автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.18, диссертация на тему:Феноменологическая теория мембранной дистилляции

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ШЧНЫД ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ " НАУЧНО - ЙССЩОВДТЕЛЬСШШ ЯО - ЖШЧЕСКМ ЙНСТЙШ Ш1.Л.Я.КАРПОВА

РГ6 ОД 7

На правах рукописи 2 3.'" уда 621.593.001.24

УГРОС-ОВ ВШШ ВЯЧЕСЛАЕОШ

ФЕНОЖКОЛОгаЧЕСШ ТЕОРЙЯ НЕСОБРАННОЙ дшишящ.

05.17.18 - иэнбрвны и избранная технология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискаше ученой степени доктора фазако - математических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена в лаборатории мембранных процессов Научно-исследовательского физико-химического института им.Л.Я.Карпова.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Веницианов Е.В.

доктор технических наук, профессор Холпанов Л.П.

доктор физико-математических наук, Товбин Ю.К.

Ведущая организация: Институт нефтехимического

синтеза им.1опчивва РАН

Защита состоится " 20" Ш-ОК Л- 1997 г. в // час. на заседании специализированного совета Длза.ог.об пр: Научно-исследовательском физико-химическом институт! им.Л.Я.Карпова по адресу: юзоб4 Москва, Воронцово поле, ю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " _ 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

специализированного совета, ^ кандидат химических наук tu'ß^/-- А.В.Воробьев

ОВД&Я ХАРДКТЕШСТЙКА РАБОТЫ.

Все более заметное место среди различных процессов разделения жидких смесей начинают занимать мембранные процессы. Наряду с совершенствованием ушз получивших широкое распространение баромембраяных (ультрафильтрация, обратный осмос, микрофильтрация,) и злектромембранных (электродиализ) методов разделения идет непрерывный поиск и изучение новых мембранных процессов. Среди них все большее внимание начинает привлекать процесс мембранной дистилляции (МД), использующий в качестве движущей силы температурный градиент, создаваемый на поверхностях мембраны в процессе разделения. Это обусловлено тем, что область возможного применения МД весьма широка и включает .• обессоливаю® ; разделение и концентрирование различных водных растворов; получение апирогенной и особо чистой вода,- разделение изотопов. МД также выгодно отличается целым комплексом технических достоинств: высокой разделяющей способностью за одну ступень при получении воды из раствора неорганической природа (селективность более 99.8*); исключением применения вспомогательных веществ для разделения, улучшая тем сам экологические характеристики метода; возможностью использования низкопотенциального тепла, отходящего "бросового" тепла различных производств, а также других видов энергии, включая солнечную, геотермальную (температура процесса как правило не превышает ео - 7о°с ) ; реализация процесса осуществляется при давлениях, близких к атмосферному, что позволяет создавать достаточно простое и компактное оборудование и автоматизировать его работу.

Однако эффективное технологическое применение МД для разделения и концентрирования различных жидких смесей в

значительной степени сдерживается отсутствием теории МД, позволяющей количественно описывать МД в проточных мембранных системах (ячейках и модулях), как в случае.разбавленных , так и концентрированных растворов различной природа. Поэтому развитие теории мембранной дистилляции представляется весьма актуальным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в развитии количественной теории мембранной дистилляции, устанавливающей связь между эффективностью протекания данного процесса и характеристиками мембранной системы (ячейки, модуля ),в котором он реализуется.

НАУЧНАЯ Н0ВЙЗН& .

Впервые анализ и описание процесса МД растворов различной природа предложено проводить в рамках модели "запыленного газа".

Развита модель неизотермического массопереноса паров летучего растворителя через гидрофобную микропористую мембрану в процессе МД солевых растворов .

Развита количественная теория контактной мембранной дистилляции (КМД) и надкостной мембранной дистилляции ОВД) дяя разбавленных солевых растворов в проточных ячейках и модулях. Методом численного эксперимента изучено влияние различных характеристик мембран и условий проведения МД на ее эффективность.

Разработан и обоснован способ определения основных тепло -массообменных характеристик (сю -коэффициента паропроводности, н - эффективного коэффициента теплопередачи ), характеризующих процесс МД.

Выполнен анализ эффективного функционирования мембранного дистиллятора при получении чистой вода по производительности и энергозатратам.

