RU2287490C1 - System of desalination of water - Google Patents

Abstract

FIELD: systems of desalination of the natural waters and the waste waters by the reverse osmosis.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to desalination of the natural waters and the waste waters by the reverse osmosis. The system of desalination of water by the reverse osmosis contains in series connected to each other pipeline the water-air compressed ejector, the water-air mixer, the ejector pump, the screen with the pressure-control valve, the throttling valves, the tank, the pump, the reverse osmosis apparatus with the pipe line for drain of desalted water and the pipeline of the drain of the concentrate connected with the sewerage system through the throttling valve and with the screen - through the water- air ejector and an the ejector pump. The invention allows to reduce the degree of the concentrate recirculation, to improve the quality of the water purification and the power efficiency of the system operation.

EFFECT: the invention ensures reduction of the concentrate recirculation degree, improvement of the quality of the water purification and the power efficiency of the system operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к обессоливанию природных и сточных вод обратным осмосом. Известна технологическая схема обессоливания мутных соленых вод с флотационным их осветлением, содержащая соединенные трубопроводами водозаборное устройство, фильтр, насос, обратноосмотический аппарат с линиями слива обессоленной воды и концентрата, причем последняя снабжена дросселирующим клапаном, и устройство для подачи воздуха (Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом. - М.: Стройиздат, 1988. - С.129).The invention relates to the desalination of natural and wastewater by reverse osmosis. The known technological scheme for the desalination of turbid salt water with flotation clarification, containing piped water intake device, filter, pump, reverse osmosis apparatus with demineralized water and concentrate drain lines, the latter equipped with a throttling valve, and an air supply device (Karelin F.N. Desalination reverse osmosis water. - M .: Stroyizdat, 1988. - P.129).

Известная технологическая схема не использует энергию потока концентрата для дополнительного энергетического обеспечения функционирования схемы с целью оптимизации и экономии энергозатрат в целом по всей технологической схеме.The known technological scheme does not use the energy of the concentrate stream to provide additional energy for the functioning of the scheme in order to optimize and save energy as a whole throughout the technological scheme.

Известна система опреснения воды, содержащая последовательно соединенные между собой трубопроводами водозаборное устройство в виде струйного насоса, фильтр, насос, обратноосмотический аппарат с линией слива обессоленной воды и линией слива концентрата в канализацию, снабженной дросселирующим клапаном, устройство подачи воздуха в виде водовоздушного эжектора, дополнительный дросселирующий клапан и резервуар, последовательно размещенные между фильтром, оборудованным редукционным клапаном, и насосом. При этом линия слива концентрата, кроме канализации, сообщена с фильтром через последовательно соединенные между собой струйный насос и водовоздушный эжектор (RU, патент №2049532, С1 от 06.16.1992, В 01 D 63/00; С 02 F 1/44).A known water desalination system comprising a water intake device in the form of a jet pump, a filter, a pump, a reverse osmosis unit with a demineralized water drain line and a concentrate drain line equipped with a throttling valve, an air supply device in the form of a water-air ejector, an additional throttling device valve and reservoir, sequentially placed between the filter, equipped with a pressure reducing valve, and the pump. In this case, the drain line of the concentrate, in addition to the sewage system, is in communication with the filter through a jet pump and a water-air ejector connected in series (RU, patent No. 2049532, C1 dated 06.16.1992, 01 D 63/00; C 02 F 1/44).

Известная система опреснения воды неэффективно использует энергию потока концентрата для подачи воздуха, перемешивания его с водой и растворения, что ведет к повышению степени рециркуляции концентрата и, как следствие, к перегрузке фильтра, обратноосмотического аппарата и снижению эффективной производительности и ресурса системы.The well-known water desalination system inefficiently uses the energy of the concentrate stream to supply air, mix it with water and dissolve, which leads to an increase in the degree of recirculation of the concentrate and, as a result, to overloading the filter, reverse osmosis apparatus and reducing the effective performance and resource of the system.

Известная система является наиболее близкой по технической сущности и достигаемым техническим результатам к заявляемому изобретению.The known system is the closest in technical essence and the achieved technical results to the claimed invention.

