ESTIMATION OF PRODUCTIVITY OF WATER-DESALINATING INSTALLATION OF MEMBRANE-TYPEDEPENDING ON SALINITY OF SEA WATER
Authors:
1.
Assistant Professor of the Department "Marine Power Installations"
Type:
Article
Pages:
from 84
to 89
Status:
Published
Received:
20.04.2013
Accepted:
25.04.2013
Published:
25.04.2013
Subject area:
UDK 629.12.061:628.165
BBK 39.45
BBK 39.45
Language:
Russian
Keywords:
water-desalinating installation of type ATLANTIC SW 1000, productivity of installation, salinity of sea water, dependence
Abstract (English):
The results of tests of water-desalinating installation of type ATLANTIC SW 1000 on training ship "Kruzenshtern" in the Baltic Sea and Northern Sea, Biscay Bay and the Atlantic Ocean are considered. On the basis of the table of tests the scheme of dependence of productivity of installation on the size of the general salinity of sea water is designed. Using the scheme we can define productivity of the installation knowing salinity of sea water or by productivity of the installation we can define salinity of sea water. Also it is possible to use the scheme for the installation selection at designing of a new installation, knowing the general salinity of sea water and an installation position.
The results of tests of water-desalinating installation of type ATLANTIC SW 1000 on training ship "Kruzenshtern" in the Baltic Sea and Northern Sea, Biscay Bay and the Atlantic Ocean are considered. On the basis of the table of tests the scheme of dependence of productivity of installation on the size of the general salinity of sea water is designed. Using the scheme we can define productivity of the installation knowing salinity of sea water or by productivity of the installation we can define salinity of sea water. Also it is possible to use the scheme for the installation selection at designing of a new installation, knowing the general salinity of sea water and an installation position.
Keywords:
water-desalinating installation of type ATLANTIC SW 1000, productivity of installation, salinity of sea water, dependence
water-desalinating installation of type ATLANTIC SW 1000, productivity of installation, salinity of sea water, dependence
Водоопреснительные установки (ВОУ) мембранного типа с использованием эффекта «обратный осмос» являются последним достижением науки, техники и технологии в получении пресной воды из воды морской, повышенной солености или сточных вод. Данный тип очистки воды относится к области нанотехнологий, т. к. получение воды происходит на молекулярном уровне. На рис. 1 показана схема развития получения пресной воды в судовых ВОУ [1]. Судовые водоопреснительные установки Адиабатного типа Кипящего типа Мембранного типа Вакуумные установки Избыточного давления Одноступенчатые Многоступенчатые Рис. 1. Классификация водоопреснительных установок По мере развития судоходства потребность в пресной воде возрастала. С появлением паровых двигателей пресная вода стала нужна для паровых котлов. Первая ВОУ на судне была установлена в 1884 г., это была ВОУ кипящего типа с избыточным давлением. Установка была экономически и технически неэффективна. В дальнейшем появились вакуумные установки кипящего типа и адиабатные. На смену им в настоящее время приходят ВОУ мембранного типа. Впервые на судах флота рыбной промышленности России такая ВОУ была установлена в 2000 г. на учебном парусном судне (УПС) «Крузенштерн» (рис. 2). На данной установке приобретается опыт её эксплуатации и проводятся научные и технические исследования. Рис. 2. Водоопреснительная установка типа «ATLANNBC SW 1000» на УПС «Крузенштерн» Основные характеристики ВОУ на УПС «Крузенштерн» типа «ATLANIC SW 1000»: Производительность, л/сут, л/ч .......................................................................................................................................22800/950 Габариты установки, L × H × B, см..................................................................................................................................118 × 120 × 60 Вес установки, кг ..............................................................................................................................................................118 Расчетная соленость загрузочной воды, мг/л.................................................................................................................35 000 Соленость пресной воды, мг/л, не более ........................................................................................................................350 Температура загрузочной воды, ºC..................................................................................................................................5–45 Количество удаленных солей, %......................................................................................................................................99,1–99,8 Рабочее давление загрузочной воды, бар........................................................................................................................60 Электрооборудование.......................................................................................................................................................220 В, 50 Гц Расход электроэнергии, кВт/ч...........................................................................................................................................6,0 