Развита количественная модель МД концентрированных растворов неорганических солей в проточной ячейке.

Развита количественная теория селективности мембраны в процессе МД разбавленных солевых растворов и предложены способы ее экспериментальной проверки.

Предложена модель концентрирования неорганических кислот методом МД. '/.етодом математического моделирования исследован процесс концентрирования соляной кислоты.

Впервые предложен механизм неизотермического массопереноса через композитную мембрану в процессе термопервапорации и построена математическая модель, описывающая данный процесс.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.

Полученные в работе результаты были использованы при создании мембранного модуля с жидкостным зазором , запатентованным в России (Никулин В.Н. .Ежина И.Б. .Сизова Е.В., Угрозов В.В., Золотарев П.П. "Установка для мембранной дистилляции".// Российский патент N2040314 класс МКИ5 В01Д 61/36 Приоритет 25.07.95.). Данные результаты могут быть также использованы при создании и оптимизации технологических мембранных установок для разделения различных жидких смесей методами МД, а также при анализе и интерпретации научных экспериментальных данных по разделению этими методами.

Разработанный в работе способ определения основных тепло -массообменных характеристик процесса МД может бьггь использован при прогнозировании эффективности применения конкретной мембраны для разделения методом МД, а также эффективности

конструкции мембранного модуля.

Предложенная модель для термопервапорации и сформулированные на ее основе требования к композитны?,1 мембранам для этого процесса могут быть использованы при синтезе новых типов мембран для термопервапорации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ I! ШШЖЕНИЯ, ШОСИШ НА ЗЩШ. 1)Подход к описанию неизотермического массопереноса летучих компонентов через гидрофобную микропористую мембрану в процессе МД растворов различной природы.

2)Аналитические и численные метода описания процессов контактной мембранной дистилляции (КМД) и мембранной дистилляции с жвдкостным зазором <Щ) в мембранном модуле и ячейке.

3)Способ определения коэффициента паропроводности гидрофобной микропористой мембраны и эффективного коэффициента теплопередачи.

4)Способ определения энергозатрат в мембранном дистилляторе с Щ - модулем.

5)Модель МД концентрированных растворов неорганических солей.

6)Теория селективности мембраны в процессе МД разбавленных растворов неорганических солей.

7)Механизм и модель концентрирования соляной кислоты.

в)Механизм неизотермического массопереноса индивидуального растворителя в композитной мембране в процессе термопервапорации и модель этого процесса.

ВКЛАД АВТОРА В РАЗРАБОТКУ ПРОБЛЕМЫ.

Автору принадлежит общая постановка проведенных теоретических исследований, формулировка основных положений и обобщений,

получение результатов, определивших все направление диссертационной работы. В диссертации используются ряд результатов полученных при совместной работе с . сотрудниками лаборатории мембранных процессов БМФХИ им.Л.Я.Карпова Золотарева П.П., Тимашева С.Ф., Елкиной И.Б., Зиневича С.Ю.

ШРОБАЩМ РАБОТЫ.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Состояние и развитие мембранной техники" (пос.Дивногорск ,1989); I Всесоюзной школе-симпозиуме молодых ученых и специалистов "Мембранные процессы.Разделение жидких смесей" (Рига ,1989); 5 Республиканский семинар по мембранам (Одесса,1990); 2 Республиканской конференции "Мембраны и мембранная технология" (Киев, 1991); х Менделеевский съезд (Ташкент, 1989); Российской конференции по мембранам и мембранной технологии "МЕМБРАНЫ - 95" (Москва, 1995); Международном симпозиуме "Мембраны для пароразделения" (Звенигород 1989), 8 -ой Международной конференции "chemistry

and sustainable developaent" - "CHEMRAWN" - 8 (МОСКВЭ,1992),

XI,XII Международных конгрессах "Chenical Engineering, Chemical Eguipnent Design and Automation" - "CH1SA" (Прага, 1993, 1996), Международный конгресс "Progress in Membrane Science and Technology" - Euromembrane '95 (АНГЛИЯ, БаСС , 1995),

Международный конгресс "international congress on membranes and membrane processes" icom'96 (Япония,Йокагама,1998), Научных конференциях института НИШ им.Карпова. ПУБЛИКАЦИЙ И ИЗОБРЕТШИ. Общее число публикаций автора эо. По теме диссертации опубликовано зо работ, в том числе 2 патента России.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа, состоит из введения, семи глав , выводов и приложения. Работа изложена на 216 страницах, включает 56 рисунков и го таблиц. Список цитируемой литературы содержит 195 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается важность и актуальность развития теории мембранной дистшишщши (ИД).

