Способ очистки воды

Изобретение относится к технологии очистки и обессоливания воды, водных растворов солей в промышленности и быту и может быть использовано для очистки питьевой воды, промышленных стоков. Способ включает охлаждение воды, образование газовых гидратов и последующее их разложение на газ и очищенную воду. Предварительно очищаемую воду насыщают гидратообразующим газом, а затем в реакторе подвергают диспергированию до размеров частиц воды менее 1 мкм в потоке гидратообразующего газа в условиях интенсивного гидратообразования. В качестве гидратообразующего газа предпочтительно используют пропан, двуокись углерода, фреон. Для улучшения технологических параметров в качестве гидратообразующего газа используют смесь указанных газов. Условия образования газовых гидратов - температуру и давление устанавливают в зависимости от выбранного гидратообразующего газа. Предварительное насыщение очищаемой воды гидратообразующим газом проводят при давлении менее давления гидратообразования выбранного газа. Образование газовых гидратов проводят, предпочтительно, в присутствии того гидратообразующего газа, которым насыщают очищаемую воду. Способ обеспечивает при использовании минимальных энергетических затрат получение воды высокой степени очистки. 6 табл., 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии очистки и обессоливания воды, водных растворов солей в промышленности и быту и может быть использовано для очистки питьевой воды, промышленных стоков.

Известен способ опреснения морской воды [патент RU №2239602, C02F 1/00, опубл. 10.11.2004], включающий перемешивание аммиака с указанной водой с образованием эффективного количества гидроксида аммония, для вступления его в реакцию с молекулами соли NaCl, присутствующими в указанной воде, и разупрочнения связи в указанных молекулах NaCl, распыление указанной воды в виде мелких брызг в закрытой технологической камере возле ее верхней части, воздействие на распыленную воду эффективным количеством отработанного газа сжигания (СО₂) для вступления в реакцию с указанными разупрочненными молекулами, и образования и удаления твердых веществ карбоната натрия и хлорида аммония в отстойнике, расположенном ниже указанной технологической камеры, осаждения и удаления твердых веществ через выпускную трубу нижнего слива и сброса опресненной воды в виде верхнего слива из указанного отстойника.

Недостатками данного изобретения являются энергоемкость устройства, сложность и длительность технологического процесса, недостаточная степень очистки воды, применение химического реагента.

Известен способ опреснения воды, выбранный в качестве прототипа [Ю.Ф.Макогон. Гидраты природных газов. М.: Недра, 1974, с.192-193]. Минерализованная вода поступает в деаэратор, где из нее удаляются растворенные газы. Далее она подается в реактор, предварительно охлаждаясь в теплообменниках потоками пресной воды и рассола. В реактор одновременно вводится через дросселирующий клапан сжиженный пропан из ресивера. Пропан и вода смешиваются при давлении около 5 кгс/см² и температуре 1,7°С, т.е. при условиях интенсивного гидратообразования. Степень переохлаждения при этом достигает 1,5-2°С. Образующиеся хлопья гидратов вместе с рассолом направляются в сепарационную колонну, после чего отмытые пресной водой (до 10% пресной воды затрачивается на отмытие сорбированных солей от гидрата) гидраты подаются в емкость разложения гидрата, где поддерживается давление около 6 кгс/см² и температура 7,5°С. Гидрат разлагается на сжиженный пропан и воду. В результате различия плотностей происходит разделение газа и воды. Вода подается потребителю, а газ после компримирования компрессором, через конденсатор, теплообменник и ресивер подается снова в реактор.

К недостаткам данного изобретения относится то, что образование кристаллогидратов происходит на поверхности гранул газового гидрата, что приводит к появлению примесей в очищенной воде. Необходимо тратить 10-20% очищенной воды для отмывки кристаллогидратов, иначе степень очистки воды будет низкая.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа очистки воды, в частности ее обессоливания, позволяющий так же, как и прототип, использовать минимальные энергетические затраты, но, в отличие от прототипа, получать более чистую воду.

Указанный технический результат достигается тем, что способ очистки воды включает ее охлаждение, образование газовых гидратов и последующее их разложение на газ и очищенную воду.

Особенностью предлагаемого способа является то, что очищаемую воду предварительно насыщают гидратообразующим газом, а затем ее в реакторе подвергают диспергированию до размеров частиц воды менее 1 мкм в потоке гидратообразующего газа в условиях интенсивного гидратообразования.

Кроме того, в качестве гидратообразующего газа используют пропан, двуокись углерода, фреон.

Кроме того, для улучшения технологических параметров в качестве гидратообразующего газа используют смесь вышеуказанных газов.

Кроме того, условия образования газовых гидратов, а именно температуру и давление выбирают в зависимости от выбранного гидратообразующего газа.

Кроме того, предварительное насыщение очищаемой воды гидратообразующим газом проводят при давлении менее давления гидратообразования выбранного газа.

