Uređaji za desalinizaciju morske vode

[Boro Prodanic]

Desalinizatori

Uvod

Čitav istorijski razvoj pomorstva i brodova prati problem snabdevanja broda pitkom vodom tokom plovidbe. Za vreme brodova na vesla i jedra, posade su vodu uzimale sa kopna, što je značilo da se brod nije smeo mnogo udaljavati od obale - danas je poznato da ljudsko telo bez hrane može da izdrži i više od mesec dana, a bez vode jedva četiri dana. Pojavom parnih kotlova kao generatora pare za pokretanje pogonske mašine - stapne parne mašina a kasnije parne turbine, potreba za slatkom vodom na brodovima se povećala jer je kotao trošio dosta vode za rad (gubici pare tokom radnog ciklusa). Svako usavršavanje brodskih porivnih mašina značilo je novo povećanje potreba za slatkom vodom. Kako je na brodu prostora uvek malo, čak nedovoljno, već je u XVIII veku počela ugradnja uređaja na brodove koji su morsku vodu desalinizirali i pretvarali u "pitku".

Kod savremenih turbinskih uređaja, potrebna količina slatke vode koju treba "namaknuti" desalinizacijom je od 0,54 tona do 1,36 tona za svakih 1000 kW instalirane snage, a za savremene dizel motore od 0,20 do 1,30 tona za svakih 1600 kW dnevno! Putnik na savremenom putničkom brodu troši dnevno u proseku između 150 i 250 litara vode, a član posade ratnog broda od 20 do 60 litara. Razmatrajući ove cifre, lako ćemo zaključiti da brodovi imaju ogromnu potrebu za efikasnim pretvaranjem slane morske u slatku vodu. Primera radi, današnji nosači aviona imaju desalinizacione uređaje koji proizvode 1000 tona pitke vode dnevno, kao i prekookeanski putnički brodovi. Uređaji za desalinizaciju posebno su važni na brodovima na nuklearni pogon zbog velikog akcionog radijusa i autonomije.

Danas postoji cela lepeza različitih uređaja za dobijanje slatke vode iz morske, sa različitim principima rada - od destilacije, elektrolize, preko osmotskih postupaka do raznih načina filtriranja pod pritiskom kroz veoma fine membrane koje zadržavaju kristale NaCl - kuhinjske soli, soli koje ima najviše u sastavu morske vode (u morskoj vodi u manjoj meri ima i soli kalcijuma i magnezijuma). Koji uređaj će biti ugrađen na brod zavisi od vrste, veličine i namene broda, kao i od raspoložive rezerve energije na brodu za pogon uređaja za desalinizaciju.

Morska voda se na brodovima koristi za hlađenje pogonskih mašina i kondenzatora, punjenje balastnih tankova, napajanje desalinizacionih uređaja i za razne sanitarne, tehničke i životne potrebe. Procenat soli u morskoj vodi varira između vrednosti od 3,1 do 3,8 %, što je čini neupotrebljivom za piće, kuvanje, pranje odeće i napajanje parnih kotlova.

Voda u rekama i jezerima sadrži mnogo manje kristala soli - od 50 mg/l do 220 mg/l. Međutim, kako reke i jezera najčešće služe velikim gradovima kao kanalizacioni ispusti, ni rečna odnosno jezerska voda ne može se koristiti za potrebe ljudi na brodovima. Kako su reke i jezera mnogo manje od mora i okeana a mreža luka mnogo gušća, dalje ćemo razmatrati samo "morske" brodove.

Metode desalinizacije morske vode

Svaki metod desalinizacije u suštini se svodi na:

- udaljavanje molekula vode iz morske vode, ili

- izdvajanje jona soli iz morske vode.

Teoretski, manje energije je potrebno za drugi način, jer je u proseku količina jona soli u morskoj vodi 100 puta manja od količine molekula vode u morskoj vodi koje treba izdvojiti.

Zapreminske metode

Ove metode desalinizacije zasnivaju se na delovanju sile po čitavoj zapremini vode. Sila deluje na jednu od komponenti rastvora morske vode (jone soli ili molekule vode), lokalizuju je i oslobađaju od druge komponente.

Delovanje električnih sila

Ako se u morsku vodu postave elektrode - anoda i katoda i na njih narine napon, joni se kreću ka elektrodama. Na ovom principu zasnivaju se dve metode: elektroliza i elektrodijaliza.

