Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
6.1.2. Опреснение воды вымораживанием в искусственных условиях
В связи с продолжающимся ростом дефицита пресной воды в последнее время актуальным становится проведение исследований по разработке и усовершенствованию уже известных и поискам новых, перспективных методов опреснения соленых вод. К числу перспективных относится и искусственное вымораживание [29, 30, 31].
Энергетические и технологические преимущества метода искусственного вымораживания, а также быстрое развитие холодильной техники делают его конкурентоспособным. Поскольку вымораживающий процесс опреснения воды протекает при низких температурах, коррозионные процессы технологического оборудования установок проходят довольно медленно, поэтому возможно применение более дешевых некоррозионностойких конструкционных материалов. Кроме того, процессы опреснения не сопровождаются выпадением накипи, что также немаловажно. Эти преимущества и определяют тот большой интерес, который в настоящее время проявляется к опреснению солевых вод методом вымораживания.
Существует несколько вариантов проведения процесса вымораживания. По способу осуществления стадии кристаллизации они делятся на:
- кристаллизацию с отводом тепла от охлаждаемого раствора через теплообменные поверхности;
- кристаллизация при охлаждении раствора испарением некоторого количества воды под вакуумом;
- кристаллизация при непосредственном смешении раствора с жидким или испаряющимся хладоагентом;
- фракционное плавление предварительно замороженного раствора [32].
Стадии проведения процесса вымораживания: кристаллизация, сепарация полученной суспензии, промывка кристаллов льда и его расплавление.
Кристаллизацию проводят в кристаллизаторах (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку) [33]. В контактных кристаллизаторах холодильный агент непосредственно смешивается с раствором. Они широко применяются для концентрирования непищевых продуктов, например, для опреснения морской воды, концентрирования и разделения химических растворов.
На стадии сепарации кристаллической суспензии производят отделение кристаллов льда от маточника. Эта стадия оказывает сильное влияние на эффективность процесса разделения.
Методы отделения маточника от кристаллической фазы делятся на две группы:
- основанные на механическом вытеснении маточного раствора из слоя кристаллической фазы;
- основанные на действии молекулярной или конвективной диффузии [34].
Методы первого рода эффективны для растворов с высокой вязкостью. В этом случае для разделения используются процессы фильтрования, центрифугирования и прессования. Методы второго рода эффективны для растворов с низким коэффициентом вязкости. Здесь используются промывные колонны. Иногда методы сепарации комбинируются. Например, центрифуга с промывной колонной или пресс с промывной колонной.
Фильтрование (нутч-фильтры, патронные фильтры, барабанные вакуум-фильтры, ленточные вакуум-фильтры, листовые фильтры, барабанные, ротационные, карусельные, многоярусные) - отделение кристаллического льда от маточника проводят через сетку, пропускающую жидкость.
Центрифугирование. Маточник под действием центробежных сил удаляют через отверстия в стенке ротора, оставляя на ней кристаллы льда (диаметр ротора 0,5-1,5 м, фактор разделения - 1000). Кристаллическая фаза затем промывается. Подбор центрифуги осуществляют с учётом физико-химических свойств суспензии (плотность, содержание твёрдой фазы в суспензии, вязкость маточника, размер кристаллов льда и др.).
Прессование. Сепарация происходит в результате сжатия суспензии льда. Суспензию загружают в цилиндр пресса и подвергают сжатию поршнем или же вращающимся шнеком. Прессы - гидравлические поршневые, винтовые, шнековые и др.
Промывка кристаллической фазы - сложный физико-химический процесс, в ходе которого растворённые вещества, находящиеся в порах твёрдой фазы извлекаются с помощью какой-либо жидкости. Современные теории процесса промывки основываются на законах диффузии и гидродинамики течения жидкости через пористые среды.
Промывная жидкость должна обладать свойствами:
- низкая вязкость
- малая летучесть паров
- химическая инертность
- высокая селективность по отношению к растворённым веществам
- не должна растворять твёрдую фазу.
Промывка по механизму действия бывает:
- фильтрационная
- диффузионная
- репульпационная
Фильтрационная происходит в основном путём вытеснения маточной жидкости промывной жидкостью. Движущая сила процесса - разность давлений над слоем и под слоем твёрдой фазы.
Диффузионная промывка происходит за счёт массообмена между промывной и маточной жидкостями. Основная движущая сила - разность концентраций между промываемыми жидкостями.
Репульпационная промывка осуществляется чередованием процессов смешения и разделения получаемой суспензии.
Процесс разделения в промывных колоннах происходит при противоточном движении жидкой и кристаллической фаз. Колонны напоминают противоточные кристаллизаторы, которые довольно широко используются для разделения бинарных или многокомпонентных расплавов на фракции, обогащении тем или иным компонентом, а также для глубокой очистки вещества от примесей [35].