Все приведенные в аналитической статье стандарты, нормативы, требования и т. д. даны без изменений и могут не иметь аналогов в России.

Электрические системы Vcd (англ. «Vapor Compression Distillation» – «парокомпрессионная перегонка») в принципе сходны с системами Med (англ. «MultiEffect Distillation» – «дистилляция многоэффектного действия»), о которых мы рассказывали ранее. Их главное отличие в том, что пар, получаемый при перегонке рассола, не конденсируется отдельной системой. При наличии схемы Vcd компрессор низкого давления (практически это вентилятор высокого давления) возвращает пар в тот же испаритель, который изначально обеспечивает цикл.

В таком испарителе пар конденсируется и в результате теплообмена отдает внутреннее тепло, что обеспечивает испарение дополнительного количества рассола, как показано на 1.

Вода, подлежащая обработке, доводится до кипения в баке, в котором давление ниже атмосферного. Полученный пар всасывается компрессором, увеличивающим ее температуру насыщения. Этот пар конденсируется в теплообменнике, погруженном в рассол, усиливая кипение последнего.

Системы данного типа весьма просты, эффективны и потребление электроэнергии в них сводится практически к одному лишь компрессору.

В этих системах применен принцип теплового насоса, в котором используется внутреннее тепло, отдаваемое в бесконечном цикле испарения/конденсации.

Температурный режим систем на основе цикла Vcd относительно низкий (ниже 70 °С), что существенно снижает образование накипи и коррозию контуров трубопровода. Системы Vcd не требуют охлаждающей воды, что дает значительную экономию энергии не только в части водяных насосных агрегатов, но и в отношении водозабора из моря, поскольку для этого применяются насосы меньших типоразмеров. Выпускаемые опреснительные установки данного типа имеют производительность порядка 3000–4000 м3/день и поэтому они рекомендуются, в частности, для мультимодульных сетей. Расход электричества одного модуля Vcd составляет от 8 до 12 кВт•ч на м3 опресненной воды (не считая подкачку водозабора из моря) при годовом коэффициенте ресурсовооруженности, который, в общемто, определяется системой компрессии, порядка 95–96 %.

Система хорошо сочетается с устройствами нанофильтрации, которые существенно повышают ее функциональные параметры, при вполне приемлемом уровне дополнительных затрат. Общий объем капиталовложений для таких систем варьируется от $1100 до 2000 на м3/день произведенной пресной воды.

Системы Vcd (парокомпрессионная перегонка) с эжекткомпрессией
Данная схема представляет собой развитие системы с механической компрессией пара, описанной в предыдущей публикации.

Разница состоит в цикле сжатия пара (компрессии), поскольку в этом случае вместо устройства механического сжатия применяется схема на основе парового цикла. Установки с эжекткомпрессией имеют производительность порядка 2500 м3/день. Они позволяют создавать практически статические системы опреснения, весьма простые, имеющие относительно низкий рабочий температурный режим (60–65 °С), что опятьтаки положительно сказывается на профилактике снижения производительности системы изза образования накипи в рабочих контурах. Главный недостаток данной технологической цепочки – низкая производительность паровых модулей, в силу чего энергозатраты составляют порядка 110–120 кВт•ч (тепла) на м3 опресненной воды. Такая система, однако, представляет очевидный интерес при наличии источников остаточной тепловой энергии. Принципиальная схема установки показана на 2.

Системы электродиализа (ED) и обратного осмоса (RO)
Эти мембранные системы используют схемы, которые кажутся весьма похожими. но это совсем не так, что видно из принципиальной схемы, приведенной на 3.

Примечание: В таблице приведены общие ориентировочные данные. Стоимостные значения могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от типа объекта, параметров воды и климатических особенностей.

Электродиализ (ED)
Эта мембранная система используется с конца 1950х годов. В основе лежит принцип фильтрации растворенных в воде солей через несколько селективных мембран.

Отделение солей осуществляется за счет действия электрического поля, как показано на 4.

Принцип электродиализа состоит в перемещении м. электродами анионов и катионов растворенных солей через мембраны, проницаемые только для анионов или катионов.

В результате этого цикла в одной камере собирается обогащенный рассольный раствор, а в другой камере вода опресняется и содержание растворенных в ней солей значительно падает.

В циклах данного типа обычно применяются два типа мембран:

– гомогенные мембраны, получаемые в результате химического (или радиохимического) цикла в рамках функциональной системы на инертном носителе (например, тефлон, полиэтилен и т. п.);

– гетерогенные мембраны, получаемые из ионообменных смол в сочетании с совместимым материалом (ПВХ, полиэтилен и т. д.), нанесенных на основу из полиэстера, полиамида и пр.

Общая опреснительная производительность описанных выше циклов составляет от 1000 до 15000 м3/день, но известны и более мощные установки.

Электродиализные установки имеют довольно узкое распространение, т. к. соленость исходной воды для них не может превышать 2,5–2,7 г/л.

Электродиализная система требует обязательного предварительного фильтрования исходной воды для удаления из нее взвешенных частиц, органических веществ и пр., и минеральных веществ, вредных для рабочих мембран (таких, например, как железо, марганец, кремний и т. д.).

Обратный осмос (RO)
Данный цикл водоподготовки имеет широкое распространение и является безусловным лидером там, где температура воды для опреснения не превышает 32–33 °С с уровнем солености порядка 35–38 г/л.

Как правило, у морской воды с такими параметрами уже один проход через ROмембрану снижает соленость до 300–450 мг/л.

Общая схема данного принципа опреснения показана на 5 и 6.

Следует сразу отметить, что для получения не просто опресненной, а пресной питьевой воды, требуются несколько видов дополнительной очистки.

