Результат интеллектуальной деятельности: ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ОБРАТНОГО ОСМОСА И ХИМИЧЕСКОГО ОБЕССОЛИВАНИЯ

Изобретение относится к области средств обучения, в частности к специальному оборудованию, предназначенному для обучения студентов вузов и колледжей техническим дисциплинам, а более конкретно для демонстрационно-практического изучения процессов обратного осмоса и химического обессоливания, устройств фильтрования, а также зависимости степени очистки воды от различных факторов.

Известна МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ КОМПЛЕКСНАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ (Патент на изобретение РФ №2248942, МПК C02F 9/08, G09B 25/02, B01L 11/00, 2005 Г.) состоящая из последовательно и/или параллельно соединенных через промежуточные резервуары блоков и аппаратов водоперекачки и водоочистки. Лаборатория содержит насосную станцию первого подъема, соединенную напорными водоводами с камерами переключения с промежуточным резервуаром исходной воды, который посредством насосной станции второго подъема взаимосвязан с технологическими аппаратами и блоками автоматизированной станции очистки воды, включающей блок осветления воды отстаиванием, состоящей из камеры хлопьеобразования, горизонтального отстойника, блока реагентного хозяйства, блок осветления воды во взвешенном слое, содержащий воздухоотделитель, связанный с осветлителем со слоем взвешенного осадка, блок осветления воды фильтрованием, включающий безнапорный скорый и напорный скорый или сверхскоростной фильтр с промежуточным резервуаром осветленной воды, который через насосную станцию второго подъема связан с аппаратом обеззараживания воды и соединен с промежуточным резервуаром чистой воды. Лаборатория снабжена автоматизированной системой управления технологическими процессами с центральным диспетчерским пультом управления с использованием ПЭВМ и мнемосхемой.

Недостатком указанной установки является большие габариты, сложность конструкции и ограниченная возможность применения в проведении лабораторных работ при подготовке студентов по теплоэнергетическим специальностям, в частности, по причине отсутствия аппаратов для обессоливания воды, что является необходимым условием для подготовки воды на ТЭС и АЭС.

Известен КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРОВАНИЯ С ИЗМЕРЕНИЯМИ И ОБРАБОТКОЙ РЕЗУЛЬТАТОВ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ LAB VIEW (Патент на изобретение РФ №2439711, МПК G09B 23/24, 2012 г.), включающий в себя стол с горизонтальной и вертикальной установочными поверхностями и два независимых блока, первый из которых включает автономную систему подачи воды для проливки экспериментальных кювет, выполненных в виде прозрачных патрубков и имеющих мерные шкалы, обеспечивающих визуальную фиксацию и демонстрацию уровня сжатия осадка, закрепленных на кронштейне, оборудованном датчиком массы, к которому подвешена мерная емкость, позволяющая определить расход протекающей жидкости путем взвешивания, механический манометр для измерения давления в системе и преобразователь давления, обеспечивающий регистрацию выходных данных на твердый носитель, при этом для обеспечения подачи жидкости по магистрали под горизонтальной установочной поверхностью стола размещен гидроаккумулятор, второй блок содержит автономную насосную станцию с водонапорной магистралью, начинающейся и заканчивающейся в питательном баке, в верхней части которого заглублен насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости, на участке водонапорной магистрали последовательно расположены кран для подачи воды, емкость для приготовления жидкости с примесями, три последовательно соединенных фильтра различной проницаемости, обеспечивающие ступенчатое фильтрование жидкости за счет уменьшения размеров пор фильтрующего материала по ходу движения фильтрата, краны отбора жидкости, три механических манометра для визуального наблюдения за перепадами давления на фильтрах, кран слива, обеспечивающий подпор давления жидкости в магистрали, на вертикальной установочной поверхности стола размещена система управления и панель для снятия и обработки показаний в электронной вычислительной машине с используемой программной средой Lab View.

Недостатком указанного комплекса является невозможность очистки воды от солевых примесей и отсутствие регистрации глубины очистки воды от взвешенных частиц и других удаляемых примесей. Имеет место ограниченная возможность применения в проведении лабораторных работ при подготовке студентов по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» по профилю «Технология воды и топлива на ТЭС и АЭС».

Известна лабораторная установка химического умягчения и обессоливания методом обратного осмоса, раскрытая в описании к патенту на изобретение №2196743, входящая в комплект оборудования для подготовки воды при производстве этилового спирта (патент на изобретение РФ №2196743, МПК C02F 9/04, C02F 9/04, C02F 5/00, C02F 1/44, C02F 103/04, 2003 г.) являющаяся наиболее близким аналогом.

Недостатком указанной установки является низкая степень обессоливания воды, ограниченная возможностями обратного осмоса и ограничивающая ее использования на ТЭС и АЭС, а также отсутствие возможности применения в проведении лабораторных работ при подготовке студентов по теплоэнергетическим специальностям, отсутствие возможности изменения конфигурации схемы очистки воды для изменения глубины ее обессоливания, отсутствие возможности лабораторного контроля изменения показателей качества воды на каждом этапе обработки и контроля качества обработанной воды.