В первой главе по литературным данным выполнен анализ современного состояния теории и практики МД. Принцип реализации процесса МД изображен на рис.1, суть которого состоит в том , что если раствор нелетучей соли и чистый растворитель разделены гидрофобной микропористой мембраной , то при создании разности температур между ними (так что температура раствора - ть выше температуры растворителя - тс) в теплом растворе концентрируется соль, а в холодном собирается растворитель. Согласно механизма МД при создании разности температуры на мембране летучий растворитель испаряется с ее теплой поверхности и диффундирует через поры мембраны к более холодной поверхности, на которой и конденсируется. Сам раствор не шкет переноситься через поры мембраны вследствии ее гидрофобности. Движущей силой этого процесса является разность давлений насыщенных паров растворителя по обе стороны мембраны, вызванная разностью температур исходного теплого раствора и холодного растворителя.

Описанный способ реализации МД в литературе получил название контактная мембранная дистилляция (КМД) . Наряду с этим методом в работе подробно рассмотрены два других. Одним из них является метод мембранной дистилляции с жидкостным зазором

(Щ), схематически представленный на рис.2, отличающийся от НМД наличием канала 2, в котором образуется жидкостной зазор из пермеата между микрофильтрационной гидрофобной мембраной и теплопроводной непроницаемой стенкой С, охлаждаемой протекающим в канале х раствором с температурой тх. Другим является термопервапорация <ТП) - новый мембранный метод разделения и концентрирования жидких смесей. Принцип реализации ТП представлен на рис.з. Движущей силой массопереноса в ТП является разность температуры, создаваемой на сторонах композитной мембраны (М), разделяющий каналы и и с, в которых протекает исходный раствор с температурой ть и пермеат с

И

К с

"с V

11 II

и

Рис Л.

м { I

и

> т

' I ч

-п-

!п

Рис.2. Рис.3.

Метода мембранной дистилляции: Рис.1.Контактная мембранная дистилляция (НМД). Рис.2.Мембранная дистилляция с жидкостным зазором (ЩЦ). Рис.з.Термопервапорация (ТП). Ть ,ТС, Тг - температуры раствора, пермеата и охлаздающей вдкссги ; ^ в Т2 -температуры на теплой и холодной поверхностях мембраны ;Р и И -раствор и пермеат ; М - гидрофобная микропористая мембрана; С -конденсирующая пластина ; О - охлаждающий раствор; а - активный полимерный слой ; 2 - жидкостной зазор.

температурой т . Композитная мембрана состоит из непористого полимерного слоя толщиной 1{активный слой), нанесенного на микропористую мембрану (подложку) несмачиваеглую пермеатом. Высокую селективность процесса ТП обеспечивает активный слой, контактирующий с исходным нагретым раствором, а высокая производительность этого процесса достигается вследствие малой толщины активного слоя и несмачиваемости пермеатом микропористой мембраны.

Наряду с этими методами обсужден ряд других (вакуумная мембранная дистилляция, мембранная дистилляция с газовым зазором), однако пока не получивших достаточного практического развития.

Выполненный в работе анализ современного состояния теории МД показал, что в настоящее время практически не существует единого подхода к описанию неизотермического массопереноса газов и паров через мембрану в процессе МД растворов различной природа. Ранее предлагаемые модели ВД ограничивались случаем разбавленных солевых растворов. Кроме того, в них предполагалось, что массоперенос паров летучего растворителя либо лимитируется взаимной диффузией пара в воздухе, (что реализуется когда размер пор мембраны весьма велики г>1 мкм и столкновениями со стенками моншо пренебречь), либо кнудсеновской диффузией (когда молекулы пара сталкиваются только со стенками пор, что реализуется при г < 0.1 мкм). Очевидно, что указанные допущения могут быть реализованы только в мембранах с заданным узким распределением пор. Заметим, что в обычно используемых для МД микропористых мембранах средний размер пор расположен в диапазоне 0.1 мкм < а < 1 мкм. Кроме того, пористая структура этих мембран гораздо сложнее, поскольку имеет очень широкий диапазон распределения пор по

размерам, поэтому массоперенос пара растворителя в таких мембранах может протекать одновременно, как по механизму взаимной диффузии , так и кнудсеновской диффузии (т.е. в переходном режиме ).

