Судовые устройства мембранного типа для очистки воды

Судовые устройства мембранного типа представляют собой эффективные системы очистки воды, используемые на судах различного типа и назначения. Они основаны на принципе использования полупроницаемых мембран, способных задерживать загрязнения и частицы различного размера, позволяя проходить только чистой воде. Эти устройства предназначены для удаления солей, микроорганизмов, тяжелых металлов и других загрязнений из морской или пресной воды, делая ее пригодной для различных технологических и бытовых нужд на судне.

Одним из основных преимуществ судовых устройств мембранного типа является высокая эффективность очистки воды при сравнительно невысоком энергопотреблении. Это особенно важно на судах, где энергия имеет ограниченный источник и должна быть рационально использована. Благодаря компактным размерам и относительной простоте в установке, такие устройства могут быть успешно интегрированы в различные системы судна, обеспечивая постоянное снабжение чистой водой в плавании.

Мембранные фильтрующие установки

Фильтрационные модули мембранного типа характеризуются низким энергопотреблением и одновременно высокой и постоянной скоростью фильтрации. Плоские мембраны – модули, разработанные специально для процесса ультрафильтрации водных сред и удаления из них различных бактерий и частиц с высоким «Fouling-потенциалом» (рис. 1).

Системы служат для очистки и получения чистой питьевой воды из открытых и закрытых водоисточников. Совершенно новым в технологии является многоцелевое использование данной техники для различных процессов водоподготовки чистой питьевой воды в судовых системах. В частности, применено новое конструкционное использование подушечных модулей (мембран) с полностью открытым направляющим каналом движения исходили воды (без использования приспособлений или держателей).

Микрофильтрация и ультрафильтрация работают по принципу пористого фильтра. Вещества, большие по размеру, чем поры фильтра, не проходят через структуру мембраны и селективно задерживаются на ее поверхности. Поры ультрафильтрационных мембран настолько малы, что позволяют задерживать на своей поверхности многие бактерии и вирусы.

Вертикальное расположение фильтрационных модулей в системах тупиковой ультрафильтрации дает возможность проводить регулярную очистку мембранных элементов с помощью воздушно-водной очистки без использования химических средств.

Использование различной пористости мембран открывает перспективы проведения процессов микрофильтрации (МФ), ультрафильтрации (УФ) или нанофильтрации (НФ), гарантируя оптимальную работу модульных систем в различных областях ее применения.

Применение полипропилена в качестве фильтра обеспечивает долгие годы надежной эксплуатации системы. Отсутствие бака исключает возможность загрязнения обработанной воды. В установке применяется минимальное количество фитингов для подключения системы, что уменьшает вероятность протечек (минимальное значение 1,9 л/мин, максимальное значение 3,78 л/мин). Например, средняя производительность установки (рис. 2) по очищенной воде – 2,84 л/мин или 4 090 л/сут, средняя селективность 95 % NaCl.

В установке может применяться осевая и продольная фильтрация в зависимости от направления потока по отношению к поверхности фильтрующего элемента.

Осевая (тупиковая) фильтрация (рис. 3) применяется при низких концентрациях взвесей и веществ в фильтруемой воде. В модулях выбирают малое расстояние между мембранами, что обеспечивает высокую плотность фильтрационного пакета. Этот технологический прием используется в основном для очистки питьевой воды от микроорганизмов, в том числе от бактерий, вирусов и ряда органических продуктов.

Через определенные интервалы времени (обычно 2 ч – фильтрование, 10 мин – очистка) образовавшиеся на мембранах отложения смываются сильным потоком исходной воды вместе с микропузырьками воздуха. Двухфазная смесь вода – воздух, обладающая большой силой, эффективно снимает поляризационные отложения на мембранах и выносит их из фильтрационных модулей в виде концентрата. Кроме очистки этим способом, при необходимости можно проводить также дополнительно обратную промывку мембран с помощью обратного тока.

Продольная (тангенциальная) фильтрация (рис. 4).

