембранных элементов;
по меньшей мере одно средство создания противодавления, достаточного для протекания обратноосмотического процесса обессоливания, а также для замены отводимого пермеата свежим питающим раствором в указанном замкнутом контуре;
по меньшей мере одно средство циркуляции для обеспечения рециркуляции указанного обессоленного раствора через указанный один или более модулей обессоливания в указанном замкнутом контуре;
по меньшей мере одну отводящую линию для сбора пермеата от одного или нескольких модулей обессоливания в указанном замкнутом контуре;
один контейнер, позволяющий заменять концентрированный солевой раствор свежим питающим раствором в указанном замкнутом контуре в ходе непрерывного процесса обессоливания;
по меньшей мере одну линию для отвода указанного концентрированного солевого раствора из указанного замкнутого контура;
по меньшей мере одну линию для отвода свежего питающего раствора, подлежащего обессоливанию, из указанного одного контейнера в указанный замкнутый контур;
по меньшей мере одну линию для перезагрузки указанного одного контейнера свежим питающим раствором, подлежащим обессоливанию;
по меньшей мере одну линию для отвода концентрированного соляного раствора из указанного одного контейнера;
по меньшей мере один клапанный механизм, обеспечивающий отключение одного контейнера и подключение его к замкнутому контуру, замену концентрированного соляного раствора на свежий питающий раствор из указанного одного контейнера, а также нагнетание давления и декомпрессию указанного одного контейнера; и
средства контроля, обеспечивающие протекание непрерывного процесса обессоливания в замкнутом контуре с желательными параметрами обессоливания согласно последовательно чередующимся этапам при переменном давлении или при постоянном давлении.
2. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по п.1, в которой при проведении последовательных этапов процесса обессоливания прикладывают переменное давление для корректировки давления, так чтобы разность между подаваемым давлением и осмотическим давлением на каждой стадии в ходе непрерывного процесса обессоливания оставалась постоянной или в основном постоянной.
3. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по п.1, в которой при проведении последовательных этапов процесса обессоливания прикладывают такое постоянное давление, при котором разность между подаваемым давлением и максимальным осмотическим давлением в ходе указанного процесса обессоливания остается выше минимального предварительно заданного уровня.
4. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанные средства контроля за протеканием процесса обессоливания представляют собой средства контроля потока свежего солевого водного раствора, поступающего в указанный замкнутый контур, и/или потока обессоленного раствора из указанного замкнутого контура.
5. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанные средства контроля за протеканием процесса обессоливания представляют собой средства контроля концентрации.
6. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанные модули включают один или более полупроницаемых мембранных элементов, заключенных в корпус.
7. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанные модули сгруппированы в параллельные батареи, причем каждая из указанных параллельных батарей содержит по несколько модулей.
8. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанный один контейнер выполнен в виде секций цилиндрического трубопровода.
9. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанные средства создания давления в системе включают один или более нагнетательных насосов, подсоединенных параллельно или последовательно.
10. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанные средства циркуляции включают один или более циркуляционных насосов, соединенных параллельно или последовательно.
11. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанный раствор представляет собой морскую воду.
12. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанный раствор представляет собой жесткую воду.
13. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанный раствор представляет собой очищенный бытовой сток.
14. Установка замкнутого контура для обессоливания солевого водного раствора обратноосмотическим способом по любому из пп.1-3, в которой указанный раствор представляет собой промышленный сток.