В главе 2 для описания неизотермического массопереноса газов и паров через мембрану предложено использовать модель "запыленного газа", в рамках которой микропористую мембрану можно условно представить в виде набора больших, хаотически расположенных неподвижных шаров ( макромолекул) , промежутки между которыми образуют поры. Дано обоснование системы уравнений массопереноса в процессе МД растворов различной природа.

На основе данного подхода с учетом механизма МД была развита обобщенная модель неизотермического массопереноса летучего растворителя через гидрофобную микропористую мембрану в процессе ВД солевых растворов. Найдено, что удельный шток пара через микропористую мембрану в процессе МД - J описывается выражением вида

' = Пцп^.» Р М (2 - Ь } п (Т1УТШ)Ь_1 1п [(р2 - Р2П(Т2* ^

/(р1 - р1п(т^))i / [ю^ 6 (i- (1 - Р)2~ь)1 (1)

(у ехр<* у))--: ехр [V (1-Д) ] (2)

„ =-- --(3)

^2 Ош (Т1 )р ( 2-Ь) (1 - (1 -рГ")}

где у» (- р1п>/(р2 - р2п>; а = (рш - р2п)/(р2 - р2п); рщ и р.в - парциальные давления насыщенного пара и воздуха на поверхностях мембраны,- - эффективный коэффициент взаимной

диффузии пара в воздухе ; тщ = (т1 + т2)/г - средняя температура на мембране; р - давление ; М^-ту/т^ <5 -толщина мембраны, 1=1 - теплая поверхность и I = 2 - холодная поверхность мембраны;р. - полное давление паро-газовой смеси на 1 -ой поверхности мембраны; о^ - эффективный коффициент кнудсеновской диффузии; и -газовая постоянная; ь - параметр (1,75< ь <2,зз); м - молекулярная масса растворителя; <5 -толщина мембраны.

Показано, что во многих случаях в силу заметного эффекта температурной поляризации выполненено условие Р^(т1~т2)/т1 <1, поэтому уравнение (1) может быть быть упрощено и записано в виде

' "С. (*1П(Т1,-Р2П(Т2>> И)

Л/ Л»

где КПо = О^)/»^), Сп= М с/1^6 „ (1 + Кпо)] -

коэффициент паропроводности;^ и ч - эффективная пористость и

извилистость мембраны; - коэфициент взаимной диффузии пара в воздухе при атмосферном давлении. Отметим, что впервые выполнено строгое обоснование ранее используемого в ряде работ эмпирического: соотношения(4>и получено явное выражение для коэффициента паропроводности. Из анализа выражения (4) следует, что величина удельного потока пара действительно зависит от

механизм переноса пара в процессе МД, который характеризуется

«м __

величиной эффективного параметра Кнудсена - кло ~ а/2г (где а - длина свободного пробега молекулы) :1) кпо >ю -

•V»

лимитирует кнудсеновская диффузия; 2) кпо <0,1

лимитирует взаимная диффузия; з) 1 < кпо < ю - переходный режим массопереноса.

Из уравнения (4) также следует, что для развития количественной теории МД наряду с массопереносом пара через мембрану необходам учет переноса тепла (задающий значения т} и т2), механизм которого определяется типом мембранной системы (непроточная ячейка, проточный модуль или ячейка), в которой реализуется данный процесс. Поэтому построение теории МД проводилось с учетом тепло и массопереноса в указанных системах.

Построена модель КМД раствора нелетучей сом в непроточной мембранной ячейке, изображенной на рис.4. Показано, что уравнение теплообмена в такой системе в общем случае описываются уравнениями вида

ЬН " V = ^ (Т1 ~ Т2)/б + <5>

ь (т, - т ) = v (т - т„)/6 + (6)

с 2 с 1 2 '

где ьь и ьс - коэффициенты теплопередачи в объемах ь и с, ь -скрытая теплота испарения воды; ^ - эффективная теплопроводность мембраны.

