автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Усовершенствование технологии очистки воды для получения льда в крытых спортивных комплексах

ЕРШОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВОДЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЬДА В КРЫТЫХ СПОРТИВНЫХ КОМПЛЕКСАХ

05.17.01 Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 013 2011

Москва - 2011 год

4854603

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Дмитриев Евгений Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Беспалов Александр Валентинович, Российский химико-технологический университет им Д.И.Менделеева

кандидат химических наук, профессор Беренгартен Михаил Георгиевич, Московский государственный университет инженерной экологии

Ведущая организация Московская академия тонкой химической

технологии им М.В.Ломоносова (МИТХТ)

Защита состоится 16 февраля 2011 г. на заседании диссертационного совета Д 212.204.05 при РХТУ им. Д. И. Менделеева по адресу: 125190 Москва, Миусская пл., д. 9 в конференц-зале в 12.00 часов

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан 15 января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Подготовка воды для заливки ледяных покрытий крытых спортивных комплексов на практике реализуется с помощью типовой технологической схемы водоподготовки, включающей традиционные стадии предварительного фильтрования от микрочастиц, использования угольного фильтра, фильтра удаления железа, ионообменника и установки обратного осмоса для удаления солей, органических соединений и хлора. Продуктом является вода 4-х степеней очистки: умягченная, деминерализованная, деаэрированная и глубоко деминерализованная. Поскольку требуемый объем очищенной воды невелик, а капитальные затраты из-за многостадийности системы очистки высоки, то себестоимость получаемого продукта по данной технологической схеме очень большая. Для того чтобы уменьшить затраты на оборудование необходимо модернизировать схему, применяя новые технологические решения без потери качества продукта. Компактная, более экономичная технологическая схема получения воды необходимой степени очистки, требуемой для разных видов спортивных соревнований до настоящего времени не реализована.

Цель работы. Оценка эффективности работы технологической схемы получения очищенной воды для создания льда (на примере Государственного учреждения г. Москвы (ГУ) «Дворец спорта «Мегаспорт»), разработка вариантов ее модернизации на основе математического моделирования, экономический анализ модернизированных вариантов технологической схемы и формулировка условий их применения. Проверка возможности использования в качестве исходного сырья воды, полученной из отработанного ледового покрытия, и концентрата узла обратного осмоса.

Научная новизна работы. Разработана новая эффективная схема обработки воды для изготовления льда в крытых спортивных сооружениях, в которой в качестве сырья используется вода из ледовой стружки, поток

концентрата из узла обратного осмоса и водопроводная вода. Представлено математическое описание главного узла схемы - обратноосмотической установки, позволяющее теоретически обосновать использование концентрата и воды из ледовой стружки в качестве основного сырья. Разработана математическая модель работы узла обратного осмоса в полунепрерывном режиме при наличии в схеме инерционного элемента - емкости смешения.

Практическая ценность.

Модернизирована действующая в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт» технологическая схема получения высокоочищенной воды из водопроводной воды. Разработаны два более экономичных варианта системы водоподготовки для получения льда в крытых спортивных сооружениях, один из которых внедрен (схема водоподготовки, модернизированная за счет исключения части оборудования), а другой (усовершенствованная схема с емкостью смешения для потоков умягченной воды, концентрата и воды из ледовой стружки) успешно прошел испытания в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт». Анализ полученных результатов показал, что снижение затрат только на оборудование при использовании модернизированной схемы водоподготовки (вариант 1) составляет около 3,79 млн. рублей, а при применении усовершенствованного варианта (вариант 3) - более 3,91 млн. рублей.

Апробация. Материалы диссертации докладывались на III и IV Международных конгрессах молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-2007; 2008.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 8 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы, насчитывающего 113 библиографических ссылок. Она изложена на 156 страницах печатного текста, включающего 41 рисунок и 49 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе содержится анализ литературных данных по очистке воды и предъявляемых к ней требований для создания многослойной структуры льда. В литературном обзоре произведена оценка используемых в типовых и альтернативных схемах водоподготовки методов очистки воды, возможности и необходимости применения в каждом конкретном случае оборудования для фильтрования, ионного обмена, удаления соединений железа, удаления солей неорганических веществ методом обратного осмоса, а также дегазации.

Во второй главе произведена оценка типовой технологической схемы получения высокоочищенной воды в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт». Исходным сырьем для создания спортивного льда является водопроводная вода г. Москвы. Для оценки возможности модификации технологической схемы в течение шести месяцев осуществлялся мониторинг качества сырья, а также определялась степень очистки на отдельных стадиях схемы водоподготовки. Для этого проводился анализ по следующим основным индикаторам: общая жесткость, растворенное железо, общий хлор, свободный хлор, электропроводность, рН, мутность.

Процесс очистки воды в типовой технологии получении спортивного льда состоит из следующих стадий (Рис.1):

I. Стадия предварительной очистки воды (удаление грубых механических примесей, хлорирование, удаление растворенного железа, остаточного хлора и органических веществ);

II. Стадия получения очищенной воды (снижение содержания солей жесткости с помощью ионного обмена и деминерализация на установке обратного осмоса);

III. Стадия глубокой очистки воды (удаление растворенного кислорода и углекислого газа, глубокая деминерализация).

Рис I. Типовая технологическая схема водоподготовки (ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт»).

ФГ1-4 - фильтр-грязевик; КП1-2 - клапан предохранительный;

Н1-7 - насос центробежный; Г/А - гидроаккумулятор;

РИ - расходомер импульсный; НД1-2 - насос дозатор;

ЕР 1-2 - емкость реагентная; Ф01-2 - фильтр обезжелезивания;

ФУ 1-2 - фильтр угольный; ФУм1-2 - фильтр умягчения;

ФП1-8 - фильтр патронный; УФ 1-2 - ультрафиолетовый стерилизатор;

ММ1-8 - мембранный модуль; Е1-3 - емкость накопительная;

ФВ1-4 - фильтр воздушный; ДМ1-2 деаэратор мембранный;

ВН - вакуум насос; СЖ - сепаратор жидкости; ФСД - фильтр смешанного

действия.

