Кинетика электробаромембранного разделения водных сульфатсодержащих растворов (в производстве оптических отбеливателей)
Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Горбачев Александр Сергеевич
Тамбов 2006
Работа выполнена на кафедрах «Машины и аппараты химических производств» и «Прикладная геометрия и компьютерная графика» Тамбовского государственного технического университета.
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Кормильцин Геннадий Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полянский Константин Константинович
кандидат технических наук, доцент Набатов Вячеслав Александрович
Ведущая организация ОАО «Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов» («НИИхимполимер»), г. Тамбов
Защита состоится «___» декабря 2006 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.
Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.02.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, корп. «Б», а с авторефератом - дополнительно на официальном сайте университета www.tstu.ru
Автореферат разослан «____» ноября 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В.М. Нечаев
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. В последнее время во всем мире происходит интенсивное развитие мембранной технологии. Она широко применяется для разделения водных растворов солей в различных отраслях промышленности. Для интенсификации процесса мембранного разделения необходимы исследования его кинетики, математического описания, а также разработка промышленных технологических схем и аппаратов.
Актуальным является при этом изучение влияния различных физических полей на мембранный процесс и разработка новых методов разделения с учетом этого влияния. Одним из таких методов является мембранный процесс, происходящий при одновременном воздействии градиента давления и электрического потенциала. Электробаромембранная технология - это новое, интенсивно развивающееся направление химической промышленности, которое находится в начале пути своего становления. Основные преимущества электробаромембранной технологии связаны с экологичностью, безреагентностью, малой металло- и энергоемкостью, простотой конструктивного оформления и возможностью концентрирования и выделения из растворов веществ, особенно сложных органических электролитов. Однако применение электробаромембранных методов сдерживается малоизученностью кинетики процесса массопереноса, его математического описания, отсутствием аппаратов для реализации этих методов.
В химической промышленности, например при производстве оптических отбеливателей, сырьем является сульфанилат натрия; при его получении; образуется большое количество промышленных растворов и сточных вод, которые необходимо разделять (очищать, концентрировать).
Работа выполнена в соответствии с договором с ОАО «Пигмент» № 6/04 от 1 марта 2004 г. по теме «Очистка и концентрирование промышленных растворов производств органических полупродуктов и красителей», а также по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2007 гг.», по которой получен грант по теме «Теоретические и прикладные аспекты электробаромембранного выделения и целевого получения веществ из промышленных стоков».
Целью данной работы является установление закономерностей кинетики массопереноса в процессе очистки и концетрирования промышленных сульфатсодержащих растворов электробаромембранными методами, их математическое описание и аппаратурное оформление.
Задачи работы:
1. Провести экспериментальные исследования кинетических характеристик процесса электробаромембранного разделения модельных и реальных растворов производства оптических отбеливателей на мембранах промышленного типа.
2. Разработать математическую модель массопереноса при электробаромембранном разделении растворов с учетов влияния важнейших параметров процесса на коэффициент задерживания и водопроницаемость.
3. Провести экспериментальные исследования адекватности разработанной математической модели на промышленных элементах рулонного типа.
4. Разработать электробаромембранный аппарат рулонного типа и технологические схемы разделения и концентрирования промышленных растворов.
5. Разработать инженерную методику расчета процесса очистки и концентрирования промышленных растворов с применением аппаратов рулонного типа.
Научная новизна. Получены экспериментальные данные по влиянию факторов на коэффициент задерживания как с наложением электрического поля, так и без него при разделении растворов сульфанилата натрия и сульфата натрия мембранами МГА-90Т, ESPA, ОПМ-К, УАМ-50, УПМ-50. Проанализировано и получено модифицированное уравнение для расчета значения коэффициента задерживания при электробаромембранном процессе разделения. кинетика сульфатсодержащий раствор электромембранный
Получены экспериментальные данные для оценки производительности процесса разделения по пермеату и математическое выражение для расчета значений водопроницаемости при разделении водных растворов сульфанилата натрия и сульфата натрия. Установлено изменение значений водопроницаемости при наложении внешних факторов (электрического поля, давления и температуры) на процесс разделения.
Получены аналитические зависимости для описания коэффициентов диффузионной, осмотической и электроосмотической проницаемости для водного раствора сульфанилата натрия от вида мембран, концентрации и температуры раствора. Получены изотермы сорбции мембран, что позволило рассчитать коэффициент распределения растворенного вещества между раствором и мембраной.
Разработана математическая модель, описывающая массоперенос при электробаромембранном разделении водных растворов солей натрия в аппаратах рулонного типа, которая учитывает влияние электрического потенциала на процесс концентрирования.
Практическая значимость. Полученные данные при исследовании процесса электробаромембранного разделения промышленных сульфатсодержащих растворов позволяют создавать новые технологические методы очистки стоков, концентрирования растворов и разрабатывать аппараты для их реализации.
Разработана и запатентована (патент № 2268085) конструкция электробаромембранного аппарата рулонного типа. Предложена инженерная методика расчета этого аппарата, которая позволяет определить необходимую площадь мембран. Разработаны и предложены для практического использования технологические схемы очистки и концентрирования промышленных растворов солей натрия в производстве оптических отбеливателей. Использование этих схем позволяет уменьшить объем сточных вод и использовать полученный концентрат в качестве сырья.
