Ионный обмен
Ионный обмен – это процесс замены ионов одного типа другим в растворах с использованием специальных материалов. При этом, обычно, ион замещают на основе их заряда и размера. Ионный обмен широко применяется для обессоливания воды.
Процесс ионного обмена может происходить как в жидкой, так и в твердой среде. Один из наиболее распространенных методов – это обмен ионами водорода на катионах металлов.
- Катионообменный метод: при таком методе на замену ионов водорода на катионах металлов в растворе используются специальные обменные смолы. Они могут быть как кислотными, так и щелочными.
- Анионообменный метод: процесс происходит на обменных смолах, обладающих определенными свойствами. В результате ионного обмена, ионы, которые создают кислотность в воде, заменяются на ионы, которые образуют основание. Таким образом, происходит обессоливание воды.
Для обоих методов ионного обмена используются обменные смолы разных типов и конфигураций, которые позволяют провести процесс замены с наилучшим эффектом.
Слайд 26 Основными типами дистилляционных установок, которые в настоящее время
выпарки. У специалистов отсутствует единое мнение в вопросе выбора типа
дистилляционной установки, но расчеты показывают, что экономичность их примерно одинакова. Следует отметить, что каждой стоимости тепла для любой опреснительной установки соответствует свое оптимальное число ступеней. Под оптимальным числом ступеней понимается такое, при котором обеспечивается наименьшая сумма затрат на тепло, отчислений от капитальных вложений и эксплуатационных затрат, т. е. наименьшая стоимость дистиллята.Метод мгновенного испарения («флеш») основан на явлении снижения температуры кипения воды по мере уменьшения давления в испарителях. Подогретая вода, поступая в изолированную вакуумированную камеру (испаритель), частично мгновенно испаряется. Чем выше температура воды и чем глубже вакуум, тем больше вода испарится.
Технологическая схема
Рисунок 1 – Принципиальная схема типичной установки обессоливания нефти
Блок сепарации
Сырая нефть с растворенными в ней газами, водой и солями поступает в сепаратор. На входе в сепаратор установлен каплеотбойник для предотвращения уноса жидких продуктов с газовой фазой. В сепараторе из нефти отделяется нерастворенная вода, а также легкие углеводороды, которые проходят через туманоуловитель для предотвращения уноса жидкой фазы и выходят с верха сепаратора. Сепаратор оснащен антизавихрителями в местах отбора жидкой фазы: воды и сырой нефти.
Антизавихритель – устройство, предотвращающее формирование вихря при сливе жидкости (жидкости или газа) из сосуда, такого как резервуар или парожидкостной сепаратор. Образующиеся вихри могут захватывать газовую фазу в поток жидкости, приводя к плохому разделению на технологических этапах, таких как ректификация или вызывать чрезмерное падение давления, или вызывать кавитацию насосов ниже по потоку.
Нефть и вода имеют разные плотности за счет чего в сепараторе образуется водно-нефтяная эмульсия. Благодаря перегородке внутри сепаратора, отстоявшаяся вода не попадает на прием насосов, перекачивающих нефть.
Далее частично обезвоженная нефть нагревается в блоке теплообменников после чего поступает в электродегидратор.
Блок электродегидрирования
Процесс обессоливания нефти осложняется, когда в нефти имеются сухие соли, не удаляемые обычными методами. Поэтому в таких случаях для собственно обессоливания приходиться прибегать к дополнительной операции промывания нефти водой. С этой целью, предварительно деэмульгированная тем или иным способом нефть вновь эмульгируется с пресной водой, и полученная эмульсия подвергается повторному разложению обычно тем же методом.
Наиболее стойкие мелкодисперсные нефтяные эмульсии разрушаются с помощью электрического тока. При воздействии электрического поля капельки воды, находящиеся в неполярной жидкости, поляризуются, вытягиваются в эллипсы с противоположно заряженными концами и притягиваются друг к другу. При сближении капелек силы притяжения возрастают до величины, позволяющей сдавить и разорвать разделяющую их пленку. На практике используют переменный электрический ток частотой 50 Гц и напряжением 25-35 кВ.