Технической задачей изобретения является эффективное использование энергии потока концентрата, повышение качества очистки природных и сточных вод, повышение ресурса и эффективной производительности системы, экономия энергозатрат.An object of the invention is the efficient use of the energy of the concentrate stream, improving the quality of purification of natural and waste water, increasing the resource and effective system performance, saving energy costs.

Техническим результатом решения задачи будет снижение степени рециркуляции концентрата, повышение качества очистки воды, ресурса и эффективной производительности системы, энергетической эффективности работы системы.The technical result of solving the problem will be to reduce the degree of recirculation of the concentrate, improving the quality of water purification, the resource and effective system performance, energy efficiency of the system.

Техническая задача по системе обессоливания воды, содержащей последовательно соединенные между собой трубопроводами устройство подачи воздуха в виде водовоздушного эжектора, водозаборное устройство в виде струйного насоса, фильтр с редукционным клапаном, дросселирующий клапан, резервуар, насос, обратноосмотический аппарат с линией слива обессоленной воды и линией слива концентрата, сообщенной с канализацией через дросселирующий клапан и с фильтром через водовоздушный эжектор и струйный насос, решается согласно изобретению тем, что система включает водовоздушный смеситель, а водовоздушный эжектор установлен по направлению движения жидкости перед струйным насосом и сообщен с последним через водовоздушный смеситель.The technical task of the system of desalination of water, containing in series connected by pipelines an air supply device in the form of a water-air ejector, a water intake device in the form of a jet pump, a filter with a pressure reducing valve, a throttling valve, a reservoir, a pump, a reverse osmosis unit with a demineralized water discharge line and a drain line concentrate in communication with the sewer through a throttling valve and with a filter through a water-air ejector and a jet pump, is solved according to the invention in that the system includes a water-air mixer, and a water-air ejector is installed in the direction of fluid flow in front of the jet pump and communicated with the latter through a water-air mixer.

На чертеже представлена схема системы обессоливания воды.The drawing shows a diagram of a water desalination system.

Система обессоливания воды содержит фильтр 1 с редукционным клапаном 2, который трубопроводом 3 через дросселирующий клапан 4 сообщен с резервуаром 5 с воздушником 6 для выхода воздуха, резервуар 5 сообщен трубопроводом 7 с насосом 8, который в свою очередь трубопроводом 9 сообщен с обратноосмотическим аппаратом 10 с линией слива обессоленной воды 11 и с линией слива концентрата 12, сообщенной через отвод 13 с дросселирующим клапаном 14 с канализацией. Кроме того, линия слива концентрата 12 сообщена также с водовоздушным эжектором 15, снабженным трубопроводом 16 для забора воздуха. Водовоздушный эжектор 15 сообщен с водовоздушным смесителем 17, содержащим цилиндрическую вертикальную емкость 18, с двумя рядами горизонтальных полок 19, закрепленных у противоположных стенок емкости 18 шириной более половины ее диаметра. Противоположные полки 19 расположены поочередно друг за другом на определенном расстоянии по вертикали. Полки 19 из противоположных рядов частично перекрывают друг друга, образуя лабиринт. Водовоздушный смеситель 17 сообщен со струйным насосом 20, соединенным трубопроводами 21 с источником воды и 22 с фильтром 1.The water desalination system contains a filter 1 with a pressure reducing valve 2, which is connected via a pipe 3 through a throttle valve 4 to a tank 5 with an air vent 6 for air outlet, the tank 5 is connected by a pipe 7 to a pump 8, which in turn is connected by a pipe 9 to a reverse osmosis device 10 s a demineralized water drain line 11 and a concentrate 12 drain line communicated through a branch 13 with a throttling valve 14 with sewage. In addition, the drain line of the concentrate 12 is also in communication with a water-air ejector 15 provided with a pipe 16 for air intake. The water-air ejector 15 is in communication with a water-air mixer 17, containing a cylindrical vertical tank 18, with two rows of horizontal shelves 19, mounted at the opposite walls of the tank 18 with a width of more than half its diameter. Opposite shelves 19 are arranged alternately one after another at a certain vertical distance. Shelves 19 from opposite rows partially overlap each other, forming a maze. The water-air mixer 17 is in communication with a jet pump 20 connected by pipelines 21 to a water source and 22 to a filter 1.

