CC BY
46
УДК 628.165.04
С.С. Акимов, С.А. Лоншаков, А.И. Фёдорова, С.Д. Угрюмова
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ БЕРЕГОВЫМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ РЫБНОЙ ОТРАСЛИ
Рассмотрены актуальные методы получения пресной воды на основе термической дистилляции, глубокого умягчения и замораживания, обеспечивающие водопотребление береговых предприятий рыбной отрасли.
Ключевые слова: вода, рыбная отрасль, дистилляция, замораживание.
S.S. Akimov, S.A. Lonshakov, A.I. Fedorova, S.D. Ugryumova PROSPECTS FOR RATIONAL WATER COASTAL ENTERPRISES FISHING INDUSTRY
Considered the actual method of obtaining fresh water, based on thermal distillation, softening and deep freeze to ensure that water consumption coastal enterprises fishing industry.
Keywords: water, fish industry, distillation, freeze.
Общее количество воды на Земле (объем гидросферы) оценивается в 1400 млн км . Однако стационарные запасы пресных вод, пригодных для использования, в том числе речных, озерных и подземных, составляют всего 1,3 % объема гидросферы (около 4 млн км ).
Объем чистой пресной воды с каждым днем уменьшается, так как большинство предприятий сбрасывают в водоемы неочищенную воду. Так, современные рыбные предприятия потребляют большое количество воды, 95 % которой удаляется из производственных цехов в виде сильно загрязненных промышленных стоков. Объемы сточных вод после обработки сырья в несколько раз превышают количество самого обработанного сырья.
Значительное сокращение расходов природной воды можно достичь за счёт включения в схему водопотребления опреснительного комплекса, полученная техническая вода используется для нужд предприятия [ 1, 2].
Рациональное использование рыбоперерабатывающими предприятиями морской воды имеет большое значение, прежде всего, для районов с ограниченными природными ресурсами пресной воды, к которым можно отнести Приморский край и многие регионы Дальнего Востока.
Актуальность применения морской воды возрастает как в связи с дефицитом пресной воды, ввиду ограниченности её ресурсов, освоения новых мощностей и роста потребления, так и необходимости решения проблемы защиты водного бассейна от загрязнения и в целом решения проблемы более рационального использования водных ресурсов.
Наибольшее использование при получении пресной воды из морской находит термическая дистилляция, однако в последние годы разрабатываются мембранные методы обессоливания воды - электродиализ и обратный осмос. Преимуществом мембранных методов, главным образом, обратного осмоса, по сравнению с дистилляцией являются более низкие затраты энергии, меньшая коррозия оборудования и исключение теплового загрязнения среды.
Метод обратного осмоса применяется преимущественно для целей опреснения воды, когда допускается солесодержание обработанной воды до 1 г/л и не требуется глубокое обессоливание, как это имеет место в котельной. Кроме того, мембранные методы конкурентоспособны с термической дистилляцией вод с исходным солесодержанием до 5 г/л. Отметим, что сумма анионов сильных кислот морской воды в среднем составляет 214 (мг-экв)/л, солесодержание 26 г/л. Итак, для обессоливания минерализованных вод наиболее эффективна термическая дистилляция, что объясняется наибольшей её изученностью, простотой конструктивных решений, возможностью создания установок большой единичной мощности, надёжностью в эксплуатации, а также сравнительно высокими экономическими показателями. Причём затраты на обессоливание практически не зависят от солесодержания исходной воды.
Одним из основных недостатков термического обессоливания морских вод является отложение накипи на поверхности нагрева теплообменного оборудования. В состав образующейся накипи, как правило, входят карбонат кальция, гидрооксид магния, сульфат кальция. Предотвращение карбонатной и магниевой накипи затруднений не вызывает. Уже разработаны и внедрены за рубежом и в России довольно эффективные методы предотвращения этой накипи: подкисление и введение затравочных кристаллов [3].
Главной проблемой является предотвращение сульфатной накипи, которая не растворяется ни в воде, ни в кислотах. Метод введения затравочных кристаллов (гипсовой затравки) оказался неэффективным для этой цели.
