RU2777112C1

RU2777112C1 - Light and heavy water separation method and water separation device

Info

Publication number: RU2777112C1
Application number: RU2021131046A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Ивандаев
Original assignee: Сергей Иванович Ивандаев
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2022-08-01

Abstract

FIELD: water treatment.

SUBSTANCE: claimed group of inventions relates to the separation of heavy and light water, especially in desalinated seawater. A light-water suspension of particles is added to the pre-cooled water as centers of crystallization of heavy water. Then the water is sprayed into a stream of cold air. After reaching the temperature of the water-air mixture of 0.1-0.2°C, the water is separated from the air. Next, the water is clarified with a coagulant and the particles with heavy water crystals deposited on them are finally filtered out in an ultrafilter at a constant temperature, obtaining light water. The solid particles are returned to the process to create a light-water suspension, and the purified light water pre-cools the water entering the separation.

EFFECT: obtaining water with a low content of heavy water impurities at high productivity and low energy consumption.

6 cl, 3 dwg

Description

Известно, что природные воды содержат как молекулы легкой воды H₂О, так и молекулы D₂O, где D изотоп водорода с молекулярной массой, равной 2. Кроме того, тяжелая вода содержит и тяжелые изотопы кислорода ¹⁸O и тритий. Считается, что легкая протиевая вода Н₂О поддерживает жизнедеятельность растений и животных, а тяжелая, дейтериевая вода подавляет биологические процессы и губительна для всего живого. При опреснении морской воды с целью удовлетворения растущих потребностей в пресной воде, в том числе питьевой, возникает опасность существенного роста употребления тяжелой воды. Это связано с тем, что вода морей и океанов содержит повышенное содержание тяжелой воды, которое сохраняется и в опресненной морской воде. Так на полуострове Мангышлак (Каспийское море, Казахстан) в 1973 году были построены атомная электростанция и мощная опреснительная установка для снабжения водой жителей и экономики нового города Шевченко (ныне Актау). В результате употребления этой воды для питья, еды и полива пищевых растений в городе возросло количество онкологических заболеваний и случаев появления мертворожденных детей, что напрямую связывают с повышенным содержанием в воде изотопов тяжелой воды.It is known that natural waters contain both H ₂ O light water molecules and D ₂ O molecules, where D is a hydrogen isotope with a molecular weight of 2. In addition, heavy water also contains heavy oxygen isotopes ¹⁸ O and tritium. It is believed that light protium water H ₂ O supports the vital activity of plants and animals, and heavy, deuterium water suppresses biological processes and is detrimental to all living things. When seawater is desalinated in order to meet the growing demand for fresh water, including drinking water, there is a danger of a significant increase in the use of heavy water. This is due to the fact that the water of the seas and oceans contains an increased content of heavy water, which is also preserved in desalinated sea water. So on the Mangyshlak peninsula (Caspian Sea, Kazakhstan) in 1973, a nuclear power plant and a powerful desalination plant were built to supply water to the inhabitants and the economy of the new city of Shevchenko (now Aktau). As a result of the use of this water for drinking, eating and watering food plants, the number of oncological diseases and cases of stillborn children increased in the city, which is directly related to the increased content of heavy water isotopes in the water.

В странах Средиземноморья и Персидского залива, в которых сосредоточено более 50% опреснительных установок, имеющихся в мире, разрешают использовать опресненную воду только для технических и хозяйственных нужд, исключающих ее попадание внутрь живых организмов. Питьевая и пищевая вода завозится из-за рубежа и продается в бутылках и/или на разлив.In the countries of the Mediterranean and the Persian Gulf, where more than 50% of the world's desalination plants are concentrated, it is allowed to use desalinated water only for technical and economic needs, excluding its ingress into living organisms. Drinking and food water is imported from abroad and sold in bottles and / or on tap.

В связи с возрастающим дефицитом пресной воды предложены различные методы очистки обессоленной морской воды от тяжелой воды, например, изотопный обмен, электролиз, вакуумная заморозка с последующим оттаиванием. Однако в силу сложности этих процессов рассматривается, как правило, получение относительно небольших количеств легкой протиевой воды, в частности для оздоровления человека, выпуска косметики, использования в селекционной работе с растениями и т.д.Due to the growing shortage of fresh water, various methods have been proposed for purifying desalinated sea water from heavy water, for example, isotope exchange, electrolysis, vacuum freezing followed by thawing. However, due to the complexity of these processes, as a rule, the production of relatively small amounts of light protium water is considered, in particular, for the improvement of a person, the production of cosmetics, use in plant breeding, etc.

Известен способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия с помощью электролиза (RU 97994). Полученная в электролизере смесь кислорода и обедненного дейтерием водорода осушается, после чего сжигается и в виде водяного пара поступает в паровую турбину, а затем в конденсатор. Паровая турбина вырабатывает до 40% первоначально использованной в электролизе электроэнергии.A known method of obtaining biologically active drinking water with a reduced content of deuterium using electrolysis (RU 97994). The mixture of oxygen and hydrogen depleted in deuterium obtained in the electrolyzer is dried, after which it is burned and enters the steam turbine in the form of water vapor, and then to the condenser. The steam turbine generates up to 40% of the electricity originally used in electrolysis.

