Автореферат: Кинетика обратноосмотической очистки минерализированных растворов предприятий теплоэлектроцентрали

Как видно из рис. 7, с ростом концентрации исходного раствора сорбционная способность мембран возрастает, а с ростом температуры падает, так как при увеличении температуры повышается растворимость веществ в растворе.

Рис. 6. Зависимость осмотической проницаемости мембран ОПМ-К (а) и ESPA (б) от концентрации и температуры раствора сульфата магния:1 - Т = 295 К; 2 - Т = 300 К; 3 - Т = 305 К; 4 - Т = 318 К; сплошная линия - эксперимент; штриховая - расчет

Рис. 7. Сорбция растворенных веществ мембраной ОПМ-К: а - сульфат кальция; б - сульфат магния; 1 - Т = 293 К; 2 - Т = 303 К; 3 - Т = 312 К; 4 - Т = 323 К; сплошная линия - эксперимент, штриховая - расчет

При расчете коэффициента задержания мембран использовалась модифицированная формула Б.В. Дерягина, Н.В. Чураева, Г.А. Мартынова, В.М. Старова, которая для наших исследований имеет вид:

, (7)

где k1, k2, k3 - коэффициенты, зависящие от типа исследуемого раствора и мембраны (табл. 1).

Для расчета удельной производительности мембран получено выражение:

, (8)

где С - концентрация растворенного вещества в растворе, кг/м3; k1, k2, k3, k4 - эмпирические коэффициенты (табл. 2).

Для расчета коэффициента диффузионной проницаемости была использована аппроксимационная зависимость:

, (9)

где k1, k2, k3, k4 - коэффициенты, зависящие от типа исследуемых растворов и мембран (табл. 3).

Для расчета осмотического потока растворителя через мембрану получено уравнение вида:

, (10)

где k1, k2, k3 - эмпирические коэффициенты (табл. 4).

При описании сорбционных характеристик мембран использовали аппроксимационное уравнение следующего вида:

, (11)

где и, n, m - экспериментальные коэффициенты (табл. 5); Т0 - реперная температура (принятая нами 293 К).

Таблица 1 - Коэффициенты для формулы (7)

Таблица 2 - Коэффициенты для формулы (8)

Таблица 3 - Коэффициенты для формулы (9)

Таблица 4 - Коэффициенты для формулы (10)

Таблица 5 - Коэффициенты для формулы (11)

Четвертая глава посвящена математическому описанию процесса массопереноса, проверке адекватности математической модели и инженерной методике расчета обратноосмотического аппарата трубчатого типа.

Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать в зависимости от времени проведения процесса объем и концентрацию в емкости исходного раствора, концентрацию и удельную производительность пермеата на выходе из обратноосмотического аппарата трубчатого типа.

На рис. 1 изображена схема обратноосмотического разделения.

Приняты следующие допущения: 1. Насос обеспечивает постоянство подачи; 2. В промежуточной емкости режим идеального перемешивания;

3. Режим течения жидкости - ламинарный (Re < 2300).

Математическая запись задачи.

Начальные условия:

; (12)

. (13)

Материальный баланс по растворителю в промежуточной емкости:

; (14)

. (15)

Материальный баланс по растворенному веществу в промежуточной емкости:

. (16)

Материальный баланс мембранного модуля по растворителю:

. (17)

Материальный баланс мембранного модуля по растворенному веществу:

. (18)

Продифференцируем (16):

. (19)

Подставим в (19) выражение из (18):

. (20)

Преобразуем (15) с использованием (17):

; (21)

. (22)

Подставим (22) в (20):

. (23)

После преобразований получим:

; (24)

; (25)

. (26)

Подставим в (26) и (21) выражение, определяющее удельную производительность модуля:

; (27)

. (28)

Систему нелинейных дифференциальных уравнений (27), (28) интегрируем с учетом начальных условий (12) и (13) и аппроксимационных зависимостей (7) - (11). В аппроксимационную зависимость (8) подставляем среднее давление по длине канала.

Из уравнения гидродинамики и расхода было получено выражение для давления по длине канала:

, (29)

где Pn,k - давление в начале и конце канала;

. (30)

Среднее давление по длине канала определяли по уравнению:

. (31)

Проверка на адекватность математической модели, проведенная путем сравнения экспериментальных и расчетных данных, показала хорошие результаты (рис. 8).

Рис. 8. Изменение концентрации (а) и объема (б) раствора (речная вода, забранная в районе гостиницы «Турист», г. Тамбов) в исходной емкости, удельной производительности (в) и коэффициента задержания (г) для мембраны ESPA от времени концентрирования: сплошная линия - эксперимент; штриховая - расчет по математической модели

Инженерная методика расчета обратноосмотического аппарата трубчатого типа. Масса вещества, переносимая с пермеатом в одной трубке:

, (32)

где С1,0 - концентрация растворенного вещества у поверхности мембраны и в ядре потока, кг/м3; V(x) - средняя проницаемость по длине мембранного элемента, м/с; F1 - площадь одного трубчатого мембранного элемента, м2.

Средняя проницаемость по длине мембраны:

(33)

где L - длина мембранного элемента, м; P(x) - распределение давления по длине аппарата, Па.

