ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ
«ШКОЛА № 000»
Вакуумно-испарительная дистилляционная опреснительная установка
Автор проекта:
ученик ГБОУ «Школа № 000»
Научный руководитель:
Заведующий лабораторией кафедры Техника низких температур им. Московского политехнического университета
Москва, 2018
Содержание:
Актуальность 2
Цель. 2
Задачи 2
Обзор литературы 2
Пресная (питьевая) вода 2
Опреснение 4
Способы опреснения 4
Выбранный способ 5
Реализация проекта 6
Принципиальная схема установки 6
Принцип действия 6
Создание установки 9
Оборудование и материалы 9
Процесс сборки 9
Результаты работы 10
Энергоэффективность 11
Итог 12
Источники 13
Актуальность.
В мире всего 3% пресной воды от общего запаса водных ресурсов. Растущее потребление пресной воды промышленностью, увеличение населения Земли приводит к тому, что потребность в пресной воде постоянно растет. Также многие удаленные поселения не имеют доступа к пресной воде.
Цель. Создание энергоэффективной мобильной опреснительной установки, в первую очередь направленной на использование в небольших частных хозяйствах.
Задачи.
1. Провести обзор источников;
2. Разработать принципиальные технические решения;
3. Спроектировать и изготовить экспериментальную установку;
4. Провести серию испытаний и проанализировать полученные данные
Обзор литературы.
Пресная (питьевая) вода.
Для питьевого водоснабжения пригодна вода с содержанием растворимых солей не более 1 г/л. Поэтому практической задачей при опреснении воды (главным образом, морской) является уменьшение её избыточной солёности. По разным подсчётам доля пресной воды в общем количестве воды на Земле составляет 2,5—3 %. [1,2]
Таблица 1. Запасы пресной воды [1]
Вид | Объём, кмі | % |
Ледники, айсберги, постоянный снег | 24 000 000 | 68,7 |
Подземная пресная вода | 10 500 000 | 30,1 |
Вечная мерзлота | 300 000 | 0,86 |
Пресные озёра | 91 000 | 0,26 |
Пары атмосферы | 12 900 | 0,04 |
Реки | 2120 | 0,006 |
Всего | 35 000 000 | 100 |
По данным ООН на начало 2000-х годов более 1,2 млрд людей живут в условиях постоянного дефицита пресной воды, около 2 млрд страдают от него регулярно. [1]
Таблица 2. Дефицит воды по регионам [3]
Ранжирование | Страна | Уровень дефицита воды | Сезонная изменчивость |
1 | Казахстан | крайне высокий | высокая |
2 | Индия | высокий | крайне высокая |
3 | высокий | высокая | |
4 | Австралия | высокий | средне-низкая |
5 | Индонезия | высокий | средне-низкая |
6 | Япония | высокий | средне-низкая |
7 | Южная Африка | высокий | средне-высокая |
8 | Китай | средне-высокий | средне-высокая |
9 | США | средне-высокий | средне-низкая |
10 | Германия | средне-низкий | низкая |
11 | Польша | средне-низкий | низкая |
12 | Россия | средне-низкий | средне-низкая |
Существенное влияние на доступность пресной воды оказывают факторы негативного антропогенного воздействия на водные источники, в том числе стоки промышленных предприятий, загрязнение сельскохозяйственными удобрениями, проникновение солёной воды в водоносные слои в прибрежных зонах из-за активного использования грунтовых вод. [1,4]
Рис.1 Потребление воды по сферам использования [3]
Опреснение.
