Глава 2. Опресненная вода. И ее физико-химические показатели

Основными методами опреснения минерализованной воды являются: термическая дистилляция, ионный обмен, электродиализ и обратный осмос. В нашей стране наибольшее распространение в крупных промышленных масштабах получила термическая дистилляция. Электродиализ и обратный осмос пока применяются ограниченно, главным образом на установках малой производительности.

Существенным преимуществом термической дистилляции морской воды (В. Н. Слесаренко, И. Г. Вахнин) является высокая барьерная способность, благодаря которой многие макро- и микрокомпоненты загрязнения концентрируются в рассоле, а опресненная вода оказывается достаточно чистой, пригодной для использования на производстве и в коммунальном хозяйстве. Кроме того, выпарные аппараты менее чувствительны к содержанию взвешенных веществ в исходной минерализованной воде. Поэтому морская вода перед поступлением на дистилляционную установку подвергается процеживанию через сетки и механическому фильтрованию, в то время как при мембранных методах опреснения требуется достаточно глубокая очистка воды от дисперсных и органических веществ.

Несколько сложнее решается вопрос о предотвращении на испарителях морской воды коррозии металла и карбонатно-сульфатных отложений. На отечественных установках чаще всего применяют меловую затравку или ингибированную кислоту, которые вводятся в тракт регенеративного подогрева морской воды. Вследствие процесса кристаллизации карбоната кальция на частицах затравки объем ее дисперсной фазы непрерывно возрастает, что позволяет сократить добавку свежей затравки и даже выводить избыток из аппаратов последней ступени. Необходимо, однако, отметить, что при прекращении добавки свежей затравки может наблюдаться более интенсивное накипеобразование на греющих металлических поверхностях (теплообменных трубках и т.д.) в термических испарителях и регенеративных трубчатых подогревателях. Интенсивное образование прежде всего карбонатных отложений нередко приводит к закупорке тепло-обменных трубок и остановке дистилляционной установки. Механическая очистка теплообменных трубок весьма трудоемка и малоэффективна. При повышении температуры нагрева морской воды свыше 105°С в головных испарителях возникает опасность образования сульфатной накипи.

В целях снижения расхода соляной кислоты защиты от коррозии оборудования и коммуникаций на дистилляционных установках применяют испульсный режим подкисления воды в тракте регенеративного подогрева. В последние годы для борьбы с карбонатными отложениями используют водный раствор диоксида углерода сдувочных газов, образующихся в выпарных аппаратах при термическом разложении гидрокарбонатов морской воды. На I международном съезде по опреснению воды, состоявшемся в Италии (Сицилия) в 1983 г., проблема предотвращения отложений в опреснительных установках была признана главной проблемой.

Одним из способов замедления процесса образования карбонатных отложений является присадка полифосфатов в морскую воду. На адиабатной многоступечатой опреснительной установке мгновенного вскипания в пос. Бекдаш Туркменской ССР дозируют в каспийскую морскую воду гексаметафосфат натрия дозой 1,5-2,5 ^г/_м³. Для замедления процесса кристаллизации накипеобразователей (кальция и магния) применяют некоторые антинакипины, представляющие собой смесь органических соединений. Однако возможности обеспечения безнакипного режима работы опреснителей морской воды весьма ограничены из-за затруднений с централизованной поставкой ингибиторов и вследствие санитарно-гигиенических требований, особенно при использовании дистиллята для хозяйственно-питьевых целей и полива садово-огородных культур. Главным препятствием в санитарном отношении является опасность загрязнения дистиллята токсичными компонентами, присутствующими в антинакипинах и конденсирующимися вместе с паром в количествах, превышающих предельно Допустимые концентрации. Перспективным препаратом для борьбы с карбонатными отложениями в теплообменных трубках считается оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ), которая менее токсична (ее ПДК составляет 0,5 ^мг/_л) и обладает достаточной термической стойкостью (до 110-120°С). Наблюдения за работой трубчатых теплообменников в циркуляционных контурах систем водяного охлаждения показатели, что достаточно эффективный режим обеспечивается при концентрации ОЭДФ в циркуляционной воде в пределах 1-2 ^мг/_л. ОЭДФ хорошо растворяется в воде. Водный раствор ОЭДФ может вводиться в систему вместе с подпиточной водой в пределах восполнения безвозвратных потерь циркуляционной воды.

