UA105300C2 - Process for the preparation of desalinated water by freezing out - Google Patents

Process for the preparation of desalinated water by freezing out Download PDF

Info

Publication number
UA105300C2
UA105300C2 UAA201300398A UAA201300398A UA105300C2 UA 105300 C2 UA105300 C2 UA 105300C2 UA A201300398 A UAA201300398 A UA A201300398A UA A201300398 A UAA201300398 A UA A201300398A UA 105300 C2 UA105300 C2 UA 105300C2
Authority
UA
Ukraine
Prior art keywords
freezing
temperature
solution
ice
desalination
Prior art date
Application number
UAA201300398A
Other languages
Russian (ru)
Ukrainian (uk)
Inventor
Олег Богданович Василев
Елена Александровна Коваленко
Александр Сергеевич Титлов
Сергей Владимирович Ищенко
Сергей Владимирович Фуркало
Original Assignee
Одесская Национальная Академия Пищевых Технологий
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Одесская Национальная Академия Пищевых Технологий filed Critical Одесская Национальная Академия Пищевых Технологий
Priority to UAA201300398A priority Critical patent/UA105300C2/en
Publication of UA105300C2 publication Critical patent/UA105300C2/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124Water desalination

Landscapes

  • Physical Water Treatments (AREA)

Abstract

The invention relates to the process for desalination of highly mineralized natural and waste water and concentration of solutions by freezing out. A process for desalination of water provides the interaction of solution with rod working elements, outlet of warmth from the surface of rod working elements, freezing-out on them of ice slabs, removal of ice slabs from working elements and their further melting, and the solution is cooled before beginning of formation of crystal growth zone, and after that the temperature is increased to the value, providing the difference of temperatures between solid phase and freezing temperature of solution, equal to 0.6…1 °C, and at this difference freezing out process is carried out. The proposed process provides the increasing of desalination degree, decreasing of product losses and reduction of duration.

Description

Винахід належить до способу опріснення високомінералізованих природних і стічних вод та концентрування розчинів шляхом виморожування.The invention relates to a method of desalination of highly mineralized natural and waste water and concentration of solutions by freezing.

Відомий спосіб отримання опрісненої води (див. опис до патенту ЕК Мо 28586071), який передбачає охолодження вихідної води, кристалізацію її в два етапи, наступне промивання від розсолу кристалів льоду прісною водою. Недоліком цього способу є велика енергоємність процесу через наявність циркуляційних контурів і додаткового обладнання для сепарування льоду. У пористій структурі шару льоду міститься значна кількість розчинених речовин. Спосіб не передбачає ефективного розділення твердої фази і розсолу, наслідком чого є великі втрати опрісненої води з розсолом.There is a known method of obtaining desalinated water (see the description of EC patent No. 28586071), which involves cooling the source water, crystallizing it in two stages, and then washing the ice crystals from the brine with fresh water. The disadvantage of this method is the high energy consumption of the process due to the presence of circulation circuits and additional equipment for separating ice. The porous structure of the ice layer contains a significant amount of dissolved substances. The method does not provide for effective separation of the solid phase and brine, resulting in large losses of desalinated water with brine.

Відомий також спосіб опріснення води шляхом виморожування, який передбачає занурення у ємність з рідиною стрижневих робочих органів, відведення тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, вилучення робочих органів з ємності, витримування їх на повітрі при температурі вище 0 "С, видалення розсолу у ємність, знімання з робочих органів блоків льоду та їх топлення. Під час виморожування рідину піддають механічному перемішуванню в діапазоні значень відцентрованого числа Рейнольдса 20-ВНеце130 (див. опис до патенту України Мо 26171 на корисну модель). Але, в даному способі внаслідок механічного перемішування посилюються дифузійні процеси і формується блок льоду з більш щільним упакуванням кристалів. Це призводить до збільшення тривалості сепарування блоків льоду.There is also a known method of water desalination by freezing, which involves immersing the rod working bodies in a container with liquid, removing heat from the surface of the rod working bodies, freezing blocks of ice on them, removing the working bodies from the container, keeping them in the air at a temperature above 0 "C, removal of brine into the container, removal of blocks of ice from the working bodies and their melting. During freezing, the liquid is subjected to mechanical stirring in the range of values of the centered Reynolds number 20-VNetse130 (see the description of the patent of Ukraine Mo 26171 for a useful model). But, in this method as a result of mechanical mixing, diffusion processes are enhanced and an ice block is formed with a denser packing of crystals.This leads to an increase in the duration of ice block separation.

