автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика массо- и теплопереноса при электродиализном обессоливании-концентрировании двухкомпонентных растворов производств химикатов-добавок для полимерных материалов

г — ол

2 С Е Тамбовский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 66.045.2:66.087.97

М У К И Н Сергей Викторович

КИНЕТИКА НАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗНОМ

ОБЕССОЛИВАНИИ-КОНЦЕНТРИРОВАНИИ ДВУХКОШГОНЕНТНЫХ РАСТВОРОВ ПРОИЗВОДСТВ ХИМИКАТОВ-ДОБАВОК ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химической

технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов - 1995

Работа выполнена на кафедре "Процессы и аппараты химической технологии" Тамбовского государственного технического университета.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор.

Заслуженный деятель науки и техники РФ КОНОВАЛОВ Виктор Иванович

кандидат технических наук, доцент КОРОБОВ Виктор Борисович

Официальные оппоненты - доктор химических наук, профессор

Шапошник Владимир Алексеевич

доктор технических наук, профессор Дворецкий Станислав Иванович

Ведущее предприятие - Акционерное общество открытого типа

"Тамбовское ОКТБ".

Защита диссертации состоится 13'октября 1995 г. в "/У час. '50 мин. на заседании диссертационного совета К 064.20.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392620 г. Тамбов. ул. Ленинградская, д. 1. 9

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью) просим направлять в совет университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ^

Ученый секретарь диссертационного совета,' доцент

1995 г.

В. М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. В настоящее время одной из актуальных задач в промышленности является внедрение новых прогрессивных технологий. Особенно это касается широко используемых в химической технологии процессов разделения малоконцентрированных промышленных растворов и сточных вод. По. своему составу промышленные растворы и сточные воды зачастую многококпонентаы. Вследствие невысоких концентрация и многокомпонентности рассматриваемых растворов разделение их традиционными методами (выпаркой, экстракцией и др.) приводит к большим материальным и энергетическим затратам. Более перспективными методами разделения малоконцентрированных растворов и очистки сточных вод являются мембранные методы, в частности, электродиализ. Основными достоинствами электродиализа являются его низкая металлоемкость, безреагентность. экологичность и возможность повторного использования диализата и концентрата. Однако, промышленное применение электродиализа сдерживается недостаточной изученностью кинетики процесса, особенно при обессоливании-концентри-ровании многокомпонентных растворов. Это определяет актуальность и перспективность исследований электродиализных процессов.выполненных в настоящей работе.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ АН СССР "Теоретические основы .химической технологии" на 1986-1990 ГГ (КОД 2.27.10.25) И ,на 199Ь-1995 > гг (код 2.27.2.1а). *

Цель работы. Целью работы являлось: изучение кинетических закономерностей злектродиализного обессоливания-концентрирования водных растворов, используемых в производствах химикатов-добавок для полимерных материалов и сточных водах производств тиурамов Е и Д; математическое описание ыассо- и теплопереноса при- электродиализе двухкомпонентных растворов; изучение зависимостей кинетических характеристик от решмных параметров процесса; разработка технологической схемы и выбор параметров ведения процесса очистки сточных вод производств тиурамов Е и Д.

Научная новизна. Разработаны математические модели массо- и теплопереноса в электродаализных установках, работающих в стационарных и нестационарных условиях, проведены экспериментальные исследования по обессоливанго-концентрированию модельных растворов и сточных вод тиурамов Ё и Д. выполнены исследования кинетики электродиализа и изучены кинетические характеристики массопереноса одно- н двухкомпонентных водных растворов сульфата натрия, и серной кислоты.

Практическая ценность. По результатам экспериментальных к теоретических исследований была разработана технологическая схема и рассчитаны режимы проведения процесса электродиализной очистки сточных вод производств тиурамов Е и Д. Выданы практические рекомендации по очистке сточных вод производств тиурамов Е и Д на Волжском ПО "Оргсинтез". Овдаемый экологоэкономический эффект составит 353.1 тыс. руб. в год (в ценах 1990 г.).