Система обессоливания работает следующим образом. Резервуар 5 предварительно заполняют водой. Вода из резервуара 5 по трубопроводу 7 поступает в насос 8, откуда по трубопроводу 9 под давлением нагнетается в обратноосмотический аппарат 10, где происходит обессоливание воды. Обессоленная вода по трубопроводу 11 подается потребителю. Часть концентрата рециркулируется и по трубопроводу 12 подается на вход водовоздушного эжектора 15, а остальная по отводу 13 через дросселирующий клапан 14 сбрасывается в канализацию или потребителю на технические нужды. Давление концентрата, необходимое для работы обратноосмотического аппарата 10, поддерживается на заданном уровне дросселирующим клапаном 14. Воздух по трубопроводу 16 засасывается в водовоздушный эжектор 15, смешивается с концентратом, частично растворяется в нем. Водовоздушная смесь из водовоздушного эжектора 15 поступает снизу в водовоздушный смеситель 17, где не растворившаяся ранее часть воздуха растворяется при протекании водовоздушной смеси вверх в лабиринте между полок 19. Далее концентрат с растворенным воздухом поступает на вход струйного насоса 20, где подсасывает по трубопроводу 21 воду из источника, смешивается с нею, смесь по трубопроводу 22 поступает в фильтр 1.The desalination system operates as follows. The tank 5 is pre-filled with water. Water from the reservoir 5 through the pipeline 7 enters the pump 8, from where it is pumped through the pipeline 9 under pressure into the reverse osmosis apparatus 10, where water is desalted. Demineralized water through a pipe 11 is supplied to the consumer. Part of the concentrate is recycled and piped 12 is supplied to the inlet of the water-air ejector 15, and the rest through branch 13 through the throttling valve 14 is discharged into the sewer or to the consumer for technical needs. The concentrate pressure necessary for the operation of the reverse osmosis apparatus 10 is maintained at a predetermined level by the throttling valve 14. The air through the pipe 16 is sucked into the water-air ejector 15, mixed with the concentrate, partially dissolved in it. The air-water mixture from the water-air ejector 15 enters from below into the water-air mixer 17, where the previously undissolved part of the air dissolves when the air-air mixture flows upward in the labyrinth between the shelves 19. Then, the concentrate with dissolved air enters the inlet of the jet pump 20, where water is sucked from the pipeline 21 from the pipeline source, mixes with it, the mixture through a pipe 22 enters the filter 1.

