Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53

Warning: XSLTProcessor::transformToXml(): ID passive already defined in /home/lbgroup/site5.lbgroup.ru/docs/classes/system/subsystems/umiTemplaters/types/umiTemplaterXSLT.php on line 53
Гидрогаз -

Химическое и нефтегазовое машиностроение, N7, 2004, стр. 3-5

ЗАО "Гидрогаз", Воронеж

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЕССОЛЕННОЙ И ДЕИОНИЗОВАННОЙ ВОДЫ

(М.А. Тияров, Н.А. Константинова, Ю.В. Шаров, Г.В. Соболев)

Развитие производительных сил потребовало постоянного роста потребления обессоленной воды. Запасы водных ресурсов безграничны и возобновляемы, но качество их существенно различается, что самым непосредственным образом влияет на качество продукта и его себестоимость. Рост цен на энергоносители, повышение требований к экологической чистоте технологических процессов и ужесточение санкций за загрязнение окружающей среды заставляет обратить самое пристальное внимание на методы получения обессоленной воды. В настоящий момент уже нет сомнений, что наиболее экономичными и экологически безопасными процессами обессоливания воды считаются мембранные технологии: обратный осмос, ультра- и нанофильтрация, электродеионизация [1], которые постепенно вытесняют традиционные ионообменные и термические технологии.

Мембранный процесс разделения жидкостей осуществляется следующим образом (рис. 1): исходный раствор под давлением подается на полупроницаемую мембрану. Мембрана разделяет поток на две части: очищенный раствор (фильтрат или пермеат), прошедший через мембрану и поток, не прошедший через мембрану (концентрат). В концентрате остаются удержанные мембраной загрязнения. Поскольку вдоль мембранной поверхности поток воды движется непрерывно, то удержанные частицы загрязнений не накапливаются на мембране, а вымываются концентратом.

Рис.1 Мембранное поперечно-поточное фильтрование.
Мембранное поперечно-поточное фильтрование

Для надежной работы мембранных установок обессоливания необходима вода определенного качества [2]:

  • взвешенные вещества не более 1 мг/л;
  • общее солесодержание до 45 г/л;
  • рН от 3 до 10;
  • температура от 5 до 45°С;
  • нефтепродукты до 0,1 мг/л;
  • сильные окислители отсутствие.

В этой связи мембранные технологии практически не применяются самостоятельно, поскольку требуется наличие предварительной подготовки воды. Поэтому одновременно с внедрением промышленных мембранных установок совершенствуется оборудование для предварительной очистки воды: механические, сорбционные фильтры, дегазаторы, оборудование для бактерицидной обработки, отстойники, сепараторы и т.п.

Мембраны подразделяются на ультрафильтрационные (УФ), нанофильтрационные (НФ) и обратноосмотические (ОО) [1]. УФ - системы применяются в основном для удаления микропримесей, коллоидных частиц, нефтепродуктов и крупных органических молекул и не задерживают ионы. НФ и ОО - системы предназначены для удаления ионов растворенных солей и органических соединений. Обратный осмос - самый тонкий уровень, доступный системам мембранной фильтрации. ОО - мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Задерживающая способность (селективность) растворенных неорганических веществ у современных ОО - мембран от 95 до 99,8 %. Типичное рабочее давление ОО? процессов от 10 бар для солоноватой воды и до 69 бар для морской воды.

Области применения обратноосмотических систем включают: опреснение морской и солоноватой воды, очистку и повторное использование сточных вод, производство пищевых продуктов и напитков, биомедицинское разделение, получение питьевой воды и технологической воды для промышленности. Также системы обратного осмоса часто используются для производства сверхчистой воды в электронной промышленности, энергетике (котловая вода), в химических и металлургических производствах, в медицине (лабораторное применение).