Найближчим до способу, що заявляється, є спосіб отримання концентрованих рідких продуктів харчових виробництв (див. А.С. СРСР Мо 1716976). Спосіб передбачає занурення в ємність з попередньо охолодженим продуктом стрижневих робочих органів, відвід тепла від їх поверхні і наморожування на ній блоків льоду з подальшим вилученням робочих органів з ємності і знімання з них блоків льоду. Особливістю способу є те, що з метою зменшення втрат продукту і спрощення процесу концентрування, після вилучення блоків з ємності здійснюють їх витримку на повітрі при температурі повітря плюс 15...30 "б.The closest to the claimed method is the method of obtaining concentrated liquid products of food production (see AS USSR Mo 1716976). The method involves immersing rod working bodies in a container with a pre-cooled product, removing heat from their surface and freezing blocks of ice on it, followed by removing the working bodies from the container and removing ice blocks from them. The peculiarity of the method is that in order to reduce product losses and simplify the concentration process, after removing the blocks from the container, they are kept in air at an air temperature of plus 15...30 "b.

Вирощування блока льоду на поверхні кристалізатора, на відміну від об'ємної кристалізації, виключає утворення суміші розсолу і кристалів льоду і необхідність використання складного обладнання (центрифуг, пресів, промивних колон) для сепарування льоду. Спосіб дозволяєGrowing a block of ice on the surface of the crystallizer, in contrast to volumetric crystallization, eliminates the formation of a mixture of brine and ice crystals and the need to use complex equipment (centrifuges, presses, washing columns) for ice separation. The method allows

Зо підвищити ступінь опріснення води, зменшити втрати опрісненої води з розсолом та спростити процес опріснення.To increase the degree of water desalination, reduce losses of desalinated water with brine and simplify the desalination process.

Даний спосіб вибрано прототипом.This method was chosen by the prototype.

Прототип і винахід, що заявляється, мають такі спільні ознаки: - відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів та наморожування на них блоків льоду; - видалення концентрованого продукту, що стікає з блоків льоду у ємність (сепарування); - знімання з робочих органів блоків льоду та їх плавлення.The prototype and the claimed invention have the following common features: - heat removal from the surface of the rod working bodies and freezing of ice blocks on them; - removal of the concentrated product flowing from the ice blocks into the container (separation); - removal of ice blocks from working bodies and their melting.

Недоліком цього способу є те, що в процесі кристалізації наморожуються блоки льоду діаметром 80 мм і більше, що призводить до збільшення тривалості процесу кристалізації і вимагає організації ефективного тепловідводу від поверхні кристалізації. Тому досліди проводилися або в посудині Дьюара, або в ємностях з адіабатичними оболонками.The disadvantage of this method is that in the process of crystallization ice blocks with a diameter of 80 mm or more are frozen, which leads to an increase in the duration of the crystallization process and requires the organization of effective heat removal from the crystallization surface. Therefore, the experiments were carried out either in a Dewar vessel or in containers with adiabatic shells.

Крім того, на останніх стадіях виморожування ріст блока льоду здійснюється в стислих умовах, які ускладнюють процеси тепломасопереносу, що призводить до утворення блока льоду зі значним вмістом у міжкристалічних порожнинах концентрованого розсолу. Це призводить до значних втрат прісної води з розсолом та обмежує ступінь опріснення води.In addition, in the last stages of freezing, the growth of the ice block is carried out in compressed conditions that complicate the processes of heat and mass transfer, which leads to the formation of an ice block with a significant content of concentrated brine in the intercrystalline cavities. This leads to significant losses of fresh water with brine and limits the degree of water desalination.

В основу винаходу поставлено задачу розробити удосконалений спосіб одержання прісної води, в якому, шляхом підтримання заданої температури виморожування, забезпечити підвищення ступеня опріснення, зменшення втрат продукту і скорочення тривалості процесу.The invention is based on the task of developing an improved method of obtaining fresh water, in which, by maintaining a given freezing temperature, it is possible to increase the degree of desalination, reduce product losses and reduce the duration of the process.