Если концентрации взвесей и веществ в исходной воде высокие, то используют увеличенное расстояние между мембранами в модуле и фильтрационный процесс проводят в режиме тангенциальной фильтрации. Такой фильтрацией можно назвать следующие процессы:

• обработку сточных вод;
• процесс биологической обработки на станциях аэрации;
• обработку сточных вод пищевых производств;
• очистку от следов нефтепродуктов;
• удаление бактерий и фосфатов из сточных вод;
• предварительную фильтрацию перед обратным осмосом;
• барьер для удаления микрофлоры при подготовке питьевой воды;
• очистку вод после биологической обработки для последующего сброса воды в чистые водоемы, предназначенные для купания;
• подготовку воды из открытых водоемов для питьевых целей;
• обработку химических сточных вод;
• обработку «серых» сточных вод и коммунальных стоков на больших судах;
• обработку различных эмульсий (водо-маслянные смеси);
• обработку воды на нефтеперегонных заводах;
• в биотехнологии – для отделения биомассы после ферментационных молочных продуктов и др.

Судовые установки обратного осмоса

Детальное представление об устройстве опреснительной установки обратного осмоса типа HL-ROS DS 3…6 версии А дано на рис. 5.

Версия А снабжена встроенным насосом забортной воды и фильтром 200 мк. Например, опреснительные установки «Aquamar®Electric» работают по принципу обратного осмоса. Являясь противоположностью естественного процесса осмоса, обратный осмос удаляет соль и органические частицы из соленой воды с помощью применения полупроницаемой синтетической мембраны. Бустерный насос подает соленую воду через песочный фильтр 100 мк. Затем предварительно обработанная вода проходит вторую фильтрацию, установленную от 50 до 5 мк.

Основным элементом системы является Форсунки судовых топливных насосов высокого давлениянасос высокого давления, который поддерживает высокое давление соленой воды до определенной величины в соответствии с выбранным типом установленных мембран (рис. 6).

Обрабатываемая соленая вода подводится под давлением к полупроницаемой мембране, которая позволяет пройти воде с очень маленьким содержанием соли. Величина смывания – около 80 % от подачи питающей воды.

Осмотические мембраны, установленные в установках обратного осмоса спирального исполнения, изготовлены с полиамидными прослойками. При увеличении давления соленой воды выше, чем осмотическое давление, молекулы чистой воды проходят через полупроницаемые мембраны. Растворенная соль, органические частицы, бактерии и взвешенные твердые частицы не могут физически пройти сквозь мембрану. Они непрерывно автоматически удаляются за борт путем смывания как соляной раствор. Очищенная пресная вода готова к употреблению без какой-либо дальнейшей обработки. Подобные установки применяются на небольших судах и яхтах (рис. 7).

Основные преимущества опреснительных установок обратного осмоса:

• простота устройства и обслуживания, не требующие специальной подготовки для персонала;
• экономия энергии на 60 … 70 % по сравнению с дистиллятными (выпарными) установками;
• не требуются другие виды энергии (кроме электрической энергии);
• требуются только четыре монтажных соединения (подвод забортной воды, отвод пресной воды, отвод рассола, подвод электропитания);
• работа установки полностью автоматизирована с включением по низкому и высокому давлению.

Вихревые и струйные аппараты

Вихревые аппараты

Тепло в высокоскоростном вихревом потоке газа самопроизвольно переносится от ядра потока к периферии. Разделение турбулентного потока сжимаемой среды на охлажденный и нагретый слои, называемое вихревым эффектом, используется в вихревой трубе (ВТ) – компактной безотказной холодильной машине, не имеющей подвижных изнашиваемых частей. В вихревой трубе, питаемой от пневматической сети, можно получить холодный воздушный поток с температурой от +20 до -120 °С и попутно горячий поток с температурой от 40 до 120 °С (рис. 8).