Delovanje toplote

Na ovom principu moguće su tri metode desalinizacije: jedna se zasniva na toplotnoj difuziji, druga na isparavanju a treća na zamrzavanju. Ako jedan kraj posude sa morskom vodom grejemo a drugi hladimo, dolazi do pojave difuzije, pri kojoj se deo jona kreće prema hladnijem kraju, gde je intenzitet toplotnog kretanja manji. Za ovu metodu potrebna je velika količina toplote a daje malu brzinu difuzije. Destilacija, druga metoda, zasniva se na isparavanju vode, pri kojem joni ostaju u rastvoru a dobijena para se kondenzuje kao pitka voda - danas najčešće korišćena metoda. Obrada morske vode smrzavanjem moguća je pri malim brzinama zamrzavanja, uz mali utrošak energije, što ovu metodu čini naročito privlačnom za velike brodove.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
1 - isparivač; 2 - grejna baterija; 3 - pumpa; 4 - separator; 5 - kondenzator;
6 - rashladna pumpa; 7 - pumpa za kondenzat; 8 - napojni regulator

Prikaz principa rada:

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
Površinske metode

Za razdvajanje jona soli od molekula vode kroz neku prečišćavajuću površinu potrebni su jednostavni uređaji, pa postoji nekoliko tipova membrana koje se koriste u uređajima koji rade na ovom principu - neutralne membrane (propuštaju samo molekule vode), punjene membrane (propuštaju samo jone suprotnog naelektrisanja, pa je primenom anionih i kationih membrana moguće izdvojiti sve jone iz morske vode), biološke membrane (korišćenje živih organizama koji imaju sposobnost zadržavanja soli u svojim ćelijama - metoda je još u razvoju).

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
1 - morska voda; 2 - desalinizirana voda;
3 - polupropusna membrana; 4 - cilindrično telo;
5 - pumpa

Metode individualnog delovanja na jone

Ove metode se zasnivaju na delovanju nekog trećeg elementa na svaki molekul vode ili svaki jon soli.

Hemijske metode

Pojedini hemijski reagensi uvedeni u morsku vodu u stanju su da jone soli vežu u nerastvorive rastvore.

Metoda ekstrakcije organskim rastvaračima

Neki organski rastvori imaju svojstvo da iz morske vode upijaju samo vodu a da pri tome soli ne rastvaraju. Promenom temperature, otpuštaju čistu slatku vodu.

Metoda hidracije

Neka organska jedinjenja (najčešće gasovi) imaju osobinu da pod određenim uslovima sa vodom stvaraju krute hidrate, a pri promeni uslova raspadaju se na početne komponente - gas i slatku vodu.

Tipovi brodskih destilacionih uređaja

Najčešće korišćeni, destilacioni uređaji razlikuju se međusobno:

- prema nameni - destilatori za dobijanje pitke vode, destilatori za tehničku vodu i destilatori za vodu povećanog kvaliteta;

- prema pritisku - destilatori niskog pritiska (vakuum destilatori) i destilatori povišenog pritiska;

Vakuum destilatori kao pogonski medijum mogu da koriste paru niskog pritiska (koja je već odradila u glavnim mašinama) ili rashladnu vodu motora i kondenzatora. U njima se stvara manje taloga soli zbog niže temperature ključanja morske vode na smanjenom pritisku (45 - 55⁰ C).
Destilatori povišenog pritiska na savremenim brodovima se retko koriste zbog povećanog stvaranja taloga soli i pojave korozije, iako imaju tehničku prednost u odnosu na destilatore niskog pritiska.

- prema broju isparivača - jednostepeni i višestepeni;

- prema pritisku pare - destilatori niskog i visokog pritiska;

- prema energiji koju koriste - parni, električni i gasni (utilizacioni);

- prema autonomnosti - destilatori sa sopstvenim kondenzatorom i oni koji su priključeni na glavni ili pomoćni brodski kondenzator;

- prema položaju tela isparivača - horizontalni i vertikalni;

- prema formi ogrevne površine - sa ravnim, savijenim i zmijolikim cevima;

- prema iskorišćavanju odbačene toplote - utilizacioni i one koji to nisu;

- prema regeneraciji toplote isparivača - kompresioni i višestepeni;

- prema organizaciji isparavanja - adijabatski, kipeći, rotacioni i higroskopni.

