Установки электродиализа для повышения эффективности систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.276

Установки электродиализа для повышения

эффективности систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий

А.А. ЛОКШИН, канд. техн .наук., генеральный директор. E-mail: eastec@bk.ru

ООО «Истэкойл» (Россия, 450038, Башкортостан, г. Уфа, ул. Интернациональная, 131/1)

Д.Н. ВОЛОДИН, канд. техн. наук, директор. E-mail: vdn@mpline.ru

ООО «МЕГА ПрофиЛайн», филиал в г. Уфа (450038, Россия, г. Уфа, ул. Интернациональная 131/1)

А.А. ЛОКШИНА, канд .техн. наук, руководитель подразделения. E-mail: a.lokshina@mpline.ru

ООО «МЕГА ПрофиЛайн», филиал в г. Уфа (450038, Россия, г. Уфа, ул. Интернациональная 131/1)

Для систем оборотного водоснабжения должен составляться баланс воды, учитывающий потери, необходимые сбросы и добавления воды в систему для компенсации убыли из нее.

Из-за того, что охлаждение циркуляционной воды происходит за счёт испарения, в ней имеет место концентрирование растворенных солей. Повышение концентрации солей приводит к солеотложениям на поверхности теплообмен-ной аппаратуры, ухудшается теплосъем с технологических продуктов, падает эффективность водооборотной системы. Поэтому необходимо делать «продувку» для поддержания солевого баланса в системе.

Компания «МЕГА ПрофиЛайн» предлагает оптимальный и наиболее эффективный способ сокращения солесодержа-ния в оборотной воде для предотвращения отложений на стенках оборудования и трубопроводов, а также сокращения расхода подпиточной воды. Таким способом является обессоливание продувочных вод с помощью установки электродиализа и возвращение их в водооборотный цикл.

Поток продувочной воды заводится на установку реверсивного электродиализа (EDR), где происходит обессоливание этого потока, за счет переноса ионов растворенных солей через мембраны, селективные к этим ионам в поле постоянного электрического тока. В результате с установки выходит обессоленная вода (95%) и концентрат (5%). Таким образом, сброс в канализацию продувочных вод сокращается почти в 20 раз.

По расчётам окупаемость электродиализных установок, производимых компанией MEGA, с учетом экономии подпиточной воды и уменьшения сброса стоков на очистку составляет от 0,5 до 1,5 лет в зависимости от коэффициента упаривания и расхода водооборотной системы.

Ключевые слова: оборотное водоснабжение, солеотложения, установка реверсивного электродиализа.

Промышленность Российской Федерации характеризуется высоким уровнем использования оборотных систем водоснабжения, за счет которых экономия свежей воды составляет 78%. Особенно это проявляется в газовой (в частности, при транспортировке газа) (97%) и нефтеперерабатывающей (94%) промышленности, на предприятиях черной (93%) и цветной (91%) металлургии, а также в нефтехимии (91%).

Оборотное водоснабжение — наиболее прогрессивный способ обеспечения водой промышленных предприятий всех отраслей, позволяет максимально сохранить водные ресурсы и окружающую среду. Оборотное водоснабжение позволяет решить экологические и экономические задачи: существенно (на 85-95%) снизить водопотребление промышленного предприятия, сократить потери ценных компонентов с промышленными сточными водами предприятий, избежать платы за водоотведение и штрафов за превышение предельно допустимых концентраций (ПДК).

Система оборотного водоснабжения состоит из охладителя воды (градирни) 1, циркуляционного на-

соса 2 и теплообменных аппаратов 3. Охлажденная вода, забираемая из резервуара градирни, циркуляционным насосом подается в качестве хладоносите-ля в теплообменные аппараты, где она нагревается, отнимая тепло от охлаждаемых технологических продуктов, и поступает далее в градирню, в которой происходит испарительное охлаждение воды при контакте её с воздухом. Затем вода снова подается в теплообменные аппараты, и цикл повторяется. Принципиальная схема водооборотной системы приведена на рис. 1.