В России имеется уникальный опыт создания вихревых воздухоохладителей и их использования в различных областях. Половина мирового фонда изобретений в этой области принадлежит российским специалистам, впервые в мире применившим оригинальные ВТ высокой эффективности сначала в серийных портативных холодильниках для кабин тепловозов, дизель-поездов, грузовых машинах, а затем в климатических камерах для низкотемпературного тестирования изделий химического и нефтегазового машиностроения, топливной аппаратуры и радиоэлектроники. Например, известно, что промышленное использование ВТ является безотказным безинерционным источником холода и тепла, универсальным генератором холода, не имеющим подвижных частей, точечным воздухоохладителем для использования в экстремальных условиях.

С появлением программных станков, автоматических линий и других систем, предъявляющих строгие требования к микроклимату в блоках электронного управления, возможности для использования ВТ в качестве безотказного охладителя будут возрастать. ВТ – металлические и пластмассовые, навешиваемые на охлаждаемый объект и встраиваемые в него, специализированные и многоцелевые, однокамерные, многокамерные и модульные многокамерные с камертоном-турбулизатором в потоке прошли всестороннюю апробацию.

ВТ не используют парниковые озоноразрушающие газы, они могут явиться реальным дополнением к традиционной продукции холодильного машиностроения, поддерживая необходимую температуру в технологической или рабочей зоне и исключая потребность в локальном применении парокомпрессионных кондиционеров там, где их размещение и обслуживание затруднено или невозможно. При этом весь получаемый холод с пользой используется в ответственных теплонапряженных зонах охлаждаемого объекта, что недостижимо при центральном кондиционировании большого производственного помещения, а ВТ выступает в качестве эффективного средства энергосбережения.

ВТ имеют десятки модификаций холодопроизводительностью от десятков ватт до нескольких киловатт, массой от 140 г до 4,5 кг.

Известны два типа вихревых нагревателей жидкости – статический и динамический. Количество тепла, вырабатываемое вихревым нагревателем, состоит из двух составляющих:

• тепла перехода воды в структурированное состояние;
• и тепла полученного преобразованием энергии электрического привода.

Причина состоит в наличии развитой кавитации в рабочем теле (в одном мм³ жидкости содержится до 105 кавитационных каверн диаметром около 10 мкм).

Статические вихревые аппараты не содержат подвижных деталей, они содержат завихритель и камеры с выходными патрубками и тормозным устройством (отличаются высокой надёжностью, но неэкономичны).

Динамические вихревые нагреватели имеют роторные (перфорированные либо лопаточные) активаторы, жёстко соединённые с приводными валами, и образованные полостью корпуса неподвижные рабочие камеры с входным и выходным патрубками, которые отличаются большей эффективностью. Однако они имеют меньшую надёжность в связи с большим моментом инерции роторов, связанных с валом приводного электродвигателя.

Струйные аппараты

К данного вида аппаратам относятся так называемые трансзвуковые струйные аппараты (ТСА) – рис. 9, которые имеют следующие преимущества:

• экономия годового расхода топлива составляет 10-35 % за счёт высокой эффективности теплообмена;
• экономия электроэнергии, потребляемой циркуляционными насосами, за счет снижения их мощности составляет от 50 до 70 %;
• сокращение эксплуатационных затрат в два и более раза за счет безотказной работы и более высокой по сравнению с обычными нагревателями ремонтопригодностью (демонтаж/монтаж аппарата не превышает 2 чел./ч);
• малые габариты ТСА (от 183×170 мм до 332×310 мм), позволяющие сократить производственные площади в 10 и более раз, а также снизить капитальные затраты на перевооружение и модернизацию отдельных участков и систем энергетического комплекса.

Так, в аппарат поступают раздельно вода и пар. Смешиваясь, они образуют однородную двухфазную пароводяную смесь. Локальная скорость в такой смеси весьма мала (5 … 10 м/с). В итоге пароводяная смесь на входе в камере смешения аппарата имеет скорость, равную или большую локальной скорости звука. При торможении сверхзвуковой смеси на выходе из камеры смешения происходит скачок давления с конденсацией паровой фазы и ростом температуры. В результате давление смеси на выходе из аппарата значительно превышает давление воды и пара на входе.