Процессу электрообезвоживания способствуют деэмульгаторы и повышенная температура. Во избежание испарения воды, а также в целях снижения газообразования ─ аппараты, в которых проводится электрическое обезвоживание и обессоливание нефтей ─ работают при повышенном давлении.
Обессоленная нефть направляется в колонну первичной перегонки на установку АВТ, а вода, используемая в процессе, направляется на блок очистки сточных вод.
Ионный обмен
Чистая вода-истинное удовольствие!
Ионообменное опреснение воды заключается в фильтровании насыщенной солями воды через анионитные и катионитные фильтры, которые периодически регенерируют кислотой и щёлочью. Некоторые вещества способны свободно обмениваться ионами с растворами солей. Это твёрдые электролиты, которые подразделяются на катиониты и аниониты. У катионитов анионы представлены в виде полимеров, нерастворимых в воде. Аниониты представляют собой твердые основания, их анионы подвижны и способны обмениваться с анионами других растворов.
Вода последовательно проходит через катионит и анионит и таким способом обессоливается. Постепенно обменная способность смол снижается и их необходимо регенерировать. Чаще всего этот метод используется в качестве водоподготовки в частных домах для создания автономной системы водоснабжения.
Ионообменный способ обладает рядом достоинств:
- Простота оборудования;
- Небольшой расход исходной воды для собственных нужд (15—20%);
- Малый расход электроэнергии;
- Небольшой объем сбросных вод.
В качестве недостатка можно назвать повышенный расход реагентов.
Процесс – обессоливание
Процесс обессоливания ( деминерализации) воды осуществляют в две стадии: первоначально вода проходит через слой катионита в Н – форме, а затем – через слой анионита в ОН-форме.
Процесс обессоливания заключается в том, что соль содер жащаяся в нефти, вымывается водой, растворяется в ней и выводится в виде раствора. Если содержащейся в нефти воды окажется недостаточно, то добавляется необходимое количество ее.
Процесс обессоливания ( деминерализации) воды осуществляют в две стадии: первоначально вода проходит через слой катионита в Н – форме, а затем – через слой анионита в ОН-форме.
| Схема управления электродегидратором. |
Процесс обессоливания заключается в том, что соли, содержащиеся в нефти, вымываются водой и выводятся вместе с ней в виде соляного раствора. Если содержащейся в нефти воды оказывается недостаточно, то ее добавляют в необходимом количестве. При этом вода смешивается с нефтью так, чтобы образовалась водонефтяная эмульсия, которая затем разрушается в электрическом поле электродегидратора. Таким образом, процесс обессоливания нефти сводится к процессу обезвоживания и выполняется в одном и том же аппарате – электроде-гидраторе.
Процесс обессоливания водопроводной воды с помощью иони-тов состоит из двух стадий. Вначале водопроводную воду пропускают через фильтрколонну, наполненную катионитом в Н – форме, после чего вода поступает во вторую фильтрколонну, наполненную анионитом в ОН – – форме. Полученная вода не содержит солей.
| Схема одноступенчатого процесса обессоливания. |
Ранее процессы обессоливания осуществлялись на многоступенчатых установках, но в настоящее время разработан также одноступенчатый способ обессоливания с применением смешанного слоя ионообменных материалов.
Проведение процесса обессоливания и обезвоживания нефти в ТХО не обеспечивает полного удаления воды. Однако полное удаление воды необходимо для исключения отложения солей в нагревательных печах и теплообменвом оборудовании. Специфической особенностью работы этого узла является то, что нагрев в печи осуществляется под давлением, исключающим выкипание воды в трубах змеевика.
Сущность процесса обессоливания промысловой нефти заключает – ся в снижении кониентраиии хлористых солей в капельной попутной пластовой воде, которая осталась в промысловой нефти после ее предварительного и глубокого обезвоживания. Снижение концентрации хлористых солей в капельной пластовой воде, представляющей собой дисперсную фазу в обратной водонефтяной эмульсии ( промысловой нефти), возможно только в результате коалесиенши их с каплями промывной воды, в качестве которой, как правило, используется пресная вода.
Безотходность процесса обессоливания очищенных сточных вод обеспечивается разработанной в ИКХХВ им.