Массоперенос пара описывался уравнением (4). Получено аналитическое выражение для удельиого потока пара через микропористую гидрофобную мембрану в непроточной ячейке. С целью проверки предложенной модели были проанализированы экспериментальные данные по МД в непроточной мембранной ячейке схематически изображенной на рис.4. Водный раствор поступал в полуячейку ъ из объема 1, а количество образовавшегося в процессе Щ пермезта регистрировали визуально по изменению высоты мениска жидкости в капилляре 2. Температура на теплой и холодной сторонах мембраны ( т1 и т2> определялась с помощью термопар, расположенных вблизи поверхностей мембраЕы.

□

н

ь

ы

с

X

Рис.4.Непроточная мембранная ячейка для НМД и с полуячейки ; и - мембрана; н и I - нагреватель и холодильник;

1 - объем дат раствора; 2 - капилляр с пермеатом.

В процессе выполненных экспериментов было установлено, что когда температура раствора -т^ и пермеата - тс поддерживалась одинаковой, движения мениска вода в капилляре г не происходило. При создании разницы между ть и тс (причем ть > тс> через некоторое время наблюдалось установившееся во времени движение мениска пермеата в капилляре, что указывало на протекание процесса МД.

Выполненный в рамках предложеной модели анализ экспериментальных данных по КОД в непроточной ячейке показал их как качественное, так и количественное согласие с развитой моделью КМД. Найдено, что экспериментальная зависимость сш от средней температуры на мембране находится в согласии с теоретическим предсказанием, а значения сю согласуется с теоретической оценкой коэффициента паропроводности си % 4 ю~7кг/кРс Па (табл.1).

Проведенный в рамках указанной модели тешголеренос в процессе КМД в непроточной ячейке также показал хорошее согласие расчетных значений объемных температур раствора и пермеата - , с соответствующими экспериментальными значениями (табл.2).

Достоверность предложенной модели КМД так»© была подтверждена экспериментальными данными по КМД приведенными в литературе.

Табл.1.Зависимость коэффициен- Табл.г .Сравнение экспериментов паропроводности от средней тальных и расчетных значений температуры на мембране мФФ - 2. объемных температур

т ,к ш с ю7,кг/м2с Па СТ

289,8 4,0

294,3 4,05

303,4 4, 15

312,2 4,3

VK тс,к р Тс'К

297,0 295,6 284,0 283,5

303,0 304,4 287 ,0 286,7

323,0 321,0 288,3 287,0

343,0 341,0 289, 1 290,5

Так, оценки Кпо из данных (Ш - Schofield R.W., Fane Л.G.,

Fell C.J.D. Heat and mass transfer in membrane distillation.

j.Membr.sci. 1987, v.33, p.299-313.) показали, что перенос пара в мембране протекал в переходном режиме (табл.з.) ( o,i <

»4»

кпо<ю), а значения коэффициентов сгеТ, рассчитанные согласно предложенной модели, хорошо согласуются с экспериментальными значениями с . Значения с*гаТ, найденные с помощью модели КМД без учета кнудсеновской диффузии <г21 - , .sarti G.c.,oostoii

C.,Hatuli S. Low energy cost desalination processes using hydrophobic membranes. Desalination. 1985, v.56, p.277-286)

как видно из табл.з, заметно отличаются от стд. Расчет удельного потока пара с учетом cmT,выполненный в рамках данной модели также хорошо согласуется с экспериментом ш (рис.5).

Глава з посвящена развитию количественной теории КМД разбавленного раствора нелетучей соли в проточной мембранной системе . Показано, что процесс КМД в прямоточном модуле при турбулентном течении раствора и пермеата описывается следующей системой дифференциальных уравнений

Табл. з. Экспериментальные сшд

и теоретические с и с^,

значения коэффициентов

паропроводаости микропористых гидрофобных мембран:

1,2 - Епка; 3 - Оигароге [1].

N а юб м Кп о С С С* аЭ вТ „ ют ю КГ/&ГС

1 0,1 0,47 4,5 4,8 8,8

2 0,2 0,28 4,3 3,9 6,3

3 0,45 0,48 4,8 5,2 8,0

Рис.5.Зависимость з от разности объемных температур = ть - тс: + -экспериментл 2].