В таблице 1. приведены характеристики водопроводной воды, полученные во время мониторинга. Из этих данных видно, что качество водопроводной воды г. Москвы соответствует требованиям на питьевую воду. Также следует отметить, что содержание растворенных веществ сильно зависит от времени

года.

Таблица 1.

Параметры водопроводной воды и требования на воду 1 типа

N Параметры Водопроводная вода Требования на воду 1 типа

1 Мутность, мг/л 0,46 <0,5

2 Жесткость, м г/л 4,10-4,6 <0,5

3 Сухой остаток, мг/л 223 <1000

4 Перманганатная окисляемость, мг/л <5

5 Общее железо, мг/л 0,02-0,24 <0,3

6 Остаточный хлор, мг/л 0,21-0,61 <0,1

Мониторинг позволил оценить эффективность работы отдельных узлов схемы. В результате исследований было выяснено, что соли жесткости удаляются практически полностью на ионообменном фильтре, соединения железа задерживаются на фильтре обезжелезивания, в ионообменном аппарате и на установке обратного осмоса. Основное уменьшение электропроводности из-за деминерализации происходит в узле обратного осмоса. Снижение концентрации свободного хлора осуществляется во всех аппаратах технологической схемы, кроме узла обезжелезивания. Удаление хлорорганических соединений происходит в ионообменном умягчителе, на фильтре обезжелезивания и в узле обратного осмоса. Анализ работы отдельных узлов схемы позволил оценить вклад каждого процесса и предложить методы усовершенствования схемы водоподготовки. Важнейшим в схеме является узел обратного осмоса, на котором происходит окончательное удаление примесей. В таблице 2 приведены результаты мониторинга при эксплуатации узла обратного осмоса и требования к продукту -воде четырех типов (умягченной, деминерализованной, дегазированной и глубоко обессоленной), необходимой при создании льда для различных спортивных мероприятий. Вода после установки обратного осмоса имеет низкое содержание примесей: ее параметры соответствуют воде второго - третьего типа.

Таблица 2

Данные мониторинга узла обратного осмоса и требования к воде.

№ Параметры Результаты анализов Тре( фо ювания к воде для рмирования льда

После ионного обмена Фильтрат после обратного осмоса 1 тип 2 тип 3 тип 4 тип

1 Жесткость,мг/л 0,02-0,05 0,0004 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5

2 Сухой остаток, мг/л <1000 <1 <1000 <10 <10 < 1

3 Общее железо, мг/л 0,01-0,03 0,0001 <0,3 <0,3 <0,3 <0,3

4 Остаточный хлор, мг/л 0,09-0,14 0,05-0,08 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

5 Кислород, мг/л <10 < 10 * * 2 2

6 Углекислота, мг/л <45 <45 * * 4 4

В главе 3 представлена модернизированная технологическая схема (вариант 1), полученная путем исключения части оборудования: на стадии предварительной очистки - грубого механического фильтра, узла сглаживания давления, узла хлорирования; на стадии глубокой очистки - мембранного вакуумного деаэратора и ионообменника для глубокой деминерализации. Стоимость оборудования модернизированной схемы водоподготовки на 25 % ниже типовой (15156900 руб. - для типовой схемы и 11367675 руб. - для варианта 1). По сравнению со стоимостью сырья (15,45 руб/м3) себестоимость очищенной воды очень высока и соответственно составляет: 2282,5 руб/м5 в типовой схеме и 1848,6 руб/м3 в варианте 1. Модернизированная схема водоподготовки (вариант 1) успешно действует с 2007 года до настоящего времени в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт», обеспечивая требуемое качество воды для создания высокоэффективного льда на всех спортивных мероприятиях.

В четвертой главе рассмотрена возможность использования нового типа сырья в узле обратного осмоса: концентрата и воды, образующейся при таянии ледовой стружки. Повышение эффективности схемы водоподготовки за счет использования концентрата возможно только благодаря высокому качеству водопроводной воды и глубокой очистке ее в схеме водоподготовки. Проведенные исследования показали, что по всем показателям кроме хлора, концентрат соответствует воде 1 типа. Поскольку лед формируется из высокоочищенного фильтрата, то вода, полученная при таянии стружки льда, также может служить сырьевым источником в процессе водоподготовки. Для подтверждения этого предположения был проведен мониторинг в течение нескольких месяцев интенсивной эксплуатации ледовой арены в 2006-2007 годах (Рис.2). Сравнение концентраций примесей в воде из ледовой стружки и фильтрате с параметрами воды 2 типа, применяемой для заливки верхнего наиболее функционального слоя льда (табл.3), показывает, что образующаяся при таянии вода удовлетворяет всем требованиям, кроме параметра «остаточный хлор», и может быть использована в качестве дополнительного источника сырья.

Высокое качество водопроводной воды, а также низкие значения концентраций примесей в выходных потоках позволили предложить новую усовершенствованную технологическую схему водоподготовки, основной особенностью которой является использование концентрата и воды из ледовой стружки в качестве дополнительного источника сырья в узле обратного осмоса. Однако, изменение режима функционирования установок обратного осмоса приводит к увеличению концентрации солей в потоке питания. Для решения проблем устойчивой работы усовершенствованной технологической схемы водоподготовки была разработана математическая модель работы узла обратного осмоса в полунепрерывном процессе, позволяющим периодически удалять накапливающиеся примеси. Расчет основывался на известном предположении, что при разделении обратным осмосом разбавленных

Концентрация 0,1

нонбрь декабрь январь февраль

ноябрь декабрь январь

февраль

Рис. 2. Данные мониторинга сырья для получения льда по растворенному железу и общему хлору (2006-2007 гг). • - вода из ледовой стружки; фильтрат

Таблица 3

Концентрации примесей в фильтрате и воде из ледовой стружки.

