ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Научная статья

Благин Е.В.¹, Горшкалев А.А.², Корнеев С.С.^3, *, Урлапкин В.В.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-8921-4122;

² ORCID: 0000-0001-8448-7116;

³ ORCID: 0000-0001-8359-0146;

⁴ ORCID: 0000-0002-9410-6003;

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

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

Аннотация

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.

RESEARCH OF THE OPPORTUNITY TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF DISTILLATORY DESALINATING PLANT

Research article

Blagin E.V.¹, Gorshkalev A.A.², Korneev S.S.³, *, Urlapkin V.V.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-8921-4122;

² ORCID: 0000-0001-8448-7116;

³ ORCID: 0000-0001-8359-0146;

⁴ ORCID: 0000-0002-9410-6003;

^{1, 2, 3, 4} Samara National Research University named after S.P. Korolev, Samara, Russia

* Corresponding author (skorneev1993[at]mail.ru)

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 Δt (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 59ºС. Для оптимальной работы первой ступени опреснительной установки, в неё необходимо подавать исходную воду с температурой 70 ºС. 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

Потребная тепловая мощность, кВт	Располагаемая тепловая мощность, кВт
	Блока водоэжекции	Электродвигателя	Мультипликатора	Итого
8	0,42	1,85	0,16-0,8	2,43-3,07

 

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.

Финансирование Работа выполнена в организации Головного исполнителя НИОКТР при финансовой поддержке Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках реализации постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 по договору об условиях предоставления и использования субсидии от 01 декабря 2015 г. № 02.G25.31.0150.

Funding The work was carried out in the organization of the Chief Executive Officer of research, development and technological work with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the implementation of the Resolution of the Government of the Russian Federation No. 218 of April 9, 2010 under the agreement on the conditions for granting and using subsidies of December 01, 2015 No. 02.G25.31.0150.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