Поставлена задача вирішена в способі одержання опрісненої води шляхом виморожування, що передбачає взаємодію розчину із стрижневими робочими органами, відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, знімання з робочих органів блоків льоду і наступне їх плавлення, тим, що рідину охолоджують до початку утворення зони росту кристалів, після чого підвищують температуру до величини, яка забезпечує різницю температур між твердою фазою і температурою замерзання розчину рівною 0,6...1 "С, і при цій різниці проводять процес виморожування.The task is solved in the method of obtaining desalinated water by freezing, which involves the interaction of the solution with the rod working bodies, the removal of heat from the surface of the rod working bodies, the freezing of ice blocks on them, the removal of the ice blocks from the working bodies and their subsequent melting by cooling the liquid until the beginning of the formation of the crystal growth zone, after which the temperature is increased to a value that ensures a temperature difference between the solid phase and the freezing temperature of the solution equal to 0.6...1 "С, and at this difference the freezing process is carried out.

На відміну від прототипу та інших способів опріснення, в початковий момент зони росту кристалів на охолоджуваній поверхні інтенсивність охолодження розчину встановлюється високою і такою, що залежить від концентрації розчину, а далі для зменшення захоплення сухих речовин у пори льоду, процес здійснюють при безперервному пониженні температури, бо забезпечуючи постійне переохолодження розчину у двофазній зоні на рівні 0,6...1 "С.In contrast to the prototype and other methods of desalination, at the initial moment of the crystal growth zone on the cooled surface, the cooling intensity of the solution is set high and depends on the concentration of the solution, and then to reduce the capture of dry substances in the pores of the ice, the process is carried out with a continuous decrease in temperature, because providing constant supercooling of the solution in the two-phase zone at the level of 0.6...1 "C.

Процес опріснення розчину можна розділити на три періоди, які мають свої особливості (див. графік). На першому відрізку (період І) відбувається охолодження розчину до температури кристалізації води в розчині, яка нижче рівноважної температури замерзання розчину на величину 2...5 "С в залежності від концентрації. В момент утворення на охолоджуваній поверхні кристалічної структури температуру холодоносія піднімають до величини, яка забезпечує переохолодження розчину у двофазній зоні на рівні 0,6...1 "С (період ІЇ). У зв'язку з тим, що в результаті опріснення утворюється тверда фаза з меншим вмістом сухих речовин, ніж у розчині, концентрація якого в процесі підвищується, це призводить до пониження температури замерзання. Ще одним фактором, який впливає на необхідність більшого зниження температури холодоносія для підтримання необхідного переохолодження, є ріст блока льоду, а разом з цим і термічного опору на ділянці "холодоносій - двофазна зона". Тому, подальше виморожування проводять постійно понижуючи температуру холодоносія (період ІП).The process of desalination of the solution can be divided into three periods, which have their own characteristics (see graph). In the first segment (period I), the solution is cooled to the temperature of crystallization of water in the solution, which is below the equilibrium freezing temperature of the solution by 2...5 "C, depending on the concentration. At the moment of formation on the cooled surface of the crystalline structure, the temperature of the coolant is raised to , which provides supercooling of the solution in the two-phase zone at the level of 0.6...1 "С (period II). Due to the fact that as a result of desalination, a solid phase is formed with a lower content of dry substances than in the solution, the concentration of which increases in the process, this leads to a decrease in the freezing point. Another factor that affects the need for a greater decrease in coolant temperature to maintain the necessary subcooling is the growth of the ice block, and with it, the thermal resistance in the "coolant - two-phase zone" section. Therefore, further freezing is carried out by constantly lowering the temperature of the coolant (IP period).

Таким чином, запропонований спосіб відрізняється від відомого способу отримання концентрованих рідких харчових продуктів (див. А.С. СРСР Мо 935065) тим, що в області переохолодження (період ІІ) після утворення зони росту кристалів температуру підвищують і далі процес заморожування проводиться з врахуванням вище зазначеного переохолодження.Thus, the proposed method differs from the known method of obtaining concentrated liquid food products (see AS USSR Mo 935065) in that in the area of supercooling (period II) after the formation of the crystal growth zone, the temperature is increased and then the freezing process is carried out taking into account the above the specified hypothermia.

Реалізація такого алгоритму зміни температури холодоносія дозволяє зменшити енерговитрати у зв'язку з проведенням процесу при вищій температурі холодоносія.The implementation of such an algorithm for changing the temperature of the refrigerant allows to reduce energy costs in connection with the process at a higher temperature of the refrigerant.

Приклади здійснення способу.Examples of the implementation of the method.