Пароводяная смесь в камере смешения имеет туманообразную либо пенообразную структуру и, следовательно, весьма развитую поверхность взаимодействия фаз, благодаря чему размеры аппарата малы по сравнению со всеми существующими теплообменниками поверхностного типа, включая пластинчатые.

Будучи внешне похожими на известные и широко применяемые струйные аппараты (эжекторы, инжекторы и т. п.), аппараты фирмы «Фисоник» рассчитываются по запатентованным методикам и имеют принципиальное отличие в геометрии проточной части, что позволяет отнести их к классу устройств, работающих на скачке давления. Именно наличие расчётного скачка давления обеспечивает большой диапазон регулирования по сравнению с традиционными эжекторами, что даёт возможность эффективного использования аппаратов там, где применение эжекторов и инжекторов неэффективно и невозможно. Предлагаемые аппараты работают устойчиво в достаточно широком диапазоне изменения параметров (см. табл. ниже).

Читайте также: Расчет потребления энергии на судовые опреснительные установки

Включение аппарата фирмы «Фисоник» параллельно с существующими пароводяными подогревателями в СЭУ позволяет использовать его в качестве резервного, призванного скомпенсировать пик низких температур, а также обеспечить теплоснабжение при выходе из строя основного оборудования. Это оборудование призвано заменить пароводяные подогреватели в системах теплоснабжения, однако такую замену нужно проводить совместно с мероприятиями по наладке тепловых сетей и химводоподготовки.

Аппарат не требует дополнительного подъемного оборудования, прост в эксплуатации, отличается простотой монтажа и низкими капитальными затратами, высокой адаптивностью с любыми системами теплоснабжения, низкой ценой (не более 60 % стоимости аналогичного кожухотрубного теплообменника), высоким КПД (вследствие отсутствия потерь тепла с конденсатом и минимальных потерь тепла в окружающую среду).