Перед процессом обессоливания питьевой воды проводят подготовительные операции по активации катионитов и анионитов в соответствии с существующими инструкциями или регламентом.
В процессе обессоливания из нефти удаляют не только соли и воду, но и механические примеси, окись железа, сульфид железа и значительное количество соединений мышьяка, отравляющих платиновые катализаторы при риформинге, металлоорганическне соединения ванадия и других металлов, снижающих качество нефтепродуктов.
При процессах обессоливания применяются различные типы смол. Для обессоливания аминокислот требуется весьма кислая катионо-обменная смолча, тогда как сахара обессоливаются на комбинированных кислых и слабощелочных смолах. При процессах обессоливания количество используемой смолы может меняться в зависимости от объема удаляемых солей и обменной способности самой смолы. Эта способность зависит от типа смолы и крупности ее зерен.
В процессе обессоливания давление в электроде-гидраторах определяется давлением насыщенных паров нефти, перепадом давлений на каждой ступени ЭЛОУ и гидравлическим сопротивлением участков технологической схемы после блока ЭЛОУ. Оно не должно превышать давления, на которое рассчитаны электродегидраторы.
Технологии, активно используемые в странах-лидерах по опреснению
Лидером в этой отрасли считается Израиль, где расположены крупнейшие заводы по опреснению, обеспечивающие более 15% потребности в питьевой воде, и более 50% — в технической. Один из самых крупных местных заводов производит забор воды из Средиземного моря и фильтрует ее посредством специальных мембран. Дальше осуществляется перегонка, после чего чистая вода поступает в хранилища, а соляной раствор сбрасывается в море.
А французские заводы используют несколько другие способы опреснения воды: большинство установок работают на принципе обратного осмоса. Популярной в промышленных масштабах стоит назвать и технологию выпаривания.
Экологические выгоды
Одним из главных экологических преимуществ опреснения морской воды является возможность использования этого процесса для снижения негативного воздействия на природные водные ресурсы. Отвод морской воды для использования в различных целях, таких как питьевая вода, промышленность, судостроение и аквакультура, может оказывать значительное давление на окружающую среду, особенно в тех регионах, где доступ к пресной воде ограничен.
Опреснение морской воды позволяет использовать бесконечные запасы океанов и морей для удовлетворения потребностей человечества в пресной воде, не оказывая негативного влияния на экосистемы пресноводных ресурсов. Кроме того, процесс опреснения морской воды может способствовать снижению выбросов углекислого газа и других вредных веществ в атмосферу, поскольку уменьшает потребность в транспортировке воды на большие расстояния.
Опреснение морской воды также может играть важную роль в борьбе с изменением климата. По данным Всемирного банка, около 20% мировой популяции уже испытывает недостаток воды, и этот процент вероятно будет расти в будущем. Опреснение морской воды может быть одним из способов обеспечения устойчивого доступа к пресной воде для всех людей, что в свою очередь может способствовать более устойчивому и экологически чистому развитию человеческого общества.
Химическое обессоливание
Целью процесса обессоливания является удаление анионов и катионов солей, растворенных в воде. Химическое обессоливание производится методом ионного обмена и осуществляется путем последовательного пропуска воды через Н-катионитовые и анионитовые фильтры. При пропуске Н-катионированной воды через анионитовые фильтры, загруженные нерастворимым зернистым материалом, способным к обмену анионов, происходит обмен анионов кислот (SO, Cl, SiO3) на один из анионов анионита (ОН,СО, НСО) в зависимости от того, каким реагентом регенерирован анионит. Анионный обмен подчиняется закону действующих масс и зависит от концентрации обмениваемых анионов. Аниониты применяются слабо основные, в которых протекает процесс обмена анионов только сильных кислот (S042 и С1), и сильно основные, способные к обмену анионов и слабых кислот (кремниевой кислоты SiO3).
Рис. 10-7. Схемы установок для химического обессоливания.