Недостатком этого решения является большое потребление электроэнергии в процессе электролиза воды, несмотря на частичный возврат энергии.The disadvantage of this solution is the high consumption of electricity in the process of electrolysis of water, despite the partial return of energy.

Известно отделение тяжелой воды от легкой воды термальным способом, основанным на разнице температур замерзания тяжелой и легкой фракций воды (Касьянов Г.И., Ольховатов Е.А., Косенко О.В. Перспективы получения и применения легкой воды. Научный журнал КубГАУ, №127(03), 2017 года http://ej.kubagro.ru/2017/03/pdf/54.pdf). Согласно этому способу после предварительной подготовки питьевой воды в электромагнитном поле низкой частоты от 18 до 48 Гц производят резкое ее охлаждение и перемешивание с гранулами твердого СО₂, в соотношении 1:10, разделение жидкой и твердой фаз и дальнейшее использование жидкой фазы с низким содержанием дейтерия при последующем нагревании и утилизации твердой фазы. Структурирование питьевой воды осуществляют путем фильтрования через шунгитовый фильтр.It is known to separate heavy water from light water by a thermal method based on the difference in freezing temperatures of heavy and light fractions of water (Kasyanov G.I., Olkhovatov E.A., Kosenko O.V. Prospects for the production and use of light water. Scientific journal KubGAU, No. 127(03), 2017 http://ej.kubagro.ru/2017/03/pdf/54.pdf). According to this method, after preliminary preparation of drinking water in a low-frequency electromagnetic field from 18 to 48 Hz, it is abruptly cooled and mixed with solid CO ₂ granules, in a ratio of 1:10, separation of the liquid and solid phases and further use of the liquid phase with a low deuterium content during subsequent heating and disposal of the solid phase. Structuring drinking water is carried out by filtering through a shungite filter.

Недостатком указанного способа является необходимость использования твердого СО₂ и получение гранулированного твердого диоксида углерода с диаметром гранул от 4,0 до 1,5 мм. В способе предполагается удаление ледяной шуги с тяжелой водой, однако само образование ледяной шуги при введении в воду твердых гранул СО₂ размером 1.5-4.0 мм при малом содержании тяжелой воды выглядит проблематичным. Все это предполагает сложность реализации предложенного процесса в производственных условиях с большими расходами воды.The disadvantage of this method is the need to use solid CO ₂ and obtain granular solid carbon dioxide with a granule diameter of 4.0 to 1.5 mm. The method assumes the removal of ice sludge with heavy water, however, the very formation of ice sludge when solid CO ₂ granules 1.5–4.0 mm in size are introduced into water at a low content of heavy water looks problematic. All this suggests the difficulty of implementing the proposed process in a production environment with high water consumption.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа разделения легкой и тяжелой воды для изменения изотопного состава с низким расходом энергии при переработке больших объемов воды.The problem to which the present invention is directed is to develop a method for separating light and heavy water to change the isotopic composition with low energy consumption when processing large volumes of water.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является высокопроизводительный производственный процесс получения легкой воды с низким содержанием примеси тяжелой воды. Особенно это относится к опресненной морской воде.The technical result achieved in the claimed invention is a high-performance production process for producing light water with a low content of heavy water impurities. This is especially true for desalinated sea water.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что в предварительно охлажденную разделяемую воду добавляют легководную суспензию частиц в качестве центров кристаллизации тяжелой воды, затем воду распыляют в поток холодного воздуха, после достижения температуры водо-воздушной смеси 0.1-0.2°С воду отделяют от воздуха, осветляют с помощью коагулянта и окончательно отфильтровывают частицы с осажденными на них кристаллами тяжелой воды в ультрафильтре при постоянной указанной температуре, получая легкую воду.Obtaining the technical result of the invention is carried out due to the fact that a light-water suspension of particles is added to the pre-cooled water to be separated as centers of crystallization of heavy water, then the water is sprayed into a cold air stream, after reaching a temperature of the water-air mixture of 0.1-0.2 ° C, the water is separated from the air , clarified with a coagulant, and the particles with heavy water crystals deposited on them are finally filtered out in an ultrafilter at a constant specified temperature, obtaining light water.

При обработке коагулята и очистке ультрафильтра отделенную твердую фазу нагревают до плавления кристаллов тяжелой воды и отделяют тяжелую воду с помощью центробежной сепарации и ультрафильтрации, а твердую фазу высушивают и возвращают в процесс получения легководной суспензии частиц.In coagulate processing and ultrafilter purification, the separated solid phase is heated until the heavy water crystals melt, and the heavy water is separated by centrifugal separation and ultrafiltration, and the solid phase is dried and returned to the process of obtaining a light water suspension of particles.