Показатели Вода из стружки льда Фильтрат Вода 2 типа

Жесткость, мг/ л 0,0004+0,24 0,0004 менее 0,5

Общее железо, мг/ л 0,02+0,09 0,0001 менее 0,3

Общий хлор, мг/ л 0,11+0,16 0,04+0,17 менее 0,3

Остаточный хлор, мг/ л 0,06+0,11 0,02+0,09 менее 0,1

Электропроводность, мг/ л 4+16 0,2+2 менее 10

многокомпонентных растворов соблюдается постоянство селективности при изменении концентрации, а ионы электролитов переходят через мембрану в соотношениях близких к эквивалентным.

Первоначально в качестве дополнительного сырьевого потока рассматривался только концентрат. Была произведена оценка влияния отбора растворителя на концентрацию /-го компонента в фильтрате на основе учета изменения состава смеси по длине мембранного модуля. Из уравнений материального баланса следует, что составы питания (х„{), концентрата (хи) и фильтрата (хф,) связаны следующим соотношением:

(1)

с /

где: 5 = уг - степень отбора растворителя; С„, Сф - массовые расходы

питания и фильтрата соответственно; х„, хк„ Хф, - массовые доли ;'-го компонента. Если принять, что на элементе длины мембранного аппарата (II состав раствора меняется от х„, до х,', а степень отбора - от 5 = 0 до 5", то

средняя концентрация фильтрата Хф1 на длине с// составит:

Хф„

где: Н, - селективность по ;'-му компоненту; /?, = /----(3)

хт

Комбинируя (1) и (2) получаем:

х; (4)

¿¿с х

Дифференцирование (4) по 5 приводит к уравнению —= —(5),

с18' 1 — 5

интегрирование которого в пределах от 5'=0 до 5 и от х,„ до х„ дает выражение: ха = хт(1 - БуК' (6)

Комбинируя приведенные выражения, получаем уравнение, устанавливающее соотношение между составами поступающего в узел

обратного осмоса потока и фильтрата для /-го компонента в зависимости от степени отбора и селективности:

Результаты расчета по определению концентраций фильтрата свидетельствуют о том, что при экспериментальных значениях Л/ (по солям жесткости - 0,92; по общему железу - 0,99; по общему хлору - 0,36; по остаточному хлору - 0,40; по электропроводности - 0,99) и при любых 5 концентрации всех веществ в фильтрате ниже предельных значений, соответствующих воде 2-го типа Таким образом, при экспериментально определенных в данной работе значениях селективности по различным ионам степень отбора растворителя 5 может принимать любое значение в диапазоне 0,3+0,9, т.е. ограничений на соотношение потоков концентрата и фильтрата нет.

В работе также разработано математическое описание работы установки обратного осмоса, в котором в качестве сырьевого потока используется смесь концентрата Ск, воды после ионного обмена Са (с концентрацией хг»,) и воды из стружки льда С, (с концентрацией х„). Схема дополнена емкостью смешения сырьевых потоков, из которой выходит поток С„ с концентрацией по /'-тому компоненту *,„, являющийся питающим для узла обратного осмоса (Рис.3).

На основании материального баланса нестационарного процесса было получено уравнение, выражающее связь между текущей концентрацией питающего потока по /-тому компоненту х„,- и временем работы контура I.

./-я, -

(7)

/ = —1п А,

М ^ А,хт + В, Л Л^ло; + В*

(8)

где М - масса жидкости в емкости смешения;

4 =в„и--Г (9) В, = СЛ + 0„х,

п

(10)

е„

/

Рис.3. Схема установки обратного осмоса 2 с емкостью смешения 1

На основании соотношений (7) и (8) получено текущее значение концентрации фильтрата:

Ах„ + В (А.) В А. \ М) А

(11)

Средняя концентрация фильтрата хг/„ за период работы контура Т не должна превышать предельную, известную из технических условий, концентрацию данного компонента в воде для формирования льда Хф, „р Тогда:

Хфмр.

I

ех,

М

■1

ТЛ м

-в

(12)

Основным ограничением при расчете узла обратного осмоса является условие Хфщр < Хфны, , где Хф, /,„„, - концентрация /-го компонента в фильтрате, соответствующая воде для заливки льда 2-го типа. Выражение (12) использовалось для определения параметров процесса Я, Б, х0ш,А„ В,, Т.

Расчеты были сделаны на основе данных работы отделения водоподготовки ледового комплекса ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт»: производительность узла обратного осмоса по фильтрату С,/, 3 м3/час с двух параллельно работающих блоков мембранных аппаратов; поток питания - не менее 4,6 м3/час; расход концентрата - 1,6 м3/час; объем фильтрата для разовой заливки льда (9 м3) за 3 часов работы схемы водоподготовки.

Расчет параметров работы узла обратного осмоса с емкостью смешения был проведен для двух вариантов составов потока питания.

Технологическая схема (вариант 2) включает в себя узел обратного осмоса с емкостью смешения, куда поступает дополнительный поток питания после ионообменного умягчителя и концентрат. Согласно сделанному расчету данный вариант схемы водоподготовки обеспечивает требуемые концентрации в фильтрате по всем индикаторам, кроме растворенного хлора. Другие полученные параметры варианта 2 (расход умягченной воды, время процесса и др.) практически соответствуют исходной схеме работы узла обратного осмоса (вариант 1). Таким образом, применение только концентрата в качестве дополнительного сырья не приводит к повышению эффективности работы узла обратного осмоса и схемы водоподготовки в целом.