а — при обессоливании без обескремнивания; б — при обессоливании с обескремниванием; 1 — подвод осветленной воды; 2 — Na-катионитовый фильтр; 3 — слабоосновной анионитовый фильтр; 4 — дегазатор-удалитель СОг; 5 — бак обессоленной воды; 6 — мерник для кислоты; 7 — бак с водой для взрыхления; 8 — бак для раствора щелочи; 9 — бак для взрыхления анионитового фильтра; 10 — отвод обессоленной воды; 11—N -катионитовый фильтр второй ступени; 12 — сильноосновной анионитовый фильтр; 13 — бак с водой для взрыхления Na-катионитового фильтра второй ступени; 14 — бак с водой для взрыхления анионитового фильтра; 15 — вентилятор; 16—насос, Реакции анионного обмена:
Регенерация слабо основных анионитов может производиться растворами NaOH, Na2C03 и NaHC03. Реакции обмена сильно основного анионита—обескремнивания:
Регенерация сильно основных анионитов производится раствором NaOH.
Схемы установок для обессоливания показаны на рис. 10-7. Установки для обескремнивания и обессоливания применяются на электростанциях высокого давления при низком качестве исходной воды и больших добавкам химически очищенной воды к конденсату.
Производительность установок для химической очистки воды
На промышленных электростанциях обычно применяются катионитовые установки для умягчения добавочной воды. На электростанциях высокого давления при этом питание котлов осуществляется в основном конденсатом, в том числе получаемым и от производственных потребителей пара. Добавка химически очищенной воды идет для питания бестолочных котлов, установленных на предприятии. Такая раздельная система питания обеспечивает должный водный режим котлов высокого давления без применения более сложных и дорогих установок для обескремнивания и обессоливания. Производительность установок для химической очистки йоды должна выбираться, исходя из максимальной потребности в ней на электростанции и предприятии. При этом необходимо учитывать расход химически очищенной воды на котлы низкого давления, предназначенные для выработки пара за счет вторичных энергетических ресурсов, и системы испарительного испарения, а также на подпитку теплосети.
Сооружение нескольких установок для химической очистки воды на предприятии нецелесообразно. Отдельным потребителям, для которых допускаются меньшие требования к качеству воды, чем для питания котлов, вода может отпускаться от химводоочистки после частичного ее умягчения, как показано на схеме рис. 10-7, что позволяет уменьшить эксплуатационные затраты на ее приготовление.
- Назад
- Вперед
Дистилляция воды
Обессоливание воды с помощью метода дистилляции – самый старый и распространенный на сегодняшний день способ. Плюсом является его всеобщая доступность, а минусом – дороговизна процесса. Для получения воды без примесей используют дистилляторы. Они представляют собой испарители нескольких типов, разница между которыми состоит в конструкции, виде используемой энергии. Наиболее распространенные – паровые и электрические аппараты, отличающиеся дороговизной и большим потреблением энергоресурсов.
Аппарат представляет собой котел (или несколько котлов) низкого давления, где жидкость превращается в пар и отделяет концентрат солей. Чтобы вода получила максимальную очистку, в аппарате достигается температура медленного кипения. При таком режиме тяжелые примеси не попадают в конденсирующийся дистиллят. Одним из вариантов уменьшения стоимости является увеличение количества ступеней, но такая установка влечет крупные первоначальные инвестиции.
Оборудование для дистилляции помимо потребления большого количества энергии обладает внушительной стоимостью всех частей. Обеспечить высокую степень чистоты могут дорогостоящие трубы, арматура, теплообменники, испарители, сделанные из кварца или платины. Другие материалы непригодны.
Ионный обмен
Наиболее надежный способ, которым достигается обессоливание воды, – метод ионного обмена
Осаживание примесей таким способом позволяет получить более чистую жидкость за короткий срок, что важно при промышленном обессоливании. Способ является наиболее экономически выгодным и дает лучший результат очистки
Метод основывается на удалении из жидкости катионов и анионов солей, в результате очистки можно достичь разной степени деминерализации, вплоть до полного удаления солевых агентов. Обессоливание воды ионным обменом происходит при участии ионитов, которые представляют собой нерастворимые в воде полимеры, содержащие подвижный ион. При созданных условиях подготовленный полимер вступает в реакцию обмена с ионами солей того же знака. Помещенные в водную среду иониты набухают, увеличиваясь в размере в 1,5-2 раза.