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на IV Всесоюзной конференции "Мембранно-сорбционные процессы разделения веществ и их применение в. народном хозяйстве" (Батуми. 1988 г.). на Областной конференции "Ученые вуза - производству" (ТамОов, 1989 г.), на Всесоюзной конференции "Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных материалов" (Тамбов, 1990 г.).на Всесоюзной конференций "Экологические проблемы производств синтетического каучука" (Воронеж, 1990 г.),на 11-м международном конгрессе СН1БА (Прага. 1993 г), на I научной конференции ТГГУ (Тамбов. 1994 г.) и на 2-й региональной научно-технической конференции Центрально-черноземного региона (Тамбов. 1994 г.).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 10 опубликованных печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность данной работы и дана краткая характеристика состояния вопроса в области применения электродиализа для обессоливания-концентрирования сточных вод.

■В первой главе приведен литературный обзор- исследований электродиализного обессоливания-концентрирования многокомпонентных растворов. Рассмотрены основные подхода к описанию явлений массопе-реноса в многокомпонентных растворах, которые базируются на уравнении Нериста-Планка или на уравнении многокомпонентной диффузии. Рассмотрены математщескзе модели различных электродиализных установок. Проанализированы кинетические характеристики ыассо- и теп-лопереноса в растворах и мембранах, влияние на них различных факторов: плотности тока, температуры растворов и мембран.гидродинамических условий в аппарате, составов растворов и т.д. Отмечена недостаточная .изученность П{ цесса массоперноса при электродиализе многокомпонентных растворов.

Сделан вывод о том. что для успешного применения электродиализа многокомпонентных растворов необходима разработка математических моделей массо- и тешюпереноса и исследование влияния парамет-

»

ров процесса и состава.растворов на кинетические характеристики и кинетику массо- и теплопереноса в целом.

Во второй главр представлены математические модели массо- и теплопереноса при электродиализе двухкомпонентных растворов . для установок, работающих в стационарных и нестационарных условиях. Сначала рассматривается математическая модель установки, работающей в стационарном режиме и состоящей из многопакетного электродиализатора непрерывного действия, предназначенного для обессолива-ния-концентрирования раствора, насосов подачи промывных растворов. концентрата- и диализата и промежуточных емкостей для промывочных растворов верхней и нияней электродных камер. Концентрат и диализат подавались насосами в коллектора' концентрата и диализата, распределялись по параллельноработающин камерам первого пакета,где происходило обессоливание-концентрирование растворов, вновь собирались в коллектора, распределялись по камерам второго пакета и т.д.

При разработке математического описания стационарного процесса электродиализа были принята допущения: 1) постоянная подача насосов; 2) постоянные составы и температуры растворов на входе в аппарат; 3) одинаковое и постоянное лщросопротивление во -всех камерах электродиализатора; 4) в продольном направлении в камерах наблюдается рекин идеального вытеснения; 5) в коллекторах и в поперечном направлении в камерах электродиализатора наблюдается режим идеального смешения. Схема массовых и тепловых потоков приведена на рис. 1.

Сначала рассматривается модель массопереноса. Принято, что перенос М-го вида электролита (Н»1 соответствует компоненту На2304. а N-11 - компоненту НгБ04) складывается из миграционного и диффузионного потоков (рис. 1)

и\.г (1) Ш"я„ - (2)

Перенос растворителя представлялся, как сумма электроосмотического и осмотического потоков:

V,,- | (3) - } ^оАалК <4>

В формулах (1-4) и далее предполагается, что кинетические коэффициенты п. с. Р. и др. зависят от состава растворов'и от режимных параметров процесса.

Просуммировав потоки для ¿-Я камеры, образованной анионитовой и катионитовой мембранами, 1-го пакета и подставив их в уравнение

материального баланса, получим уравнения для расчета концентраций компонентов в следующем виде

п«К

1.3

, Ко .

ММ-Э

Г

рН.Ад

чц ТС,

(5)-

Рис. 1.

