Установки вымораживания. 
Охрана окружающей среды: процессы и аппараты защиты гидросферы

Процесс вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей.

Если снижение температуры в процессе замораживания идет медленно, то образуются сравнительно крупные игольчатые кристаллы со значительно меньшим включением рассола, что способствует при оттаивании получению менее минерализованной воды. При быстром проведении процесса образуются меньшие кристаллы, лсд имеет губчатую структуру. Это затрудняет отделение мсжкристаллитного рассола, и при оттаивании получаемая пресная вода отличается повышенным содержанием солей. Исходя из этого, процесс вымораживания проводят при режимах медленного переохлаждения.

Установлено также, что выпадению из раствора каждой соли соответствует своя температура охлаждения, например: -0,15°С для СаО; -0,7°С для Na, S0₄; -1,91°С для СаСО,; -6°С для MgS0₄; -21,9°С для NaCl₂; -55°С для СаС1₂. Если в растворе находится не одна соль, а несколько, то температура замерзания такого раствора будет ниже. Например, раствор Na₂S0₄ в присутствии других солей имеет температуру замерзания не -0,7, а -8,2°С.

Разность между температурой замерзания чистого растворителя t_] и раствора t₃' называют понижением температуры замерзания раствора = t' - t₃). Понижение температуры замерзания для разбавленных растворов неэлектролитов пропорционально концентрации раствора:

где К — криоскопическая константа растворителя, зависящая только от природы растворителя (но не растворенного вещества), для воды К = 1,85; ш — молярная концентрация.

Вымораживание можно проводить под вакуумом либо при помощи специального холодильного агента. Схема установки концентрирования растворов вымораживанием под вакуумом представлена на рис. II-102,а.

Лед образуется в кристаллизаторе при подаче в него предварительно охлажденного раствора. Кристаллы льда выделяются из суспензии в промывной колонне, а затем плавятся в конденсаторе-плавителе. Для сжатия водяного пара до давления, отвечающего насыщению чистой воды при температуре ее замораживания, используют компрессор. Установки такого типа используют для опреснения соленых вод. Среди их недостатков следует отметить большие габариты и необходимость работать при глубоком вакууме.

Затраты энергии для этих установок составляют 10−12 кВт ч/м³. Себестоимость получаемой опресненной воды низкая.

Схема установки для концентрирования растворов при контактном вымораживании показана на рис. II-102,6.

Сточная вода поступает в теплообменник, где охлаждается уже очищенной водой. Охлажденную воду направляют в кристаллизатор, куда добавляют не смешивающийся с водой хладагент (например, хладоны). Замораживание охлажденного раствора ведут при прямом контакте с хладагентом. При испарении последнего образуется суспензия льда в концентрированном растворе, которая через промывную колонну поступает в плавитель. Пары хладагента сжи;

Рис. II-102. Схема установки концентрирования растворов вымораживанием: а — под вакуумом: I — промывная колонна, 2 — конденсатор-испаритель, 3 — вспомогательная холодильная установка, 4 — компрессор, 5 — кристаллизатор, 6 — теплообменник; б — при контактном вымораживании: 1 — промывная колонна, 2 — смеситель, 3 — конденсатор-плавитель, 4 — вспомогательный компрессор, 5 — главный компрессор, 6 — кристаллизатор, 7 — теплообменник мают и также подают в плавитель, где они конденсируются. Воду и жидкий хладагент разделяют в конденсаторе-гшавителе. Разделение происходит ввиду разности плотности жидкостей.

Наиболее распространенными хладагентами являются аммиак, диоксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны (CC1₂F₂, CC1₃F, CC1F₃) и их оксиды.

Холодильные агенты должны обладать следующими качествами: не смешиваться с опресняемой водой и не быть токсичными веществами (важно при контактном вымораживании); иметь довольно большую теплоту парообразования, чтобы при заданной холодопроизводительности в системе циркулировало меньшее количество хладагента; иметь небольшой объем при температуре испарения и соответствующем давлении; иметь малую вязкость во избежание больших гидравлических потерь в хладопроводах; отличаться малой коррозионной активностью по отношению к конструкционным материалам, а также химической стойкостью; быть доступными и иметь невысокую стоимость.