Опреснение воды — удаление из воды растворённых в ней солей с целью сделать её пригодной для питья или для выполнения определённых технических задач. Практической задачей при опреснении воды является уменьшение её избыточной солёности. [5]
Таблица 3. Химические вещества, содержащиеся в морской воде [6]
Химическое вещество | Содержание, г/кг морской воды | Концентрация, моль/л морской воды |
Хлориды Сl- | 19,35 | 0,55 |
Натрий Na+ | 10,76 | 0,47 |
Сульфаты SО42- | 2,71 | 0,028 |
Магний Mg2+ | 1,29 | 0,054 |
Кальций Са2+ | 0,412 | 0,01 |
Калий К+ | 0,4 | 0,01 |
Диоксид углерода СО2 | 0,106 | 2,3 .10-3 |
Бромиды Вr- | 0,067 | 8,3 .10-4 |
Борная кислота Н3ВО3 | 0,027 | 4,3 .10 -4 |
Стронций Sr2+ | 0,0079 | 9,1 .10-5 |
Фториды F- | 0,001 | 7 .10-5 |
Способы опреснения.
1.Дистилляция.
Перегонка, разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Процесс основан на различии температур кипения компонентов смеси.
Проводится частичным испарением кипящей жидкой смеси, непрерывным отводом и последующей конденсацией образовавшихся паров.
Более половины опресненной воды получают именно таким способом. [5,7,8]
2.Электродиализ.
Метод разделения растворов электролитов путем их избирательного переноса через ионоселективные мембраны под действием электрического поля. Электродиализ относится к электромембранным процессам и сочетает в себе черты как электрохимического, так и мембранного процессов.
Вода проходит через камеру с электродами, это приводит к тому, что катионы и анионы распределяются на соответствующих электродах.
Электродиализные установки не обладают достаточной автономностью, нуждаются в дорогих компонентах. [5,7]
3.Осмос (прямой, обратный).
Прилагая к морской воде давление, и продавливая ее через мельчайшие фильтры можно получить пресную воду с низким содержанием солей. Производительность мембраны и степень опреснения зависят от многих факторов: от количества содержания соли в исходном сырье, солевого состава, температуры и давления.
Осмотические опреснители нуждаются в предварительной очистке воды и не отличаются простотой обслуживания. [5,7,9]
4.Газогидратный метод.
Основан на способности углеродных газов при определенном давлении и температуре, создавать, с участием воды, соединения клатратного типа. Замороженную соленую воду обрабатывают гидрат-образующим газом, после чего формируются кристаллы. После отделения их от рассола, кристаллы промывают и плавят, получая чистую пресную воду.
Имеет необходимость в наличии соответствующих газов, не отличается простотой использования. [5,7]
Выбранный способ.
Для создания энергоэффективных опреснительных установок малой производительности был выбран дистилляционный метод с механической компрессией пара. В качестве основного средства сжатия и нагнетания водяных паров на опытном стенде предлагается использовать безмасляный пластинчато-роторный вакуумный насос.
Такая установка достаточно автономна, так как имеет потребность только в подключении к электрической сети. Так же к достоинствам такого вида техники следует отнести: отсутствие потребности в предварительной подготовке воды (за исключением применения фильтров грубой очистки); простоту обслуживания и эксплуатации; отсутствие внешних теплообменных аппаратов; модульность конструкции.
Реализация проекта.
Принципиальная схема установки.
Рис.2 Принципиальная схема установки
Принцип действия.
Насос откачивает воздух из бака, создавая в нём пониженное давление, из-за чего вода начинает кипеть, при этом от жидкости отводится тепло в количестве, пропорциональном теплоте испарения воды и скорости откачки. Безмасляный насос откачивает водяные пары, нагнетая их в теплообменник, где они конденсируются, отдавая теплоту солёной воде, чем поддерживают её кипение. Конденсат стекает в ёмкость для дистиллята. Второй насос выполняет вспомогательную функцию, работает короткими промежутками, препятствуя образованию в баке для дистиллята избыточного давления.
уравнение Клапейрона-Клаузиуса [10]:
График диаграммы состояний отображает состояние вещества для определённых температуры и давления.