При реализации систем охлаждения оборотного водоснабжения возникает ряд проблем, основными из которых являются:

• повышение эффективности охлаждения оборотной воды в охладителях;

• коррозионная агрессивность и нестабильность оборотной воды;

• ухудшение теплосъема с технологических продуктов;

• нарушение нормального технологического процесса установок в результате концентрирования

Рис. 1. Принципиальная схема оборотного водоснабжения с балансом потоков:

1 — градирня; 2 — циркуляционный насос; 3 — тепло-обменные аппараты

Из (3) получим (4):

Яподп Яи

+ Я + Я я,

I ^ кап унос ^ прод*

(4)

где Ягор — расход нагретой циркуляционной воды после теплообменного оборудования, Яохл — расход охлажденной циркуляционной воды на теплообменное оборудование, Яисп — расход воды, за счёт испарения которого происходит охлаждение воды на градирне, Якап унос — количество воды, унесенное потоком воздуха из градирни. Зависит от конструктивных особенностей охладителя и на практике колеблется в пределах 0,2-0,5% от расхода циркуляционной воды, Япрод — количество воды, которое необходимо сбросить для поддержания солевого баланса в циркуляционном потоке, ЯпоЭп — расход «свежей» воды для пополнения потерь водооборотного цикла.

Я,

(5)

Куп =

+ Я + Ял

! ^ капунос ^ прод

Я + Я л

кап прод

Рис. 2. График изменения расхода подпитки в зависимости от коэффициента упаривания

растворенных солей и солеотложения на поверхности теплообменной аппаратуры.

Для систем оборотного водоснабжения должен составляться баланс воды, учитывающий потери, необходимые сбросы и добавления воды в систему для компенсации убыли из нее.

Из-за того, что охлаждение циркуляционной воды происходит за счет испарения, в ней имеет место концентрирование растворенных солей. Повышение концентрации солей приводит к соле-отложениям на поверхности теплообменной аппаратуры, ухудшается теплосъем с технологических продуктов, падает эффективность водооборотной системы. Поэтому необходимо делать «продувку» для поддержания солевого баланса в системе.

Баланс водооборотной системы со всеми потоками:

Ягор Яохл + Яподп , (1)

Я = Я- Я - Я - Я я. (2)

^ охл ^ гор ^ исп ^ кап унос ^ прод '

Подставим (2) в (1) и получим:

Я = Я - Я - Я

гор гор исп кап унос

Япрод + Яподп. (3)

где Куп — коэффициент упаривания, определяется отношением общих потерь воды в циркуляционной системе (испарение, капельный унос, продувка) к потерям в виде жидкости (капельный унос, продувка).

Зависимость величины подпитки от коэффициента упаривания приведена на рис. 2.

Компания «МЕГА ПрофиЛайн» предлагает оптимальный и наиболее эффективный способ сокращения солесодержания в оборотной воде для предотвращения отложений на стенках оборудования и трубопроводов, а также сокращения расхода подпиточной воды. Таким способом является обессоливание продувочных вод с помощью установки электродиализа и возвращение их в водооборотный цикл.

Поток продувочной воды заводится на установку реверсивного электродиализа 4 (EDR), где происходит обессоливание этого потока, за счет переноса ионов растворенных солей через мембраны, селективные к этим ионам в поле постоянного электрического тока. Технологическая схема водооборотного цикла с обессоливанием продувочных вод представлена на рис. 3.

В результате с установки выходит обессоленная вода (95%) и концентрат (5%). Таким образом, сброс в канализацию продувочных вод сокращается почти в 20 раз.

При реверсивном электродиализе (рис. 4) в модулях установки периодически, через определённо заданный промежуток времени, происходит изменение полярности постоянного тока, при этом для обеспечения процесса деминерализации происходит смена гидравлических потоков. Изменение полярности предотвращает отложение осадка на поверхности мембраны и тем самым позволяет продлить срок эксплуатации оборудования, исключая необходимость применения специальной химической очистки мембран.