Целью процесса насыщения воды воздухом является окисление примесей в воде для перевода их из растворимого состояния в нерастворимое и выделения их из воды в фильтре 1. Энергия потока концентрата используется в системе не только для подачи воды из источника в систему, но и для насыщения воды воздухом. Эффективное использование энергии потока концентрата позволяет при минимальном расходе концентрата через водовоздушный эжектор 15 окислить максимально возможное количество примесей, что возможно только при максимально возможном количестве принявшего участие в реакции воздуха. Этого можно достигнуть при одинаковом времени реакции растворением в воде необходимого количества воздуха или же увеличением площади контакта воздуха с водой. Снижение количества рециркулируемого концентрата позволяет снизить энергозатраты на повторную перекачку его насосом 8, снизить концентрацию солей перед обратноосмотическим аппаратом 10, снизить расход повторно обессоливаемой воды через него, т.е. повысить эффективную производительность и ресурс системы. В прототипе давление водовоздушной смеси после водовоздушного эжектора низкое по сравнению с давлением концентрата в 30-40 раз. Растворимость воздуха низкая, поэтому необходимое количество участвующего в реакции воздуха обеспечивают увеличением площади контакта, что возможно только при неэффективном способе смешения в эжекторе, увеличением количества участвующего в смешении воздуха. Для этого необходимо увеличить расход рециркулируемого концентрата, что снижает эффективность использования энергии потока концентрата. Для решения проблемы в заявляемом изобретении насыщение воздухом жидкости осуществляется перед смешиванием рециркулируемого концентрата с исходной водой, поэтому давление смеси жидкости и воздуха за водовоздушным эжектором 15 в 2-2,7 раз меньше, чем давление концентрата, которое может составлять 6-8 МПа. Растворимость воздуха в жидкости в этом случае увеличивается согласно закону Генри-Дальтона по сравнению с прототипом в ≈15 раз. Для увеличения времени и эффективности растворения применен водовоздушный смеситель 17, где смесь нерастворенного воздуха и жидкости при протекании снизу вверх интенсивно еще раз перемешивается и траектории движения вверх пузырьков воздуха и потока жидкости из-под нижней предыдущей полки 19 к верхней последующей полке 19 многократно пересекаются. Учитывая, что расход рециркулируемого концентрата к расходу исходной воды составляет не менее 1 к 10 и, учитывая эффективность процесса насыщения жидкости воздухом (применение водовоздушного смесителя 17) по сравнению с прототипом, можно сделать вывод, что количество воздуха, растворенного в воде в системе, не менее чем в 1,5 раза больше, чем в прототипе.The purpose of the process of saturating water with air is to oxidize impurities in water to convert them from a soluble to insoluble state and to separate them from water in the filter 1. The energy of the concentrate stream is used in the system not only to supply water from the source to the system, but also to saturate the water with air. The efficient use of the energy of the concentrate stream allows for the maximum possible amount of impurities to be oxidized at the minimum concentrate flow through the air-water ejector 15, which is possible only with the maximum possible amount of air participating in the reaction. This can be achieved with the same reaction time by dissolving the required amount of air in water or by increasing the area of contact of air with water. Reducing the amount of recycled concentrate can reduce energy costs for re-pumping it with a pump 8, reduce the salt concentration in front of the reverse osmosis apparatus 10, reduce the consumption of re-desalted water through it, i.e. increase effective system performance and resource. In the prototype, the pressure of the water-air mixture after the water-air ejector is low compared to the concentrate pressure by 30-40 times. The solubility of air is low, so the required amount of air involved in the reaction is provided by increasing the contact area, which is possible only with an ineffective method of mixing in the ejector, by increasing the amount of air involved in the mixing. For this, it is necessary to increase the consumption of recycled concentrate, which reduces the energy efficiency of the concentrate stream. To solve the problem in the claimed invention, the liquid is saturated with air before mixing the recirculated concentrate with the source water, therefore the pressure of the mixture of liquid and air behind the air-air ejector 15 is 2-2.7 times less than the pressure of the concentrate, which can be 6-8 MPa. The solubility of air in a liquid in this case increases according to the Henry-Dalton law in comparison with the prototype ≈15 times. To increase the time and efficiency of dissolution, a water-air mixer 17 is used, where the mixture of undissolved air and liquid, when flowing from the bottom up, is intensively mixed once more and the paths of upward movement of air bubbles and liquid flow from under the lower previous shelf 19 to the upper subsequent shelf 19 repeatedly intersect. Given that the flow rate of the recirculated concentrate to the flow rate of the source water is at least 1 to 10 and, given the efficiency of the process of saturating the liquid with air (using an air-air mixer 17) in comparison with the prototype, we can conclude that the amount of air dissolved in water in the system is not less than 1.5 times more than in the prototype.

Воздух растворяется в рециркулируемом концентрате в необходимом количестве и при попадании концентрата в струйный насос 20 начинает выделяться из-за падения давления при смешении рециркулируемого концентрата с водой в виде множества микроскопических пузырьков размером в несколько микрон, общая площадь контакта которых с водой в десятки и более раз больше, чем при смешении воздуха с водой в водовоздушном эжекторе в прототипе.The air dissolves in the recycle concentrate in the required amount and when concentrate enters the jet pump 20 it starts to be released due to pressure drop when the recycle concentrate is mixed with water in the form of many microscopic bubbles several microns in size, the total contact area of which with water is tens or more times more than when mixing air with water in a water-air ejector in the prototype.

Примеси, например, железа, марганца, содержащиеся в исходной воде, эффективно окисляются в процессе движения через трубопровод 22 и фильтр 1 и выпадают из раствора.Impurities, for example, iron, manganese contained in the source water, are effectively oxidized during movement through the pipe 22 and filter 1 and fall out of solution.