Рис.3 Диаграмма состояний [11]
При помощи программы REFPROP была сделана таблица и график, отображающие зависимость температуры кипения воды от давления
Таблица 4. Зависимость температуры кипения от давления
Temperature | Pressure |
(°C) | (kPa) |
1 | 0,65709 |
5 | 0,87258 |
10 | 1,2282 |
20 | 2,3393 |
30 | 4,247 |
40 | 7,3849 |
50 | 12,352 |
60 | 19,946 |
70 | 31,201 |
80 | 47,414 |
90 | 70,182 |
100 | 101,42 |
Рис.4 График зависимости температуры кипения от давления 
Также на графике отмечены полученные экспериментальным путём на собранной установке точки.
Создание установки.
Оборудование и материалы:
- Вакуумный насос; Безмасляный вакуумный насос; Кран шаровой; Вакуумный армированный шланг; Штуцер; Вакуумметр; Переход; Овен ТРМ136; Датчик давления; Датчик температуры; Дин рейка; Щиток электрический; Бак; Хомут 200 мм; Кран со штуцером; Тройник под манометр; Выключатели; Кнопки питания; Блок питания ТРМ136; Провода соединительные; Оргстекло.
Процесс сборки:
Рис.5 процесс сборки
Рис.6 Настройка ТРМ
Результаты работы:
Разработана опытный стенд низкотемпературной дистилляционной опреснительной установки с механической компрессией пара.
Рис.7 Опытный стенд
Было принято участие в экспериментах на пилотной установке. На котором в качестве основного средства сжатия и нагнетания водяных паров использован двухроторный насос, имеющий в сравнении с пластинчато-роторным большее энергопотребление, но при этом способный выступать как детандер.
Рис.8 Пилотный образец установки.
Энергоэффективность.
Удельное потребление электроэнергии пилотного образца установки составляет 85,5 кВт ∙ ч/м3 при выработке дистиллята 11 л/ч и общей потребляемой электрической мощности установки 0,94 кВт ∙ ч, что соответствует современным стандартам.
Таблица 5. Сравнение стоимости воды
Страна | Тариф за кВт⋅ч (USD) | расчётная стоимость литра воды для собранной установки(USD) | Розничная стоимость литра воды (USD) |
Россия | 0.079-0.109 | 0.007-0.009 | 0.5-1.0 |
0.063-0.080 | 0.005-0.007 | 1.4-2.5 | |
0.013-0.020 | 0.001-0.002 | 0.6-0.7 |
Преимущества.
Наша установка предназначена для удаленных районов и малой производительности, поэтому в ней на первый план выходит надежность, неприхотливость в обслуживании. Способна работать на воде любой степени загрязнения.
Итог.
Проведён обзор источников, рассмотрены проблема и методы её решения. Разработана автономная опреснительная дистилляционная установка, работающая при пониженных температурах кипения, что позволяет существенно уменьшить образование накипи на теплообменном аппарате. Разработан и создан опытный стенд. Проведены испытания, показана возможность реализации инженерной идеи. Получена оценка энергопотребления и рентабельности опреснения воды на пилотном образце установки.Источники:
Википедия Свободная Энциклопедия https://ru. wikipedia. org/wiki/Пресная_вода Википедия Свободная Энциклопедия https://en. wikipedia. org/wiki/Fresh_water CornerStonehttp:///identifying-the-global-coal-industrys-water-risks/
Всё о водеhttp://sitewater. ru/problema-presnoj-vody. html
Википедия Свободная Энциклопедия https://ru. wikipedia. org/wiki/Опреснение_воды o8ode. ruhttp://www. o8ode. ru/article/answer/pnanetwater/Review_of_methods_of_desalination_of_sea_water
13minhttp://www.13min. ru/drugoe/sposoby-opresneniya-morskoj-vody/
Википедия Свободная Энциклопедия https://ru. wikipedia. org/wiki/Дистилляция Википедия Свободная Энциклопедия https://ru. wikipedia. org/wiki/Обратный_осмос Википедия Свободная Энциклопедия https://ru. wikipedia. org/wiki/Температура_кипения Википедия Свободная Энциклопедия https://ru. wikipedia. org/wiki/Тройная_точка_воды