Во избежание полного вывода из строя теплообменного оборудования, дистилляция в ущерб технико-экономическим показателям установок ведется в режиме ниже «сульфатного барьера», т.е. испарение проводят при низких температурах и кратностях упаривания, не допуская повышения концентрации сульфата кальция в рассолах выше предельной его растворимости. Так, из-за «сульфатного барьера» температура испарения морской воды в первой ступени испарительных установок ограничивается 105-110 °С, а в последней, при температуре 35-40 °С, степень упаривания за счет большой продувки поддерживается не более 2-3. Более низкая температура испарения в последних ступенях (меньше 35-40 °С) экономически невыгодна ввиду того, что с понижением температуры резко повышаются удельные объемы пара, уменьшается коэффициент теплопередачи, растут габариты и металлоемкость ступени, требуется большой расход воды для конденсации пара последней ступени. Поэтому в мировой практике не прибегают к испарению воды при температурах ниже 35-40 °С.
Необходимость изготовления испарителей из нержавеющей стали продиктована стремлением избежать интенсивной коррозии, причиной которой является работа ступеней под вакуумом, когда неизбежен присос воздуха. Решение проблемы «сульфатного барьера» приводит к возможности повысить температурный уровень испарения, т.е. организовать испарение под избыточным давлением и, решив таким образом проблему коррозии, для обессоливания морской воды, по аналогии с обессоливанием пресной воды, использовать испарители типа И. Это приведет к резкому снижению и в целом затрат на обессоливание.
Повышение температурного уровня испарения приводит к снижению затрат потому, что более высокому температурному уровню соответствует большой коэффициент теплопередачи.
В мировой практике за последние годы наметилась тенденция к использованию плёночных выпарных аппаратов. Обусловлено это, главным образом, высокой интенсивностью теплообмена в тонком слое нагреваемой жидкости. Применение таких
аппаратов снижает капитальные затраты на установку. Следует отметить, что при плёночном испарении зависимость коэффициента теплопередачи от температуры имеет более крутой характер в области высоких температур (более 100 °С). Поэтому решение проблем «сульфатного барьера» и повышения температурного уровня испарения также повысит эффективность технологии обессоливания с применением плёночных испарителей.
Решение проблем предотвращения накипеобразования создаёт предпосылки существенно снизить тепловые затраты на термическое обессоливание морской воды. В одноцелевых установках повышение температуры в первой ступени до 180-200 °С увеличит число ступеней и снизит расход греющего пара на выработку одной тонны дистиллята. Известно, что при одинаковой величине температурного перепада, с повышением температурного уровня испарения воды, энергетические потери снижаются. Поэтому экономически наиболее выгодными являются двухцелевые установки. Возможность повышения температурного уровня испарения на таких установках позволяет организовать такую взаимосвязь обессоливающей установки с тепловой схемой энергообеспечения, когда тепловые затраты на обессоливание морской воды сводятся к минимуму, а в ряде случаев полностью отсутствуют [4].
Более эффективной следует признать технологию глубокого умягчения морской воды Na-катионированием с развитой регенерацией. В отличие от эффективных методов эта технология исключает необходимость применения привозной поваренной соли и обеспечивает эффективную регенерацию катионита только за счёт собственных натриевых солей морской воды. Схема обработки морской воды включает очистку от механических примесей, умягчение Na-катионированием, подогрев и деаэрацию умягченной воды, термическую дистилляцию и использование концентрата умягченной воды для регенерации катионита. Основные преимущества данной технологии термического обессоливания морской воды сводятся к следующим: обеспечивается глубокое умягчение морской воды, что решает проблему «сульфатного барьера» в частности и накипеобразования в целом.
Известно, что отходами процесса термического обессоливания являются концентрированные рассолы, которые могут использоваться для получения гидроксида магния, хлорида натрия, гипса и других солей. Чем выше концентрация сбросных рассолов, тем меньше затраты на утилизацию солей. В этом плане технология термического обессоливания умягченной морской воды обладает существенным преимуществом перед другими способами.
