Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА

Современной промышленности требуется для использования вода не просто очищенная от примесей, но очищенная до определенных значений концентрации содержащихся в воде веществ. В пищевой промышленности, здравоохранении применяется вода со строго заданными входными параметрами, в том числе по концентрации веществ. Достаточно часто такая концентрация должна быть в требуемое количество раз меньше предельно допустимой концентрации. При этом используемая вода должна иметь и необходимые химические свойства, обусловленные содержанием в ней, например, микроэлементов, в том числе кальция, магния, биологически активных добавок и других веществ. Их концентрация также может быть строго заданной технологическим регламентом.

Таким образом, подготовка очищенной воды заданного качества с требуемыми концентрациями микроэлементов является важной экономической и технологической задачей. Поэтому предлагаемое изобретение относится к области водоподготовки для различных отраслей промышленности, таких как пищевая, химическая, теплоэнергетика и другие.

Учеными предлагаются различные способы подготовки воды заданного качества, предназначенной для использования на предприятиях различных отраслей промышленности. Большое значение придается способам мембранной водоподготовки, когда для получения высокочистой воды применяется ее очистка в мембранных установках обратного осмоса и ультрафильтрации, которые являются аналогами предлагаемого изобретения.

Например, известен способ и установка для производства легкой воды (Патент РФ №2390491, С01В 5/00, B01D 59/00, B01D 59/12, B01D 61/00). Установка состоит из отдельной емкости для хранения исходной воды, насоса для подачи исходной воды в фильтровальный элемент, продуктовой емкости и регулятора потока в виде ламинарного сопротивления. До поступления в установку воду подвергают предварительной очистке от механических примесей, умягчению, обезжелезиванию, удалению органики. В корпусе фильтровального элемента поток воды V с концентрацией ¹H₂ ¹⁶О, равной С, пропускают вдоль оси мембраны. Под действием давления от 0,1 до 30 бар часть воды объемом V₁ проходит через мембрану и в виде легкой высокочистой воды ¹Н₂ ¹⁶О с концентрацией C₁ направляется в продуктовую емкость. Второй поток воды объемом V₂ движется вдоль мембраны, омывая и регенерируя ее, затем поступает на слив в виде отработанной воды, проходя через регулятор соотношения потоков. При этом V=V₁+V₂ и C₁>С. Полученный объем легкой воды V₁ составляет от 0,05 до 0,8 от общего объема V исходной воды, поступившей на фильтрацию. Содержание C₁ легких молекул ¹H₂ ¹⁶O в полученной легкой воде составляет не менее 99,734% от общего количества Н₂О, концентрация ¹⁷O в полученной легкой воде составляет не более 372 ppm, а концентрация ¹⁸О в полученной легкой воде составляет не более 1960 ppm.

Данный способ имеет недостаток в том, что концентрация веществ в пермеате на выходе из мембраны четко не заявлена и зависит от свойств мембраны. Иначе говоря, используя данный способ, невозможно получить концентрацию веществ в пермеате меньше, чем того позволяет используемая мембрана. Кроме того, применение разных мембран в данном способе будет способствовать и получению различной концентрации веществ в пермеате. Не позволяет предлагаемый способ и осуществить утилизацию концентрата, выходящего из мембраны и содержащего ценные для промышленности компоненты.

Известен способ глубокого обессоливания пресных и солоноватых вод (Патент №2283288, МПК C02F 9/08, B01D 61/12, C02F 1/42, C02F 1/44). Данный способ включает последовательные процессы по ступеням: осветление, обработку осветленной воды на ионообменных фильтрах и обессоливание в обратноосмотической ступени с отводом концентрата из каждой ступени очистки, причем процесс обратноосмотического обессоливания ведут, по меньшей мере, двухстадийно при более высоком давлении очищаемой воды на каждой последующей стадии обессоливания с соответствующими заданным давлением мембранами и отношении расходов пермеата к концентрату обратноосмотической ступени в целом в пределах n=7÷99, а отвод концентрата из обратноосмотической ступени производят в каждой стадии на регенерацию ионообменных фильтров. При повышенном содержании органических соединений осветленную воду дополнительно Сl-ионируют на фильтрах, загруженных органопоглощающим анионитом, отвод концентрата из обратноосмотической установки производят на регенерацию Cl-ионитного фильтра, затем - на регенерацию H-Na-катионитного фильтра, а щелочного раствора - на дорегенерацию Cl-ионитного фильтра.

Недостатком предлагаемого способа является использование реагентов, требующих площадей для хранения и условий для обслуживания, создания возможностей для дополнительного загрязнения воды ионитными реагентами. Кроме того, концентрат, используемый для регенерации ионитных фильтров, загрязняется и не может без очистки применяться в промышленности.