На объектах с малым водопотреблением в автономных условиях эксплуатации применяют выпарные установки, выпускаемые заводами судостроительной промышленности СССР. Эти установки отличаются компактностью и изготовляются в антикоррозионном исполнении. Предприятия химического машиностроения выпускают выпарные установки главным образом для концентрирования технологических солевых растворов. Крупные установки для термического опреснения морской воды успешно эксплуатируются на ряде промышленных комплексов и предприятий.

В настоящее время на промышленных объектах предпочтение отдают дистилляционным опреснительным установкам (ДОУ) двух типов:

• многокорпусные установки с вертикальными выпарными аппаратами, оборудованными выносной зоной кипения морской воды и системой естественной или принудительной циркуляции;
• многоступенчатые адиабатные установки мгновенного вскипания.

При увеличении числа корпусов на ДОУ значительно снижается расход греющего пара для получения дистиллята и удельный расход теплоты на выработку 1 м³ дистиллята. Однако при этом неизбежно уменьшается температурный перепад в каждом корпусе и как следствие возрастают габариты ДОУ, расход металла и потери теплоты в процессе эксплуатации.

Принцип многократного выпаривания состоит в следующем. Морская вода и свежий греющий пар поступают в первый корпус ДОУ, в котором происходит кипение воды. При этом возникает циркуляция воды снизу вверх по теплообменным трубкам греющей камеры. Вода нагревается за счет теплоты греющего пара и, попадая в подъемную трубу, образует вторичный пар. Конденсат греющего пара поступает в самоиспаритель и частично превращается в пар, который вторично используется в качестве греющего пара во втором корпусе ДОУ. Остальной расход конденсата отводят для использования в качестве опресненной воды на технические и хозяйственно-питьевые нужды. Частично упаренный раствор из первого корпуса направляется во второй корпус, а затем третий, четвертый и т.д. Солесодержание раствора постепенно возрастает. Необходимым условием передачи теплоты из одного выпарного корпуса в другой является поддержание перепада давления первичного и вторичного паров по корпусам ДОУ за счет разности температур греющего пара и кипения раствора. В первом корпусе поддерживается небольшое избыточное давление, а в последующих корпусах - вакуум. Наибольший вакуум поддерживается в последнем корпусе и в концевом конденсаторе с помощью вакуумного насоса или пароэжекторного отсоса газов в атмосферу во избежание нарушения нормального теплообмена. В многокорпусных ДОУ применяют прямоточную схему движения упариваемой морской воды. На заводе производства дистиллята эксплуатируют 5- и 10-корпусные ДОУ.

Многоступенчатые адиабатные ДОУ мгновенного вскипания более экономичны по удельному расходу теплоты. Морская вода пропускается последовательно через трубчатые теплообменные конденсаторы, встроенные в камеры испарения. В каждой камере вода нагревается за счет теплоты конденсации вторичного пара по ступеням до температуры 82-85°С. Затем нагретая вода возвращается в головной подогреватель, в котором она подогревается до 102-104°С в результате подвода свежего пара, и поступает последовательно в ряд камер мгновенного вскипания с образованием вторичного пара. При такой схеме происходит разделение стадий нагрева воды и ее испарения. Многоступенчатые ДОУ мгновенного вскипания получили широкое распространение за рубежом благодаря простоте и компактности конструкции, низкого расхода теплоты.

На том же заводе эксплуатируется 34-ступенчатая ДОУ мгновенного вскипания типа УМИС-630. Технико-экономические показатели многоступенчатых ДОУ приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

В оптимальных условиях эксплуатации 10-корпусные опреснительные установки обеспечивают глубокое опреснение морской воды и очистку ее от макро- и микрокомпонентов загрязнений. В табл. 2.2 приведены осредненные данные анализа термически опресненной морской воды (дистиллята) на заводе производства дистиллята, работающем на каспийской морской воде.

Таблица 2.2

Анализ опресненной воды произведен группой сотрудников института под руководством канд. техн. наук Г. А. Ивлевой. Промышленный дистиллят относится к категории слабоминерализированных вод. Макро-и микрокомпоненты присутствуют в дистилляте в ограниченных концентрациях. Общее солесодержание дистиллята находится в пределах 25-30 ^мг/_л. Опресненная вода (дистиллят) представляет собой незабуференную систему, обладающую ясно выраженными свойствами растворителя. Диоксид углерода присутствует в дистилляте в агрессивной форме и способен растворять карбонат кальция. Поэтому индекс насыщения J имеет отрицательное значение. Минимальное значение параметра П₂ объясняется незначительной щелочностью дистиллята. Названные обстоятельства предопределяют способность дистиллята растворять защитную пленку, обнажая поверхность металла. Присутствующий в дистилляте кислород коррозионно активен, особенно в отношении конструкционных материалов из углеродистых сталей. При транспортировании дистиллята по стальным трубопроводам наблюдается равномерная коррозия их внутренней поверхности, вследствие чего происходит заметное загрязнение воды железом. Благодаря незабуференности дистиллят сравнительно легко стабилизируется при дозировке щелочи или при фильтровании через карбонатные зернистые материалы.