В обратноосмотических установках применяются половолоконные, плоскорамные и трубчатые мембраны, но наибольшее распространение получили мембранные элементы рулонного типа (рис. 2) [3]. Фильтрующая поверхность элемента рулонного обратноосмотического (ЭРО) состоит из двух слоев мембран, склеенных по трем сторонам ?пакетом? и заведенных незаклеенным краем во втулку канала фильтрата. Эта мембранная оболочка спирально обернута вокруг перфорированной трубы, в которую фильтрат сливается из межмембранного пространства, проходя через дренажный слой. Между мембранными "пакетами" также спирально проложены промежуточные сетки, которые формируют межмембранные каналы и оптимизируют течение потока концентрата. Промежуточная сетка также служит для увеличения турбулентности потока внутри мембранного элемента, что препятствует отложению осадков на мембране и увеличивает ресурс службы ЭРО.

Рис. 2. Конструкция ЭРО
Конструкция ЭРО

Основным параметром, характеризующим эффективность использования исходной воды, является конверсия (восстановление) [2]:

KS = Q p / Q f * 100%, (1)

где Q f - расход питающей (исходной) воды, м3/ч;

Q p - расход фильтрата, м3/ч.

Обратноосмотические системы, состоящие из одного ЭРО, используются в небольших (производительность < 100 л/ч) установках, часто домашнего и лабораторного применения. Значение конверсии для одноэлементной системы без перепуска концентрата не превышает 15%.

Для крупных промышленных установок конверсия составляет 70...80%, что достигается последовательной установкой и секционированием большого количества мембранных элементов. В один напорный корпус могут устанавливаться до семи последовательно соединенных элементов. Проходя от элемента к элементу, исходная вода становится более концентрированной, и выходит из последнего элемента к клапану регулирования потока концентрата, и далее в канализацию. Фильтрат каждого элемента собирается в общий коллектор вне напорного корпуса.

При обессоливании воды, соответствующей требованиям ГОСТа на питьевую воду [4], качество фильтрата будет следующим (усредненные расчетные данные для стандартных низконапорных мембран):

  • сухой остаток менее 8 мг/л;
  • жесткость общая менее 0,08 мг-экв/л;
  • хлориды менее 3 мг/л.

Себестоимость получения обессоленной воды на ОО?установках составляет в среднем 3...5 руб/м3.

При проектировании установок обратного осмоса все расчеты производятся с помощью специальных компьютерных программ, позволяющих моделировать процесс мембранного разделения жидкостей. К настоящему времени ЗАО ?Гидрогаз? выпускает обратноосмотические установки различной производительности от 0,1 м3/ч до 100 м3/ч (табл. 1).

Установки до 40 м3/ч изготавливаются в моноблочном исполнении (рис.3), что значительно упрощает их транспортировку и монтаж. Установки большой производительности поставляются в виде отдельных модульных блоков.

Таблица 1. Базовые обратноосмотические установоки производства ЗАО ?Гидрогаз?

Обозначение

Производительность, м3

Сброс концентрата, м3

Потребляемая мощность, кВт

Занимая
площадь, м2

Масса, кг

ОУ 0,1

0,1

0,4

0,5

1,5

100

ОУ 1

1

1

2,2

2

150

ОУ 5

5

4,0

7,5

2,5

550

ОУ 10

10

5,0

15

2,8

680

ОУ 20

20

8

30

8

1300

ОУ 50

50

18

40

20

2600

ОУ100

100

30

75

30

3100

Рис. 3. Установка обратного осмоса ОУ5
 Установка обратного осмоса ОУ5

В стандартную комплектацию установок входят: мембранный модуль, насосная станция высокого давления, блок промывки мембран, трубопроводы и запорно-регулирующая арматура, датчики, контрольные приборы, а также система управления. В процессе работы постоянно контролируются и анализируются следующие параметры: давление на входе в насос высокого давления, давление на входе и выходе из мембранных элементов, расход фильтрата, концентрата и перепуска концентрата, а также проводимость обессоленной воды. Система управления осуществляет работу установки с накопительной емкостью для сбора фильтрата: при наполнении емкости происходит автоматическое отключение, а при снижении уровня ниже заданного, автоматический запуск.

В качестве дополнительных опций установки могут быть оснащены блоком контроля рН воды, модулями дозирования ингибитора осадкообразования, специализированными системами управления, интегрированными с АСУ ТП верхнего уровня и др.