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Азаров А. Промышленные вихревые трубы: производство, применение, развитие // Техномир, промышленный журнал. – 2007. – № 1.
2. Алмазов Г. К. [и др.]. Элементы оборудования систем / Г. К. Алмазов, B. В. Степанов, М. Г. Гуськов, 1982.
3. Антонов Н., Карасев П. А. О применении современных инженерных решений при компенсации температурных деформаций трубопроводов тепловых сетей // Теплоэнергоэффективные технологии. – 2007. – № 3-4.
4. Артёмов Г. А. [и др.]. Системы судовых энергетических установок / Г. А. Артёмов, В. П. Волошин, А. Я. Шквар, В. П. Шостак. – СПб.: Судострое­ние, 1990.
5. EapanefiKo А. В. [и др.]. Холодильные машины / А. В. Бараненко, Н. Н. Бухарин, В. И. Пекарев и др. – СПб.: Политехника, 2006.
6. Баранов В. И. [и др.]. Средства борьбы с загрязнением моря отходами с судов / В. И. Баранов, Ю. М. Брусельницкий, Б. В. Подсевалов, В. Н. Яценко // Судостроение за рубежом. – 1976. – № 2 (10).
7. Баскаков С. П. Подготовка грузовых танков на химовозах: учеб. пособие. – СПб.: ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2001.
8. Баскаков С. П. Системы газоотвода: учеб. пособие. – СПб., 2002.
9. Буренин В. В. Современные конструкции центробежных насосов для нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2005. – № 4.
10. Гор А. Ю. Качественная герметизация: основные принципы подбора и установки уплотнений // Теплоэнергоэффективные технологии. – 2007. – № 3-4.
11. Епифанов Б. С. Судовые системы: учебник. – J1 .: Судостроение, 1980.
12. Кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих химические вещества наливом. – London: IMO, 2000.
13. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные механизмы. – Л.: Транспорт.
14. Костылев И. И., Денисенко Н. И., Петухов В. А. Безопасность эксплуатации технологического комплекса танкера: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Элмор, 2001.
15. Костылев И. И., Петухов В. А., Подволоцкий Н. М. Безопасность и эксплуатация танкеров-химовозов: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Белл, 2006.
16. Костылев И. И., Киязевский К. Ю., Петухов В. А. Судовая энергетическая установка атомного ледокола «Таймыр»: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Белл, 2004.
17. Куценко В. Н., Исаев С. И., Шишлов А. Н. Судовое вспомогательное энергетическое оборудование. – СПб., 2002.
18. Международная Конвенция МАРПОЛ 73/78: консолидир. изд. – 2002.
19. Международная Конвенция СОЛАС 74 с поправками: консолидир. изд. – 2001.
20. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов. – СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2002.
21. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов. – 4-е изд. – СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ», 2004.
22. Международный кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих опасные химические грузы наливом. – СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ», 1997.
23. Мельник B. C., Сурин С. М. Технология обработки сточных вод морских судов. – М.: В/О «Мортехинформреклама», 1986.
24. Никитин А. М. Управление технической эксплуатацией судов: учебник. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006.
25. Нунунаров С. М., Бегагоен Т. Н. Грузовые и специальные системы танкеров. – М.: Транспорт, 1969.
26. Общие и специальные правила перевозки наливных грузов. – М., 1997.
27. Овсянников М. К., Петухов В. А. Дизель в пропульсивном комплексе морских судов: справочник. – СПб.: Судостроение, 1987.
28. Овсянников М. К., Петухов В. А. Судовые дизельные установки: справочник. – СПб.: Судостроение, 1986.
29. Овсянников М. К., Петухов В. А. Судовые автоматизированные энергетические установки: учебник. – М.: Транспорт, 1989.
30. Овчинников И. Н., Овчинников Е. И. Судовые системы и трубопроводы. – Л.: Судостроение, 1983.
31. Петров Ю. С. Вентиляция и кондиционирование воздуха: учебник. – Л.: Судостроение, 1984.
32. Петухов В. А. Безопасность и эксплуатация газовозов: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Элмор, 1999.
33. Правила регистрации операций с нефтью, нефтепродуктами и другими веществами, вредными для здоровья людей или для живых ресурсов моря, и их смесями, производимыми на судах и других плавучих средствах: РД 31.04.17-97.
34. Правила Российского морского регистра судоходства. – СПб., 2009.
35. Применко Н. В., Заматаев М. В. Новые технологии противоаварийной защиты трубопроводов // Нефть. Газ. Промышленность. – 2007. – № 2 (30).
36. РД 31.04.23-97. Наставление по предотвращению загрязнения с судов.
37. Свистунов В. М., Пушняков И. К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. – 2-е изд. – СПб.: Политехника, 2006.
38. Семена М. Г., Гершуни А. Н., Зарипов В. К. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. – Киев: Вища школа, 1984.
39. Системы инертного газа. СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ»,1996.
40. Тематический каталог группы предприятий «Метран» // Уровнемеры, датчики давления. – 2008. – № 5. – Вып. 1 и 2.
41. Хайдуков О. П., Трусов А. С., Кузнецов Е. В. Системы инертных газов на танкерах и их эксплуатация: учеб. пособие. – Новороссийск: НГМА , 2000.
42. Харин В. М. [и др.]. Судовые вспомогательные механизмы и системы / В. М. Харин, Б. Г. Декин, О. Н. Занько, В. Т. Писклов. – М.:, Транспорт, 1992.
43. Швецов Г. М., Ладин Н. В. Судовые холодильные установки. – М.: Транспорт, 1986.
44. Clean seas guide for oil tankers. – London: OC1MF, 2002.
45. Dr. Verwey. Tank Cleaning Guide, 1998.
46. Cargo Operating Manual. LNGC Excalibur (H 2206). – EXMAR, 2003.
47. Medical first aids guide for use in accidents involving dangerous goods. – London: IMO, 2002.
48. Tanker safety guide (Chemical carriers & liquefied gases). – London: ICS, 2002 .
49. Chemicals and Tank Cleaning Guide. – UNITOR, 1997.