Для получения легководной суспензии частиц используют ферромагнитные вещества, например магнетит, при этом воду после вымораживания кристаллов тяжелой воды на частицах суспензии перед коагуляцией и ультрафильтрацией предварительно очищают от частиц в магнитном сепараторе.To obtain a light-water suspension of particles, ferromagnetic substances, such as magnetite, are used, while water after freezing out of heavy water crystals on suspension particles is pre-purified from particles in a magnetic separator before coagulation and ultrafiltration.

Преимуществом предлагаемого изобретения является малые затраты энергии по сравнению с электролизным или испарительным способами, простота и возможность осуществления обработки воды с высокой производительностью в промышленных масштабах.The advantage of the proposed invention is the low energy consumption compared to electrolysis or evaporation methods, the simplicity and the possibility of implementing water treatment with high productivity on an industrial scale.

Предлагаемый способ поясняется чертежом фиг. 1. Здесь основными элементами являются теплообменник 1, устройство 2 подготовки легководной суспензии, теплообменник 3 смесительного типа, воздушный сепаратор 4, емкость 5 осветления воды коагуляцией, насос 6, ультрафильтр 7 суспензии и отделитель тяжелой воды 8. Способ осуществляют следующим образом. Исходную воду по линии 9 подают в теплообменник 1, где ее предварительно охлаждают потоком уже обработанной воды. В линию 10 выхода воды из теплообменника 1 подают легководную суспензию по линии 11 из устройства 2 подготовки суспензии. Далее воду, смешанную с легководной суспензией, распыляют холодным воздухом в теплообменнике 3 смесительного типа. Холодный воздух в теплообменник 3 подают по линии 12. В теплообменнике 3 за счет непосредственного контакта воды и холодного воздуха воду охлаждают до температуры 0.1-0.2°С. Дейтерий и тритий в обычной воде находятся в форме HDO и НТО. При этом температура замерзания для D₂O составляет +3,8°С, а для Т₂О +9°С, HDO и НТО замерзают соответственно при +1,9°С и при +4,5°С. Установлено (Мосин О.В. Очистка воды от тяжелых изотопов дейтерия, трития и кислорода. Сантехника, Отопление, Кондиционирование. №9, 2012), что при температуре в пределах от 0 до +1,9°С молекулы воды с дейтерием и тритием, в отличие от «легкой» (протиевой) воды, находятся в метастабильно-твердом неактивном состоянии. Известно, что в загрязненных средах центры кристаллизации возникают на посторонних кристаллических частицах при небольших отклонениях температуры от равновесия. Поэтому при охлаждении до примерно 0.1-0.2°С тяжелая вода замерзает на частицах суспензии, на которых формируются центры кристаллизации тяжелой воды. Из теплообменника 3 по линии 13 водо-воздушную смесь подают в воздушный сепаратор 4, где воздух отделяют от воды. Воздух из сепаратора 4 отводят по линии 14, а по линии 15 отводят воду. Трубопроводом 15 воду из воздушного сепаратора 4 подают в емкость 5 осветления воды коагуляцией. Из емкости 5 осветленную воду насосом 6 по трубопроводу 16 подают в ультрафильтр 7 суспензии. Причем перед емкостью 5 осветлителя может быть установлен магнитный сепаратор, при использовании суспензии из ферромагнитных частиц. Очищенную от частиц суспензии в ультрафильтре 7 воду по линии 17 отводят в теплообменник 1, где этим потоком предварительно охлаждают свежую воду. Часть очищенной воды по линии 18 подают в устройство 2 подготовки легководной суспензии. Твердую фазу, содержащую частицы суспензии с осажденными на них кристаллами тяжелой воды, выводят из емкости 5 осветлителя и ультрафильтра 7 суспензии по линиям 19 в отделитель тяжелой воды 8. В отделителе 8 смесь нагревают так, что лед тяжелой воды плавится, и частицы суспензии отделяют от тяжелой воды с помощью центробежной сепарации и ультрафильтрации. После этого частицы суспензии высушивают и возвращают в устройство 2 подготовки легководной суспензии по линии 20. Полученную тяжелую воду отводят из отделителя 8 по линии 21.The proposed method is illustrated in Fig. 1. Here, the main elements are a heat exchanger 1, a light water suspension preparation device 2, a mixing type heat exchanger 3, an air separator 4, a coagulation water clarification tank 5, a pump 6, a suspension ultrafilter 7 and a heavy water separator 8. The method is carried out as follows. The source water through line 9 is fed into the heat exchanger 1, where it is pre-cooled by the flow of already treated water. In line 10 of the water outlet from the heat exchanger 1 serves light water suspension through line 11 from the device 2 preparation of the suspension. Next, the water mixed with the light water slurry is atomized with cold air in the mixing type heat exchanger 3 . Cold air is supplied to heat exchanger 3 through line 12. In heat exchanger 3, due to direct contact of water and cold air, water is cooled to a temperature of 0.1-0.2°C. Deuterium and tritium in ordinary water are in the form of HDO and HTO. In this case, the freezing point for D ₂ O is +3.8°C, and for T ₂ O +9°C, HDO and HTO freeze, respectively, at +1.9°C and at +4.5°C. It has been established (Mosin O.V. Purification of water from heavy isotopes of deuterium, tritium and oxygen. Plumbing, Heating, Air Conditioning. No. 9, 2012) that at temperatures ranging from 0 to +1.9 ° C, water molecules with deuterium and tritium , unlike "light" (protium) water, are in a metastable-solid inactive state. It is known that in polluted media, crystallization centers appear on foreign crystalline particles at small temperature deviations from equilibrium. Therefore, when cooled to about 0.1-0.2°C, heavy water freezes on suspension particles, on which centers of heavy water crystallization are formed. From the heat exchanger 3 through line 13, the water-air mixture is fed into the air separator 4, where the air is separated from the water. Air is removed from the separator 4 through line 14, and water is removed through line 15. Pipeline 15 water from the air separator 4 is fed into the tank 5 for clarification of water by coagulation. From the tank 5, the clarified water is supplied by the pump 6 through the pipeline 16 to the ultrafilter 7 of the suspension. Moreover, a magnetic separator can be installed in front of the clarifier tank 5, when using a suspension of ferromagnetic particles. Purified from the particles of the suspension in the ultrafilter 7, the water is discharged through line 17 to the heat exchanger 1, where fresh water is preliminarily cooled by this stream. Part of the purified water through line 18 is fed into the device 2 preparation of light water suspension. The solid phase containing suspension particles with heavy water crystals deposited on them is removed from the tank 5 of the clarifier and ultrafilter 7 of the suspension along lines 19 to the heavy water separator 8. In the separator 8, the mixture is heated so that the ice of heavy water melts, and the suspension particles are separated from heavy water by centrifugal separation and ultrafiltration. After that, the suspension particles are dried and returned to the device 2 for the preparation of light water suspension through line 20. The resulting heavy water is removed from the separator 8 through line 21.