В третьем варианте схемы водоподготовки в емкость смешения подавались концентрат, вода после ионообменного умягчителя и вода из ледовой стружки с расходом С,, определяемым объемом получаемого фильтрата: Ол = <р С,/„ где <р - коэффициент, учитывающий потери и равный 0,75+0,9. Согласно сделанным расчетам наиболее оптимальный режим работы 3-го варианта схемы водоподготовки имеет следующие параметры:

- степень отбора растворителя 5 = 0,5; <р =0,9;

- расход воды после ионного обмена 230 л/час;

- расход воды из стружки льда 2070 л/час;

- расход концентрата 2300 л/час;

- время процесса 3,91 часа;

- объем емкости смешения 5 м3.

Для работы этой схемы необходимо дополнительное оборудование: емкость смешения, центробежный насос и теплообменник для подогрева воды из ледовой стружки для ускорения ее таяния. С другой стороны объем воды, поступающей на водоподготовку, уменьшился более чем в два раза по сравнению с вариантом 1. В связи этим стало возможно исключить часть оборудования. На Рис.4 представлена усовершенствованная схема водоподготовки (Вариант 3), включающая узел обратного осмоса с емкостью смешения с питающим потоком, состоящим из умягченной воды, концентрата

КП1-2 - клапан предохранительный; Н1-8 - насос центробежный; РИ -расходомер импульсный; Ф01 - фильтр обезжелезивания; ФУ1 - фильтр угольный; ФУм1 - фильтр умягчения; ФП1-4 - фильтр патронный; УФ1 -ультрафиолетовый стерилизатор; ММ 1-8 - мембранный модуль; ЕР - емкость реагентная; Е1-3 - емкость накопительная; ФВ1-3 - фильтр воздушный; ЕС -емкость смешения; ТО - теплообменник подогрева.

Испытания схемы водоподготовки по варианту 3 в ледовом комплексе «Дворец спорта «Мегаспорт» показали, что по всем индикаторам получаемая очищенная воды соответствуют параметрам воды 2-го типа. Таким образом, в данной работе рассмотрены 3 варианта усовершенствования типовой технологической схемы водоподготовки для получения высококачественного льда. На основании проведенного технического анализа выяснено, что из трех рассмотренных вариантов эффективными являются:

• Вариант 1 - схема водоподготовки, модернизированная за счет исключения оборудования;

• Вариант 3 - усовершенствованная схема с емкостью смешения для потоков умягченной воды, концентрата и воды из ледовой стружки.

Каждая из этих схем обеспечивает глубокую очистку сырья и требуемое качество продукта. Однако, сравнивая экономические показатели (Табл.4) следует сделать вывод, о преимуществе усовершенствованной технологической схемы водоподготовки (вариант 3), что позволило рекомендовать ее для производства высококачественного льда в крытых спортивных комплексах.

Таблица 4

Экономические параметры схем водоподготовки.

Параметры Вариант 1 Вариант 3 Типовая схема

Стоимость оборудованная, руб 11367675 11244929 15156900

Эксплуатационные затраты, руб/год 83519 47826 83519

Себестоимость продукции, руб/м3 1848,6 1755,1 2282,5

ВЫВОДЫ

1. Оценена эффективность работы технологической схемы подготовки воды в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт» (Ходынское поле г. Москва). Путем продолжительного мониторинга работы отдельных стадий (в течение 8 месяцев) показано отсутствие необходимости операций грубого фильтрования и хлорирования воды.

2. Экспериментально доказана возможность использования в качестве исходного сырья воды, полученной из отработанного ледового покрытия, а также смеси воды из отработанного ледового покрытия и концентрата узла обратного осмоса.

3. Разработана математическая модель функционирования основного узла схемы - обратного осмоса - в периодическом режиме, которая показала возможность использования концентрата и воды из стружки отработанного ледового покрытия в качестве сырья. Полученные соотношения позволяют определить предельную концентрацию любого компонента в фильтрате и время работы контура.

4. Предложены два варианта модернизации технологической схемы водоподготовки в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт», заключающиеся в сокращении числа аппаратов и организации рецикла смеси воды из отработанного ледового покрытия и концентрата. Разработанные модернизированные схемы позволяют существенно уменьшить число аппаратов в схеме водоподготовки и снизить расход исходной воды.

5. Анализ предложенных технологических схем водоподготовки показал, что экономические эффекты от реализации:

- первого варианта (полученного путем модернизации типовой схемы) составляет-3789225 руб;

- третьего варианта (усовершенствованной схемы водоподготовки с рециклом концентрата и воды из ледовой стружки) - 3911971 руб.

Основные результаты диссертации отражены в следующих печатных

работах

1. Е.А. Дмитриев, И.К. Кузнецова, С. А. Ершов. Модификация технологической схемы водоподготовки в производстве высококачественного льда для соревнований в крытых спортивных комплексах. // Химическая технология. 2008, №2. С.88-92.

2. М.В. Загайнов, Г.П. Яковлев, A.B. Шибаев, С.А. Ершов. Лучший лед Европы. // Холодильный бизнес. 2006, №10. С.10-15.

3. С.А. Ершов, Е.А. Янина, И.К. Кузнецова, Е.А. Дмитриев. Технико-экономический анализ системы водоподготовки Ледового Дворца на Ходынском поле. // Успехи в химии и хим.технологии. 2007.Т.21, №3. С.16-20.

4. С.А. Ершов, A.B. Иванова, Е.А. Дмитриев, И.К. Кузнецова. Применение рециркуляции для повышения эффективности схемы водоподготовки Ледового Дворца на Ходынском поле. // Успехи в химии и хим.технологии. 2007.Т.21, №3. С.23-25.

