На правах рукописи
Специальность 05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Кинетика обратноосмотической очистки минерализированных растворов предприятий ТЭЦ
Мамонтов Василий Васильевич
Тамбов
2007
Диссертация выполнена на кафедре «Прикладная геометрия и компьютерная графика» ГОУ ВПО «тамбовский государственный технический университет».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лазарев Сергей Иванович
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор химических наук, профессор Шапошник Владимир Алексеевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Клиот Михаил Беньяминович
Ведущая организация ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИИТиН), г. Тамбов
Защита состоится 2007 г. на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, корп. «Б».
Автореферат разослан 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.М. Нечаев
Подписано в печать 02.10.2007
Формат 60 Ч 84/16. 0,93 усл.-печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 628
Издательско-полиграфический центр ТГТУ
392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту В.Л. Головашину за научные консультации при выполнении данной работы.
Актуальность исследования. Важная роль в развитии мировой химической промышленности, энергетики и транспорта отведена прогрессивным методам мембранной технологии. В последнее время во всем мире данная технология широко используется для разделения водных растворов солей в процессе водоподготовки, выделения вредных и ценных компонентов и очистки сточных вод.
Данная работа направлена на изучение и применение обратноосмотической очистки минерализированных растворов предприятий ТЭЦ и выполнена в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2007 гг.», по теме «Теоретические и прикладные аспекты электробаромембранного выделения и целевого получения веществ из промышленных стоков» (регистрационный номер РНП.2.1.2.1188).
В работе использовались материалы трудов отечественных и зарубежных ученых Ю.И. Дытнерского, Ф.Н. Карелина, Н.И. Николаева, Е.Е. Каталевского, С.Т. Хванга, К. Каммермейера, А.П. Перепечкина, М. Мулдера, В.П. Дубяги, В.И. Заболоцкого, В.А. Шапошника, В.В. Котова, К.К. Полянского, В.И. Коновалова, В.Б. Коробова, С. Саурираджана, Т. Маццуры, Р.Е. Кестинга и др.
Целью данной работы является установление закономерностей кинетики массопереноса в процессе обратноосмотической очистки минерализированных растворов предприятий ТЭЦ.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Разработаны конструкции экспериментальных установок и методики для исследования кинетических характеристик обратноосмотической очистки минерализированных растворов.
Проведены экспериментальные исследования кинетических характеристик процесса обратноосмотической очистки минерализированных растворов и влияния физико-химических факторов на процесс разделения.
Разработана математическая модель массопереноса при обратноосмотическом разделении минерализированных водных растворов с учетом влияния основных параметров процесса.
Разработана инженерная методика расчета обратноосмотического аппарата трубчатого типа.
Разработана и запатентована конструкция мембранного аппарата трубчатого типа для обратноосмотической очистки минерализированных растворов. обратноосмотический минерализированный водный трубчатый
Модернизирована технологическая схема очистки промышленных минерализированных растворов предприятий ТЭЦ.
Научная новизна. Впервые разработаны установка трубчатого типа и методики для проведения экспериментальных исследований по определению диффузионной и осмотической проницаемостей мембран.
Впервые получены экспериментальные данные по диффузионной и осмотической проницаемостям мембран (ОПМ-К, МГА-95 и ESPA) на установке трубчатого типа для водных растворов сульфата натрия, сульфата кальция, сульфата магния и сульфата железа в зависимости от температуры, концентрации и вида растворенных веществ и мембран.
Разработана математическая модель процесса обратноосмотической очистки растворов, позволяющая рассчитывать среднее значение рабочего давления по длине кольцевого канала в мембранном аппарате трубчатого типа.
Практическая ценность. Получены экспериментальные данные по коэффициенту задержания и удельной производительности для растворов малой минерализации (речная вода и циркуляционный раствор предприятия ОАО «Тамбовская генерирующая компания № 4», ТЭЦ, г. Тамбов) и повышенной минерализации (промышленные стоки предприятия ОАО «ТГК-4») в зависимости от градиента давления и вида растворенных веществ и мембран.
Разработана и запатентована новая конструкция мембранного аппарата трубчатого типа (патент РФ № 2273512).
Предложена модернизированная технологическая схема подготовки технических растворов ТЭЦ. Включение дополнительной стадии обратноосмотического разделения в схему подготовки технических растворов ТЭЦ позволит повысить качество очистки промышленных растворов (снизить общее содержание солей в технических растворах в 5 раз, жесткость в 5 - 9 раз), тем самым обеспечить стабильный режим работы технологического оборудования.
Результаты исследований были использованы на предприятии ОАО «ТГК-4» (ТЭЦ, цех химической очистки) для разработки промышленной технологической схемы очистки растворов с рассчитанным экономическим эффектом 175 тыс. р. в год по ценам 2007 года.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепломассобменных процессов, промышленная безопасность и экология» 16 - 18 мая 2005 г. (г. Казань); Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН-2004» (г. Воронеж, 2004 г.); XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Воронеж, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития» (г. Тамбов, 2004 г.);
Публикации. Материалы диссертации изложены в 13 публикациях, из которых 7 опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, и одном патенте.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и обобщающих выводов, списка используемых источников и приложения. Диссертация содержит 193 страницы текста, в том числе 53 рисунка, 17 таблиц, список используемых источников включает 119 наименований отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность исследуемой темы. Сформулированы цель и задачи исследования. Обозначены научная новизна и практическая ценность работы. Предоставлены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены существующие методы разделения промышленных водных растворов. Указаны область применения, преимущества и недостатки данных методов. Произведен обзор работ, посвященных мембранному разделению растворов. Представлен обзор конструкций мембранных аппаратов и установок. Приведены основные виды обратноосмотических мембран и гипотезы механизма массопереноса через них. Произведен анализ явления массопереноса и основных кинетических характеристик для процессов обратного осмоса. Проанализированы существующие математические модели и инженерные методики расчета обратноосмотических процессов и аппаратов.