Давление исходной воды для опреснения находится в зависимости от уровня ее солености ( .

Единственным возможным источником энергии для систем обратного осмоса, также как и опреснительных циклов Ed и Vcd, является электричество.

Электропитание требуется для рабочих насосов высокого давления.

k полезного действия таких многоступенчатых насосов обычно варьируется от 65 до 85 %.

Для рекуперации части израсходованной насосами энергии иногда применяются регенерационные насосы (или турбины), предназначенные для использования остаточного высокого давления, образующегося на выходе из установки.

Регенерация давления позволяет сократить энергозатраты опреснительной установки на 25–28 %.

Количество электроэнергии, требующейся для системы обратного осмоса, оснащенной регенерационным модулем, составляет обычно от 4 до 8,5 кВт•ч/м3 опресненной воды, причем электропотребление определяется, главным образом, рабочим давлением, которое зависит от качества воды, поступающей для опреснения.

Капиталовложения для этого типа оборудования варьируются в пределах от 600 до 1200 $ на м3/день опресненной воды в зависимости от качества исходной соленой воды и общей схемы опреснительной установки.

Преимуществом системы обратного осмоса, так же как и систем Vcd, является принцип. возможность создавать установки смешанного типа, позволяющие оптимизировать производительность в случае значительных колебаний суточного или сезонного соотношения м. производством воды и электричества, как отмечалось выше.

Что касается типовой производительности, одномодульная система может производить в день порядка 4000–7000 м3 и более пресной воды.

Большая часть мембран этих установок весьма чувствительна к наличию в воде различных бактерий, и хлора, с помощью которого ведется борьба с образованием накипи и отложениями животного и растительного происхождения, без чего не обходится практически ни одна система. Поэтому необходимо обязательно предусмотреть предварительную очистку исходной воды во избежание засорения рабочих мембран.

Рабочее давление, требующееся для систем обратного осмоса, варьируется в зависимости от солености исходной воды. Например, конверсионное отношение может составлять 50 % для воды из открытого и относительно холодного моря (до 26 °С) и падать до 35 % для более соленой морской воды, такой как, скажем, в Персидском заливе, при условии, что температура воды не превышает предельно допустимого для мембран уровня.

Благодаря ускорению потока производительность опреснения растет с ростом температуры воды, но эффективность рабочих мембран ограничена параметрами солености воды. В условиях весьма жаркого климата (от 38 до 44 °С) помещения, где установлены мембранные опреснительные установки, необходимо оборудовать системой кондиционирования, что неизбежно ведет к общему росту энергопотребления.

Мембраны систем обратного осмоса (RO)
на данный момент применяются два вида мембран: с перфорацией и спиральные.

Обычно срок службы мембран (номинальный) составляет от 6 до 12 лет. Фактическая продолжительность определяется естественно специфическими параметрами опресняемой воды, и используемыми способами фильтрации.

На 8 показан график стоимости замены мембран в зависимости от срока службы установок, оснащаемых мембранами с перфорацией и спиральными. На 9 приведена динамика проницаемости мембран с перфорацией в зависимости от времени (в годах) и температура исходной воды при рабочем давлении 60 кг/см2.

Состояние воды, ее температура, и предварительная очистка оказывают существенное влияние на срок службы мембран, как опыт демонстрирует, что значение, указываемое в сопроводительной документации, оказывается намного меньше, что соответственно отражается на эксплуатационных расходах.

Предварительная очистка исходной воды
Для систем обратного осмоса (RO) настоятельно рек. предварительная очистка воды.

Имеющиеся в воде взвешенные частицы, в частности органические вещества, под действием давления обязательно засорят мембрану, что неизбежно скажется на эфф. осуществляемого мембраной цикла сепарации.

Качество предварительной фильтрации, естественно, определяется целиком и полностью эффективностью и особенностями выбранной системы фильтрации.

Гибридные установки
Сочетание опреснительных систем, использующих пар, с электроустановками во множественных случаях позволяет повысить энергетическую эффективность установки в годовом исчислении.

Потребление электроэнергии имеет моментальный характер с часовыми и сезонными пиками, как вода, напротив, может производиться в соответствии с круглосуточной потребностью.

Сочетая опреснительные системы на основе тепловой энергии с системами, использующими электрические циклы, фактически возможно значительно снизить энергетические затраты.

Сложные схемы такого рода требуют довольно глубокого анализа параметров потребления электроэнергии (мгновенного, почасового, сезонного) в сравнении с ежедневным спросом на воду в различные периоды времени.

Варианты сочетаний различных систем, требующих детального расчета оптимального соотношения параметров мощности тепловой и электрической установок, по сути сводятся к следующим комбинациям:

– системы Msf в сочетании с системами обратного осмоса RO;

– системы Msf в сочетании с электрическими системами Vcd;

– системы Med в сочетании с системами обратного осмоса RO;

– системы Med в сочетании с электрическими системами Vcd;

– двухуровневые паровые системы Med (Вр и Мр) в сочетании с теплоэлектрическими системами Vcd.

Последняя комбинация пока в фазе разработке и предусматривает использование модуля Med с двойным питанием паром (Вр 0,8–1 кг/см2 и Мр 14–20 кг/см .

Давление пара ограничено пределами 0,8–1 кг/см2 в период наибольшего спроса на электричество, но повышается по мере снижения энергоразбора.

Что касается схем Vcd, то такие системы работают в условиях наибольшего энергоразбора как тепловая система, питающаяся паром низкого давления.

В периоды сезонного перепроизводства, когда объемы вырабатываемой электроэнергии превосходят фактическую потребность, Vcd двойного действия питается от электрической сети, что повышает энергетическую эффективность системы по сравнению с традиционной тепловой установкой.