Обеззараживание от вирусов и бактериологических загрязнений. Режим работы – автоматический. Материал – антикоррозионный. Работа ВОУ мембранного типа на УПС «Крузенштерн» осуществляется cлeдующим образом (рис. 3): загрузочная вода (забортная) бустерным насосом 1 забирается из кингстона через фильтр грубой очистки с давлением 1,5–2,5 бар и подается на песочные фильтры 2 (обычно два фильтра – один в работе, другой готов к работе). Далее загрузочная вода поступает к картриджному фильтру 3, где степень очистки до 1–3 микрона от механических примесей. Насос высокого давления 9 с давлением около 60 бар подаёт загрузочную воду на мембраны 5 (количество зависит от производительности установки), где происходит её разделение на пресную воду и рассол. Из мембран вода выходит двумя потоками: пресная (обессоленная и очищенная) и рассол. Рассол удаляется за борт. Пресная вода поступает на пульт управления 8 для контроля качества и количества опреснённой воды. Далее пресная вода поступает к водяному коллектору 7 для распределения по назначению – к потребителям или в танк запаса пресной воды. Рис. 3. Схема водоопреснительной установки на УПС «Крузенштерн»: 1 – бустерный насос, ц/б; А – прием морской воды; 2 – песочный фильтр; Б – удаление рассола за борт; 3 – картриджный фильтр; – клапан запорный; 4 – кингстонный фильтр; – пробка переключения; 5 – мембрана; – морская вода; 6 – бак промывочной воды; – пресная вода; 7 – коллектор пресной воды; _ . . _ – рассол; 8 – пульт управления; 9 – насос высокого давления В воде, получаемой в ВОУ мембранного типа с использованием эффекта «обратный осмос» на молекулярном уровне, отсутствуют болезнетворные вирусы, вредные для здоровья соли, вода является структурированной. Очистка производится в фильтрах с использованием тонкопленочной мембраны. Происходит удаление из воды всевозможных примесей, в том числе главной из них – солей хлористого натрия (NaCl). Через поры мембраны, имеющие размер 0,0001 микрон, могут пройти свободно молекулы воды и кислорода, остальные элементы таблицы Менделеева – в ограниченном количестве. Так, из морской воды с общей соленостью 35 000 мг/л получаем воду общей соленостью около 250 мг/л, что удовлетворяет требованиям к воде Всемирной организации здравоохранения и стандарту России СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода», принятому в 2002 г. [2]. Мембраны для очистки воды использовал еще Аристотель, впервые обнаруживший, что морская вода опресняется, если её пропустить через стенки воскового сосуда. Изучение этого явления и других мембранных процессов началось в 18 в., когда Р. Реомю использовал для научных целей полупроницаемые мембраны природного происхождения. В 20-е гг. XX в. изучение этого процесса активизировалось. В 1927 г. немецкая фирма «Сарториус» получила первые образцы искусственных мембран. После Второй мировой войны американцы, получив немецкие разработки, наладили производство ацетатцеллюлозных нитроцеллюлозных мембран. Лишь с начала 60-гг. началось широкое производство синтетических полимерных материалов, ставших основой при промышленном применении эффекта «обратного осмоса». В 70-е гг. началось изготовление первых образцов ВОУ промышленного применения. Сравнительно быстро ВОУ мембранного типа стали одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию находящихся в воде компонентов на 98–99,5 % и практически полностью избавиться от микроорганизмов и вирусов (табл. 1). Это особенно важно в связи с тем, что исключает необходимость обеззараживания воды химическими веществами, особенно хлором. Таблица 1 Виды загрязнений воды и степень очистки Вид загрязненияСтепень очистки, %Вид загрязненияСтепень очистки, %Вид загрязненияСтепень очистки, % Алюминий88–99Калий98–99Радионуклиды92–99 Аммиак86–92Медь95–99Свинец96–98 Бактерии99–100Марганец96–98Серебро96–98 Вирусы99–100Механические примеси100Стронций97–93 Железо98–99Натрий93–98Хром96–98 Известь87–94Никель65–99Циан92–98 Кадмий98–99Пестициды99–100Цинк94–97 Фильтрующая способность ВОУ мембранного типа с использованием эффекта «обратный осмос» является уникальной. Ни один из фильтров, работающих по другому принципу (механическая очистка, адсорбция или ионный обмен), не может обеспечить подобной степени очистки. Данные ВОУ почти полностью удаляют из воды пестициды, болезнетворные бактерии, тригалометаны, канцерогенные и хлорорганические соединения, а также тяжелые металлы и радионуклиды. Основные преимущества воды, получаемой в ВОУ мембранного типа, следующие: - высокое качество воды, которое полностью соответствует стандарту России СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды» [3]; - низкая стоимость воды (в 4–8 раз ниже стоимости бункеровки воды в различных портах мира); - упрощается водообеспечение судна, в том числе не нужно проводить регулярную реставрацию воды; - упрощается ведение отчетной и нормативной документации; - исключает проникновение вирусов в воду, т. к. мембрана не пропускает их по габаритам; - сохраняется структурированность воды; - высвобождаются судовые объемы для других целей; - сохраняется нужный баланс кислорода, необходимого для жизнедеятельности человека; - уменьшение концентрации минеральных веществ не отражается на потребности в них организма человека, т. к. растворимые минеральные вещества в тех количествах, которые содержатся в воде, не обеспечивают