ОПРЕСНЕНИЕ И ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ

Опреснение и обессоливание воды дистилляцией (от лат. distillatio, стекание каплями) — нагревание воды до температуры кипения, изменение ее агрегатного состояния — превращение в пар, охлаждение пара и получение конденсата (дистиллята). В условиях кипения молекулы воды за счет теплового и колебательных движений приобретают энергию, достаточную для преодоления сил межмолекулярного притяжения, и выносятся в паровое пространство. Малоподвижные ионы солей, не имея такого запаса энергии, остаются в растворе, то есть происходит разрушение связей между ионами солей и молекулами воды. Образующийся пар при давлениях до 5 МПа не содержит солей исходной воды и при последующей конденсации переходит в дистиллят (обессоленную воду). Способ дистилляции был известен с древнейших времен. В 1872 году в Лос-Салинас (Чили) была построена солнечная опреснительная установка, дававшая около 20 м3/сут опресненной воды. На построенной в 1899 году в Баку опреснительной установке получали 1200 м /сут опресненной воды; в то время она была одной из крупнейших в мире. Опреснительные установки для целей водоснабжения были сооружены и в других странах. Однако к разработке способов опреснения соленых вод как к одной из важнейших научно-технических проблем ученые приступили с 1952 года, когда при ЮНЕСКО была создана группа, координирующая программу работ в международном масштабе.
Дистилляция — один из наиболее распространенных и изученных способов получения пресной воды в крупных промышленных масштабах. Дистилляционная опреснительная установка (ДОУ) состоит из стандартизированного и иестандартизированного основного и вспомогательного оборудования, соединенного трубопроводами, потребляет тепловую и электрическую энергию, охлаждающую воду и выдает дистиллят в качестве готового продукта и концентрированный рассол — отхода производства. ДОУ широко применяют не только для получения пресной воды, но и для переработки разнообразных производств, стоков с целью защиты водоемов от солевого и токсичного загрязнения путем создания замкнутого водооборота на различных производствах. Дистилляционные методы опреснения весьма разнообразны, однако все они осуществляются на установках, основными элементами которых являются испаритель и конденсатор. Так, в одноступенчатой дистилляционной установке вода в нагревателе подогревается и испаряется за счет теплоты греющего пара, конденсирующегося в нагревательном элементе. Вторичный пар из испарителя, прошедший через специальное сепарационное (брызгоуловительное) устройство, поступает в конденсатор, где образуется дистиллят. Конденсатор охлаждается опресняемой водой, одна часть которой служит питательной водой для испарителя, другая (большая) сбрасывается в виде охлаждающей воды. От испарителя отводятся рассол и конденсат греющего пара. Одноступенчатый процесс дистилляции характеризуется очень низкой эффективностью, поскольку с учетом потерь теплоты для получения 1 т дистиллята требуется затратить до 1,2 т греющего пара. Существуют более эффективные многоступенчатые установки с разнообразными методами опреснения и принципами действия. Основными типами ДОУ являются многокорпусные с выпарными аппаратами и мгновенного вскипания. С увеличением числа выпарных аппаратов значительно снижается расход греющего пара на получение дистиллята и удельный расход теплоты на его выработку. Однако увеличение числа ступеней испарения при фиксированных начальных и конечных температурных параметрах приводит к уменьшению температурного перепада на каждом выпарном аппарате, что приводит к увеличению его габаритов, расходу металла, потерям теплоты и тому подобного. Поэтому при многокорпусной выпарке в ДОУ обычно бывает не более 10—12 корпусов выпаривания с температурным перепадом не менее 5—6°С на каждый аппарат. В нашей стране широкое промышленное внедрение получили преимущественно ДОУ с вертикальными длиннотрубными выпарными аппаратами (5—10 корпусов). За рубежом наиболее распространены ДОУ мгновенного вскипания.
Основной недостаток ДОУ — опасность загрязнения поверхностей теплообмена накипью, в результате чего резко снижается их тепловая эффективность. Основные компоненты накипи при опреснении морской воды — карбонат кальция, гидроокись магния и сульфат кальция, образующиеся из-за повышения температуры и концентрирования морской воды в процессе испарения. Для предотвращения образования накипи, обусловленной щелочностью воды, применяют следующие методы: рециркуляцию затравочных кристаллов тонкомолотого мела; дозирование полифосфатов или других ингибиторов накипи (антинаки-пинов); дозирование серной или соляной кислоты. В отечественной практике наибольшее распространение имеет метод рециркуляции затравочных кристаллов мела, а за рубежом — метод подкисления. После ввода кислоты с целью снижения коррозионных свойств вода должна обрабатываться по схеме: атмосферная декарбонизация и вакуумная деаэрация с контролем рН на уровне 7,4—7,6. Остаточное содержание кислорода после системы деаэрации не превышает 0,04 мг/л, а углекислоты — 1 — 3 мг/л; для более глубокого снижения содержания кислорода до 0,01 мг/л применяют дозирование раствора сульфита натрия.
Основными темпемпературными параметрами ДОУ являются: температуpa циркулирующего рассола на выходе из головного подогревателя (определяется по условиям предотвращения сульфатного накипеобразования); температуpa исходной (охлаждающей) воды; температуpa сбрасываемого рассола (должна быть как можно ниже для обеспечения эффективности ДОУ, но на практике разность температур между сбрасываемым рассолом и температурой исходной воды находится в пределах 5—15Х); температуpa дистиллята, выходящего из последней ступени, которая несколько меньше температуры сбрасываемого рассола; температуpa греющего пара.
Приведенные температуры с учетом расходов исходной воды, рассола и дистиллята определяют тепловой баланс ДОУ. Основным показателем тепловой эффективности ДОУ является количество теплоты, необходимое для производства 1 метра пресной воды. В зарубежной практике часто используют показатель выхода дистиллята, кг, на 1 кг греющего пара.