Объемные расходы растворов на выходе из камер электродиализатора, рассчиташше также из уравнений материального баланса определялись из уравнения

1.3

DH.SC« .-С«, Й»

У I _£_киЛ_+

* I V»

ХЛ ХА

(6)

(В Формулах (5-6) верхний знак ♦ или - в слагаемых и индексах относится к растворам в камерах концентрата, а нианий - к растворам в камерах диализата). н н н к *

Далее, прийяв. что ^ -^=0.5-(С^ С^ * 3): и С^- ^С^' (с учетом перемешивания в коллекторах)' была получена система уравне-

ний для определения концентраций растворов на выходе из любой камеры электродиализатора.

Тепло, поступающее в раствор в 3-ой камере 1-го пакета, складывается из тепла, поступающего от левой (й1) и правой (0^) мембран и даоулева тепла (Орт). выделявшегося при прохождении через раствор электрического тока (рис. 1):

ЧьГЛь^»!.^.;»)^ . ; (8)

Для нахождения и' (для ¿-ой кам|ры 1-го пакета) были определены температуры поверхностей, левой (Тя) и правой (Тп) мембран из решения задачи стационарной теплопроводности для пластины с .Еавномерыораспределенншш источниками тепла объемной мощностью о -1г/аГ при граничных условиях третьего рода. При этом было

д.п ,п

получено, что

(10)

«•и«* 4 « • V А » V 1Я, и

Здесь:

("Л,./'««'+ А'Х + В)».,

А--------; (И)

вл.в + Н'-п7"*' Г (12>

г»3-1 для левой и г-3+1 для правой мембран.

Составив уравнение теплового баланса для З-ой камеры 1-го пакета, получим /

(▼"с-р-Т"), -(у'с'р'Т')г 1гБ(б /аеГ)1 Ощ, а• (13)

Проделав аналогичные операции для других камер >лектродиали-зато^а Щ)И этом используя уравнения (7). (8) и (10)-(12) и приняв, что ^ -0,5- (Т' 1 + Т"1 :) была получена система уравнений вида

- б -

Г" «иТ' - С - ¡T * +Т" I - о-\Т' +Т" 1+ф (14) 1 1.3 1.3 ^ 1.3-1 l.J-lj ^ 1.3*» l.J*lj v v

из которых определяются температуры растворов на выходе из камер электродиализатора. В уравнении (14) коэффициенты о. с, ш. W зависят от режимных пареметров процесса, физико-химических и теплофи-зических характеристик растворов и мембран.

Для проверки принципиальных подходов использованных нами' при разработке математической модели стационарного массо- и теплопере-носа при электродиализе многокомпонентных растворов и в связи с тем. что все проведенные эксперименты были выполнены на установке с замкнутой циркуляцией растворов, нами была разработана упрощенная модель нестационарного массо- и теплопереноса наблюдаемых при электродаализе растворов в данном типе установок.

При этом принималось, что установка циркуляционного типа включает злектродаализатор, промежуточные емкости концентрата, диализата и промывочных растворов и насосов подачи соответствующих растворов (рис. 2).

Помимо допущений сделанных ранее, для упрощения математической модели еще было предполоаено постоянство физико-химических свойств мембран и растворов по всему аппарату и равенство их соответствующим физико-химическим свойствам при входных параметрах растворов, а также режимы идеального смещения в промежуточных емкостях.

Как и при йаписанр математической модели стационарного массо- и теплопереноса, считаем, что электродаализатор состоит из а пакетов (или пар камер). Тогда уравнения материального баланса составленному для N-ro вида электролита будут иметь вид:

V - С'* - Нн1 - V" • С"в - dív - С® 1/НГ* (15)

лвая диад " 'двал^днад и^*двад диад]/1*1-* v '

С'8 +■ И" - V" • С"н « dív • С® XJc/t, (16)

кои " ма «он ( «ее «ои у! v '

у' • Г!'" U®

КОН

где М" - масса К-го вида электролита, перенесенная из камер диализата в камеры концентрата, как за счет миграционного, так и за счет диффузионного переноса. Приняв, что средния концентрация в камере электродиализатора равна среднеарифметическому от входной и выходной концентрации (см. выше) было получено .

Лц,^ # V у р*»К рн. А' .

Мн= '—- -О'" + СиН -С* - С"н н- + --1 +

2 ^ диал диад ■ кок кон] ^К ХА /

шт1н13 „ , • + —у-. + - 1). ; _ (17)

Уравнения материального баланса, записанные для объемных по' токов растворителя будут иметь вид

хои коя дв&л диад

где V - объемный доток растворителя, перенесенный за счет осмотического и электроосмотического переноса.