Известно устройство (RU 98995) разделения легкой и тяжелой воды для получения пищевой протиевой талой воды с пониженным содержанием дейтерия, трития, солей и вредных примесей и повышенной биологической активностью. Устройство состоит из двух сообщающихся емкостей, расположенных друг над другом и соединенных между собой, в каждой емкости установлено по одному датчику объема воды, для контроля объема ее замерзания, которые подключены к входам управляющего устройства (УУ). Верхняя емкость заполняется водой и все устройство помещается в морозильную камеру холодильника или на улицу. При понижении температуры сначала замерзает «тяжелая» вода, что фиксируется датчиком и УУ подает сигнал либо открывает сливной клапан. В результате вода сливается в нижнюю емкость. При дальнейшем понижении температуры часть оставшейся воды начинает замерзать. Когда объем замерзшей воды достигнет примерно 2/3 содержимого нижней емкости, срабатывает датчик и УУ подает сигнал готовности. По этому сигналу извлекают емкость из морозильной камеры и сливают остатки незамерзшей воды. При этом, лед, оставшийся в емкости, служит для получения талой биологически активной воды.A device (RU 98995) is known for separating light and heavy water to produce food protium melt water with a reduced content of deuterium, tritium, salts and harmful impurities and increased biological activity. The device consists of two communicating containers located one above the other and connected to each other, each container has one water volume sensor to control its freezing volume, which are connected to the inputs of the control device (CU). The upper container is filled with water and the entire device is placed in the freezer of the refrigerator or outside. When the temperature drops, “heavy” water first freezes, which is detected by the sensor and the control unit gives a signal or opens the drain valve. As a result, the water drains into the lower tank. As the temperature drops further, some of the remaining water begins to freeze. When the volume of frozen water reaches approximately 2/3 of the contents of the lower tank, the sensor is triggered and the control unit gives a ready signal. At this signal, the container is removed from the freezer and the remaining unfrozen water is drained. At the same time, the ice remaining in the container serves to obtain melted biologically active water.

Недостатком такого устройства является то, что для замораживания воды в емкости при теплообмене через стенку необходим градиент температур. При этом на внутренней стенке сосуда, заполненного водой, будет температура существенно ниже нулевой, т.е. ниже температуры замерзания протиевой воды. Поэтому в верхнем сосуде фактически будет происходить одновременное замерзание как тяжелой, так и легкой воды. Это фактически сводит на нет эффект разделения тяжелой и легкой воды при замораживании. При создании же очень малого перепада температур, который бы обеспечил начальное замерзание только тяжелой воды, процесс потребует значительного времени, что не применимо для высокопроизводительного производственного процесса.The disadvantage of such a device is that a temperature gradient is required to freeze the water in the container during heat exchange through the wall. In this case, on the inner wall of the vessel filled with water, the temperature will be significantly below zero, i.e. below the freezing point of protium water. Therefore, in the upper vessel, in fact, simultaneous freezing of both heavy and light water will occur. This effectively negates the effect of separation of heavy and light water during freezing. When creating a very small temperature difference, which would ensure the initial freezing of only heavy water, the process will require a significant time, which is not applicable for a high-performance production process.