Приклад 1 2,325 кг модельного розчину хлориду натрію з масовою часткою розчинених речовин 0,209 95 і температурою 18 "С заливали в ємність, в якій розміщені стрижневі кристалізатори у вигляді трубок Фільда з діаметром 12 мм. Рівноважна температура замерзання модельного розчину становить мінус 0,13 "С. Через кристалізатори циркулює проміжний холодоносій для відводу тепла. Процес здійснювали наступним чином.Example 1 2.325 kg of a model solution of sodium chloride with a mass fraction of dissolved substances of 0.20995 and a temperature of 18 "С was poured into a container in which rod crystallizers in the form of Field tubes with a diameter of 12 mm are placed. The equilibrium freezing temperature of the model solution is minus 0.13 "С . An intermediate coolant circulates through the crystallizers for heat removal. The process was carried out as follows.

Температуру проміжного холодоносія, який циркулює в стрижневих кристалізаторах, понижували до рівня, при якому починається утворення в початковий момент зони росту кристалів на охолоджуваній поверхні. Для розчину хлориду натрію масовою часткою розчинених речовин 0,209 95 ця температура дорівнює мінус 5 "С. В цей момент утворюєтьсяThe temperature of the intermediate coolant, which circulates in the rod crystallizers, was lowered to the level at which the formation of the crystal growth zone on the cooled surface begins at the initial moment. For a sodium chloride solution with a mass fraction of dissolved substances of 0.209 95, this temperature is minus 5 "C. At this moment, a

Зо шар льоду товщиною 1...3 мм, який слугує центрами кристалізації. Внаслідок того, що структура вимороженої твердої фази аналогічна структурі переохолодженого розчину, а здійснення процесу направленої кристалізації води із розчину на охолоджуваній поверхні призводить до зменшення енергії поверхні розділу фаз, то з врахуванням цього подальший ріст твердої фази доцільно проводити при незначному переохолодженні. Тому в наступний момент процесу виморожування швидкість охолодження розчину різко зменшують (за рахунок підвищення температури холодоносія в кристалізаторі) і далі підтримується температурний режим на такому рівні, щоб різниця температур між температурою на фронті кристалізації і температурою замерзання розчину (відповідно лінії ліквідусу для розчину) дорівнювала 0,6...1 "С. Це досягається шляхом автоматичного регулювання температури холодоносія в кристалізаторі.From a layer of ice 1...3 mm thick, which serves as centers of crystallization. Due to the fact that the structure of the frozen solid phase is similar to the structure of the supercooled solution, and the implementation of the process of directional crystallization of water from the solution on the cooled surface leads to a decrease in the energy of the phase interface, taking this into account, it is advisable to carry out the further growth of the solid phase with slight supercooling. Therefore, at the next moment of the freezing process, the cooling rate of the solution is sharply reduced (due to the increase in the temperature of the coolant in the crystallizer) and the temperature regime is further maintained at such a level that the temperature difference between the temperature at the crystallization front and the freezing temperature of the solution (corresponding to the liquidus line for the solution) is equal to 0 ,6...1 "С. This is achieved by automatically adjusting the coolant temperature in the crystallizer.

Температуру проміжного холодоносія безперервно змінюють в часі від мінус 2 до мінус 4 "С по кривій, яка відображає умови фазової рівноваги в розчині.The temperature of the intermediate coolant is continuously changed over time from minus 2 to minus 4 "C along a curve that reflects the conditions of phase equilibrium in the solution.

Після закінчення процесу виморожування концентрат зливають в накопичувальну ємність, а в кристалізатор подають холодоносій з температурою, що на 1...27С вище температури замерзання розплаву льоду і проводять процес сепарування льоду до досягнення заданої концентрації сухих речовин, яка визначається технологічними вимогами до якості опрісненої води.After the end of the freezing process, the concentrate is poured into a storage tank, and a coolant with a temperature that is 1...27C higher than the freezing temperature of the ice melt is fed into the crystallizer, and the ice separation process is carried out until the specified concentration of dry substances is reached, which is determined by the technological requirements for the quality of desalinated water .

Отриманий блочно-трубчатий лід, видаляють з установки і здійснюють процес його плавлення для отримання води.The resulting block-tubular ice is removed from the installation and the process of melting it to obtain water is carried out.

Тривалість процесу опріснення склала 1,4 години, в результаті чого отримали 1053 гр опрісненої води з масовою часткою розчинних речовин 0,106 Об.The duration of the desalination process was 1.4 hours, resulting in 1053 g of desalinated water with a mass fraction of soluble substances of 0.106 Vol.