Известен способ подготовки добавочной воды для систем тепловодоснабжения (Патент №2322403, МПК C02F 9/08, B01D 61/44). Система подготовки добавочной воды содержит последовательно включенные установку предварительной очистки воды с линией осветленной воды, установку обратноосмотического обессоливания с линиями пермеата и концентрата и узел дозирования в осветленную воду антискаланта. Система дополнительно содержит байпасную по отношению к установке обратноосмотического обессоливания линию осветленной воды, подключенную к линии пермеата и узел декарбонизации на линии пермеата с линией декарбонизованного пермеата. На линии концентрата установки обратноосмотического обессоливания размещена электродиализная установка с биполярными мембранами с линией отвода кислотного раствора в линию пермеата до узла декарбонизации, линией отвода щелочного раствора в линию пермеата после узла декарбонизации и линией отвода дилюата. Данный способ выбран прототипом предлагаемого нами изобретения, поскольку данный способ направлен на подготовку воды заданного качества, предназначенную для использования на предприятии, в данном случае, в системах тепловодоснабжения, в нем присутствует и стадия очистки подготавливаемой для предприятия воды на установке обратного осмоса, и стадия насыщения воды микроэлементами, в данном случае, антискалантом и реагентом для антикарбонизации.

Недостатком данного способа является зависимость концентрации веществ в пермеате на выходе из обратноосмотической установки от свойств используемой мембраны, то есть, как и в предыдущем патенте, невозможно получить концентрацию веществ в воде меньше, чем возможно на используемой мембране. Кроме того, линия обработки концентрата не предусматривает способа его использования в промышленности. Дозирование в очищенную воду антискаланта и реагента для антикарбонизации решает лишь узкую задачу, не позволяя использовать такую воду, например, в пищевых целях.

Техническая задача изобретения - получение воды с определенными техническим регламентом данной отрасли промышленности составом минеральных и органических веществ и их концентрациями, в том числе и меньшими, чем возможные концентрации после установки обратного осмоса без применения химических реагентов и складов для них и использования дорогостоящих теплоносителей, подаваемых извне.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Артезианскую воду из водоносного горизонта с температурой от 5°C до 17°C подают в конденсатор, где нагревают до температуры от 21°C до 31°C, и затем подают в систему предварительной очистки от нерастворенных примесей. Далее воду подают в установку обратного осмоса, где происходит ее глубокая очистка от растворенных примесей. Из установки обратного осмоса выходят два потока: пермеат, то есть очищенная вода, и концентрат, то есть насыщенный раствор. Пермеат направляют в смеситель. Концентрат через теплообменник с температурой от 42°C до 68°C направляют в вакуум-выпарную кристаллизационную установку, вакуум в которой значением от 0,8 ат до 0,4 ат создают вакуум-насосом без применения подаваемого извне греющего пара. В вакуум-выпарной установке при указанной температуре производят адиабатическое выпаривание концентрата и кристаллизацию растворенных веществ, содержащихся в нем, в результате уменьшения объема жидкого концентрата и понижения давления в аппарате. Упаренный раствор с кристаллами растворенных веществ из вакуум-выпарного аппарата направляют на предварительное сгущение в гидроциклон, обезвоживание на центрифугу, сушку воздухом в ленточную сушилку и далее на пакетирование и к потребителю либо как сырье на стадию дозирования в смеситель. Отработанный воздух из ленточной сушилки направляют для очистки от твердых частиц в циклон и далее в патронный фильтр на повторное использование. Воду из гидроциклона и центрифуги направляют на очистку в систему предварительной очистки. Дистиллят, то есть пар концентрата, из вакуум-выпарной кристаллизационной установки направляют в теплообменник на подогрев концентрата, подаваемого на выпаривание и кристаллизацию, где он предварительно конденсируется, и далее в конденсатор, где он полностью конденсируется, отдавая избыточное тепло подаваемой из водоносного горизонта артезианской воде, и из конденсатора в смеситель на смешение с пермеатом. В смесителе производят смешение пермеата с дистиллятом, то есть разбавление пермеата дистиллятом, в соотношении от 10:2 до 1:1. Регулируя подаваемый объем дистиллята, изменяют концентрацию растворенных веществ в воде на выходе из смесителя на необходимую величину. Регулирование объема дистиллята, подаваемого в смеситель, осуществляют изменением количества циклов возврата концентрата на установку обратного осмоса, и, соответственно, изменением объема концентрата, подаваемого в вакуум-выпарную кристаллизационную установку, и регулированием величин вакуума, температуры и времени выпаривания концентрата в вакуум-выпарной кристаллизационной установке. По достижении необходимой степени смешения воду в смесителе озонируют озоно-воздушной смесью, которую подают из озонатора, воздух для которого подают из атмосферы через патронный фильтр для очистки от пыли и адсорбер с силикагелем для осушки. Озонатор охлаждают подаваемой на очистку артезианской водой. Патронный фильтр регенерируют обратной продувкой атмосферным воздухом. Адсорбент, в качестве которого используют силикагель, в адсорбере регенерируют атмосферным воздухом, проходящим через калорифер. Благодаря озонированию воды происходит ее полное обеззараживание, окисление содержащихся в ней остаточных органических веществ, придание воде бесцветности и насыщение ее кислородом. После озонирования в воду в смесителе дозируют из системы дозаторов минеральные и органические микроэлементы в составе и количестве, необходимом по техническому регламенту водоподготовки для данной отрасли промышленности. Полученную воду с соответствующими химическими свойствами бутилируют и отправляют потребителю.