потребности в них, а форма их присутствия в воде плохо способствует их усвоению (минеральные вещества поступают в организм человека из продуктов питания); - исключаются аллергические реакции, отложение солей; за счет высоких экстрактивных свойств вода хорошо подходит для приготовления пищи и напитков; - при стирке белья и одежды, при меньшем расходе моющих средств, обеспечивается высокое качество стирки. Исследования производительности ВОУ типа «ATLANIC SW 1000» на УПС «Крузенштерн» проводились с 12 сентября 2005 г. по 17 июля 2006 г. во время кругосветного плавания в районах Атлантического океана, Бискайского залива, в Балтийском и Северном морях. Испытания проводились в сходных метеорологических условиях. Перед испытанием был проведен технический осмотр и уход установки, в том числе промыты мембраны, заменен картриджный фильтр, промыт песочный фильтр. Все контрольно-измерительные приборы соответствовали требованиям Российского морского регистра судоходства и срокам их проверки. Отказов в работе установки не наблюдалось. Пробы брались во время перехода судна в данной точке океана, залива или моря. Соленость воды замерялась после одночасовой работы установки в стабильном режиме. Замеры производительности проводились при давлении загрузочной воды в 60 бар. Данные исследований и результаты последующих расчетов приведены в табл. 2. Таблица 2 Производительности водоопреснительной установки в зависимости от солености загрузочной воды № испытанияРайон плаванияСоленость, мг/лПроизводительность, м3/ч№ испытанияРайон плаванияСоленость, мг/лПроизводительность м3/ч, 1Балтийское море10 9001,20626Атлантический океан36 2000,596 2Балтийское море12 6001,16027Атлантический океан35 8000,583 3Балтийское море16 1201,20028Атлантический океан35 9000,504 4Балтийское море14 7101,17029Атлантический океан36 2000,548 5Балтийское море12 8001,14030Атлантический океан36 5000,556 6Балтийское море15 1001,16031Атлантический океан36 7000,628 7Балтийское море17 6001,31032Атлантический океан36 3000,664 8Балтийское море11 0081,16233Атлантический океан36 8000,610 9Северное море28 6000,76034Атлантический океан36 1000,632 10Северное море32 4000,77035Атлантический океан36 6000,628 11Северное море34 3000,75136Атлантический океан36 0000,600 12Северное море34 1000,71037Бискайский залив36 1000,708 13Бискайский залив35 8000,59438Бискайский залив35 7000,512 14Бискайский залив35 6000,67039Бискайский залив36 1000,672 15Бискайский залив35 2000,68840Бискайский залив36 8000,586 16Бискайский залив36 4000,58941Северное море35 3000,641 17Бискайский залив36 2000,61442Северное море35 9000,670 18Атлантический океан36 1000,60643Северное море35 4000,708 19Атлантический океан36 6000,67144Северное море35 5000,679 20Атлантический океан36 4000,64845Балтийское море18 4001,036 21Атлантический океан36 8000,68446Балтийское море14 8001,142 22Атлантический океан36 1000,61047Балтийское море15 1001089 23Атлантический океан36 5000,65148Балтийское море12 6001,086 24Атлантический океан36 4000,62349Балтийское море13 9001,079 25Атлантический океан36 9000,69050Балтийское море12 1001,146 По данным табл. 2 строим график зависимости производительности установки от солености загрузочной воды (рис. 4). Рис. 4. График зависимости производительности ВОУ от общей солёности морской воды В координатах: производительность Q и общее солесодержание загрузочной воды S относительно времени Т по данным табл. 2 строим график их взаимозависимости. Получили линейную обратно пропорциональную зависимость функции Q = f (S, Т). Аналогично можно построить график для любой ВОУ. Если не производить испытания, то график можно построить по паспортным данным завода-изготовителя. В паспорте на установку обычно завод-изготовитель ВОУ указывает производительность установки при определенной солености загрузочной воды (соленость в океане, соленость солоноватой воды и соленость городских стоков). Соединив три точки, получаем зависимость Q от S по времени Т. По рис. 4 можно определить по солености загрузочной воды производительность установки. Например: при солености загрузочной воды = 2 600 мг/л производительность ВОУ составит 860 л/ч. По производительности можно определить соленость загрузочной воды. Например: если производительность ВОУ = 950 л/ч, то соленость загрузочной воды будет 2 240 мг/л. В результате испытания ВОУ типа «ATLANIC SW 1000»: - подтверждена надежность работы ВОУ мембранного типа; - построен график зависимости производительности от величины общей солености воды; - показана возможность оценки производительности в зависимости от величины общей солености воды; - показана возможность оценки величины общей солености воды от производительности ВОУ; - по графику можно производить выбор ВОУ при проектировании, зная общую соленость загрузочной воды и место установки.
1. Braznovskiy V. K. Vodoopresnitel'nye ustanovki: ucheb. posobie. - Kaliningrad: BGARF, 2005. - 41 s.
2. SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody centralizovannyh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva. Gigienicheskie trebovaniya k obespecheniyu bezopasnosti sistem goryachego vodosnabzheniya: www.opengost.ru.
3. SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody centralizovannyh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva. Gigienicheskie trebovaniya k obespecheniyu bezopasnosti sistem goryachego vodosnabzheniya: www.opengost.ru.