Результаты исследований были использованы оао «Тамбовская генерирующая компания» для разработки промышленных технологических схем очистки растворов с рассчитанным экономическим эффектом 200 тыс. р. в ценах на 2006 г.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопастность и экология» (г. Казань, 2005 г.); Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН-2004» (г. Воронеж, 2004 г.); Российской конференции с международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (г. Туапсе, 2006 г.); XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях»
(г. Воронеж, 2006 г.), а также на научных конференциях аспирантов и преподавателей Тамбовского государственного технического университета (2003-2006 гг.).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 12 публикациях в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций. Предложена конструкция мембранного аппарата, защищенная патентом.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 197 страниц текста, в том числе 56 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, пяти глав и обобщающих выводов, четырех приложений. Список цитируемой литературы включает 127 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Основное содержание работы
Введение. обоснована актуальность исследуемой темы, преимущество применения электробаромембранных методов очистки и концентрирования, основные трудности их внедрения в промышленность. Сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.
1. Обзор литературных данных по кинетике и конструкциям аппаратов для процессов разделения промышленных растворов. Рассмотрены существующие методы разделения промышленных растворов, основные особенности и трудности их использования. Приведена классификация основных типов мембран и мембранных установок, их краткие характеристики. Проанализированы явления переноса в мембранах, наблюдаемые в процессах очистки и концентрирования растворов, рассмотрены основные гипотезы. Проведен анализ существующих уравнений, описывающих перенос веществ в мембранах, в том числе и с наложением электрического поля. Приведены кинетические характеристики и параметры, влияющие на процесс очистки и концентрирования растворов.
2. Методики и установки проведения исследований кинетики массопереноса при мембранном разделении. Для исследования кинетических характеристик процесса электробаромембранного разделения использовались различные типы промышленных мембран.
Рис. 1 Схема электробаромембранной установки
В качестве объектов исследования использовались модельные растворы, а также промышленные стоки, получаемые в процессах синтеза полупродуктов оптических отбеливателей на линиях ОАО «Пигмент» (г. Тамбов). Данные растворы характеризуются тем, что содержат органические и неорганические вещества. В качестве модельных растворов использовались растворы веществ, входящие в состав промышленных стоков. Исследования водопроницаемости и коэффициента задерживания мембран проводились на лабораторной установке, представленной на рис. 1. Основным разделительным элементом установки является рабочая ячейка (3), в которой непосредственно происходит процесс электробаромембранного разделения. Из расходной емкости (1) через систему вентилей раствор нагнетался в камеру разделения плунжерным насосом НД 100/63 (2). Пройдя рабочую ячейку (3), дроссель (4) и ротаметры (5), частично разделенный раствор возвращался обратно в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсаций давления и расхода раствора в системе установлен ресивер (6), который представляет собой цилиндрический сосуд (V = 3,5 л), предварительно заполненный сжатым воздухом до давления, составляющего 30…40 % от рабочего (создаваемого компрессором (9)). Давление в установке контролируется образцовым манометром (8). В качестве измерительного манометра в установке использовался электроконтактный манометр (7), который выключает плунжерный насос с помощью электроконтактного реле при повышении давления выше установленного значения. Расход раствора задавался рабочим ходом плунжерного насоса (2). Температура раствора в системе поддерживалась водяным термостатом (10) и измерялась потенциометром (11) и термометром (12). Регулирование напряжения и, как следствие, плотности тока в процессе электробаромембранного разделения производилось блоком питания (13). Жидкость, прошедшая в процессе разделения через мембраны, собиралась в емкости (14). Регулировка давления в системе осуществлялась игольчатым вентилем (4).
Рис. 2 Установка для изучения диффузного, осмотического и электроосмотического потока
Значение коэффициента задерживания К определяли по формуле
, (1)
где и - концентрация растворенного вещества в пермеате и в исходном растворе соответственно.
Значение водопроницаемости G рассчитывали по зависимости
, (2)
где V - объем пермеата; F - рабочая площадь мембраны; - время процесса.
Исследования диффузионной, осмотической и электроосмотической проницаемости мембран проводились на установке, изображенной на рис. 2.
Установка состоит из двух камер (I, II), выполненных из оргстекла, между которыми герметично закреплен образец мембраны (1) и между двумя перфорированными пластинами (13) из диэлектрического материала для обеспечения жесткого положения мембраны. Для исходного и отработанного раствора имеются емкости (2-5). Ячейка снабжена электродами (10) и электромагнитными мешалками. Для создания электрического потенциала служит источник постоянного тока (9), а для измерения и контроля напряжения и значения электрического тока в цепь включены вольтметр (7) и амперметр (8). Уровни жидкости определяли капиллярами (11, 12).
Коэффициент диффузионной проницаемости рассчитывали по формуле
. (3)
Коэффициент осмотической проницаемости рассчитывается по объему перенесенного растворителя и рабочим параметрам:
(4)
где V - объем перенесенного растворителя; д - толщина набухшей мембраны; S - рабочая площадь набухшей мембраны; С1,2 - концентрации растворенного вещества в камерах I и II; ф - время процесса.
Коэффициент электроосмотической проницаемости рассчитывали как
, (5)
где V - объем воды, прошедшей через мембрану; F - рабочая площадь мембраны; I - плотность тока.
Для изучения коэффициента распределения растворенного вещества между растворителем и мембраной была разработана методика для исследования сорбционных свойств мембран.
3. Экспериментальные исследования и их анализ. Важными характеристиками процесса обратного осмоса являются коэффициент задерживания и водопроницаемость. Они исследовались как при наложении электрического поля, так и без. Влияние электрического поля изучали на мембранах МГА-90Т и ESPA и на растворах сульфанилата натрия концентрации 10, 50, 100 кг/м3 при изменении плотности тока от 0 до 2 А/м2. Значение коэффициента задерживания для сульфанилата натрия определяли по содержанию анионов n-аминобензольной кислоты в растворе, которые получаются при диссоциации сульфанилата натрия в растворе. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.