15. Способ последовательного обессоливания солевого водного раствора обратным осмосом в замкнутом контуре с одним или более модулями обессоливания, соединенными в указанном контуре параллельно, одним контейнером для замены концентрированного солевого раствора свежим исходным раствором в ходе непрерывного процесса обессоливания в указанном замкнутом контуре; линиями, посредством которых осуществляется соединение указанных модулей и указанного одного контейнера, средствами создания давления в системе, средствами циркуляции, средствами контроля за степенью протекания процесса обессоливания, и множеством клапанных средств,
при этом указанный способ включает ряд последовательных шагов и позволяет проводить непрерывный процесс обессоливания водного солевого раствора по следующим этапам:
а) заполнение указанного замкнутого контура и одного контейнера свежим солевым водным раствором при атмосферном давлении, отсоединение указанного замкнутого контура и одного контейнера и создание давления указанного свежего солевого водного раствора в указанном замкнутом контуре и одном контейнере;
в) рециркуляцию солевого водного раствора под давлением через указанные модули обессоливания в замкнутом контуре при заданной скорости потока при помощи средств циркуляции, таким образом, чтобы обеспечить эффективный выход пермеата из указанных модулей;
c) контроль длительности последовательных этапов обессоливания, а также давления, приложенного в ходе процесса обессоливания, с помощью контролирующих средств;
d) сбор обессоленного раствора из указанных модулей;
e) подсоединение указанного одного контейнера, заполненного свежим питающим раствором, под давлением к указанному замкнутому контуру, заполненному раствором при желательной степени конверсии, для обеспечения перезагрузки указанного замкнутого контура свежим питающим раствором в конце каждого этапа последовательного процесса обессоливания без остановки указанного процесса обессоливания;
f) отсоединение указанного одного контейнера от указанного замкнутого контура после перезагрузки замкнутого контура свежим питающим солевым водным раствором, подлежащим обессоливанию, и
g) декомпрессия указанного одного контейнера, заполненного концентрированным солевым раствором, замена концентрированного солевого раствора в указанном одном контейнере свежим питающим солевым водным раствором, по существу при атмосферном давлении, герметизация указанного контейнера после завершения по существу перезагрузки свежим питающим раствором, и подача давления в указанный один контейнер для приведения его в готовность для следующего использования в указанном замкнутом контуре.
16. Способ последовательного обессоливания солевого водного раствора в замкнутом контуре обратным осмосом по п.15, в котором давление, создаваемое на выходе из средств нагнетания давления, постепенно увеличивается в ходе последовательного процесса обессоливания как функция увеличения степени обессоливания, контролируемой указанными средствами мониторинга так, чтобы поддерживать отношение подаваемого давления к осмотическому давлению на уровне, превышающем заданное минимальное значение в ходе всего последовательного процесса обессоливания.
17. Способ последовательного обессоливания солевого водного раствора в замкнутом контуре обратным осмосом по п.15, в котором подаваемое постоянное противодавление в ходе всего последовательного процесса обессоливания поддерживают на заданном минимальном уровне, превышающем осмотическое давление раствора, отводимого в конце каждого этапа процесса обессоливания.
18. Способ последовательного обессоливания солевого водного раствора в замкнутом контуре обратным осмосом по любому из пп.15-17, в котором указанные средства мониторинга представляют собой измеритель расхода для контроля объема обессоленной воды или объема свежего подаваемого на обессоливание солевого водного раствора, находящегося в замкнутом контуре под давлением.
19. Способ последовательного обессоливания солевого водного раствора в замкнутом контуре обратным осмосом по любому из пп.15-17, где указанные средства мониторинга представляют собой средства измерения концентрации.
20. Способ последовательного ступенчатого обессоливания солевого водного раствора в замкнутом контуре обратным осмосом, причем замкнутый контур содержит один или несколько модулей обессоливания, подсоединенных параллельно в указанном контуре; а способ включает следующие этапы: подсоединение одного контейнера, заполненного свежим питающим раствором, и находящегося под давлением вместе с указанным замкнутым контуром при желательной конверсии для обеспечения перезагрузки указанного замкнутого контура свежим питающим раствором в конце каждого этапа последовательного процесса обессоливания; отсоединение указанного одного контейнера от указанного замкнутого контура после перезагрузки замкнутого контура свежим питающим солевым водным раствором, подлежащим обессоливанию, декомпрессия указанного одного контейнера, заполненного концентрированным солевым раствором, замена концентрированного солевого раствора в указанном одном контейнере свежим питающим солевым водным раствором, в основном при атмосферном давлении, герметизация указанного контейнера после завершения в основном перезагрузки свежим питающим раствором, и подача давления в указанный один контейнер для приведения его в готовность для очередного этапа работы в указанном замкнутом контуре.