[Boro Prodanic]

Karakteristike osnovnih tipova desalinizacionih uređaja

Kipeći isparivači

Osnovno svojstvo ove vrste uređaja za desalinizaciju morske vode je da se proces isparavanja odvija na površini grejnog elementa i po čitavoj zapremini vode u posudi isparivača. Principijelna šema ovog uređaja data je na drugoj slici prethodnog posta. Najveći nedostatak ovakvih desalinizatora je to što ne mogu kontinuirano da rade, kao i zbog zasoljenja destilata pri burnom ključanju, promeni režima rada, forsiranju i nehermetičnosti delova uređaja. Pri burnom ključanju penu koja nastaje odnosi sa sobom para, a time i jone soli, što za rezultat daje destilat lošeg kvaliteta. Zbog toga se uz ove desalinizatore kombinuju mehanički separatori pare ili toplotni isušivači. Stepen korisnog dejstva ovih uređaja je prilično visok - 0,9 do 0,95, što u praksi znači da utrošak 1 kilograma pare daje 0,9 do 0,95 litara destilata. Navedeni nedostaci manje su izraženi ako se ova vrsta uređaja izvede kao uređaj sa sniženim pritiskom - vakuum desalinizator.

Adijabatski desalinizatori

Adijabatski desalinizatori razlikuju se od kipećih po tome što se kod njih proces isparavanja ne odvija na grejnoj površini već u posebnoj komori, gde raspršeni mlaz vode delimično isparava oduzimajući toplotu "sam od sebe". Naime, u toj komori se podržava jak vakuum a voda se raspršuje tušem. Voda koja nije isparila pada na dno komore i cirkulacionom pumpom se vraća u ciklus. Para stvorena u komori izvlači se ejektorom, kondenzuje u izmenjivaču toplote, predajući svoju toplotu vodi koja se priprema za ubacivanje u komoru za isparavanje. Radi povećanja ekonomičnosti i stepena korisnog dejstva, ova vrsta desalinizatora pravi se kao višestepena.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
1 - dvostepeni ejektor; 2 - kondenzator ejektora; 3 - kondenzator isparivača; 4 - regulator temperature; 5 - merač protoka vode; 6 - napojna pumpa; 7 - spremnik destilata; 8 - prečistač; 9 - davač merača procenta soli; 10 - regulator nivoa; 11 - pumpa za destilat; 12 - merač protoka vode; 13 - elektromagnetni ventil; 14 - pumpa za morsku vodu; 15 - cirkulaciona pumpa; 16 - davač temperature; 17 - grejač napojne vode

Ovakav način desalinizacije ima više prednosti: nema stvaranja pene koju bi para odnosila i time smanjivala kvalitet destilata i malo stvaranje taloga na grejnim površinama.

Slojni (rotacioni) desalinizatori

Na površine grejača slojnih desalinizatora dovodi se tanak sloj morske vode, debljine 0,02 - 0,03 mm, čime se predaja toplote odvija naglo, pa do isparavanja dolazi bez ključanja. Uz ostale prednosti, ovakav uređaj je za oko 40 % lakši i sa 30 % manjom zapreminom (pri istom kapacitetu) od kipećih desalinizatora. Međutim, na grejačima se vrlo brzo stvara sloj soli, pa uređaj zahteva često čišćenje.

Higroskopni desalinizatori

Ova vrsta desalinizatora radi na principu prolaska struje vazduha zasićenog morskom vodom kroz grejač, pri čemu kapljice vode isparavaju i sa okolnim vazduhom odlaze u kondenzator gde se kondenzuje destilat. Kućište ili telo ovakvih uređaja može se graditi i od plastičnih masa, pa im to znatno smanjuje težinu, što uz nizak stepen stvaranja taloga soli čini značajnu prednost.

Konstruktivne izvedbe desalinizacionih uređaja

Iz do sada iznesenog očito je da postoji veliki broj mogućih kombinacija pri konstrukciji desalinizatora, te je teško nabrojati sve vrste i tipove. Ovde ćemo se poslužiti sovjetskom klasifikacijom, koja desalinizatore svrstava u tri osnovne grupe:

- P - parni desalinizatori;

- D - utilizacioni (ili u sklopu dizel motora);

- M - adijabatski desalinizatori.