W- X[(D"-*/Xa + 0,'*/Х*1'(с" + СпЯ - С'* - С"я ]mS+

«ГЦ ■ » J ^ *ов вон днал "диал^

+(РЯ-А+Р8-к>n»iaiij. (20) '

Для емкостей уравнения материального баланса по N-му компоненту и по растворителю имеют вид: ' dC'" , ■ Wè

v - - v"-(C"' - С'."); (21) -2- - Vй - V'. (22) t

® dt dt '

Для нахождения температур растворов на выходе из электродиализатора и в емкостях было записано уравнение теплового баланса, которое имеет следующий вид:

p'c'v'T'dt + Qpdt + Шт - p"c"v"T"dt - d|mVcpTj; ' (23)

йр - ml2S5/a; (24) й ~ a - |т -1j 2Sm. (25) ,

Как видно из уравнения (25) для определений температуры раствора на выходе из электродиализатора необходим'1 знать температуру мембраны. Для нахождения этой температуры была решена задача нестационарной теплопроводности с равномернораспределенными источниками тепла и граничными условия!® третьего рода для эквивалентной мембраны.

В результате решения, для среднеобъемной температуры, было, получено следующее уравнение ,

ï=ï^-exp(-at) + I2-|i-exp(-at)j/~a с р sê + Ь ехр(-ат)-

•Î Гт" + Т' + d-i Т" + Т'„ ]1-ехр(ат) dt. ^

I L диад ли а л \ воя kohJJ

В формуле (26) коэффициенты a, b, d определялись как соотно-пение ыезду коэффициента!® теплоотдачи и теплофизическими коэффициентам эквивалентной мембраны.

Численная реализация иатенатачаскоЯ модели для .установки ■ с замкнутся циркуляцией рзстоороз осушзствлялась с использованием зональной методика. Для этого, из достаточно коротком временном интервале предполагалось вшзйяоо пгкспашо концентраций и темпе-

ратур растворов в емкостях и на выходах из электродиализатора, объемов растворов в емкостях и расходов растворов на выходе из электродиализатора от времени. Выполнив преобразования уравнений .теплового и материального балансов, записанных для концентрата и диализата, была получена система алгебраических уравнений, из решения которой определялись температуры и концентрации растворов на выходе из электродиализатора и в промежуточных емкостях, расхода растворов на выходе из- электродиализатора и объемы растворов в промежуточных емкостях.

Как показало сравнение (для примера на рис. 3 и 4 приведены экспериментальные (сплошные) и расчетные (пунктирные) кинетические кривые), расчетные и экспериментальные данные по электродиализному обессоливанию-концентрированию отличаются не более 10-1855. Это свидетельствует об адекватности модели реальному процессу. ■

В третьей главе описаны объекты исследований и приведены схемы экспериментальных установок и методики проведения экспериментов. В табл.1 приведены основные характеристики модельных растворов и сточных вод производств тиурамов Е и Д.

• Таблица 1

Растворенное вещество Единицы измерения Пределы изме- | нения конц. |

М о д е л ь н I Сульфат натрия Серная кислота Диметиламян Сточные зоД1 - т и у р а и Сульфат натрия Серная кислота . Нитраты (гт нитрату натрия) Нитриты (по нитриту натрия) Диметиламин Диэтиламин Тиурам Д Тиурам Е е рас • кг/м? кг/м? кг/м3 I плои: о в Е ,и .кг/м: кг/м: кг/м: кг/м: кг/м: кг/м? кг/м: кг/м3 в о р ы 3 0 -98,4 0 -24,8 1 0 - 0.024 1 В 0 д с т в 1 д 22.4-32.3 ' 4,2- 4.4 1-.5- 4.6 0.0055-0.0172 0.03-0,04 0.037 0.002 0.0006

В качестве мембран использовались серийные ионообменные мембраны МА-40 И МК-40.

Исследования электродиализного обессоливания-концентрирования и отдельных кинетических характеристик (коэффициента диффузионной проницаемости,предельной г готаости тока.электропроводностей растворов и мембран,' выхода по току) проводились на комплексе установок различных конструкций.