Техническим результатом заявленной лабораторной установки является создание простой и наглядной стендовой установки для изучения и проведения исследования процессов, проходящих при обработке воды методами химического обессоливания, обратного осмоса и в режиме двухступенчатого обессоливания, обеспечивающей возможность изменения конфигурации схемы очистки воды и возможность лабораторного контроля изменения показателей качества воды на каждом этапе обработки, как при химическом обессоливании, так и при мембранной очистке, и контроль качества обработанной воды путем измерения электропроводности с последующим расчетом рН и концентраций ионных примесей в расчете на NaCl.

Технический результат достигается тем, что лабораторная установка обратного осмоса и химического обессоливания, содержит стол с горизонтальной и вертикальной установочными поверхностями, на которых размещены питательный насос с водонапорной магистралью, накопительный бак, механический фильтр, четырехходовой переключатель потока, мембранный обратноосматический фильтр, Н-катионитный фильтр, ОН-анионитный фильтр, автоматический измерительный блок, включающий кран для регулирования расход пробы, Н-катионитную колонку, установленную между двумя датчиками электропроводности, подключенными к обрабатывающему блоку, соединительные патрубки, задвижки отбора пробы и запорную арматуру, при этом питательный насос последовательно через механический фильтр и задвижку подключен к первому патрубку четырехходового переключателя потока и через задвижку соединен последовательно с Н-катионитным фильтром и ОН-анионитным фильтром, выход которого через задвижку соединен с автоматическим измерительным блоком, второй патрубок четырехходового переключателя потока через задвижку соединен с входом мембранного обратноосматического фильтра, выход которого подключен через задвижку к автоматическому измерительному блоку, через задвижку к входу Н-катионитного фильтра и подключен к третьему патрубку четырехходового переключателя потока, четвертым патрубком соединенного с накопительным баком, при том задвижки отбора пробы для лабораторного анализа установлены в водонапорной магистрали за питательным насосом, за механическим фильтром, за мембранным обратноосматический фильтром, за Н-катионитным фильтром и за ОН-анионитным фильтром.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг.1 приведена принципиальная схема установки обратного осмоса и химического обессоливания.

На чертеже использованы следующие обозначения: питательный насос 1; механический фильтр 2, четырехходовой переключатель потока 3, мембранный обратоноосматический фильтр 4, накопительный бак 5, Н-катионитный фильтр 6, ОН-анионитный фильтр 7, автоматический измерительный блок 8, кран регулирующий расход пробы 9, Н-катионитная колонка 10, первый датчик электропроводности 11; второй датчик электропроводности 12; обрабатывающий блок 13, задвижки отбора пробы жидкости 14-18, задвижки 19-26.

Лабораторная установка обратного осмоса и химического обессоливания, включающая стол с горизонтальной и вертикальной установочными поверхностями, на которых размещены питательный насос 1 подключенный последовательно через механический фильтр 2 и задвижку 20 к первому патрубку четырехходового переключателя потока 3 и через задвижку 24 соединенный последовательно с Н-катионитным фильтром 6 и с ОН-анионитным фильтром 7, выход которого через задвижку 25 соединен с автоматическим измерительным блоком 8, второй патрубок четырехходового переключателя потока 3 через задвижку 21 соединен с входом мембранного обратноосматического фильтра 4, выход которого подключен через задвижку 23 к автоматическому измерительному блоку 8, через задвижку 22 к входу Н-катионитного фильтра 6 и подключен к третьему патрубку четырехходового переключателя потока 3, четвертым патрубком соединенного с накопительным баком 5, при том задвижка отбора пробы 14 установлена за питательным насосом 1, задвижка отбора пробы 15 установлена за механическим фильтром 2, задвижка отбора пробы 16 установлена за мембранным обратноосматический фильтром 4, задвижка отбора пробы 17 установлена за Н-катионитным фильтром 6 и задвижка отбора пробы 18 установлена за ОН-анионитным фильтром 7. Автоматический измерительный блок 8, включает кран, регулирующий расход пробы 9, Н-катионитную колонку 10, установленную между первым датчиком электропроводности 11 и вторым датчиком электропроводности 12, подключенными к обрабатывающему блоку 13. Задвижка 26 предназначена для слива потока воды.

Лабораторная установка обратного осмоса и химического обессоливания предусматривает возможность изучения и проведения исследования процессов, проходящих при обработке воды методами химического обессоливания, обратного осмоса и в режиме двухступенчатого обессоливания.