Эффективность и качество процесса окисления по сравнению с прототипом очень велика, поэтому рециркулируемого концентрата и воздуха, растворенного в нем, расходуется в значительно меньшем количестве, чем в прототипе.The efficiency and quality of the oxidation process in comparison with the prototype is very high, therefore, the recycled concentrate and the air dissolved in it are consumed in much smaller quantities than in the prototype.

В фильтре 1 вода осветляется и очищается от нерастворимых примесей. Давление на необходимом уровне в фильтре 1 поддерживается редукционным клапаном 2 и дросселирующим клапаном 4. Избыточный воздух, нерастворенный в воде, из фильтра 1 сбрасывается в атмосферу через редукционный клапан 2. Из фильтра 1 вода подается по трубопроводу 3 через дросселирующий клапан 4 в резервуар 5, где происходит окончательное выделение воздуха из воды и удаление его через воздушник 6 в атмосферу. Вода освобождается от воздуха и направляется в насос 8. Высокая эффективность и качество процесса окисления примесей позволяют значительно по сравнению с прототипом снизить степень рециркуляции концентрата, энергозатраты на повторную обработку рециркулируемой воды и, как следствие, повысить эффективную производительность системы, уменьшить концентрацию солей в воде перед противоосмотическим аппаратом, в итоге повышается его ресурс. Кроме того, уменьшается доля используемой энергии потока концентрата на нужды системы и повышается оставшаяся доля неиспользуемой энергии потока концентрата. Давление концентрата в некоторых случаях может достигать 6-10 МПа, а расход до 50% от расхода исходной воды, т.е. речь идет о довольно большом энергетическом потенциале. В целом, повышается возможная энергетическая эффективность работы системы в случае сочетания ее с рекуператором энергии.In filter 1, the water is clarified and purified from insoluble impurities. The pressure at the required level in the filter 1 is supported by a pressure reducing valve 2 and a throttling valve 4. Excess air, which is not dissolved in water, is discharged from the filter 1 into the atmosphere through a pressure reducing valve 2. From the filter 1, water is supplied through line 3 through the throttling valve 4 to the tank 5, where is the final release of air from the water and its removal through the air vent 6 into the atmosphere. Water is freed from the air and sent to pump 8. The high efficiency and quality of the process of oxidation of impurities significantly reduce the degree of recycling of the concentrate, the energy consumption for reprocessing recycled water and, as a result, increase the effective performance of the system and reduce the concentration of salts in the water before the prototype. anti-osmotic device, as a result, its resource increases. In addition, the fraction of the used energy of the concentrate stream for the needs of the system decreases and the remaining fraction of the unused energy of the concentrate stream increases. The concentrate pressure in some cases can reach 6-10 MPa, and the flow rate is up to 50% of the flow rate of the source water, i.e. it is a rather large energy potential. In general, the possible energy efficiency of the system increases if it is combined with an energy recuperator.

Claims (1)

Система обессоливания воды, содержащая последовательно соединенные между собой трубопроводами устройство подачи воздуха в виде водовоздушного эжектора, водозаборное устройство в виде струйного насоса, фильтр с редукционным клапаном, дросселирующие клапаны, резервуар, насос, обратноосмотический аппарат с линией слива обессоленной воды и линией слива концентрата, сообщенной с канализацией через дросселирующий клапан и с фильтром через водовоздушный эжектор и струйный насос, отличающаяся тем, что она включает водовоздушный смеситель, а водовоздушный эжектор установлен перед струйным насосом и сообщен с последним через водовоздушный смеситель.A water desalination system, comprising an air supply device in the form of a water-air ejector, a water intake device in the form of a jet pump, a filter with a pressure reducing valve, throttling valves, a reservoir, a pump, a reverse osmosis unit with a demineralized water discharge line and a concentrate discharge line with sewage through a throttling valve and with a filter through a water-air ejector and a jet pump, characterized in that it includes a water-air mixer, and a water-air ejector is installed in front of the jet pump and communicated with the latter through a water-air mixer.