5. Е.Г. Крючкова, С.А.Ершов, И.К. Кузнецова, Е.А. Дмитриев. Сравнение эффективности применения рециклов по концентрату и воде из ледовой стружки на стадии обратного осмоса в технологии создания спортивного льда. // Успехи в химии и хим.технологии. 2009.Т.23, №2. С.93-97.

6. Патент 2006101786/ 12 (001934), Индекс МПК F25C1/ 02 (2006.01) i. Способ формирования массива льда. // М.В. Загайнов, Г.П. Яковлев, В.А. Тычина, С.А. Ершов.

7. Патент 2006115652 Состав и способ формирования поверхностного слоя массива льда для проведения соревнований и тренировок в скоростном беге на коньках. // М.В. Загайнов, Г.П. Яковлев, В.А. Тычина, С.А. Ершов, A.B. Шибаев.

8. Патент 2006112239 Способ формирования поверхностного слоя массива льда и состав для его осуществления. // М.В. Загайнов, Г.П. Яковлев, В.А. Тычина, С.А. Ершов, A.B. Шибаев.

Подписано в печать 14.01.2011г. Печать цифровая. Усл.п.л.1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 239 Отпечатано в типографии «Реглет» 125315 г. Москва, Ленинградский проспект, д.74 к.1 Тел: 790-47-77; 661-60-89

Обозначения.

Введение.

1. Литературный обзор

1.1. Вода - сырье в схеме водоподготовки.

1.2. Характеристики ледовых покрытий.

1.3. Основные способы очистки воды.

2. Анализ технологической схемы водоподготовки ледовой арены ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт»

2.1. Типовая технологическая схема водоподготовки.

2.2. Результаты мониторинга воды.

2.3. Результаты анализа типовой технологической схемы водоподготовки.

3. Модернизация типовой технологической схемы водоподготовки путем исключения части оборудования

3.1. Модернизированная технологическая схема водоподготовки.

3.2. Расчет стоимости модернизированной схемы водоподготовки (варианты 1а и 16).

3.3. Расчет себестоимости очищенной воды для типовой схемы и двух модернизированных схем водоподготовки.

3.4. Анализ себестоимости очищенной воды.

3.5. Основные параметры схемы водоподготовки, полученной путем модернизации типовой технологической схемы (вариант 1).

4. Использование концентрата и воды из ледовой стружки для повышения эффективности водоподготовки.

4.1. Определение области допустимых значений селективности мембраны и степени отбора растворителя узла обратного осмоса.

4.2. Анализ воды полученной из ледовой стружки.

4.3. Математическая модель работы узла обратного осмоса при использовании в качестве сырья воды после ионного обмена, концентрата и воды из ледовой стружки

4.4. Анализ работы узла обратного осмоса при использовании в качестве сырья воды после ионного обмена, концентрата и воды из ледовой стружки.

4.5. Экономический анализ схем водоподготовки.

Выводы.

В связи с увеличивающимся потреблением воды и расширением области ее использования, а также со снижением ее качества проблема очистка воды продолжает быть актуальной. Одной из областей использования питьевой воды является формирование льда для спортивных соревнований в крытых ледовых комплексах, количество которых в последнее время резко увеличивается. Система водоподготовки должна обеспечивать стабильную степень очистки для создания льда, соответствующего требованиям разных видов спорта.

Ледовое покрытие спортивных комплексов имеет очень сложную многослойную структуру. Верхний тончайший слой — сверхмягкий для улучшения скольжения, нижние слои - предельно твердые и прочные для того, чтобы предотвратить глубокое врезание конька в лед и, тем самым, уменьшить трение. Для каждого вида спорта лёд имеет определенную температуру, структуру и прочность.

На показатели качества льда (деформативная прочность, прозрачность, отсутствие грязных осадков неоднородных включений, микропузырьков газов), влияют условия создания льда и качество воды. Технология создания ледового покрытия включает методику нанесения воды, способы снятия внутренних напряжений, "отжиг" льда, последующее его механическое "прокатывание", состругивание поверхностного слоя, в который вытесняются все остаточные примеси, определяет скорость намораживания льда, толщину наносимого слоя и т.д. Кроме технологических параметров создания ледового покрытия на его качество оказывает большое влияние степень очистки воды, которое обеспечивается требуемым уровнем стадии водоподготовки.

Вода для создания ледового покрытия должна иметь параметры на выходе из водоподготовки не ниже:

• мутность — не более 0,5 мг/л\

• содержание остаточного свободного хлора - менее 0,1 мг/л;

• жесткость — не более 0,5 мг-экв/л;

• содержание кислорода - не более 2 мг/л;

• содержание углекислоты - не более 4 мг/л\

• общая минерализация - не более 1 мг/л;

• температура на выходе:

• + 50°С для заправки ледовых комбайнов и заливки льда.

Также необходимым условием производства льда является создание высокоэффективных технологий, к которым предъявляется ряд принципиальных требований. Прежде всего, эти технологии должны быть энерго- и ресурсосберегающими, а также экологически безопасными. Рациональное использование энергии и материалов при одновременном решении задач, связанных с охраной биосферы от диспропорций особенно важно.

Литературный обзор

выводы

Оценена эффективность работы технологической схемы подготовки воды в ГУ «Дворец спорта «Мегаспорт» (Ходынское поле г. Москва). Путем продолжительного мониторинга работы отдельных стадий (в течение 8 месяцев) показано отсутствие необходимости операций грубого фильтрования и хлорирования воды.

Экспериментально доказана возможность использования в качестве исходного сырья воды, полученной из отработанного ледового покрытия, а также смеси воды из отработанного ледового покрытия и концентрата узла обратного осмоса.