Метод химического обессоливания заключается в процессе ионного обмена между ионами, находящимися в воде, и ионами функциональных групп ионообменных материалов Н-катионитных и ОН-анионитных фильтров. В указанном режиме работы лабораторной установки обратного осмоса и химического обессоливания задвижки 20, 22 и 23 закрыты. Исходная вода под давлением питательного насоса 1 прокачивается последовательно через механический фильтр 2, Н-катионитный фильтр 6 и ОН-анионитный фильтр 7 и автоматический измерительный блок 8. Посредством задвижек отбора пробы 14, 15, 17 и 18 отбирают пробы воды для лабораторного анализа, результаты автоматического анализа получают с обрабатывающего блока 13, входящего в состав автоматического измерительного блока 8. В автоматическом измерительном блоке 8 краном 9 устанавливают расход пробы в пределах паспортных значений используемых датчиков электропроводности. Первый датчик электропроводности 11 измеряет удельную электрическую проводимость (электропроводность) и температуру пробы до Н-катионитной колонки 10, а второй датчик электропроводности 12 измеряет удельную электрическую проводимость (электропроводность) и температуру пробы после Н-катионитной колонки 10, измеренные значения с заданной дискретностью поступают в обрабатывающий блок 13, где происходит обработка сигналов до количественного значения рН контролируемой пробы и концентраций ионов: катионов в расчете на катион натрия, анионов в расчете на анион хлора.

Метод обратного осмоса заключается в пропуске обрабатываемой воды под давлением через полупроницаемую мембрану, которая задерживает на своей поверхности примеси растворенных в воде веществ. В указанном режиме работы лабораторной установки обратного осмоса и химического обессоливания задвижки 22 и 24 закрыты. Исходная вода под давлением питательного насоса 1 прокачивается последовательно через механический фильтр 2 и четырехходовой переключатель потока 3 поступает в мембранный обратоноосматический фильтр 4, где исходная вода разделяется на пермеат и концентрат. Концентрат при открытой задвижке 19 сбрасывается в дренаж. Пермеат при закрытой задвижке 23 собирается в накопительном баке 5, а при открытой задвижке 23 поступает в автоматический измерительный блок 8. Посредством задвижек отбора пробы 14, 15 и 16 отбирают пробы воды для лабораторного анализа, результаты автоматического анализа получают с обрабатывающего блока 13. Скорость фильтрации воды через мембранный обратоноосматический фильтр 4 мала, поэтому невозможно получить достаточный для лабораторного анализа объем очищенной воды за короткое время. Очищенную воду постепенно накапливают в накопительном баке 5. Подачу очищенной воды через мембранный обратоноосматический фильтр 4 или из накопительного бака 5 осуществляют посредством четырехходового переключателя потока 3.

Метод двухступенчатого обессоливания заключается в доочистке обрабатываемой обратноосматическом фильтре воды, т.е. получения воды лучшего качества, на дополнительной ступени обессоливания. В указанном режиме работы лабораторной установки обратного осмоса и химического обессоливания задвижки 23 и 24 закрыты. Исходная вода под давлением питательного насоса 1 прокачивается последовательно через механический фильтр 2 и четырехходовой переключатель потока 3 поступает в мембранный обратоноосматический фильтр 4, где исходная вода разделяется на пермеат и концентрат. Концентрат при открытой задвижке 19 сбрасывается в дренаж или идет на лабораторный анализ. Пермеат при закрытой задвижке 23 собирается в накопительном баке 5, а при открытой задвижке 22 поступает последовательно в Н-катионитный фильтр 6 и в ОН-анионитный фильтр 7, затем в автоматический измерительный блок 8. Посредством задвижек отбора пробы 14, 15, 16, 17 и 18 отбирают пробы воды для лабораторного анализа, результаты автоматического анализа получают с обрабатывающего блока 13. Очищенную воду, при открытой задвижке 22 и закрытой задвижке 23, постепенно накапливают в накопительном баке 5. Подачу очищенной воды через мембранный обратоноосматический фильтр 4 или из накопительного бака 5 осуществляют посредством четырехходового переключателя потока 3.

При выключении установки из работы отключают питательный насос 1 закрывают задвижки отбора пробы 14-18 и задвижки для слива 19 и 26.

Пример расчета показателей качества обессоленной воды измерительным блоком 8:

Результаты измерений удельной электропроводности обессоленной воды составили:

χ²⁵=0,15 мкСм/см (показания датчика электропроводности 11 - проба воды до Н-катионитной колонки).

=0,24 мкСм/см (показания датчика электропроводности 12 - проба воды после Н-катионитной колонки).

Обработка данных автоматическим обрабатывающим блоком 13 по способу определения рН малобуферных предельноразбавленных водных растворов типа конденсата (патент на изобретение RU №2573453, 2016 г.) дала следующие результаты:

- значение рН 6,73

- концентрация хлорид-иона [Cl^-]=15,4 мкг/дм³

- концентрация гидрокарбонат-иона [НСО₃^-]=20,5 мкг/дм³

- концентрация натрия [Na⁺]=15,6 мкг/дм³

Таким образом, заявленная лабораторная установка является простой и наглядной для изучения и проведения исследования процессов, проходящих при обработке воды методами химического обессоливания, обратного осмоса и в режиме двухступенчатого обессоливания. Установка обеспечивает возможность лабораторного контроля изменения показателей качества воды на каждом этапе обработки как при химическом обессоливании, так и при мембранной очистке и контроль качества обработанной воды путем измерения электропроводности с последующим расчетом рН и концентраций ионных примесей в расчете на NaCl.