Многолетний опыт эксплуатации термических опреснителей морской воды показал, что качество дистиллята во многом зависит от герметичности теплообменного оборудования, особенно в тракте регенеративного подогрева морской воды, и от совершенства сепарационных устройств в выпарных аппаратах. При неудовлетворительной работе сепарационных устройств заметно повышается капельный унос солей вместе с паровой фазой. При нарушении герметичности теплообменных трубок в конденсаторах происходит подсос в дистиллят морской воды. В обоих случаях наблюдается повышение солесодержания опресненной воды и загрязнение ее взвешенными и органическими веществами.

В табл. 2.3 приведены некоторые данные о качестве промышленного дистиллята с более высоким солесодержанием.

Таблица 2.3

Качество дистиллята с примесью морской воды (~ 1%) заметно ухудшается. Показатели П₁ и П₂ смещаются (по величине) в область коррозионной активности.

Барьерная способность метода термического опреснения морской воды в большей степени проявляется по макрокомпонентам, чем по микрокомпонентам. В табл. 2.4 приведены данные о глубине разделения компонентов каспийской морской воды на опреснительных установках ЗПД.

Таблица 2.4

Аналогичные данные, полученные на экспериментальной установке термического опреснения средиземноморской воды (залив Сирт), приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Судя по величине остаточного содержания компонентов в опресненной воде, разделение по макрокомпонентам в среднем на один порядок глубже, чем по микрокомпонентам. Это обстоятельство имеет исключительно важное значение в санитарно-токсикологическом отношении. Несмотря на большую минерализацию морской воды термически опресненная вода имеет достаточно высокое качество по всем определяющим показателям. В отношении микрокомпонентов следует отметить, что остаточные концентрации их в дистилляте соизмеримы с ПДК для питьевой воды, что и обусловливает необходимость сорбционной очистки опресненной воды.

Таблица 2.6

В табл. 2.6 приведены данные о содержании органических веществ в промышленном дистилляте. При повышении солесодержания промышленного дистиллята свыше 50 ^мг/_л загрязненность его возрастает как по макро-, так и по микрокомпонентам, а также по нефтепродуктам, СПАВ и канцерогенным веществам.

Представляют интерес некоторые данные о разделении биологически активных микроэлементов (бора и брома) при различных методах опреснения минерализованной воды. При содержании в исходной минерализованной воде 2-4 ^мг/_л бора в экспериментальных условиях дистилляции бор задерживается на 100% независимо от температуры испарения (70- 100°С); при содержании в исходной воде 3-6 ^мг/_л брома в экспериментальных условиях бром задерживается на 90-95%, при этом эффект задержания снижается при снижении температуры кипения в вакууме. При обратноосматическом опреснении воды эффективность задержания бора и брома практически не зависит от вида ацетатцеллюлозных мембран (МГА, МОО), режима эксплуатации установки и уровня исходного содержания и находится на уровне 30-35% по бору и 70-80% по брому.

При электродиализном опреснении воды эффективность задержания бора и брома зависит от глубины опреснения. При опреснении воды до остаточного солесодержания 600-700 ^мг/_л эффективность задержания составляет по бору 40% и по брому 60%, а до 300 ^мг/_л - соответственно 70-80% и более 95%. Общая закономерность задержания микроэлементов в зависимости от метода опреснения воды характеризуется убывающим рядом; для бора - дистилляция > электродиализ = обратный осмос; для брома - дистилляция > обратный осмос > электродиализ.

При использовании термически опресненной морской воды для приготовления искусственной питьевой воды весьма важное значение имеет санитарный контроль за состоянием ДОУ и качеством воды на всех ступенях ее дистилляции. В настоящее время санитарный контроль регламентируется Методическими указаниями по санитарному контролю за применением и эксплуатацией дистилляционных опреснительных установок (МЗ СССР, 1981) и Руководством по гигиеническим аспектам опресненной воды (МЗ СССР, 1980).