Разработана математическая модель функционирования основного узла схемы. - обратного осмоса - в периодическом режиме, которая показала возможность использования концентрата и воды из стружки отработанного ледового покрытия в качестве сырья. Полученные соотношения позволяют определить предельную концентрацию любого компонента в фильтрате и время работы контура.

Предложены- два варианта модернизации технологической схемы водоподготовки в ГУ «Дворец, спорта «Мегаспорт», заключающиеся в сокращении числа1 аппаратов и организации рецикла смеси воды из отработанного ледового покрытия и концентрата. Разработанные модернизированные схемы позволяют существенно уменьшить число аппаратов в схеме водоподготовки и снизить расход исходной воды.

Анализ предложенных технологических схем водоподготовки показал, что экономические эффекты от реализации:

- первого варианта (полученного путем модернизации типовой схемы) составляет - 3 789 225 руб;

- третьего варианта (усовершенствованной схемы водоподготовки с рециклом концентрата и воды из ледовой стружки) - 3 911 971 руб.

1. Абрамов H.H. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд.2-е перераб., М., Стройиздат, 1974.-480 с.

2. Рабочая документация. Водоподготовка. Технология производства. Ледовый дворец спорта на Ходынском поле. М., 2006.

3. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".

4. Громогласов A.A., Копылов A.C., Пильщиков А.П. Водоподготовка: Процессы и аппараты. Под ред. Мартыновой О.И. — М.: Энергоатомиздат, 1990. -272 с.

5. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. — М.: Стройиздат, 1971. 302 с.

6. Толковый словарь по химии и химической технологии. Основные термины. Под ред. Лебедева Ю.А. М.: Русский язык, 1987. - 528 с.

7. Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды. М.: Высшая школа, 1983.-280 с.

8. Апельцин И.Э., Клячко В.А. Опреснение воды. М.: Стройиздат^ 1968. -222 с.

9. Миклашевский Н.В., Королькова С.В: Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. СПб.: Издательская группа «Арлит», 2000. - 240 с.

10. Богородский В.В., Таврило В.П. Лёд.: Гидрометеоиздат, 1980.

11. Гончарова Г.Ю., Кузнецов Б.А., Артемов Е. Сверхбыстрый лед: от иллюзии к реальности. // Холодильный бизнес. 2005, № 1. С. 8-11.

12. Гончарова Г.Ю. Современная технология создания ледового покрытия для различных видов спорта или ледовая гомеопатия. // Холодильная техника. 2007, № 7. С. 12-16.

13. Katutosi Tusima. Challange to Skating Rink by an Ice-stalagmite, 1999.

14. Henk Gemser, Jos de Koning, Gerrit Jan van Ingen Schenau. Handbook of Competitive Speed Skating, 1999.

15. Физика и механика льда. M. : Мир, 1983.

16. Гончарова Г. Ю., Загайнов М.В. Скоростной лед Крылатского. // Холодильная техника. 2006, № 7. С. 10-15.

17. Шавлов A.B., Писарев А. Д., Гончарова Г.Ю., Калуцких H.H. Сверхбыстрый лед: иллюзии и реальность. // Холодильный бизнес. 2004, № 11. С. 4-6.

18. Шавлов A.B., Писарев А.Д., Гончарова Г.Ю., Калуцких H.H. Сверхбыстрый лед: иллюзии и реальность. // Холодильный бизнес. 2004, № 12. С. 8-11.

19. Шавлов A.B., Рябцева A.A., Шавлова В.А. «Сверхскользкий лед» для конькобежного спорта. // Криосфера Земли. 2007, т. XI, №2. С. 49-59.

20. Кузнецов Б.А., Гончарова Г.Ю., Леппянен X. Ледоварение: физика и практика. // Холодильная техника. 2003, № 11. С. 36-39.

21. Шавлов A.B. Лед при структурных превращениях. Новосибирск, Наука. Сиб. отделение, 1996. - 188 с.

22. Штремель М.А. Разрушение. // Соровский образовательный журнал. 1997, №4. С. 91-98.

23. Сайт КП «Спортивный комплекс «Крылатское» http://www.skating-palace.ru/about/fakt/ice/.

24. Tusima К. A review on mechanisms of friction of ice. // Lubriication. 1976, vol. 21, No. 5, p. 287-294.

25. Tusima K. Challange to skating rink by an iceestalagmite. // Refrigeration. 1999, vol. 74, No. 855, p. 24-26.

26. Tusima K., Kiuchi T. Development of highhspeed iceeskating rink. // Seppyo. J. Jap. Soc. of Snow and Ice. 1998, vol. 60, No. 5, p. 349-356.

27. Katutosi Tusima. A Review on Mechanisms of Friction of Ice, 1976.

28. Шавлов A.B., Писарев А.Д., Гончарова Г.Ю. Наш лед самый скользкий в Европе. // Холод*ОК. 2005, июнь, С. 23-28.

29. Шавлов А.В. Механизм накопления ориентационных дефектов на фронте кристаллизации воды. // Криосфера Земли. 1998, т. II, № 2. С.58-64.

30. Инженерный справочник. Таблицы DPVA. info, http://www.dpva.info/.

31. Gemser Н., Jos. de Koning, Gerrit Jan van Ingen Schenau. Handbook of competitive speed skating. Leeuwarden. The Netherlands, Eisma publ. eleeuwarden. 1999, p. 215.

32. Гончарова Г.Ю., Белозеров Г.А., Загайнов M.B., Панов Г.М. Физические основы создания льда с заданными свойствами для конькобежцев. International Congress of refrigeration Beijing, China. 2007.

33. Шавлов А.В. Трехуровневая модель накопления дефектов в процессе роста льда из жидкой воды. // Журн. структур, химии. 1997, т. 38, № 3. С. 511-515.