Во второй главе приводится описание усовершенствованных методик проведения экспериментальных исследований кинетических характеристик процесса обратноосмотического разделения с применением промышленных мембран (ОПМ-К, МГА-95 и ESPA). В качестве объектов исследования использовались модельные и реальные минерализированные растворы.
Исследования коэффициента задержания и удельной производительности мембран проводились на экспериментальной обратноосмотической установке, схема которой изображена на рис. 1.
Значение коэффициента задержания определяли по формуле:
. (1)
Значение удельной производительности рассчитывали по зависимости:
, (2)
где V - объем пермеата.
Исследования диффузионной и осмотической проницаемостей мембран проводились на установке, схема которой представлена на рис. 2.
Коэффициент диффузионной проницаемости рассчитывали по формуле:
, (3)
где V2 - объем исследуемого раствора в емкости 3; С1,2 - концентрации растворенного вещества в емкостях 2 и 3 соответственно.
Осмотический поток растворителя через мембрану рассчитывали по формуле:
, (4)
где Росм - коэффициент осмотической проницаемости, определяемый по формуле:
, (5)
где V3 - объем перенесенного растворителя.
Коэффициента распределения рассчитывали по формуле:
, (6)
где См - концентрация растворенного вещества в мембране.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований и анализ полученных данных по изучению кинетических характеристик процесса массопереноса при обратноосмотическом разделении минерализированных растворов. Исследования проводились при варьировании рабочего давления и концентраций минерализированных растворов. В результате исследований были получены зависимости для коэффициента задержания, удельной производительности, диффузионной и осмотической проницаемостей мембран и коэффициента распределения.
На рис. 3 показана зависимость коэффициента задержания мембран МГА-95 и ESPA от давления по отдельным компонентам раствора промышленных стоков (цех химической очистки, ТЭЦ, г. Тамбов).
Рис. 3. Зависимость коэффициента задержания мембран МГА-95 (а) и ESPA (б) от давления по отдельным компонентам раствора промышленных стоков: 1 - по ионам железа; 2 - по ионам магния; 3 - по ионам кальция; 4 - по сульфатам; сплошная линия - эксперимент; штриховая - расчет
Из приведенных на рис. 4 зависимостей видно, что увеличение рабочего давления приводит к снижению значений коэффициента задержания для всех исследуемых типов мембран. Это обусловлено увеличением влияния концентрационной поляризации на процесс массопереноса.
Коэффициент задержания зависит от вида мембран. У зарубежной мембраны ESPA его значения выше, чем у мембран МГА-95 (рис. 3). Это связано с различием в пористой структуре активного слоя мембран.
На рис. 4 представлена зависимость удельной производительности мембран МГА-95 и ESPA от рабочего давления.
Из рис. 4 видно, что при повышении давления происходит рост удельной производительности. Повышение удельной производительности наблюдается вследствие увеличения конвективного потока растворителя через мембрану.
На рис. 5, 6 показаны зависимости диффузионной и осмотической проницаемостей мембран МГА-95 и ESPA от концентрации и температуры модельных растворов сульфата кальция и сульфата магния.
Из рис. 5 следует, что коэффициент диффузионной проницаемости для всех исследованных растворов и мембран уменьшается с увеличением концентрации. Это связано с уменьшением сечения пор в результате сорбции мембраной растворенного вещества и образованием пространственных структур.
С повышением температуры раствора значение коэффициента диффузионной проницаемости увеличивается для всех исследуемых систем раствор - мембрана.
Рис. 4. Зависимость удельной производительности G (м3/(м2 с)) мембран МГА-95 (а) и ESPA (б) от давления P (МПа): 1 - речная вода в районе гостиницы «Турист» (Пригородный лес, г. Тамбов); 2 - речная вода в районе базы отдыха «Сосновый угол» (Пригородный лес, г. Тамбов); 3 - речная вода в районе набережной, г. Тамбов; 4 - речная вода (водозабор в районе ТЭЦ, г. Тамбов); 5 - циркуляционный раствор (оборотная вода ТЭЦ, г. Тамбов); 6 - промышленные стоки (цех химической очистки ТЭЦ, г. Тамбов); 7 - речная вода в районе завода ОАО «Пигмент» (г. Тамбов); сплошная линия - эксперимент; штриховая - расчет
Рис. 5. Зависимость диффузионной проницаемости мембран МГА-95 (а, в) и ESPA (б, г) от концентрации и температуры растворов сульфата кальция (а, б) и сульфата магния (в, г): 1 - Т = 295 К; 2 - Т = 300 К; 3 - Т = 305 К; 4 - Т = 318 К; сплошная линия - эксперимент, штриховая - расчет
Это соответствует общепринятым представлениям о влиянии температуры на диффузионную проницаемость воды в полимерах.
На рис. 6 показаны зависимости осмотической проницаемости мембран ESPA и ОПМ-К от температуры и концентрации водного раствора сульфата магния. С ростом концентрации магния осмотическая проницаемость мембран возрастает в результате повышения осмотического давления раствора.
На рис. 7 приведены зависимости сорбции растворенных веществ мембраной ОПМ-К для растворов сульфата кальция и сульфата магния.