Экспериментальные исследования по электродиализу растворов проводились на установке с замкнутой циркуляцией растворов и с

последовательным соединением камер, изображена на рис. 2.

которая, в качестве примера.

Рис. г.

Э — электродиализатор; Е1—Ел- емкости концентрата, диализата, промывки низкнеи и верхней электродных камер БП - блок питания; Р - ротаметры; Н - насосы; Т - термометры

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по обессоливанив-концентрировашго одно- и двухкомпо-нентных модельных растворов и реальных сточных вод производств ти-урамов Е и Д. Исследования проводились на установке, схема которой изображена на рис. 2. В процессе экспериментов измерялись концентрации компонентов на выходе из трактов концентрата и. диализата, температуры растворов на выходе из трактов и в промежуточных емкостях, объемы растворов в промежуточных емкостях и напряжение на электродах в различные момента времени. Эксперименты проводились при постоянных плотностях тока. Плотность .тока менялась в диапазоне от 30 до 650 А/и8. Концентрации исходных раствороЕ изменялись от 0 до 23 кг/м3 , по НагБ0<> от О ДО 8.5 кг/м3 по Н2 304 и от 0 до О,025 кг/м3 .по диметиламину. В качестве примера на рис.•3 приведены кинетические кривые изменения концентрации сульфата натрия (1,2) и серной кислоты (3.4), а на рис. 4 - кривые изменения температур на входе (1,2) и на выходе (3,4) электродиализатора (сплошные линии) при обессолгашцш-концентрировании раствора Н£0+ +На250+Нг804. По экспериментальным данным по обессоливанив-кон-центрированию одно- и двухкомпонентных растворов были рассчитаны и -проанализированы зависимости интегральных показателей процесса электродиализа (удельных потоков массы, энергозатрат и выходов по

току для отдельных компонентов) от состава и концентрации растворов и от плотности тока.

40

30

го

ю

i^Na. S0' г/л Снг30<г/л

20 40

60

во т.мкв

Рис 3.

32 30 28 26 24 22 20 1В

80 т. мин

Рис. 4.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований основных кинетических характеристик. В табл. 2 приведены результаты значения основных параметров при которых проводились эти исследования. таблица 2

о

I Параметр Коэффициент

Р е ,м _ а Ч - 1пп

Концентрация, кг/м3 Na^ Температура. "С Скорость, м/с , Плотность тока. АЛг 0-33.3 0-28.9 20-60 переыеш. 0-98.4 0-24.8 23 0-104.2 0-42.5 14; 23 0-49.0 0-13.2 19 0.04 51'.'4-411 0-35.5 0-17.8 20 0.01-0.06

В результате исследований диффузионной проницаемости было установлено. что увеличение концентрации в однокошонентноы растворе приводило к сниаению (для иекбран ИА-40) и к увеличении (для мембран Ш-40) коэффициента диффузионной проницаемости. Для обоих типов мембран отмечено увеличение коэффициента диффузионной проницаемости при росте темпедатуры, и снижение - при увеличении концентрации второго компонента в двухкомпонентных растворах. Экспериментальные данные быод аппроксимирована формулой:

P-Kj-c^-expt-A/T) • (l- iyc^

(27)

где Р - коэффициент диффузионной проницаемости диффундирующего электролита, м^/с; С,, Сг - концентрации диффундирующего и конкурирующего компонентов, соответственно, кг-экв/м3; К,,Кг,А.п.а.Ь-.коэффициенты, значения которых приведены в табл. 3. • Таблица 3

Мембрана Электролит К, Ю10 h n A • a b

МА-40 ,101 0.41 -0.19 1963 -0.25 0.50

МА-40 H2S04 • 408 0.34 -0.30 1627 -0.24 0.55

МК-40 Ha2S04 6.84 0.16 0.13 1609 -0.31 O.'30

МК-40 Hsso« 656 2.03 0.98 2450 1.27 0.34

Коэффициент диффузионной проницаемости изменялся: для мембраны МА-40: в пределах (1,38-7.37)-10"'0 мг/с - для НгБ04, и (0.92 -5.0) • 10"10 м*/с - для КагБ04:для мембраны МК-40: (1,24-14.8) -10"12 м*/с - ДЛЯ Нг304 И (1.97-4.91)-Ю*1'8 И8/с - для Иа^.