Основным техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является получение воды заданного качества, то есть воды с определенными техническим регламентом данной отрасли промышленности составом минеральных и органических веществ и их концентрациями, в том числе и меньшими, чем возможные концентрации после установки обратного осмоса. Дополнительным техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является получение сухих минеральных смесей, которые можно отправлять потребителю либо использовать как сырье для стадии дозирования микроэлементов в воду в смесителе. Реализация способа не требует применения химических реагентов и складов для них и использования дорогостоящих теплоносителей, подаваемых извне.

Обычно концентрация растворенных веществ в пермеате определяется свойствами используемой мембраны и не может быть ниже, чем это позволяет мембрана. Концентрация растворенных веществ в концентрате зависит от количества циклов возврата концентрата в установку обратного осмоса: чем больше циклов возврата концентрата, тем выше концентрация растворенных веществ в концентрате.

Ограничения на минимальную величину концентрации растворенных веществ в пермеате, накладываемые используемой мембраной, не позволяют получать только с использованием установки обратного осмоса воду с меньшими значениями концентрации растворенных веществ, чем позволяет мембрана, что часто требуется по технологическому регламенту. Поэтому нами предлагается установить после установки обратного осмоса смеситель, в котором происходит смешение выходящих из установки обратного осмоса пермеата и дистиллята, получаемого из концентрата путем выпаривания в вакуум-выпарной кристаллизационной установке и сконденсированного в конденсаторе.

Регулированием количества циклов возврата концентрата в установку обратного осмоса предлагается изменять как объем получаемого в итоге концентрата, то есть чем больше циклов возврата концентрата, тем меньше его итоговый объем, так и концентрацию растворенных веществ в нем, то есть чем больше циклов возврата концентрата, тем выше концентрация растворенных веществ в нем.

Кроме того, регулированием величин вакуума, температуры и времени выпаривания в выпарной установке также предлагается изменять объем получаемого из концентрата дистиллята.

В итоге, в смеситель можно подавать дистиллят концентрата в различных объемах. При смешении его с пермеатом можно добиться изменения выходной концентрации растворенных веществ в получившейся смеси. При этом данная концентрация будет меньше концентрации растворенных веществ непосредственно в пермеате на выходе из установки обратного осмоса. Например, при отводе из установки обратного осмоса пермеата и концентрата в соотношении 1:1 и выпаривании в вакуум-выпарной кристаллизационной установке 80% концентрата степень смешения пермеата и сконденсированного дистиллята может составить 10:8, что, соответственно, позволяет снизить концентрацию растворенных веществ в воде на выходе из смесителя в 1,8 раз по сравнению с концентрацией тех же веществ в пермеате на выходе из установки обратного осмоса.

Предлагаемый способ позволяет получить глубоко очищенную воду заданного качества с составом и концентрацией минеральных и органических веществ, соответствующим используемому регламенту водоподготовки, которая может применяться как питьевая вода, как сырье для предприятий пищевой промышленности, как специально подготовленная вода для предприятий других отраслей промышленности. С учетом того, что в предлагаемом нами изобретении рекомендуется использовать вакуум-выпарную кристаллизационную установку без применения подводимого извне греющего пара и с одновременной кристаллизацией растворенных веществ, то есть без применения кристаллизатора и охлаждающих агентов, с возможностью полезного использования продуктов выпаривания и кристаллизации, данный способ снижения итоговой концентрации растворенных веществ в воде становится относительно недорогим. К роме того, озонирование воды и ее дозирование необходимыми по техническому регламенту минеральными и органическими веществами позволяет получить как готовый продукт воду с необходимыми химическими свойствами.