Приклад 2Example 2

Процес одержання прісної води проводили, як наведено в прикладі 1, але температуру проміжного холодоносія безперервно змінювали в часі від мінус 2,4 до мінус 4,4 "С по кривій, яка відображає умови фазової рівноваги в розчині, при цьому величину переохолодження розчину складала біля 1 "С.The process of obtaining fresh water was carried out as given in example 1, but the temperature of the intermediate coolant was continuously changed over time from minus 2.4 to minus 4.4 "C along a curve that reflects the conditions of phase equilibrium in the solution, while the amount of supercooling of the solution was about 1 "S.

Тривалість процесу опріснення склала 1,17 години, в результаті чого отримали 1061 гр опрісненої води з масовою часткою розчинних речовин 0,117 Об.The duration of the desalination process was 1.17 hours, resulting in 1061 g of desalinated water with a mass fraction of soluble substances of 0.117 Vol.

Claims (1)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб одержання опрісненої води шляхом виморожування, що передбачає взаємодію розчину із стрижневими робочими органами, відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, знімання з робочих органів блоків льоду і наступне їх плавлення, який відрізняється тим, що розчин охолоджують до початку утворення зони росту кристалів, після чого підвищують температуру до величини, яка забезпечує різницю температур між твердою фазою і температурою замерзання розчину, рівною 0,6...1 "С, і при цій різниці проводять процес виморожування.FORMULA OF THE INVENTION The method of obtaining desalinated water by freezing, which involves the interaction of the solution with the rod working bodies, the removal of heat from the surface of the rod working bodies, the freezing of ice blocks on them, the removal of the ice blocks from the working bodies and their subsequent melting, which is characterized by the fact that the solution is cooled before the beginning of the formation of the crystal growth zone, after which the temperature is increased to a value that ensures a temperature difference between the solid phase and the freezing temperature of the solution equal to 0.6...1 "С, and at this difference the freezing process is carried out. о ши Зоо я00о те и з ЩІ прнееая !o shi Zoo i00o te i z SCHHI prneeaya ! пн нн ІС ПН у Нед Графік зніни температури холодоносія в часіmon dd IS MON u Sun Graph of the temperature change of the refrigerant over time
UAA201300398A 2013-01-11 2013-01-11 Process for the preparation of desalinated water by freezing out UA105300C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201300398A UA105300C2 (en) 2013-01-11 2013-01-11 Process for the preparation of desalinated water by freezing out

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201300398A UA105300C2 (en) 2013-01-11 2013-01-11 Process for the preparation of desalinated water by freezing out

Publications (1)

Publication Number Publication Date
UA105300C2 true UA105300C2 (en) 2014-04-25

Family

ID=52281753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
UAA201300398A UA105300C2 (en) 2013-01-11 2013-01-11 Process for the preparation of desalinated water by freezing out

Country Status (1)

Country Link
UA (1) UA105300C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rich et al. Sea water desalination by dynamic layer melt crystallization: Parametric study of the freezing and sweating steps
El Kadi et al. Desalination by freeze crystallization: an overview
Mandri et al. Parametric study of the sweating step in the seawater desalination process by indirect freezing
Shin et al. Optimization of simplified freeze desalination with surface scraped freeze crystallizer for producing irrigation water without seeding
Rich et al. Freezing desalination of sea water in a static layer crystallizer
JP6311191B6 (en) Method and system for producing a solid-liquid mixture of constant melting point temperature
EA025716B1 (en) Method for water purification by crystallization method and heat exchange reservoir (embodiments) therefor
Okawa et al. Effect of crystal orientation on freeze concentration of solutions
Azman et al. Effect of freezing time and shaking speed on the performance of progressive freeze concentration via vertical finned crystallizer
CN101820965A (en) Mineral recovery system for desalination
JP2017040467A5 (en)
US3121627A (en) Method of purifying water by freezing
UA105300C2 (en) Process for the preparation of desalinated water by freezing out
AU2021106487A4 (en) Continuous ice production
US4046534A (en) Method for recovering fresh water from brine
CN110486997B (en) Method for reducing water supercooling degree in fluidized ice preparation process through secondary icing
Himes et al. Zone freezing demineralizing saline waters
Zamani et al. Fractional freezing of ethanol and water mixture
US3335575A (en) Freeze concentration process
KR100856134B1 (en) Method for desalination of saltwater
Rich et al. Study of a melt crystallization process for seawater desalination
Zhang et al. Indirect freeze desalination experimental observation and first principle energy conservation modeling
RU2543868C2 (en) Device for production of light water
Lewis et al. Novel materials and crystallizer design for freeze concentration
RU2777651C1 (en) Cryogenic concentrator for freezing liquid media