С другой стороны, масса вещества переносимого к мембране:

, (34)

где 1 - коэффициент массоотдачи, м/с.

. (35)

После преобразования получили выражение для рабочей площади мембраны:

. (36)

Коэффициент массоотдачи можно определить как:

, (37)

где Nu - диффузионный критерий Нуссельта; D0 - коэффициент диффузии в растворе, м2/с; dэ - диаметр трубчатой мембраны, м.

Критериальное уравнение [Основные процессы и аппараты химической технологии / под ред. Ю.И. Дытнерского. - М., 1991]:

. (38)

Количество трубок в аппарате:

. (39)

Площадь аппарата:

. (40)

В пятой главе изложены вопросы практического применения обратноосмотического разделения минерализированных растворов предприятий ТЭЦ и даны промышленные рекомендации. Для реализации процесса разделения минерализированных растворов предложена новая конструкция обратноосмотического аппарата трубчатого типа (патент РФ № 2273512).

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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выполнен критический обзор литературных данных по разделению минерализированных растворов. Рассмотрены существующие методы разделения промышленных растворов. Определены область применения, преимущества и недостатки данных методов. Произведен обзор конструкций мембранных аппаратов и установок. Рассмотрены инженерные методы расчета обратноосмотических аппаратов.

2. Разработаны установка трубчатого типа и методики для проведения экспериментальных исследований по определению диффузионной и осмотической проницаемостей мембран.

3. Получены экспериментальные данные по коэффициенту задержания, удельной производительности, коэффициенту распределения, диффузионной и осмотической проницаемостям для минерализированных растворов в зависимости от концентрации, температуры, давления, вида растворенных веществ и мембраны. Для мембран ESPA, МГА-95 и ОПМ-К соответственно: коэффициент задержания по сульфатам - 0,78; 0,83 и 0,77; по хлоридам - 0,73; 0,79 и 0,71; по ионам железа - 0,95; 0,95 и 0,95; по ионам кальция - 0,84; 0,82 и 0,86; по ионам магния - 0,87; 0,86 и 0,85; удельная производительность - 1,90·10-5; 3,64·10-6 и 4,40·10-6 м3/(м2 с) при Рраб = 4 МПа.

4. Получены аппроксимационные зависимости для расчета кинетических коэффициентов процесса обратноосмотической очистки минерализированных растворов.

5. Разработана математическая модель процесса обратноосмотической очистки растворов, позволяющая рассчитывать среднее значение рабочего давления по длине кольцевого канала в мембранном аппарате трубчатого типа. Проверена адекватность математической модели путем сравнения экспериментальных и расчетных данных. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает ±10 %. Предложена методика инженерного расчета обратноосмотического аппарата трубчатого типа.

6. Разработана и запатентована новая конструкция мембранного аппарата трубчатого типа (патент РФ № 2273512).

7. Предложена модернизированная технологическая схема подготовки технических растворов ТЭЦ. 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. рублей в год по ценам 2007 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Исследование коэффициента диффузионной проницаемости мембранного элемента трубчатого типа в водном растворе сульфата натрия / С.И. Лазарев,

2. В.Л. Головашин, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев // Журнал прикладной химии. - 2006. - Т. 79. - Вып. 6. - C. 1038 - 1039.

3. Мамонтов, В.В. Установка трубчатого типа для исследования кинетических коэффициентов полимерных мембран / В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев,

4. В.Л. Головашин // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология : материалы Всерос. студенческой науч.-техн. конф. Казань, 16 - 18 мая 2005 г. - Казань, 2005. - С. 29 - 30.

5. Исследование сорбционной емкости полимерных мембран в водном растворе сульфата натрия / С.И. Лазарев, Г.С. Кормильцин, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2006. - Т. 49. - Вып. 8. - С. 100 - 102.

6. Лазарев, С.И. Очистка технической воды на обратноосмотической установке плоскокамерного типа / С.И. Лазарев, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2006. - Т. 49. - Вып. 9. - С. 52 - 54.

7. Коэффициенты диффузионной проницаемости кальция сернокислого через мембранные элементы трубчатого типа / С.И. Лазарев, В.В. Мамонтов,

8. С.В. Ковалев, К.С. Лазарев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2007. - Т. 50. - Вып. 5. - С. 120 - 122.

9. Сорбционные характеристики полимерных мембран в водных растворах сульфата натрия / С.И. Лазарев, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев, В.Л. Головашин // Конденсированные среды и межфазные границы. - Воронеж, 2006. - Т. 8, № 2. - С. 122 - 124.

10. Лазарев, С.И. Исследование коэффициента диффузионной проницаемости кальция сернокислого через мембранный элемент трубчатого типа / С.И. Лазарев, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев // Конденсированные среды и межфазные границы. - Воронеж, 2006. - Т. 8, № 3. - С. 223 - 225.

11. Баромембранная модель массопереноса с учетом осмотического давления / В.Л. Головашин, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев, К.С. Лазарев // Математические методы в технике и технологии. ММТТ-19 : сб. тр. XIX Междунар. науч. конф. Секция 3 / под общ. ред. В.С. Балакирева. - Воронеж : Воронеж. гос. технолог. акад., 2006. - Т. 3.- С. 37-38.