Технологическая схема, на основе которой реализуется предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Согласно фиг.1, предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Артезианскую воду с начальной температурой от 5°C до 17°C подают из водоносного горизонта через конденсатор 1 в систему предварительной очистки 2, где производят ее очистку от нерастворенных примесей с использованием, при необходимости, методов отстаивания, коагуляции, флокуляции, фильтрования и других, и далее в установку обратного осмоса 3. В установке обратного осмоса воду очищают до концентрации растворенных веществ в пермеате от 4 мг/л до 10 мг/л. Во время очистки в установке обратного осмоса количество получаемого пермеата регулируют путем изменения количества циклов возврата пермеата или концентрата на вход в установку обратного осмоса до соотношения итоговых объемов пермеата и концентрата на выходе из установки обратного осмоса от 1:1 до 10:2. Концентрация растворенных в пермеате веществ на выходе из установки обратного осмоса будет постоянной в зависимости от вида используемой мембраны. Концентрация растворенных в концентрате веществ на выходе из установки обратного осмоса будет изменяться в зависимости от количества циклов возврата концентрата на вход в установку обратного осмоса и составлять от 500 мг/л до 15000 мг/л.

Пермеат из установки обратного осмоса с постоянной концентрацией подают в смеситель 4, представляющий собой аппарат с мешалкой.

Концентрат из установки обратного осмоса с температурой от 21°C до 31°C подают через теплообменник 5, после которого он имеет температуру от 42°C до 68°C, в вакуум-выпарную кристаллизационную установку 6. Вакуум-выпарная кристаллизационная установка работает под вакуумом от 0,8 ат до 0,4 ат, создаваемым вакуум-насосом 7. Таким образом, для работы вакуум-выпарной кристаллизационной установки 6 не требуется использовать греющий пар.

Образующийся в вакуум-выпарной кристаллизационной установке пар подают в качестве теплоносителя в теплообменник 5, где осуществляется предварительный нагрев концентрата перед поступлением в вакуум-выпарную кристаллизационную установку.

В теплообменнике 5 пар из вакуум-выпарной кристаллизационной установки частично конденсируется, после чего его подают в конденсатор 1, где происходит его полная конденсация при передаче избыточного тепла от пара к проходящей через конденсатор артезианской воде. Сконденсировавшийся дистиллят подают в смеситель 4, где смешивают с пермеатом из установки обратного осмоса 3.

В смесителе 4 при смешении пермеата и дистиллята происходит уменьшение концентрации растворенных веществ до значений ниже возможных при использовании мембран. Итоговую концентрацию растворенных веществ в воде на выходе из смесителя регулируют изменением количества циклов возврата пермеата и концентрата на очистку в установку обратного осмоса и изменением количества получаемого пара в вакуум-выпарной кристаллизационной установке 6 путем изменения величин вакуума, температуры и времени выпаривания, что влияет на количество поступающего в смеситель 4 дистиллята и степень его смешения с поступающим из установки обратного осмоса 3 пермеатом.

По достижении требуемой величины концентрации растворенных в воде веществ в смеситель 4 осуществляют дозирование озоно-воздушной смеси из озонатора 8. Озонирование воды в смесителе способствует ее полному обеззараживанию, окислению остаточных органических загрязняющих веществ, насыщению воды кислородом, приданию воде бесцветности. На свойства минеральных микроэлементов озон влияния не оказывает. Охлаждение озонатора осуществляют подаваемой артезианской водой. Воздух в озонатор подают из атмосферы через патронный фильтр 9 для очистки от пыли и адсорбер 10, наполненный силикагелем, для осушки перед озонированием. Регенерацию патронного фильтра 9 осуществляют обратной продувкой атмосферного воздуха. Регенерацию адсорбента, в качестве которого используют силикагель, в адсорбере 10 осуществляют атмосферным воздухом, проходящим через калорифер 11. Отработанный воздух из адсорбера 10 отправляют в атмосферу.

Далее в воду в смесителе дозируют необходимые микроэлементы в количестве, требуемом по техническому регламенту водоподготовки для данной отрасли промышленности. Дозирование микроэлементов осуществляют из системы дозаторов 12. Дозироваться могут как неорганические, например, кальций, магний и другие, так и органические, например, закваски, БАД, микроэлементы.

Упаренную суспензию с нерастворенными в ней кристаллами минеральных солей из вакуум-выпарной кристаллизационной установки 6 подают на предварительное сгущение в гидроциклон 13, обезвоживание в центрифугу 14, далее подают в ленточную сушилку 15 на сушку атмосферным воздухом, проходящим через калорифер 11, и далее на пакетирование в установку для пакетирования 17, откуда подают потребителю либо в систему дозаторов 12 в качестве сырья. Отработанный воздух из ленточной сушилки направляют для очистки от твердых частиц в циклон 16 и далее в патронный фильтр 9 на повторное использование. Регулированием температуры выпаривания-кристаллизации в вакуум-выпарной кристаллизационной установке 6 путем регулирования величины вакуума в вакуум-насосе 7 обеспечивают фракционированное поочередное выпадение кристаллов различных минеральных солей с целью получения однородных минеральных смесей.

Воду из гидроциклона 13 и центрифуги 14 подают на вход в установку обратного осмоса 3.

Воду из смесителя 4 подают в накопительную емкость 18, затем в установку бутилирования 19 и далее к потребителю.