Parni desalinizatori

Parni desalinizatori rade na paru koju dobijaju ili od pomoćnog brodskog parnog kotla, ili paru koja je već odradila svoj radni ciklus u parnoj turbini. Dobijeni destilat sadrži manje od 5 mg/l soli.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
1 - grejna baterija; 2 - prigušnica; 3 - kondenzator; 4 - ejektor; 5 - kondenzator ejektora; 6 - rashladnik destilata; 7 - merač protoka destilata; 8 - davač salinomera; 9 - elektromagnetni ventil; 10 - sakupljač destilata; 11 - prečistač; 12 - merač protoka napojne pumpe; 13 - pumpa destilata; 14 - pumpa za rasol

Morska voda pod pritiskom od 2,5 - 3,5 bara prolazi kroz rashladnik destilata 6, kondenzator ejektora 5 i ulazi u kondenzator isparivača 3. Ovde se voda dodatno zagrejava i ide u isparivač, dok se ostatak voda koristi kao radni medijum za ejektor 14 koji izvlači rasol iz isparivača i šalje ga van broda. Prva (primarna) para pod pritiskom od 4 bara prolazi kroz prigušnicu 2 i ulazi u grejnu bateriju 1 gde predaje svoju toplotu isparivaču i kondenzuje se. Druga para, nastala kao rezultat isparavanja morske vode u isparivaču, prolazi kroz separator i kondenzuje se u kondenzatoru 3. Destilat se prikuplja u sakupljaču 10, odakle ga pumpa 13 preko ventila regulatora prebacuje u rashladnik destilata 6. Nakon toga, destilat prolazi kroz merač protoka destilata 7, davač salinomera 8 i u zavisnosti od sadržaja soli u destilatu, preko automatskog ventila 9 u tank slatke vode ili se izbacuje van broda. Uređaj ima signalizaciju koja javlja povećanu koncentraciju soli u destilatu, pad pritiska u potisnom vodu destilata i povećanje pritiska prve pare u grejnoj bateriji. Inače, uređaj se uključuje i isključuje ručno.

Utilizacioni desalinizator

Ova vrsta desalinizatora proizvodi se za kapacitete od 1 do 20 tona destilata na dan rada. Principijelna šema uređaja:

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
1 - kondenzator; 2 - grejna baterija; 3 - merač protoka napojne vode; 4 - nepovratni ventil; 5 - vodostrujni ejektor za rasol i vazduh; 6 - napojna pumpa; 7 - davač salinomera; 8 - merač protoka destilata; 9 - elektromagnetni ventil; 10 - pumpa za destilat; 11 - spremnik destilata

Morska voda isparava pri velikom vakuumu (94 kPa) pri kojem je temperatura isparavanja 42⁰ C zbog čega se proces odvija polako, ne stvara se mnogo taloga soli pa nije potrebno često čišćenje uređaja. Slanost dobijenog destilata ne prelazi koncentraciju NaCl od 8 mg/l.

Napojnom pumpom 6 morska voda se šalje kroz kondenzator 1 na ejektor 5. Deo vode preko ventila 4 i merača protoka 3 se koristi za napajanje isparivača. Ejektor 5 isisava vazduh iz kondenzatora i rasol iz isparivača i šalje ih van broda. U isparivaču se voda greje i isparava pod dejstvom toplote iz morske vode kojom je hlađen dizel motor a koja se kreće između cevi grejne baterije isparivača 2. Stvorena para odlazi u kondenzator 1 gde se kondenzuje, slobodnim padom destilat odlazi u spremnik 11, odakle ga pumpa 10 preko regulatora nivoa vodomera 8, davača salinomera 7 i solenoidnog ventila 9 prebacuje u tank destilata. Zavisno od koncentracije soli u destilatu, elektromagnetni ventil destilat šalje ili u tank slatke vode ili je vraća u isparivač. Uređaj ima signalizaciju kao i prethodo opisani desalinizator.

Adijabatski desalinizator je već napred opisan.

Zbog velikog broja različitih kombinacija opisanih principa rada uređaja za desalinizaciju, zadržaćemo se na najčešće korišćenim uređajima, te ređe korišćene varijante nećemo ovde opisivati.

[Boro Prodanic]

Desalinizatori za brodolomce

Sve rečeno o uređajima za desalinizaciju morske vode odnosilo se na redovno stanje na brodu, dakle na normalne uslove. Međutim, problemi sa pitkom vodom su višestruko uvećani kada se desi brodolom i deo posade koji je imao dovoljno sreće da preživi nađe se u čamcima za spasavanje. Uprkos svim satelitima i modernim uređajima za javljanje položaja i praćenje, i danas se dešava da brodolomci provedu dugo vremena u čamcima za spasavanje, čak i po nekoliko nedelja. Zbog toga su razvijeni mali, lagani, često sklopivi uređaji za desalinizaciju morske vode koji uglavnom ne zahtevaju spoljnji izvor energije za rad, a koji se nalaze u redovnoj opremi brodskih čamaca za spasavanje.