Известно устройство ВИН-4 «Надiя» (Мосин О.В. Очистка воды от тяжелых изотопов дейтерия, трития и кислорода. Сантехника, Отопление, Кондиционирование. №9, 2012) по производству «легкой» воды с пониженным на 30-35% содержанием дейтерия и трития, использующая свойство молекулы воды с дейтерием и тритием находиться в метастабильно-твердом неактивном состоянии при низкой температуре. «Легкая» вода интенсивно испаряется в вакуумной емкости, а затем улавливается при помощи морозильного устройства, превращаясь в лед. «Тяжелая» же вода, находясь в неактивном твердом состоянии и обладая значительно меньшим парциальным давлением, остается в испарительной емкости исходной воды вместе с растворенными в воде солями и примесями. Когда толщина льда на поверхности трубчатых элементов морозильника достигает заранее заданной величины, процесс испарения прекращают. Вакуумный насос выключают, включают источники ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а в вакуумную емкость вводят очищенный воздух или смесь газов, затем доводят давление до уровня атмосферного или выше него. По мере облучения и таяния льда талая вода поступает в сборную емкость и проходит минерализацию, приобретая целебные биологически активные свойства.Known device VIN-4 "Nadia" (Mosin O.V. Purification of water from heavy isotopes of deuterium, tritium and oxygen. Plumbing, Heating, Air Conditioning. No. 9, 2012) for the production of "light" water with a content reduced by 30-35% deuterium and tritium, using the property of a water molecule with deuterium and tritium to be in a metastable-solid inactive state at low temperature. "Light" water evaporates intensively in a vacuum tank, and then is captured by a freezer, turning into ice. "Heavy" water, being in an inactive solid state and having a much lower partial pressure, remains in the evaporation tank of the source water along with salts and impurities dissolved in water. When the thickness of ice on the surface of the tubular elements of the freezer reaches a predetermined value, the evaporation process is stopped. The vacuum pump is turned off, sources of ultraviolet and infrared radiation are turned on, and purified air or a mixture of gases is introduced into the vacuum container, then the pressure is brought to atmospheric level or above it. As the ice is irradiated and melted, melt water enters the collection tank and undergoes mineralization, acquiring healing biologically active properties.

Недостатком такого устройства является то, что в одном аппарате проводят несколько операций. Так, сначала, снижая давление в емкости, проводят удаление растворенных в воде газов, т.е. деаэрацию воды. После удаления газов начинают испарение воды и накопление льда. Для получения льда используют охлаждаемые трубчатые поверхности морозильника. Обрастая льдом, эти поверхности постепенно теряют в эффективности теплоотдачи. Для восстановления эффективного теплообмена трубчатые поверхности морозильника нужно размораживать. Все это требует периодического цикла работы устройства, что не позволяет организовать промышленное производство с большими объемами получаемой воды.The disadvantage of such a device is that several operations are carried out in one apparatus. So, first, by reducing the pressure in the tank, the gases dissolved in water are removed, i.e. water deaeration. After the gases are removed, the evaporation of water and the accumulation of ice begin. To obtain ice, the cooled tubular surfaces of the freezer are used. Overgrown with ice, these surfaces gradually lose their heat transfer efficiency. To restore efficient heat transfer, the tubular surfaces of the freezer must be defrosted. All this requires a periodic cycle of operation of the device, which does not allow organizing industrial production with large volumes of water produced.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства для высокопроизводительного непрерывного отделения тяжелой воды от легкой с низким расходом энергии.The problem to be solved by the present invention is the creation of a device for high-performance continuous separation of heavy water from light water with low energy consumption.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является высокопроизводительное устройство для получения легкой воды с низким содержанием примеси тяжелой воды. Особенно это относится к опресненной морской воде. Дополнительным результатом является низкий расход энергии при работе этого устройства.The technical result achieved in the claimed invention is a high-performance device for producing light water with a low content of heavy water impurities. This is especially true for desalinated sea water. An additional result is the low power consumption of this device.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что устройство разделения воды, состоящее из теплообменника предварительного охлаждения воды, смесительного теплообменника охлаждения, сепаратора разделения потоков воды и воздуха, дополнительно имеет устройство подготовки суспензии, соединенное трубопроводом готовой суспензии с выходным трубопроводом теплообменника предварительного охлаждения, который соединен со входом по воде с теплообменником охлаждения смесительного типа. Вход теплообменника смесительного типа по воздуху подключен трубопроводом к источнику холодного воздуха, выходной трубопровод теплообменника охлаждения соединен трубопроводом с воздушным сепаратором, выход которого по воде трубопроводом подключен к емкости осветления воды коагуляцией. Выход емкости коагуляции по воде трубопроводом, на котором установлен насос, подключен к ультрафильтру суспензии. Выход ультрафильтра по воде подключен трубопроводом к входу по охлаждающей среде теплообменника предварительного охлаждения воды. Выход по твердой фазе емкости осветления воды коагуляцией и ультрафильтра трубопроводом подключен к отделителю тяжелой воды, выход которого по твердой фазе подключен трубопроводом к устройству подготовки суспензии, а выход по воде подключен трубопроводом к накопительной емкости тяжелой воды.Obtaining the technical result of the invention is carried out due to the fact that the water separation device, consisting of a water pre-cooling heat exchanger, a mixing cooling heat exchanger, a separator for separating water and air flows, additionally has a suspension preparation device connected by a finished suspension pipeline to the outlet pipeline of the pre-cooling heat exchanger, which connected to the water inlet with a mixing type cooling heat exchanger. The air inlet of the mixing type heat exchanger is connected by a pipeline to a source of cold air, the outlet pipeline of the cooling heat exchanger is connected by a pipeline to an air separator, the water outlet of which is connected by a pipeline to a water clarification tank by coagulation. The water outlet of the coagulation tank is connected to the suspension ultrafilter by a pipeline on which the pump is installed. The water outlet of the ultrafilter is connected by a pipeline to the coolant inlet of the water pre-cooling heat exchanger. The solid phase outlet of the water clarification tank by coagulation and the ultrafilter is connected by a pipeline to the heavy water separator, the solid phase outlet of which is connected by a pipeline to the suspension preparation device, and the water outlet is connected by a pipeline to the heavy water storage tank.