Экспериментальные исследования по электропроводности растворов показали, что увеличение концентрации растворенного вещества в однокомпонентаом растворе приводит к увеличению электропроводности раствора. Добавление ае второго компонента в однокомпонентньЯ раствор, первоначально вызывает снижение электропроводности раствора до минимума, а-дальнейшее увеличение концентрации второго компонента приводило к увеличении электропроводности двухкомпонентно-го раствора. Экспериментальные данные были аппроксимированы уравнением

. II . I н _ _ (1 л 1 . п :ч __и к V

(28)

«0.70 i«v.gt »

ае = 4.76- С + 16.02-С -7.17-С1

о. J1

,0.33

-II

0.62

и лежали в диапазоне от 0.34 до 9.8 См/ы.

Электропроводность мембран для исследованных электролитов лежала в пределах от 0.12 до 0.86 См/м для аниоштовой мембраны и от 0,25 до 1.27 См/м для катионитовой мембраны. Электропроводность мембран МА-40 и МК-40 в зависимости.от концентрации компонентов аппроксимировалась, соответственно, уравнениями:

- .0.1« ..О.гз- 0.78 - 0.12'"

а »0.47 -С1 + 1.28-С11 - 0.744! • (1-й); (29)

•0.19 •.0.57 О.Е1 0.4В

зе =0.202- С + 0.79-С" -0.23-0 ■ (1-й).

(30)

где и^/ТС" - доля Ыа.БО. в суммарной концентрации компонентов. *

Выход по току измерялся на электродиализаторе фильтрпрессово-го типа, собранного определенным образом, при различных плотностях

тока. Было отмечено увеличение выхода по току компонента при увеличении концентрации этого компонента, и снижение - при увеличении концентрации второго компонента я плотности тока. Выход по току для серной кислоты менялся от 0.11 до 0.87 для мембраны МА-40 и от 0. И до 0.86 для мембраны МК-40. для сульфата натрия от 0.02 до 0.96 для мембраны МА-40 и от 0.047 до 0.97 для мембраны МК-40. Экспериментальные данные были аппроксимированы формулами: п. п_

Ч, - 1-К С,1- 1 ? (31)

. V -л (Их-сГ1 -Г»-езф^-с,)]; (32)

где С1. Сг - концентрации переносимого я конкурирующего электролитов, соответственно, кг экв/м3; Ч^ . - выход по току для переносимого компонента в случае электродаализа одно- и двухкомпонентно-го раствора; К- , где 1. 1 - рабочая и предельная плотности тока. А/м*; если 1/1__<1 то 1-1. Значения коэффициентов приведены

„ пр

в табл. 4.

Таблица 4

Коэффициент Значение коэффициентов для мембраны и электролита

Мембрана МА-40 Мембрана МК-40

№ На8504 № На, 50,

0.0119 „ 17.136 -2.10 -0.433 0.073 -0.665 2.455 . . 6.56-Ю-4 0.0122 1.607 -6.54 -0.55 0.685 -0.32 0.66 • 5.44-10" ; 0.147 2.761 -1.66 -0.32 0.12 -0.188 1.58 0.0166 0.0602 3.12 -3.0 -0.124 0.46 -г0,26 0.85 0.014

Поляризация мембран исследовалась методом анализа вольтампер-ных характеристик. Было отмечено, что величина предельной плотности тока.'зависиг от концентраций обоих компонентов, и гидродинамических условий в камере. Величина предельной плотности тока менялась от 9.3 до 226.3 А/м* для мембраны МА-40 и от 9.3 до 383 А/м2 для мембраны МК-40 и описывается следушцим уравнением:

I1 -К-с'-Ее*;* (33) 111 « К -С11 -Не": (34)

. пр ..п, "Р-

' 1 - в -I1 +{!-•) -I11; (35)

р ар вр .