По мере прохождения времени иониты собирают растворенные в воде соли и уплотняются. Насыщенные иониты регенерируют, после чего проводят их очистку. Продукты, полученные из насыщенных ионитов, называются “элюаты”, в их состав входят растворы солей и щелочей. Часть из них являются ценными веществами, поэтому их утилизируют как ценные компоненты.
Слайд 28 Другой технологической схемой в технике термического опреснения являются
последовательно в количестве от четырех до десяти. В нашей стране
такие установки получили большее распространение, чем установки мгновенного испарения. Исходная вода, освобожденная на сетках морского водоприемника от грубых примесей, поступает в главный конденсатор, где нагревается до 36° С. Затем, пройдя деаэратор и систему регенеративных подогревателей, она поступает в первый корпус выпарных аппаратов. Для предотвращения образования накипи в системе применен метод затравочных кристаллов (затравки). Мелкоразмолотый природный мел (СаСО3) вводится в опресняемую воду однократно при запуске установки и затем осуществляется рециркуляция затравки.
Способы опреснения
Основные способы опреснения воды:
- Дистилляция.
- Ионизация.
- Обратный осмос.
- Электродиализ.
Это методы, которые можно использовать в крупных масштабах, для нужд промышленности. Среди них большой популярность пользуется дистилляция – она бывает простой или многоступенчатой. Во время дистилляции воду доводят до кипения, образуется водяной пар – чистая дистиллированная вода. В остатке же находятся соли.
С помощью дистилляции получают более половины всей опресняемой жидкости. Отдельно выделяют метод мембранной дистилляции, заключающийся в собирании водяного пара по одну сторону от специальной мембраны, которая пропускает только молекулы газа.
Обратный осмос – это один из самых экономичных методов. Подсчеты показывают, что опреснение 15 тонн исходного сырья будет стоить не больше 1 доллара. Суть метода в продавливании жидкости через чрезвычайно мелкие фильтры. Через поры проходит только чистая жидкость, соли и примеси остаются.
Электродиализ – это процесс пропускания жидкости через специальную электродную камеру. В камере находятся пластины, которые, соответственно заряду, притягивают катионы и анионы. Преимущество метода – высокая устойчивость оборудования к воздействию внешней среды. Так, электродиализ дает возможность проводить опреснение воды при высокой температуре. Минусы – необходимость установки специального оборудования.
Другие методы немного сложнее и распространены не так широко. Ограниченное применение связано с высокой себестоимостью опресненной воды.
В некоторых южных регионах используется достаточно простой метод – солнечное опреснение воды. Он заключается в нагревании воды на солнце. Пар улавливается, так получают пресную воду. Есть и обратный метод – опреснение воды замораживанием. Насыщенная солью жидкость замерзает медленнее, чем пресная – в момент замерзания их можно разделить.
Опреснение в промышленности
В промышленных масштабах недостаток чистой опресненной воды ощущается острее и зафиксирован более чем в полусотне стран. Кризис связан в первую очередь с активным развитием промышленности, быстрым ростом населения и несовершенством экологического законодательства. Поэтому вопрос опреснения воды в промышленных масштабах стоит очень остро. Это оптимальный путь добычи пресной воды в крупных масштабах – особенно использование опреснительных установок актуально в прибрежных зонах.
Большинство крупных опреснительных станций расположено в регионах с недостатком питьевой воды. К ним относится практически весь Ближний Восток, а также некоторые страны Северной Африки. Строительство станций продолжается также в Европе и США. Современные технологические мощности позволяют удовлетворить потребность населения в чистой питьевой воде даже в странах с минимальными природными ресурсами.
Что касается обстановки в России, то опреснительные технологии только начинают развиваться. Благодаря природным запасам и особенностям климата и территории, природных запасов хватит минимум на несколько десятков лет.
Новые возможности и альтернативы
Технологии опреснения несовершенны, поэтому продолжается поиск альтернативных возможностей. Наиболее перспективной представляется идея транспортировки льда из антарктического региона. Главная проблема состоит в длительности такой транспортировки и возможных последствиях от вмешательства в структуру ледника.
Еще одна технология – регенерация. Суть состоит в том, что сточные и поверхностные воды очищают и снова пускают в бытовой или промышленный оборот. Такая жидкость пригодна, по крайней мере, для технических и сельскохозяйственных нужд.