Кроме того, образование газовых гидратов проводят, предпочтительно, в присутствии того гидратообразующего газа, которым насыщают очищаемую воду.

Кроме того, для приведения содержания гидратообразующего газа в очищенной воде к уровню предельно допустимой концентрации (ПДК), очищенную воду насыщают безвредным для здоровья человека газом, например CO₂ или O₂.

Поставленная задача достигается тем, что газовые гидраты образуются в потоке гидратообразующего газа путем взаимодействия последнего с мелкодиспергированными каплями воды, предварительно насыщенной гидратообразующим газом, при этом диспергирование воды и образование газовых гидратов происходит непрерывно, что исключает образование кристаллогидратов солей как на поверхности, так и внутри гранул газового гидрата. Поэтому в предлагаемом способе, в отличие от прототипа, исчезает необходимость в операции отмывки и резко возрастает степень очистки воды. Предварительное насыщение очищаемой воды гидратообразующим газом проводят при давлении менее давления гидратообразования выбранного газа. Предварительное насыщение и диспергирование воды до размеров частиц воды менее 1 мкм в потоке гидратообразующего газа дает возможность начать образование газогидратов от центра капли воды, а не на его поверхности, как в прототипе, что исключает появление примесей в очищенной воде.

В качестве гидратообразующего газа используют пропан, двуокись углерода, фреон.

Для улучшения технологических параметров в качестве гидратообразующего газа можно использовать смесь вышеуказанных газов. Это приводит при установленной температуре к уменьшению давления или при установленном давлении к повышению температуры образования газовых гидратов, что уменьшает энергетические затраты при реализации предлагаемого способа.

Предпочтительным вариантом способа очистки воды является тот, когда в процессах предварительного насыщения и гидратообразования используют один и тот же газ.

Для приведения содержания гидратообразующего газа в очищенной воде к уровню предельно допустимой концентрации (ПДК) очищенную воду насыщают безвредным для здоровья человека газом, например CO₂ или O₂. Это необходимо проводить для обеспечения безопасности здоровья потребителей воды.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В герметичную емкость подают очищаемую воду, содержащую разные соли (натрия, кальция, магния и т.д.), где ее насыщают гидратообразующим газом при давлении менее давления гидратообразования выбранного газа, предпочтительно, (0.7-0.8)Р, где Р - давление гидратообразования выбранного газа. Воду охлаждают до температуры 268-283К. Далее в реакторе, представляющем собой устройство для смешения газа и воды, диспергируют вышеуказанную воду до размеров частиц воды менее 1 мкм в потоке гидратообразующего газа и в результате ее взаимодействия с газом при установленной температуре, давлении и интенсивности смешивания происходит образование газовых гидратов. Газовые гидраты отделяют от газового и водного потока в циклоне, где после их разложения получают воду, пригодную для бытового и технического использования. Для приведения к ПДК содержания гидратообразующего газа в очищенной воде ее насыщают безвредным для здоровья человека газом, например CO₂ или О₂.

Примеры конкретного выполнения.

Для примеров использовались водные растворы хлористого натрия разной концентрации.

Пример 1

В герметичную емкость подают очищаемую воду, где ее насыщают пропаном под давлением 320 кПа, до границы образования газогидратов. Воду охлаждают до температуры гидратообразования, равной 277 К, и подают в реактор. Вода мелко диспергируется в реакторе в потоке пропана, который подается под давлением 454 кПа, в результате чего в реакторе происходит образование газовых гидратов при установленной температуре 277К. Газовые гидраты отделяются от газового и водного потоков в циклоне, где после их разложения получают очищенную от солей хлористого натрия воду.

Таблица 1. Условия образования газогидратов пропана
Т, К	Р, кПа	Степень очистки без насыщения (%)	Степень очистки с насыщением (%)
	174	323	454	515	554	≈84	≈95
268	+	+	+	+	+
273	+	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	+	+
283	-	-	-	-	-
"+" - гидраты образуются; "-" - гидраты не образуются.

Пример 2

В герметичную емкость подают очищаемую воду, где ее насыщают фреоном 11 под давлением 16 кПа. Воду охлаждают до температуры гидратообразования, равной 279К, и подают в реактор. Вода мелко диспергируется в реакторе в потоке газа фреона 11, который подается под давлением 22 кПа, в результате чего в реакторе происходит образование газовых гидратов при установленной температуре 279К. Газовые гидраты отделяются от газового и водного потоков в циклоне, где после их разложения получают очищенную от солей хлористого натрия воду.

Таблица 2. Условия образования газогидратов фреона 11.
Т, К	Р, кПа	Степень очистки без насыщения (%)	Степень очистки с насыщением (%)
	5,1	9,1	21,8	35,5	62,3	≈85	≈96
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	+	+	+
283	-	-	-	-	-
"+" - гидраты образуются; "-" - гидраты не образуются.