Существует ряд технологий глубокого умягчения морской воды, основанных на противоточном и ступенчато-противоточном Na-катионировании. Но не все эти технологии обеспечивают необходимую глубину умягчения. Кроме того, большинство из них требуют высокого уровня эксплуатации и разработки специальной конструкции фильтров.
Механизм процесса умягчения морской воды Na-катионированием осуществляется по
2+
следующей схеме: Na-катионирование морской воды применяется для удаления ионов Са и Mg2+, замены их на ионы Na+. Умягчение осуществляется простым фильтрованием исходной воды через неподвижный или противоточно-перемещающийся слой катионита.
Применение технологии ступенчато-противоточного Na-катионирования, хорошо зарекомендовавшей себя при очистке природных минерализованных вод, позволяет обеспечить необходимый результат [3, 4]. В основе этой технологии лежат два принципа:
1. Размещение ионита в двух ступенях в строго определенном соотношении: 70-75 % в первой, 25-30 % - во второй ступени.
2. Стоимостная регенерация ступеней с подачей регенерационного раствора сначала на вторую, затем на первую ступени, с соблюдением прямотока в первой ступени.
Указанное размещение катионита в ступенях фильтров обусловлено необходимостью обеспечения одинакового времени защитного действия ступеней. Т.е. фильтр первой ступени принимает на себя основную нагрузку по умягчению воды и, естественно, в
случае равного размещения катионита по ступеням, быстрее допустит проскок ионов жесткости.
Нами также рассматривался вопрос о возможности использования локальных опреснительных установок, основанных на размораживании для береговых предприятий рыбной отрасли.
Экономичность опреснительных процессов ее во многом зависит от расхода энергии, так как и у стоимости опресненной воды топливная составляющая играет заметную роль: 43-47 % - в термических методах и 11-38 % - в мембранной технологии. Поэтому количественная оценка затрат энергии на опреснение воды различными методами имеет большое технико-экономическое значение.
Замораживание является единственным методом опреснения воды, свободным от отложения солей и требующим затрат на водоподготовку. Решение изложенных проблем лежит в основе наших научных исследований.
Искусственное получение пресной воды (опреснение) сейчас обходится дороже получения ее из природных источников. Из-за истощения и загрязнения естественных источников воды стоимость ее очистки возрастает, а затраты на опреснение воды благодаря совершенствованию технологии уменьшаются. Поэтому в будущем стоимость опреснения воды может в некоторых районах сравняться или быть даже ниже затрат на добычу природной. Уже теперь стоимость воды, полученной на атомном опреснителе в г. Шевченко (ныне Актау) - 7,5-8,5 руб./м , - сравнима или даже ниже стоимости природной воды, поданной по трубопроводу. Например, жителям г. Владивостока природная вода обходится в 15 руб./м .
Список литературы
1. Абдулаев К.М. Технология комплексной переработки высокоминерализованных вод на примере воды Каспийского моря [Текст] / К.М. Абдулаев // Водоподготовка и водный режим ТЭС: материалы науч.-практ. конф. - Баку, 1984. - С. 3-7.
2. Агамалиев М.М. Оптимальные условия организации процесса умягчения морской воды в параллельноточных фильтрах [Текст] / М.М. Агамалиев, Ю.Г. Якубов. - Баку: АзНЕФТЕХИМ, 1985. - 35 с.
3. Слесаренко В.Н. Современные методы опреснения морских и соленых вод [Текст] / В.Н. Слесаренко. - М.: Энергия, 1985. - 248 с.
4. Угрюмова С.Д. Водоснабжение и подготовка воды в искусственной среде обитания [Текст] / С.Д. Угрюмова // Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2009. - С. 62-65.
Сведения об авторах: Акимов Сергей Сергеевич, аспирант;
Лоншаков Сергей Александрович, аспирант;
Фёдорова Александра Игоревна, магистр, e-mail: [email protected];
Угрюмова Светлана Дмитриевна, доктор технических наук, профессор.