Prinicipijelna šema desalinizatora za korišćenje u slučaju nužde:

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
1 - transparentna plastična folija; 2 - gvozdeni zacrnjeni kolektor;
3 - nosač kolektora; 4 - prostor za sakupljanje slatke vode

Princip rada ovog uređaja veoma je jednostavan, a uređaj za rad koristi sunčevu energiju. Žlebovi na zacrnjenoj površini kolektora (zacrnjeni su da bi se apsorbovala veća količina toplote, odnosno da se manja količina sunčeve svetlosti gubi refleksijom) napune se morskom vodom, uređaj se dobro zatvori i stavi u more pored čamca. Normalno, uređaj mora biti privezan uz čamac da ga more ne odnese. Sunčeva toplota greje morsku vodu u žlebovima tako da ona isparava, a nastala vodena para se kondenzuje na hladnijim plastičnim površinama i sakuplja se na dnu desalinizatora. Nakon uzimanja destilata, proces se može ponavljati sve dok za to ima potrebe.

Od sveg srca želim svim mornarima sveta da nikada u praksi ne budu prisiljeni da na ovaj način obezbeđuju dnevni minimum vode za piće!

[Boro Prodanic]

U.S. Air Force Space Command – ostrvo Ascension

Interesantan primer kombinovanog postrojenja za desalinizaciju koje je postavljeno na ostrvu Ascension za potrebe američke svemirske komande.

Kapacitet postrojenja je 60.000 galona pitke vode na dan.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

Posebno je interesantno što postrojenje radi na kombinovani pogon - dizel motorni i na energiju vetra. Do sada je u radu postrojenje bilo vrlo pouzdano i stabilno.

Izvor: https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt/community/power_systems/425/ascension_island

[Boro Prodanic]

Postrojenje membranskih desalinizatora koji daju dnevno 25 miliona galona vode za piće, Tampa Bay, Florida. (1 US galon = 3,78 litara).

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[Perun]

moze li neko preporuciti literaturu sa konstrukcijskim podatcima

[Gazda]

Sta treba konkretno,da skeniram kakve nacrte na brodu?

[Perun]

zanima me izvedba koja koristi toplu rashladnu vodu motora. što više to bolje.

unaprid zahvaljujem

[Gazda]

Bit će nešto.Do subote ću postavit.

[Gazda]

Sluzimo narodu.Inace ja te dokumentacije imam na tone ali mi je malo nezgodno za slat s broda.Ako ima sta konkretno da trebas javi,a ja cu ovih dana postavit jos pokoju semu kako uhvatim vremena.Treba li ga ic slikat dole u makinju? [ Attachment: You are not allowed to view attachments ] [ Attachment: You are not allowed to view attachments ] [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[Gazda]

Evo nisam ni znao da pdf isto može u attachmente....

[Gazda]

Inače,u prilogu je priručnik za alfa lavalov vakuumski evaporator,vrlo široko rasprostranjen u trgovačkoj mornarici danas,gotovo svaki veći prekooceanski brod posjeduje ovakav uređaj.

[Perun]

Gazda fala puno. Takva vrsta materijala mi i triba. Pretpostavljam da plovis i da si kapo pa ti želim mirnomore

Hvala puno, pokusavam nesto pokrenuti, mozda cak konstruirati neki manji evaporator pa mi je svaka pomoc dobro došla..živi bili pa vidili

[Gazda]

Gazda fala puno. Takva vrsta materijala mi i triba. Pretpostavljam da plovis i da si kapo pa ti želim mirnomore

Hvala puno, pokusavam nesto pokrenuti, mozda cak konstruirati neki manji evaporator pa mi je svaka pomoc dobro došla..živi bili pa vidili

Ma kakvi kapo,treći kuverte.Imam dosta toga još samo sam slab s vremenom,al ako je za manji evaporator napravit ćemo skicu to je jednostavno.

Inače,molim administratora da uredi gornji post,ja nemam mogućnost,treba stajati:

Inače,u prilogu je priručnik za alfa lavalov vakuumski evaporator,vrlo široko rasprostranjen u trgovačkoj mornarici danas,gotovo svaki veći prekooceanski brod posjeduje ovakav uređaj.

[MOTORISTA]

Inače,molim administratora da uredi gornji post,ja nemam mogućnost,treba stajati:

Inače,u prilogu je priručnik za alfa lavalov vakuumski evaporator,vrlo široko rasprostranjen u trgovačkoj mornarici danas,gotovo svaki veći prekooceanski brod posjeduje ovakav uređaj.

Sređeno.