Вход смесительного теплообменника охлаждения по воздуху подключен трубопроводом к нагнетателю атмосферного холодного воздуха.The inlet of the mixing air-cooling heat exchanger is connected by a pipeline to the atmospheric cold air blower.

Вход смесительного теплообменника охлаждения по воздуху подключен трубопроводом к выходному патрубку турбодетандерного блока, вход которого по воздуху соединен трубопроводом с воздушным выходом сепаратора.The inlet of the mixing air-cooling heat exchanger is connected by a pipeline to the outlet pipe of the turbo-expander unit, the air inlet of which is connected by a pipeline to the air outlet of the separator.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 представлена схема устройства, использующего в качестве охлажденного воздуха атмосферный холодный воздух в зимнее время, а на фиг. 3 - использующего воздух замкнутого контура охлаждения воздуха с помощью турбодетандера.The proposed device is illustrated by drawings in Fig. 2 and 3. In FIG. 2 shows a diagram of a device that uses atmospheric cold air as cooled air in winter, and FIG. 3 - using the air of a closed air cooling circuit using a turboexpander.

На фиг. 2 трубопровод 9 обрабатываемой воды подключен к теплообменнику 1 предварительного охлаждения. К выходному трубопроводу 10 воды подключен трубопровод 11, соединяющий его с устройством 2 подготовки легководной суспензии (кристаллизационной затравки). Трубопровод 10 подключен ко входу теплообменника 3 смесительного типа. Выход теплообменника 3 трубопроводом 13 соединен со входом в воздушный сепаратор 4, воздушный выход которого трубопроводом 14 соединен с атмосферой, а водяной выход трубопроводом 15 подключен к емкости 5 осветления воды коагуляцией. Выход емкости 5 по осветленной воде трубопроводом 16, на котором установлен насос 6, соединен со входом в ультрафильтр 7. Выход ультрафильтра 7 по воде подключен трубопроводом 17 к входу по охлаждающей среде теплообменника 1 предварительного охлаждения исходной воды. К трубопроводу 17 также подключен трубопровод 18, который соединен с устройством 2 подготовки легководной суспензии. Выходы по твердой фазе емкости 5 осветления воды коагуляцией и ультрафильтра 7 трубопроводами 19 подключены к отделителю тяжелой воды 8. Выход отделителя 8 по твердой фазе трубопроводом 20 подключен к устройству 2 подготовки легководной суспензии, а выход по тяжелой воде трубопроводом 21 подключен к накопительной емкости тяжелой воды (не показано). Вход смесительного теплообменника 3 по воздуху подключен трубопроводом 12 к нагнетателю атмосферного холодного воздуха 22.In FIG. 2 pipeline 9 treated water is connected to the heat exchanger 1 pre-cooling. A pipeline 11 is connected to the outlet pipeline 10 of the water, connecting it to the device 2 for preparing a light-water suspension (crystallization seed). The pipeline 10 is connected to the inlet of the mixing type heat exchanger 3. The outlet of the heat exchanger 3 is connected by a pipeline 13 to the inlet to the air separator 4, the air outlet of which is connected to the atmosphere by a pipeline 14, and the water outlet is connected by a pipeline 15 to a tank 5 for water clarification by coagulation. The outlet of the container 5 for clarified water is connected by a pipeline 16, on which the pump 6 is installed, to the inlet to the ultrafilter 7. The outlet of the ultrafilter 7 for water is connected by a pipeline 17 to the inlet for the cooling medium of the heat exchanger 1 for pre-cooling the source water. Also connected to conduit 17 is conduit 18, which is connected to device 2 for preparing a light water suspension. The solid phase outlets of the vessel 5 for water clarification by coagulation and the ultrafilter 7 are connected by pipelines 19 to the heavy water separator 8. The solid phase outlet of the separator 8 is connected by pipeline 20 to the device 2 for preparing a light water suspension, and the heavy water outlet is connected by pipeline 21 to the heavy water storage tank (not shown). The air inlet of the mixing heat exchanger 3 is connected by a pipeline 12 to an atmospheric cold air blower 22.