где I1, I11, 1 - значение предельной плотности тока в случае од-

пр вр ар

нокомпонентных растворов сульфата натрия, серной кислоты и двух-компонентного раствора, А/й2; С1. С11 - концентрации сульфата натрия и серной кислота, кг-экв/н3; 11е-*а р/ц - критерий Рейнольдса;

и-С'ЯС" - доля N8 БО в суммарной концентрации компонентов. При ■

расчете предельной плотности тока для двухкомпонентного раствора, предельные плотности тока для однокомпонентных растворов, которые входят в уравнение (35) рассчитываются по уравнениям (31)-(32). но вместо концентраций компонентов в них подставляются суммарная кон- . центрация. выраженная в кг-экв/м3. Значения коэффициентов К^К^п^п^т приведены в табл.5.

Таблица 5

Мембрана К. V П* т

МА-40 53. 66 59.70 1.75 1.05 0.32

МК-40 40.20 115.88 0.45 1.55 0. 34

В процессе экспериментов по электродиализному обессоливанию-кон-центрировашш были измерены из нения объемов в промежуточных емкостях и сделаны оценочные определения коэффициента электроосмотической проницаемости. Было отмечено снижение переноса воды при увеличении концентрации серной кислота.

В шестой главе представлены методики практической реализации ' результатов исследований и даны рекомендаци по их применению. Приведена схема опытно-промышленной электродиализной установки на базе серийно выпускаемого электродиализатора "Родаик-3". Установка представляла из себя электродиализатор с замкнутой циркуляцией растворов и с последовательным соединением камер. На данной установке были выполнены эксперименты по обессоливанию-концентрирова-нию модельных растворов и реальных сточных вод. В процессе экспериментов производилось измерение температур и концентраций растворов на выходе из трактов и в промезуточных емкостях,объемов растворов в промежуточных емкостях и напряжения, подаваемого на электроды. Было выполнено сравнение экспериментальных данных, полученных в ходе экспериментов на лабораторной и опытно-промышленной установке. Отмечено хорошее совпадение средних удельных потоков массы, удельного расхода электроэнергии и выхода по току. Удельный поток менялся для сульфата натрия в переделах (0,04-2.7)-Ю'^кг/м2-с и (1.2-4,98) •10"5кг/м®-с для "серной кислоты, удельный расход электроэнергии изменялся в диапазоне (0,24-3,28)кВтч/кг для суль-; фата натрия и (1,7-13.8) кВтч/кг для серной кислоты, выход по току

изменялся в диапазоне (0,12-0,94) и (0,067-0,220) соответственно.

Приводится технологическая схема очистки сточных вод тиурамов Е и Д. На основе математической модели, предложенной в главе 2 был выполнен расчет числа аппаратов, подобраны режимы работы и схема соединения аппаратов.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ факторов, оказывающих влияние на кинетику массопереноса, показана необходимость дальнейших исследований кинетики процесса и математического моделирования массо- и теплопере-носа при злектродиализе многокомпонентных растворов.

2. Разработаны математические модели массо- и теплопереноса при электродаализном обессоливании-концентрировании двухкомпонент-ных растворов в стационарных и нестационарных условиях.

3. Проверена адекватность математической модели путем сравне-"ния экспериментальных и расчеши концентрационных и температурных

зависимостей. Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных кривых, что дает возможность рекомендовать данную модель для расчета процесса электродиализа.

4. Проведены исследования по Еыделещш сульфата натрия и серной кислоты из водных двухкомпонентных растворов и выявлены зависимости выхода по току, удельного потока массы и удельного расхода эле1сгроэнергии от концентраций и плотностей тока. Показана возможность глубокого извлечения сульфата натрия и серной кислоты из сточных вод.

5. Выполнены экспериментальные исследования основных кинетических характеристик электродиализа водного раствора сульфата натрия и серной кислоты в зависимости от концентраций компонентов и температур исходного раствора. ..

6. На основе проведенных исследований была разработана технологическая схема и подобраны режимы проведения процесса обессоливания-концентрирования сточных вод производств тиурамов Е и д на Волжском ПО "Оргсинтез". Годовой эколого-экономический эффект составляет 353.1 тыс. руб в год (в ценах 1990 г.)