34. F. P. Bowden and D. Tabor. The Friction and Lubrication of Solids И, 1964.

35. Katutosi Tusima and Toshihiro Kiuchi. Development of high-speed iceskating rink, 1998.

36. Ледовые нанотехнологии. // Строительство и эксплуатация. 2007, № 10 (21).

37. Гончарова Г. Ю., Нефедкин С.И., Загайнов М.В. Разработка физико-химических методов создания «скоростного льда». // Альтернативная энергетика и экология. 2009, № 5. С. 68-73.

38. Гончарова Г. Ю., Печурица А. Н., Осипова А. П., Петроградский А. Н. Новый этап развития ледовых технологий. // Холодильная техника. 2009, №5. С. 18-24.

39. H.F. Perry. Answer to Question. What conditions determine crystal growth? // American Journal of Physics 69. 2001, № 2. p. 106-109.

40. Архаров H.A., Гончарова Г.Ю. Экспериментальное исследование ледовых структур, модифицированных полимерами. // Холодильная техника. 2010, № 11. С. 2-6.

41. Водоподготовка. Справочник для профессионалов. Под редакцией Беликова С.Е. М.: Акватерм, 2007. - 240 с.

42. Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский A.A. Подготовка воды для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения. М.: Высш. шк., 1984.-368 с.

43. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004. -328 с.

44. Амосова Э.Г., Долгополов П.И. Применение карбоксильных катионитов и органопоглощающих анионитов в технологии подготовки воды в котельных. // Энергосбережение и водоподготовка. 2003, № 1. С. 25-28.

45. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. М.: МГУ, 2003. - С. 11.

46. Ушаков Е.В., Семенова И.В. К вопросу выбора метода локальной подготовки глубокоочищенной воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2010, № 1. С. 17-19.

47. Лившиц М.Ю., Солодянникова Ю.В., Солодянников В.В. Системные принципы выбора технологии водоподготовительных установок. // Энергосбережение и водоподготовка. 2009, № 5. С. 9-11.

48. Жужиков В.А. Фильтрование. М.: Химия, 1971. - 440 с.

49. Сакаш Г.В. Технико-экономическая эффективность применения для осветления воды патронных фильтров. // Энергосбережение и водоподготовка. 2007, № 2. С. 23-24.

50. Сакаш Г.В. Очистка воды на керамических фильтрах: монография. Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2005. -118 с.

51. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л.: Стройиздат, 1985. - 118 с.

52. Гаязов Р.Г., Шишмаков С.Ю., Никифоров А.Ф. Выбор фильтрующего материала. // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 4. С. 27.

53. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов: Изд-во Львовского университета, 1980. — 199 с.

54. Сакаш Г.В. Механизм задержания взвеси и рекомендуемый метод расчета керамических фильтров. // Энергосбережение и водоподготовка. 2007, № 6. С. 12-14.

55. Беленко Е.В., Вахрушев Л.П. Расчет допустимых пределов варьирования скорости фильтрации через слой сорбента. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005, № 5. С. 33-34.

56. Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. М.: Стройиздат, 1978. - 160 с.

57. Драгинский B.JL, Алексеева Л.П. Очистка подземных вод от железа, марганца и органических соединений. // Водоснабжение и санитарная техника. 1997, № 12. С. 16-19.

58. Курочкин Е.Ю. Очистка загрязненных промывных вод станций обезжелезивания вакуум-фильтрованием: Дис. канд. техн. наук. — Новосибирск, 2003.-200 с.

59. Федоренко В.И. Обезжелезивание технологической воды методом многослойного фильтрования. // Ликероводочное производство и виноделие 2000, № 8. С. 6-8.

60. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Долгополов А.П. Изучение новых фильтрующих материалов для обезжелезивания воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005, № 3. С. 8-11.

61. Рябчиков Б.Е. Современные методы обезжелезивания и деманганации природной воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005, № 6. С.5-11.

62. Семенова И.В., Хорошилов A.B. Условия осаждения железа из воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 5. С. 6.

63. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Гутникова Р.И., Долгополов А.П. Сорбция соединений железа на слабоосновных анионитах. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005, № 6. С. 11-17.

64. Хорошилов A.B. Остаточные концентрации двух-и трёхвалентного железа в воде при обработке его щелочными реагентами. // Энергосбережение и водоподготовка. 2003, № 4. С. 30-34.

65. Гребенюк В.Д., Мазо A.A. Обессоливание воды ионитами. М.: Химия, 1980.-256 с.

66. Фейзиев Г.К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессоливания воды. -М.: Энергоатом-издат, 1988. 192 с.

67. Гаврилов В.Н., Окунь Я.З., Станчик И .Я., Привалов H.A. Эксплуатация установки химического обессоливания с сокращенными расходами реагентов. // Электрические станции. 1993, № 8. С. 35-37.

68. Громов C.JI. Выбор анионита для эффективного удаления органических примесей из природной воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2003, № 1. С. 41-43.

69. Ларин Б.М., Виноградов В.Н., Ларин А.Б. и др. Исследование импортных ионитов для обработки природных вод с повышенным содержанием органических примесей. // Теплоэнергетика. 2006, №8. С. 10-13.

70. Очков В.Ф., Пильщиков А.П., Чудова Ю.В. Открытые расчеты по ионитам. // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 1. С. 15-17.

71. Громов С.Л. Критические параметры обратного осмоса и противоточного ионного обмена. // Энергосбережение и водоподготовка. 2004, № 5. С. 13-14.

72. Озерова С.Л. Прогноз-расчет подбора ионитов для схем полного химического обессоливания. // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 1.С. 12-14.

73. Бушуев E.H., Гостьков B.B. Контроль качества ионитов для обессоливания природной воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2008, № 3. С. 2-7.