Эффективность использования установки реверсивного электродиализа для продувочных вод про-

Рис. 3. Технологическая схема водооборотного цикла с обессоливанием продувочных вод: 1 — градирня; 2 — циркуляционный насос; 3 — теплообменные аппараты; 4 — установка реверсивного электродиализа (EDR)

Рис.4. Процесс реверсивного электродиализа

демонстрируем на примере расчёта эффективности при различных значениях коэффициента упаривания.

Пример расчёта эффективности

Для расчёта принимаем расход циркуляционной воды ЯохлГ 2500 м3/ч, КуП=1,5.

Потери на испарение Яисп составляют 2% от Яохл (по усредненным данным), т.е. Яисп = 0,02 Яохл = 50 м3/ч.

Капельный унос ЯкапуНоС составляет 0,2% от ^ (по данным производителей вентиляторных гради-рен^ т.е. Якап унос = 0,002 $охл = 5 ^

Q

прод

Q + Q - K . Q

^ исп ^ кап унос уп ^ кап унос

K -1

уп

50 + 5 _1,5 . 5 47,5

1,5 1

0,5

= 95 м3/ч.

Я я = Я + Я +Я я= 50+5+95 =

^ подп ^ исп ^ кап унос ^ прод

= 150 м3/ч

Стоимость 1 м3 технической воды, забираемой из поверхностных источников, принимаем равной 6,56 руб/м3. (Данная величина принята обобщенно на основании данных, имеющихся в открытом доступе, для каждого конкретного предприятия в расчет будут внесены коррективы).

Стоимость очистки 1 м3 производственных стоков принимаем равной 32,47 руб/м3. (Данная величина обеспечивает степень очистки до требований рыбхоза, принята обобщенно на основании данных, имеющихся в открытом доступе, для каждого конкретного предприятия в расчёт будут внесены коррективы).

Капитальные вложения на внедрение схемы обес-соливания производственных вод с использованием электродиализной установки на указанную производительность составляют: КВ = 24,25 млн руб. (Стоимость определена на основании действующих аналогов).

Потребление электроэнергии обессоливающей установкой составляет 31,35 кВт (на основании действующих аналогов и пилотных установок).

Стоимость электроэнергии составляет 2 руб./кВт-ч (по усредненным данным).

Затраты на электроэнергию составят:

Сэл = 31,35 кВт-2 руб./кВт-ч-8760 ч -- 0,55 млн руб.

Таким образом затраты до внедрения технологической схемы с установкой реверсивного электродиализа составляют:

С1= Япрод'32,47-8760 = 95-32,47-8760 = 27,02 млн руб. — затраты на очистку продувочных вод.

С2 = Яподп -6,56-8760 = 150-6,56-8760 = 8,62 млн руб. — затраты на забор и подачу «свежей» воды.

Затраты после внедрения технологической схемы с установкой реверсивного электродиализа:

С1' = 0,05Япрод'32,47-8760 = 0,05-95-32,47-8760 -1,35 млн руб. - затраты на очистку воды, сбрасываемой в канализацию.

С<2= (Япод - 0,95Япрод>6,56^8760 = (150 0,95-95)-6,56-8760 - 3,43 млн руб. - затраты на забор и подачу «свежей» воды.

Ожидаемая экономия от внедрения схемы обессо-ливания продувочных вод:

Эк = (С1- С1') + (С2- С2') = (27,02-1,35) + (8,623,43) = 30,86 млн руб.

Окупаемость схемы при внедрении обессолива-ния продувки составляет:

КВ 24,25

Окупаемость =

Эк - Сэл 30,86 -0,55

= 0,8 года.

Таким образом, при Куп=1,5 окупаемость составит 0,8 года, при Куп=2,0 — 1,01 года, при Куп=2,5

уп уп

— 1,29 года.

По расчётам окупаемость электродиализных установок, производимых компанией MEGA, с учетом экономии подпиточной воды и уменьшения сброса стоков на очистку составляет от 0,5 до 1,5 лет, в зависимости от коэффициента упаривания и расхода водооборотной системы.

Водооборотные системы для каждой отрасли промышленности имеют специфическое техническое

исполнение и широкий диапазон производительно-стей. Электродиализные установки компании ООО «МЕГА ПрофиЛайн» охватывают весь возможный спектр расходов продувочных вод от 5 до 1500 м3/ч и подходят для любого водооборотного цикла.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Эмирджанов Р.Т. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. — М.: Химия, 1965.