На фиг. 3 показано устройство, которое содержит турбодетандерный блок. Здесь вход смесительного теплообменника 3 по воздуху подключен трубопроводом 12 к турбодетандеру 23. Турбодетандер 23 смонтирован на одном валу с воздушным компрессором 24 и приводным двигателем 25. Вход в компрессор 24 соединен с трубопроводом 14 воздушного сепаратора 4. Выход компрессора 24 по воздуху соединен со входом в турбодетандер 23 трубопроводом 26, который проходит через холодильник 27 и влагоотделитель 28. В холодильник 27 охлаждающая среда подается по трубопроводу 29.In FIG. 3 shows a device which contains a turbo-expander unit. Here, the inlet of the mixing heat exchanger 3 is connected by air through the pipeline 12 to the turboexpander 23. The turboexpander 23 is mounted on the same shaft with the air compressor 24 and the drive motor 25. The inlet to the compressor 24 is connected to the pipeline 14 of the air separator 4. The compressor outlet 24 is connected by air to the inlet to the turbo expander 23 through pipeline 26, which passes through refrigerator 27 and dehumidifier 28. Coolant is supplied to refrigerator 27 through pipeline 29.

Устройство работает следующим образом. Предварительно очищенная вода по трубопроводу 9 подается в теплообменник 1 предварительного охлаждения, где охлаждается. В выходной трубопровод 10 предварительно охлажденной воды по трубопроводу 11 из устройства 2 подают подготовленную легководную суспензию. Хорошо перемешанная вода с твердыми микро- и нано- частицами распыляется холодным воздухом в теплообменник 3 смесительного типа. Холодный воздух в теплообменник 3 по трубопроводу 12 нагнетается нагнетателем 22 из атмосферы (фиг. 2). В теплообменнике 3 распыленная вода охлаждается до температуры примерно 0.1-0.2°С. При этом тяжелая вода замерзает на частицах суспензии, на которых формируются центры кристаллизации тяжелой воды. После этого воздушно-водяная смесь по трубопроводу 13 подается в воздушный сепаратор 4. В сепараторе 4 смесь разделяется на воздух, который отводится по воздушному трубопроводу 14, и воду, которая отводится по трубопроводу 15. Воздух выбрасывается в атмосферу, а вода подается по трубопроводу 15 в емкость 5 осветления воды коагуляцией. Осветленную воду насосом 6 по трубопроводу 16 закачивают в ультрафильтр 7, где вода окончательно очищается от твердых частиц с кристаллами тяжелой воды. Чистая вода, из которой удалена твердая фаза с кристаллами тяжелой воды, по трубопроводу 17 поступает в теплообменник 1, где охлаждает поступающую на очистку свежую воду. Часть чистой воды по трубопроводу 18 подают в устройство 2 для приготовления легководной суспензии. Твердую фазу из емкости 5 осветления воды коагуляцией и ультрафильтра 7 трубопроводами 19 подают в отделитель 8 тяжелой воды. Здесь смесь твердых частиц и кристаллов тяжелой воды нагревают, тяжелая вода переходит в жидкую фазу. Жидкую фазу от твердой отделяют центробежной сепарацией и ультрафильтрацией (не показано). Твердую фазу по трубопроводу 20 высушивают и возвращают (показано условно) в устройство 2 подготовки легководной суспензии.The device works as follows. The pre-treated water is fed through the pipeline 9 to the pre-cooling heat exchanger 1, where it is cooled. In the outlet pipeline 10 of the pre-chilled water, the prepared light water suspension is fed through the pipeline 11 from the device 2. Well-mixed water with solid micro- and nano-particles is sprayed with cold air into the mixing type heat exchanger 3. Cold air is blown into the heat exchanger 3 through pipeline 12 by blower 22 from the atmosphere (Fig. 2). In the heat exchanger 3, the atomized water is cooled to a temperature of about 0.1-0.2°C. In this case, heavy water freezes on suspension particles, on which centers of heavy water crystallization are formed. After that, the air-water mixture is fed through the pipeline 13 to the air separator 4. In the separator 4, the mixture is separated into air, which is discharged through the air pipeline 14, and water, which is discharged through the pipeline 15. Air is released into the atmosphere, and water is supplied through the pipeline 15 in the tank 5 clarification of water by coagulation. The clarified water is pumped by the pump 6 through the pipeline 16 into the ultrafilter 7, where the water is finally purified from solid particles with heavy water crystals. Pure water, from which the solid phase with heavy water crystals has been removed, enters the heat exchanger 1 through pipeline 17, where it cools the fresh water supplied for purification. Part of the pure water through the pipeline 18 is fed into the device 2 for the preparation of a light water suspension. The solid phase from the tank 5 clarification of water by coagulation and the ultrafilter 7 pipelines 19 is fed into the heavy water separator 8. Here, a mixture of solid particles and heavy water crystals is heated, the heavy water passes into the liquid phase. The liquid phase is separated from the solid by centrifugal separation and ultrafiltration (not shown). The solid phase is dried through conduit 20 and returned (illustrated) to the device 2 for preparing a light water suspension.