74. Стандарт организации. Основные требования к применению ионитов на водоподготовительных установках тепловых электростанций. Технологические рекомендации по диагностике их качества и выбору. СТО ВТИ 37.002-2005. - М.: ОАО «ВТИ», 2006.

75. Солодянникова Ю.В., Васильев В.В., Цабилев О.В., Киселев Ю.С. Снижение отходов при производстве химически очищенной и обессоленной воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2010, № 4. С. 8-12.

76. Мазаев В.Т., Шелепина Т.Г., Мандрыгин В.И. Контроль качества питьевой воды. -М.: Колос, 1999. 168 с.

77. Юрчевский Е.Б., Цырульников Д.Л., Карелин Ф.Н. Совершенствование экологических характеристик водоподготовительного оборудования. // Тяжелое машиностроение. 1990, № 9. С. 27-30.

78. Хапонен H.A., Кокошкин Л.К., Александров Л.К. Организация представительного контроля содержания растворенного кислорода в аэрированной воде промышленных энергетических установок. // Энергосбережение и водоподготовка. 2004, № 4. С. 18-20.

79. Хванг С.Т., Каммермеер К. Мембранные процессы разделения. М.: Химия, 1981.-464 с.

80. Брок Т. Мембранная фильтрация. М.: Мир, 1987. - 464 с.

81. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978.-352 с.

82. Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом. М.: Стройиздат, 1988.-208 с.

83. Кременевская Е.А. Мембранная технология обессоливания воды. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 158 с.

84. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986.-272 с.

85. Wijmans J.G., Baker R.W. The solution-diffusion model: a review. // J.Memr. Sci. 1995, No. 107, pp. 1-21.

86. Rangarajan R., Majid M.A., Matsuura T., Sourirajan S. Predictability of membrane performance for mixed-solute reverse osmosis systems.4.System: cellulose acetate-nine seawaters ions-water. // Ind. Eng. Chem. Pro. Des. Dev. 1985, No. 24, p. 977.

87. Брык M.T., Цапкж E.A., Твердый A.A. Мембранная технология в промышленности. Киев: Тэхника, 1990. - 247 с.

88. Слесаренко В.В., Лебедь Д.В., Андреев Л.Е. К определению характеристик обратноосмотической установки. // Энергосбережение и водоподготовка. 2007, № 3. С. 10-12.

89. Taniguchi M., Kimura S. Estimation of transport parameters of RO membrane for seawater desalination. //AIChE J. 2000, v 46, No. 10, pp. 1967-1973.

90. Sourirajan S. Reverse osmosis. Academic Press., N.I., 1970. - p. 360.

91. Rautenbach R. and Albrecht R. Membrane Processes. N.Y.: John Wiley, 1989.-p. 387.

92. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. M.: Химия, 1980. - 232 с.

93. Mukherjee P., SenGupta A.K. Some observations about electrolyte permeation mechanism through reverse osmosis and nanofiltration membranes. // J.Memr. Sci. 2006, No. 278, pp. 1-21.

94. Reusch C.F., Cussler E.L. Selective membrane transport. // AIChE J. 1973, No. 19, pp. 4-11.

95. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999. -513 с.

96. Koros W.J., Fleming G.K., Jordan S.M., Kim Т.Н., Hoehn H.H. Polymeric membrane materials for solution-diffusion-based permeation separations. // Prog. Polym. Sci. 1988, No. 13, pp. 339-401.

97. PCI Membranes / www.pcimem.com<http://www.pcimem.com>.

98. Дубяга В.П., Перепечкин Л.П., Каталевский Е.Е. Полимерные мембраны. -М.: Химия, 1981.-231 с.

99. Орлов Н.С. Методология разработки комплексных систем очистки жидких технологических сред на основе баромембранных процессов.: Дисс. докт. техн. наук. М., РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000 - 405 с.

100. Слесаренко В.В., Андреев JI.E. Особенности применения мембранных технологий водоподготовки на ТЭС Дальневосточного региона. // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 5. С. 18-20.

101. Первов А.Г., Павлов Ю.В., Жабин Г.Г. Новейшие технологии подготовки воды в централизованном водоснабжении на основе мембран. //Водоснабжение, трубы, арматура. 2003, № 1. С. 5-8.

102. Обратный осмос и ионный обмен. М.: Экология производства №1 (2), 2006.

103. Kamalesh К. S., Goruganthu Н. R. Short cut design methods for reverse osmosis separation with tubular modules. // Desalination. 1983, V. 48, Issue l,pp. 25-42.

104. Nordin A.K., Jonsson A. Optimisation of membrane area and energy requirement in tubular membrane modules. // Desalination. 2006, V. 199, NN. 1-3, pp. 94-95.

105. Первов А.Г., Юрчевский Е.Б. Использование мембранных технологий в системах водоподготовки энергетических объектов. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005, № 5. С. 10-14.

106. Первов А.Г., Кондратьев В.В., Спицов Д.В. Новые тенденции в применении мембранных технологий для водоподготовки. // Энергосбережение и водоподготовка. 2007, № 6. С. 6-8.

107. Parekh B.S. Reverse Osmosis Technology: Applications for High-purity-water Production. Marcel-Dekker, N.Y., 1988.

108. Kim Y.M., Kim S.J., Kim Y.S., Lee S., Kim L.S., Kim J.H. Overview of systems engineering approaches for a large scale seawater desalination plant with a reverse osmosis network. // Desalination, Volume 238, Issues 1-3, March 2009, pp. 312-332.

109. Кафаров B.B., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991. - 400 с.

110. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию, под ред. Дытнерского Ю.И. М.: Химия, 1983.272 с.

111. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977.-424 с.

112. ГОСТ 15518-87. Аппараты теплообменные пластинчатые. Типы, параметры и основные размеры.