Важным достоинством установок ЗАО "Гидрогаз" является большой процент комплектующих изделий собственного изготовления: запорно-регулирующей арматуры, насосов, напорных корпусов, сложных программно-аппаратных комплексов и т.д.

Новые мембранные технологии разделения жидкостей находят применение не только для обессоливания, но и для получения деионизованной воды с удельным сопротивлением - 18 МОм/см. До недавнего времени традиционным многотоннажным промышленным оборудованием для производства особочистой воды являлись ионообменные фильтры [5, 6].

Технологию ионообменного получения деионизованной воды упрощенно можно представить следующим образом (схема 1) [5]:

ИОФ-К > Д > ИОФ-А > ИОФ-ФСД,

где ИОФ-К - ионообменный фильтр загруженный катионитовой смолой, поглощающей из воды катионы (Сa2+ , Mg2+ , Na+ , K+ и т.п.); Д - дегазатор, служащий для удаления свободной углекислоты;

ИОФ-А - ионообменный фильтр, загруженный анионитовой смолой, поглощающей из воды анионы ( SO4 2- , Cl - , NO3 - , PO4 3- и т.п.);

ИОФ-ФСД - ионообменный фильтр смешанного действия (рис. 4), загруженный смесью смол анионита и катионита. В ряде случаев перед фильтром смешанного действия предусматривают двухступенчатое Н- и ОН-ионирование.

Рис. 4. Фильтр смешанного действия
Фильтр смешанного действия

Вода, подготовленная по схеме 1, практически не содержит ионных примесей, удельное сопротивление не менее 10 МОм/см. Достоинства схемы 1 - простота аппаратной реализации и максимальная изученность процесса, что позволяет легко им управлять. Но в то же время этой схеме присущи существенные недостатки: сложность автоматизации, содержание кислотного и щелочного реагентного хозяйства и сбросы высокоминерализованных промывных вод в окружающую среду. Так, например, при работе ионообменной установки производительностью 50 м 3 /ч на стадии ИОФ-К > ИОФ-А образуется боле 100м3/сут. стоков со средним солесодержанием не менее 20 г/л. На регенерацию ионообменных фильтров (катионит, анионит) расходуется около 760 кг 100% соляной кислоты и 830 кг 100% едкого натра в сутки [6]. Регенерацию ИОФ-ФСД проводят не чаще 1 раза в двое суток с расходом около 58 кг 100% соляной кислоты и 43 кг 100% едкого натра.

Анализ приведенных данных показывает, что основное количество минерализованных стоков и максимальное потребление реагентов приходится на первую ступень обессоливания. Эта проблема может быть решена заменой катионитовых и анионитовых фильтров 1 и 2 ступени на установку обратного осмоса. Тогда технология получения обессоленной воды будет выглядеть следующим образом (схема 2):

ОО > Д > ИОФ-ФСД,

где ОО - установка обратного осмоса.

После обратноосмотического обессоливания фильтрат имеет проводимость 10...12 кСм/см и практически не содержит органики. Схема 2 характеризуется невысоким потреблением химических реагентов, меньшим солесодержание стоков, но сохраняется необходимость содержания реагентного хозяйства для регенерации ФСД.

Лишенной этих недостатков является самая передовая на сегодняшний день схема деионизации воды (схема 3):

ОО > Д > ЭДИ,

где ЭДИ - установка электродеионизации воды.

Электродеионизация объединяет две технологии обессоливания воды - электродиализ и ионный обмен [7]. Упрощенно электодеионизационный модуль можно представить как электродиализный аппарат, межмембранные зазоры которого заполнены смесью ионитов (катионит и анионит). В процессе работы происходит поглощение смолами ионов, содержащихся в воде, а также под действием приложенного напряжения сразу же и регенерация смол. Иониты в этом случае служат не "емкостью" поглощающей ионы, а как бы скоростным "тоннелем", обеспечивающим их транспортировку в камеру концентрата.