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.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sigora G. А. Obzor metodov pererabotki rassolov, obrazuyushhikhsya v rezul'tate raboty distillyatsionnykh ustanovok [Review of methods for processing brines formed as a result of operation of distillation plants]/ G. А. Sigora, L. А. Nichkova, T. Yu. Homenko and other // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2017. – № 12 Tom 1. – P. 140–146. [in Russian]
2. Degremon S. А. Tekhnicheskij spravochnik po obrabotke vody [Technical Handbook for Water Treatment]. V 2 V. / S. А. Degremon // perevod s fr. OOO «Novyj zhurnal» pri uchastii OOO «Lingva Franka Tim» [translation from Fr. LLC "New Journal" with the participation of LLC "Lingua Franca Tim"].– SPb.: Novyj zhurnal [New magazine]. – 2007. – V. 2. – 1696 p. [in Russian]
3. Ivleva G. А. Аnaliz mirovogo opyta i nauchno–tekhnicheskikh razrabotok v oblasti konditsionirovaniya opresnennykh vysokomineralizovannykh vod dlya pit'evykh tselej [Analysis of world experience and scientific and technical developments in the field of conditioning desalinated highly mineralized waters for drinking purposes] / G. А. Ivleva, N. N. Gusev // Gornyj informatsionno–analiticheskij byulleten' (nauchno–tekhnicheskij zhurnal) [Mining Information and Analytical Bulletin (scientific and technical journal)]. – 2011. – № 10. – P. 162–170. [in Russian]
4. Slesarenko V. N. Opresnitel'nye ustanovki [Desalination plants] / V. N. Slesarenko // Vladivostok: DVGMА, 2012.– 244 p. ISBN 5–8343–0007–3 [in Russian]
5. Sozdanie semejstva importozameshhayushhikh ehnergosberegayushhikh ustanovok, osnovannykh na primenenii innovatsionnykh tekhnologij dlya opresneniya morskoj vody i polucheniya distillyata iz stochnykh vod proizvoditel'nost'yu do 10 m kub./chas: Otchet o patentnykh issledovaniyakh [Creation of a family of import-substituting energy-saving plants based on the use of innovative technologies for desalination of sea water and obtaining distillate from wastewater with a capacity of up to 10 m³ / h: Report on patent studies] / S. V. Lukachev; А. А. Himanov and other. - Samara, 2016. – 60 p. - №GR АААА-А16-116051110084-8 [in Russian]
6. Bukhmirov V. V. Raschet koehffitsienta konvektivnoj teplootdachi (osnovnye kriterial'nye uravneniya) [Calculation of the coefficient of convective heat transfer (basic criterial equations)] / V. V. Bukhmirov // Izd-vo Ivanovskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta imeni V.I. Lenina [Publishing house of the Ivanovo State Power University named after V. I. Lenin]. – 2007. – 39 p. [in Russian]
7. Voronin G. I. EHffektivnye teploobmenniki [Effective heat exchangers] / G. I. Voronin, E. V. Dubrovskij. - M.: Mashinostroenie [Mechanical engineering], 1973. – 96 p. [in Russian]
8. Ryabchikov B. E. Sovremennye metody podgotovki vody dlya promyshlennogo i bytovogo ispol'zovaniya [Modern methods of preparing water for industrial and domestic use] / B. E. Ryabchikov / M.:DeLi print, 2004. –328 p. [in Russian]
9. Poyasnitel'naya zapiska k ehskiznomu proektu «Sozdanie semejstva importozameshhayushhikh ehnergosberegayushhikh ustanovok, osnovannykh na primenenii innovatsionnykh tekhnologij dlya opresneniya morskoj vody i polucheniya distillyata iz stochnykh vod proizvoditel'nost'yu do 10 m kub./chas»: dogovor ot 20 iyulya 2015 goda № 77/15 na vypolnenie nauchno-issledovatel'skikh, opytno-konstruktorskikh i tekhnologicheskikh rabot; ruk. S.V. Lukachev; V.V. Biryuk and other [Explanatory note to the draft project "Creation of a family of import-substituting energy-saving plants based on application of innovative technologies for sea water desalination and obtaining distillate from wastewater with a capacity of up to 10 m3 / hr": agreement No. 77/15 of July 20, 2015, - research, development and technological work; hands. S.V. Lukachev; executed. V.V. Biryuk [and others]]. – Samara, 2016. – 205 p. [in Russian]
10. Otchet o nauchno-issledovatel'skoj, opytno-konstruktorskoj i tekhnologicheskoj rabote po teme: «Sozdanie semejstva importozameshhayushhikh ehnergosberegayushhikh ustanovok, osnovannykh na primenenii innovatsionnykh tekhnologij dlya opresneniya morskoj vody i polucheniya distillyata iz stochnykh vod proizvoditel'nost'yu do 10 m kub./chas» (EHtap 1. Promezhutochnyj): dogovor ot 20 iyulya 2015 goda № 77/15 na vypolnenie nauchno-issledovatel'skikh, opytno-konstruktorskikh i tekhnologicheskikh rabot; S.V. Lukachev; V.V. Biryuk and other [Report on research, development and technological work on the topic: "Creating a family of import-substituting energy-saving plants based on the use of innovative technologies for desalination of sea water and obtaining distillate from wastewater with a capacity of up to 10 m3 / hr" (Stage 1. Intermediate): the agreement of July 20, 2015 No. 77/15 for the performance of research, development and technological works; S. V. Lukachev; V. V. Biryuk [and others]]. – Samara, 2016. – 275 p. [in Russian]
11. Otchet o patentnykh issledovaniyakh po teme «Sozdanie semejstva importozameshhayushhikh ehnergosberegayushhikh ustanovok, osnovannykh na primenenii innovatsionnykh tekhnologij dlya opresneniya morskoj vody i polucheniya distillyata iz stochnykh vod proizvoditel'nost'yu do 10 m kub./chas» [Report on patent studies on the topic "Creation of a family of import-substituting energy-saving installations based on the use of innovative technologies for sea water desalination and obtaining distillate from wastewater with a capacity of up to 10 m³ / h"]. – Samara: Samarskij universitet [Samara University], 2016. – 59 p. [in Russian]