При отсутствии холодного атмосферного воздуха установка работает с турбодетандерным блоком (фиг. 3). В этом случае холодный воздух в теплообменник 3 по трубопроводу 12 поступает из турбодетандера 23. Воздух из воздушного сепаратора 4 по трубопроводу 14 поступает в компрессор 24. После сжатия воздух по трубопроводу 26 проходит через холодильник 27. Выпадающая из воздуха в результате охлаждения в холодильнике 27 капельная влага отделяется во влагоотделителе 28, а осушенный воздух расширяется в турбодетандере 23, охлаждаясь до необходимой температуры. При охлаждении воздуха в холодильнике 27 его тепло передается к потоку охладителя, который поступает по трубопроводу 29. При точном выдерживании расходов обрабатываемой воды и холодного воздуха и их температур легко поддерживается на выходе из теплообменника 3 необходимая температура смеси 0.1-0.2°С.In the absence of cold atmospheric air, the plant operates with a turbo expander unit (Fig. 3). In this case, cold air enters heat exchanger 3 through pipeline 12 from turbo expander 23. Air from air separator 4 through pipeline 14 enters compressor 24. After compression, air passes through pipeline 26 through refrigerator 27. moisture is separated in the moisture separator 28, and the dried air expands in the turbo expander 23, cooling to the required temperature. When air is cooled in refrigerator 27, its heat is transferred to the coolant flow, which enters through pipeline 29. With accurate maintenance of the flow rates of treated water and cold air and their temperatures, the required mixture temperature of 0.1-0.2 ° C is easily maintained at the outlet of heat exchanger 3.

Claims

1. A method for separating light and heavy water based on the difference between the freezing temperatures of heavy and light fractions of water, characterized in that a light-water suspension of particles is added to the pre-cooled water to be separated as centers of crystallization of heavy water, then the water is sprayed into a cold air stream, after reaching the temperature of the water-air mixture is 0.1-0.2°C, the water is separated from the air, clarified with a coagulant, and the particles with heavy water crystals deposited on them are finally filtered out in an ultrafilter at a constant specified temperature, obtaining light water.

2. The method of separating light and heavy water according to claim 1, characterized in that during the processing of the coagulate and cleaning the ultrafilter, the separated solid phase is heated until heavy water crystals melt and heavy water is separated using centrifugal separation and ultrafiltration, and the solid phase is dried and returned to the process of obtaining a light-water suspension of particles.

3. A method for separating light and heavy water according to claim 1, characterized in that ferromagnetic substances, such as magnetite, are used to obtain a light-water suspension of particles, while the water after freezing the heavy water crystals on the particles of the suspension before coagulation and ultrafiltration is pre-purified from particles in a magnetic separator.

4. A device for separating light and heavy water, consisting of a water pre-cooling heat exchanger, a mixing cooling heat exchanger, a separator for separating water and air flows, characterized in that it additionally has a suspension preparation device connected by a finished suspension pipeline to the outlet pipeline of the pre-cooling heat exchanger, which connected to the water inlet with a mixing-type cooling heat exchanger, the air inlet of which is connected by a pipeline to a cold air source, the outlet pipeline of the cooling heat exchanger is connected by a pipeline to an air separator, the water outlet of which is connected by a pipeline to a water clarification tank by coagulation, which, through purified water, is connected by a pipeline, on which the pump is installed, connected to the suspension ultrafilter, the ultrafilter water outlet is connected by a pipeline to the coolant inlet of the water pre-cooling heat exchanger, while the solid phase outlet The tank for water clarification by coagulation and the ultrafilter is connected by pipeline to the heavy water separator, the solid phase outlet of which is connected by pipeline to the suspension preparation device, and the water outlet is connected by pipeline to the heavy water storage tank.

5. A device for separating light and heavy water according to claim 4, characterized in that the inlet of the mixing air-cooling heat exchanger is connected by a pipeline to an atmospheric cold air blower.

6. The device for separating light and heavy water according to claim 4, characterized in that the inlet of the mixing air-cooling heat exchanger is connected by a pipeline to the outlet pipe of the turbo-expander unit, the air inlet of which is connected by a pipeline to the air outlet of the separator.