Электродеионизационная установка (рис.5) представляет собой набор ЭДИ-модулей, соединенных параллельно. На каркасе расположены также насос, система управления, блок питания, трубопроводы, контрольно-измерительная аппаратура и регулирующая арматура.

Рис. 5. Установка электродеионизации воды
Установка электродеионизации воды

Вода, поступающая на ЭДИ?установку должна отвечать требованиям [7]:

  • проводимость 4...30 мкСм/см;
  • жесткость общая не более 0,5 мг-экв/л;
  • концентрация СО2 не боле 5 мг/л;
  • концентрация SiO2 не более 0,5 мг/л;
  • сильные окислители (Сl2 , О3 и т.п.) отсутствие.

Вода, прошедшая обратноосмотическое обессоливание полностью соответствует этим требованиям. В этой связи ЭДИ-установки применяют для деионизирования воды, предварительно прошедшей очистку обратным осмосом. Средний срок службы ЭДИ-модулей - 5...7 лет. ЭДИ-установка работает непрерывно в автоматическом режиме, не требуя промывок и регенераций, энергопотребление ~ 300 Вт/м3 . Эксплуатационные расходы составляют ~ 3?5 руб./м3 и складываются в основном из стоимости электроэнергии и затрат на замену ЭРО-модулей и фильтров тонкой очистки.

При соблюдении требований, предъявляемых к исходной воде, на выходе из ЭДИ-установки получается вода следующего качества:

  • удельное сопротивление не менее 16 МОм/см;
  • содержание SiO 2 не более 5 мкг/л;
  • содержание Na не более 1 мкг/л и т.п.

ЭДИ-установки используются для получения особо чистой воды, применяемой в микроэлектронике, теплоэнергетике, некоторых отраслях химической промышленности и медицины.

Специалисты ЗАО "Гидрогаз" прошли обучение в фирме "Electropure" ( USA ) и получили сертификат на право проектирования и изготовления установок на базе электродеионизационных модулей серии XL ( Electropure , USA ). ЗАО "Гидрогаз" по техническому заданию Заказчика может поставить ОО- и ЭДИ- комплексы обессоливания воды производительностью от сотен литров до сотен кубических метров в час. Наше предприятие собственными силами осуществляет разработку, изготовление, монтаж, пусконаладку оборудования и его сервисное обслуживание.

В общем случае требуется соблюдать следующий порядок работ по проектированию и изготовлению оборудования для водоподготовки:

  • заполнение Заказчиком опросного листа (по форме ЗАО "Гидрогаз");
  • согласование технологической схемы и состава оборудования (техническое задание, договор);
  • разработка конструкторско-технологической документации на изготовление оборудования;
  • приобретение комплектующих, подготовка производства;
  • изготовление и поставка;
  • пусконаладка и обучение персонала;
  • сервисное обслуживание.

Цикл работ от заключения договора до пуска оборудования в эксплуатацию составляет 2-6 мес.

В заключение необходимо отметить, что в мировой практике водоподготовки установки обратного осмоса и электродеионизации нашли самое широкое применение. В нашей стране данные технологии только начинают внедряться на передовых предприятиях металлургии и теплоэнергетического комплекса. Причин несколько: это отсутствие средств на необходимую реконструкцию и перевооружение, недостаточная информированность специалистов об экономических преимуществах мембранных технологий и, что называется, "верность" устаревшему, но простому ионному обмену. И все же практика зарубежного опыта показала, что переход на новые методы обессоливания и деионизации воды является неизбежным процессом.

Список литературы
  1. Кривошеин Д.А., Кукин П.П., Лапин В.Л. и др. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков. М.: Высшая школа, 2003. 344 с .
  2. Filmtec membranes engineering information. http://www.dow.com/liquidseps
  3. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999. 513 с.
  4. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.
  5. Гребенюк В.Д., Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами. М.: Химия, 1980. 256 с.
  6. Кульский Л.А., Булава М.Н., Гороновский И.Т., Смирнов П.И. Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов. Киев: "Будiвельник", 1972. 422 с.
  7. OEM engineering manual. http://www.electropure-inc.com