Общие методы очистки соленой воды
После того, как вы нашли достаточный источник воды, вы должны очистить его после опреснения, чтобы безопасно пить. Большинство источников воды, найденных в пустыне, так или иначе загрязнены. Промышленные отходы, бытовые отходы, сельскохозяйственные отходы и другие химические вещества означают, что в большинстве случаев эту воду нельзя пить..
Мы опишем лучшие методы очистки, которые вы могли бы использовать, чтобы безопасно пить воду во время крайне необходимого условия выживания. Очистка воды снижает риск загрязнения, паразитов или бактерий, попадающих в нашу систему..
- кипениеКипячение — самый простой и удобный способ очистки воды. Вам понадобится пара снаряжения и костер, чтобы все заработало. Принесите воду, найденную в контейнере, и поставьте ее на очень сильный огонь. Дайте воде кипеть, пока не начнут появляться пузырьки. Пусть пузырьки происходят не менее 5 минут, прежде чем убирать огонь и дать ему остыть. Не пейте кипящую воду. Вы можете сильно обжечься.
- Фильтрующие насосы: Все палатки кемпинга или приключенческие палатки продают портативные системы очистки воды. Эти системы очистки обеспечивают подачу чистой питьевой воды из питьевой воды. Эти насосы соответствуют принципу принудительного прохождения воды через смесь углеродного и керамического фильтра, который затем обрабатывается некоторыми другими химикатами. Эти портативные устройства для очистки воды чрезвычайно полезны и, безусловно, могут пригодиться, когда вам нужна пресная вода…
- Очищающие таблеткиТаблетки для очищения, как правило, встречаются практически везде. Это небольшие, экономичные и, безусловно, наиболее эффективные методы очистки воды, принятые большинством специалистов по выживанию и искателей приключений. Смотрите наш экспертный обзор лучших таблеток для очистки воды для получения дополнительной информации..
- Испарительная ловушка: Если вы увидите приключенческую программу на канале Discovery, вы обязательно найдете эту технику очистки воды, которую используют искатели приключений. Это очень простая техника и не требует от вас покупать что-то лишнее. Кроме того, в отличие от других методов, эта вода не требует, чтобы вы также нашли какой-либо источник воды. Это как делать воду самостоятельно.
Все, что вам нужно сделать, это выкопать яму и поместить в нее контейнер. Закройте отверстие пластиком и поместите средний вес в центр лезвия. Он работает по принципу, что вода, которая испаряется из влажной почвы, будет вытекать и накапливаться в пластиковом листе выше.
Средний вес заставит капли воды капать в контейнер. Просто не так ли??
Вы можете следовать любой из методов очистки воды, упомянутых выше, и получить немного чистой воды, чтобы утолить жажду..
Плюсы и минусы основных методов
Каждый из методов обессоливания воды имеет как положительные, так и отрицательные качества. Рассмотрев их подробно, можно понять, какому из них отдать предпочтение:
- Ионный обмен помогает получить наиболее чистую воду, система надежна и не реагирует на степень минерализации исходной жидкости, требует небольших затрат на оборудование. Процесс обессоливания происходит при минимальных потерях расхода воды. К минусам метода относится стремительное загрязнение окружающей среды вредными химикатами, высокая стоимость самих реагентов, система быстро загрязняется и требует частой замены фильтров. Утилизация отходов и фильтрующих частей сопряжена со сложностями.
- Дистилляция. Установки для обессоливания воды, основанные на термическом методе, используются без применения химических веществ, демонстрируют хорошее качество полученной жидкости, выделяемое в процессе работы тепло можно использовать для других нужд. Отличительной чертой данного способа является возможность устранения растворенных в воде газов. К минусам метода относятся: большие энергозатраты, необходимость подготовки воды, затраты на обслуживание установки (чистка всех частей), дороговизна аппаратуры.
- Мембранные установки отличаются неприхотливостью к исходному состоянию воды, для процесса не требуются химические реагенты, просты в обслуживании. Отрицательными качествами являются: подготовка воды к процессу обработки, большой объем воды для обеспечения работы аппаратов, большой расход электроэнергии, что сказывается на стоимости конечного продукта.