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - концентрация растворенного вещества в растворе, кг-экв/м3; 1 -- плотность тока.А/м2; Б - площадь мембраны, к*; б - толщина камеры. м; <2, - эквивалентный диаметр канала, м; X - толщина мембраны. м; п -.выход по току; Р, 0 - коэффициенты диффузионной,осмотической и электроосмотической проницаемостей, соответственно:

м2/с. м3 /с- кг• экв, м3/А-с; t - число переноса; Т - температура, "С; а - коэффициент теплоотдачи, ВтЛ^К; с - теплоемкость. Да/кг-К; X - коэффициент теплопроводности. Вт/м-К; зг - электропроводность. См/м; р - плотность, кг/м3; F - число Фарадея.

НАДСТРОЧНЫЕ СШШОЛЫ

— мембрана; — среднее значение; '. " - на входе и на выходе из электродиализатора (камеры); р - раствор.

ПОДСТРОЧНЫЕ СИМВОЛЫ

1.3 - 1-й пакет J-я камера; л.п - левая, правая; кон, диал - концентрат. диализат; е - емкость.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

' 1. Савельев A.B.. Коробов В.Б., Мукин C.B. Исследование электродиализатора с оребренными электродами/ЛЯембранно-сорбцион-ные процессы разделения веществ и их применение в народном хозяйстве: Тез. докл. IV Всесоюзн. конф. - Черкассы, 1988. - С. 163-165.

2. Коробов В.Б.. Мукин C.B.. Коновалов В.И. диффузионная проницаемость 'многокомпонентных систем через анионитовую мембрану / Ученые вуза - производству: Тез. докл. Обл. конф. ,Тамбов,1989.- С.48.

3. Коробов В.Б.. Мукин C.B..Астафьев • В.И. Электродиализное обессоливакие-концентрирование сульфатсодэряащих сточных вод производств тиурамов Е и Д // Экологические проблемы производства синтетических каучуков: Тез.докл. Всесоюзн. конф. - Воронеж. 1990.

- С. 10.

4. Мукин С,В., Коробов В.Б.. Клио'т И.Б. Влияние состава на электродиализ сточных вод производств тиурамов Е и Д // Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных материалов: Тез. докл. IX Всесоюзн. конф. - Гакбоз, 1990. - С. 205-206.

5. Кинетика массопереноса при 'электродиализе многокомпонентных растворов / C.B.Мукин. В.Б.Коробов. В. И. Коновалов^// Гетерогенные процессы химической технологии: Кинетика, динамика, явления переноса. Меявуз. сб. научн. тр. - 1990. - С. 103-106.

6. Korobov V.В.. KonovalOY V.l., Kukin S.V. Kinetics of Separation of Two-Component Eleo-trolytlc Solutions by Means of Electrodlalysis // The 11-th International Congress of Chemical Engineering, Chemical Equipment Design and Automation - Praha,' Czech. Republic. - 1993.. - P. 67, (тезисы).

7. Обессоливание-концентрирование стачных вод производств ти-урамов Е и Д на опытно-промышленной .установке/Коробов В. Б., Мукин С.В.. Клиот И.Б. и др. // Известия вузов. Химия и химическая.технология. - 1993. - N 5 - С. 80-87.

' 8. Korobov V. B., Konovalov V.I.. Mukln S.V. Kinetics of Separation of Two-Component Electrolytic Solutions by Means of Electrodlalysls //The li-th Int. Congress of Chemical Engineering, Chemical Equipment Design and Automation. 29 August-3 September. 1993.- Praha, Czech. Republic. - Paper E4.75 - P. 369-380, (препринт) .

9. Мукин С.В.. Коробов В.Б. Электропроводность двухкомпонент-ных сульфатсодераащих растворов и равновес«ных с ними ионообменных мембран // I науч.конф.ТГТУ: Тез. докл. - Тамбов, 1994.. - С. 163-164.

10. Мукин С.В., Коробов В.Б. Математическое описание стацио-.нарных процессов массо- и теплопереноса в многокамерной электродиализном аппарате // Проблемы химии и хим. технологии: Тез.докл. 2-й региональной науч.-техн. конф. - Тамбов. 1994 - С. 128-129.