Фарамазов СА. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. — М.: Химия, 1978.

Лащинский АА., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. — М.: Машгиз, 1963.

Балашов Е.В., Абалихина ТА., Гаврилов Н.Б. и др. Некоторые вопросы совершенствования водооборот-ных охлаждающих систем. Обзорная информация // Актуальные вопросы химической науки и технологии и охраны окружающей среды. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. — М.: НИИТЭХИМ, 1990. — Вып. 9 (100). — 48 с.

INSTALLATION ELECTRODIALYSIS TO IMPROVE RECYCLING SYSTEMS INDUSTRIAL ENTERPRISES

Lokshin A.A., Candidate of Tech. Science. Eastecoil (131/1, ul. Internatsionalnaya, Ufa, Bashkortostan, 450038, Russian Federation). E-mail: eastec@bk.ru

Volodin D.N., Candidate of Tech. Science. Ufa branch Mega ProfiLine (131/1, ul. Internatsionalnaya, Ufa, Bashkortostan, 450038, Russian Federation). E-mail: vdn@mpline.ru

Lokshina A.A., Candidate of Tech. Science. Ufa branch Mega ProfiLine (131/1, ul. Internatsionalnaya, Ufa, Bashkortostan, 450038, Russian Federation). E-mail: a.lokshina@mpline.ru

ABSTRACT

For systems of reverse water supply the balance of water has to be formed, considering all losses, necessary discharges and water additions into the system for compensation of all decreases from it.

Due to the fact that cooling of circulating water occurs as a result of evaporation, there is a concentration of the dissolved salts. Increase of salts concentration leads to salt sedimentation at the surface of the heat exchange equipment, decrease of heat takeoff from technological products and efficiency of water reverse system falls. Therefore it is necessary to do «purge» in order to keep salt balance in the system.

MEGA Profiline offers an optimal and the most effective solution for reduction of salinity in the reverse water for prevention of sedimentation on the walls of the equipment and pipelines, and also reduction of make-up water consumption. Such a solution is desalination of purge water by means of EDR units and its further return to the water reverse cycle.

The stream of purge water is fed to reversive electrodialysis unit (EDR) where desalination of this stream takes place, due to transfer of the dissolved salts ions through the membranes, selective to these ions in the field of direct electric current. As a result at the outlet from EDR unit there is a desalinated water (95%) and a concentrate (5%). Thus, purge water discharge in the sewerage is reduced almost by 20 times.

According to calculations payback of the EDR units, manufactured by MEGA, taking into account economy of make-up water and reduction of water discharge for treatment is 0,5-1,5 years depending on the coefficient of evaporation and the flow rate of water reverse system.

Keywords: recycling, water, scale, setting the revere-intensive electrodialysis. REFERENCES

Emirdzhanov R.T. Osnovy tekhnologicheskikh raschetov v neftepererabotke [Bases of technological calculations in oil processing]. 1965. Moscow: Khimiya Publ. (in Russian)

Faramazov S.A. Oborudovaniye neftepererabatyvayushchikh zavodov i yego ekspluatatsiya [Equipment of oil refineries and its exploitation]. 1978. Moscow: Khimiya Publ. (in Russian)

Lashchinskiy A.A., Tolchinskiy A.R. Osnovy konstruirovaniya i rascheta khimicheskoy apparatury [Bases of design and calculation of chemical equipment]. 1963. Moscow: Mashgiz Publ. (in Russian)

Balashov Ye.V., Abalikhina T.A., Gavrilov N.B. and etc. Aktual'nyye voprosy khimicheskoy nauki i tekhnologii i okhrany okruzhayushchey sredy. Okhrana okruzhayushchey sredy i ratsional'noye ispol'zovaniye prirodnykh resursov [Topical issues of chemical science and technology and protection of environment. Environmental protection and rational usage of natural resources]. Moscow: NIITEKHIM Publ., 1990. Issue 9 (100). 48 p.

1