Пример 3

В герметичную емкость подают очищаемую воду, где ее насыщают фреоном 22 под давлением 53 кПа. Воду охлаждают до температуры гидратообразования, равной 268К, и подают в реактор. Вода мелко диспергируется в реакторе в потоке фреона 22, который подается под давлением 71 кПа, в результате чего в реакторе происходит образование газовых гидратов при установленной температуре 268К. Газовые гидраты отделяются от газового и водного потоков в циклоне, где после их разложения получают очищенную от солей хлористого натрия воду.

Таблица 3. Условия образования газогидратов фреона 22.
Т, К	Р, кПа	Степень очистки без насыщения (%)	Степень очистки с насыщением (%)
	71	98,5	149	198	332	≈83	≈95
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	+	+
283	-	-	-	-	+
"+" - гидраты образуются; "-" - гидраты не образуются.

Пример 4

В герметичную емкость подают очищаемую воду, где ее насыщают фреоном 12, под давлением 63 кПа. Затем воду охлаждают до температуры гидратообразования 277К и подают в реактор. Вода мелко диспергируется в реакторе в потоке фреона 12, который подается под давлением 88.2 кПа, в результате чего в реакторе происходит образование газовых гидратов при установленной температуре 277К. Газовые гидраты отделяются от газового и водного потоков в циклоне, где после их разложения получают очищенную от солей хлористого натрия воду.

Таблица 4. Условия образования газогидратов фреона 12.
Т, К	Р, кПа	Степень очистки без насыщения (%)	Степень очистки с насыщением (%)
	28,9	38,6	88,2	123	280	≈87	≈98
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	+	+
283	-	-	-	-	+
"+" - гидраты образуются; "-" - гидраты не образуются.

Пример 5

В герметичную емкость подают очищаемую воду, где ее охлаждают до температуры гидратообразования, равной 277К, насыщают газовой смесью: пропана с добавлением фреона 12, под давлением 183 кПа. Воду охлаждают до температуры гидратообразования, равной 277К и подают в реактор. Вода мелко диспергируется в реакторе в потоке вышеуказанной газовой смеси, который подается под давлением 244.1 кПа, в результате чего в реакторе происходит образование газовых гидратов при установленной температуре 277К. Газовые гидраты отделяются от газового и водного потоков в циклоне, где после их разложения получают очищенную от солей хлористого натрия воду.

Таблица 5. Условия образования газогидратов газовой смеси: пропана+фреона 12.
Т, К	Р, кПа	Степень очистки без насыщения (%)	Степень очистки с насыщением (%)
	101,4	180,8	244,1	319	418,5	≈85	≈98
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	+	+
283	-	-	-	-	+
"+" - гидраты образуются; "-" - гидраты не образуются.

Пример 6

В герметичную емкость подают очищаемую воду, где ее охлаждают до температуры гидратообразования, равной 279К, насыщают фреоном 22, под давлением 120 кПа и подают в реактор. Вода мелко диспергируется в реакторе в потоке фреона 12, который подается под давлением 123 кПа, в результате чего в реакторе происходит образование газовых гидратов при установленной температуре 279К. Газовые гидраты отделяются от газового и водного потоков в циклоне, где после их разложения получают очищенную от солей хлористого натрия воду.

Преимущества предлагаемого способа очистки воды - газы, используемые для образования газовых гидратов, могут использоваться в замкнутом цикле, при образовании газогидратов теплота выделяется, а при разложении - поглощается, поэтому весь процесс требует минимальных затрат энергии, производительность способа может варьироваться в широких пределах и зависит только от производительности компримирующего оборудования, основные аппараты для проведения процесса очистки воды газогидратным способом имеют незначительные размеры ≈1,2 м³ при производительности 200 м³/ч, степень очистки воды достигает до 95-98%.

1. Способ очистки воды, включающий ее охлаждение, образование газовых гидратов и последующее их разложение на газ и очищенную воду, отличающийся тем, что очищаемую воду предварительно насыщают гидратообразующим газом, а затем ее в реакторе подвергают диспергированию до размеров частиц воды менее 1 мкм в потоке гидратообразующего газа в условиях интенсивного гидратообразования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидратообразующего газа используют пропан, двуокись углерода, фреон.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для улучшения технологических параметров в качестве гидратообразующего газа используют смесь указанных газов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что условия образования газовых гидратов, а именно температуру и давление устанавливают в зависимости от выбранного гидратообразующего газа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительное насыщение очищаемой воды гидратообразующим газом проводят при давлении менее давления гидратообразования выбранного газа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что образование газовых гидратов проводят, предпочтительно, в присутствии того гидратообразующего газа, которым насыщают очищаемую воду.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для приведения содержания гидратообразующего газа в очищенной воде к уровню предельно допустимой концентрации (ПДК), очищенную воду насыщают безвредным для здоровья человека газом, например CO₂ или O₂.