РИ) ^/т з

<Ю./¿х + з =о п

(О. (ЙТ./вх) + / (Т, - Т ) )♦ с = - ь. (т - т ) п п 1 п р л п 1

Ьь (Т. - Т, ) = X (Т - Т,)/6 + ЦТ) з'

п п 1 12 т

>

(10 /йх - 3 -О с

(О [йТ /йх) + з' (Т - Т ) )* с = Ъ (Т - т ) сс 2 с р с 2 с

ЬС <т2

Т ) = X <Т, - Т )/<5 + Ь(Т ) 3 с 12 ш

(7)

(8) (9)

(Ю) (11) (12)

где ср - теплоемкость растворителя, з - локальное значение удельного потока пара определялось по формулам ОМ3); оь и ос - объемные потоки раствора и пермеата, * - продольная координата.

Разработан численный алгоритм решения данной системы уравнений с учетом зависимости различных физико-химических параметров тепло и массопереноса от температуры. Численно исследовано влияние различных характеристик мембраны (толщины

мембраны, среднего размера пор, эффективной теплопроводности) и условий проведения КМД на производительность модуля. Проведенные исследования показали, что увеличение среднего радиуса пор - г (при г<1 мкм) приводит к росту удельного потока пара. Однако при г >1 мкм увеличение г практически не изменяет удельный поток пара - з (рис.6). Увеличение эффективной теплопроводности мембраны х приводит к убыванию массопереноса пара через мембрану (рис.7), что обусловлено уменьшением разности температур на поверхностях мембраны. Поэтому при осуществлении процесса Щ следует использовать мембраны с более низкой теплопроводностью.

Установлено, что увеличение скорости потока или температуры раствора приводят к росту производительности модуля, в отличие от аналогичных характеристик пермеата. Причиной этого является существенная зависимость потока пара от значения температуры на теплой поверхности мембраны , которая в значительной степени определяется температурой и скоростью раствора.

3 15 2 1.5 1

Рис.6.Зависимость I от среднего Рис.7.Влияние эффективной

радиуса пор г. . теплопроводности мембраны

(г = 2-ю"7м). х на д (х =0,1 Вт/м2с).

' о ' о '

Предложен и обоснован приближенный подход к описанию процессов контактной мембранной дистилляции и мембранной дистилляции с жидкостным зазором , позволяющий в ряде случаев получить явные аналитические выражения для потока пара . Суть данного подхода состоит в использовании вместо уравнения (4) приближенного уравнения, полученного путем разложения (4) в ряд Тейлора и имеющего с точностью до второго члена разложения вид

1 = С (<1р /<1Т) (Т - т ) ест ) (13)

га з Т 1 2 т ш

С(тт> = 1 - при ламинарном течении раствора и пермеата; 1.42* (згз/т^Г4 - при их турбулентном течении.

Показано, что при использовании уравнения (13) ошибка при при расчетах составляет не более чем ю% при ламинарном течении раствора и пермеата и не более 5% при их турбулентном течении.

Выполненный в рамках данного подхода анализ процесса КМД в проточной мембранной ячейке малой длины (т.е. когда изменение температур и потоков вдоль ячейки невелики) позволил получить аналитическое выражение для удельного потока пара . Показано, что в случае когда я/срр(г. < 2/ь., каналы протока геометрически симметричны и потоки растворов и пермеата в них одинаковы, выражение для удельного потока пара имеет вид

I = в (Т - Т_)/[1 + {\/6 + I. В)/ Н] (14)

Р п

Т = (Т +■ Т_)/2 (15)

ш р П

где 1/н = 1Л1. + /ь ; в = с с(т ) (¿р /<«)_ ; т и т -

пс пгааТрП

т

входные температуры раствора и пермеата в ячейку. Анализ (14)-(15) показал, что удельный поток пара через мембрану увеличивается с ростом коэффициента паропроводности си, разности входных объемных температур - т - тп. Особенно заметное увеличение з происходит при возрастании средней температуры на мембране. Режим течения раствора и пермеата на

удельный поток пара проявляется через эффективный коэффициент теплопередачи - н. При переходе от ламинарного режима течения раствора и перкеата к турбулентному течению величина н возрастает, что приводит к увеличению л. С помощью

предложенного приближенного метода развита количественная теория НМД в противоточном мембранном модуле , состоящего из мембранных ячеек для КМД (рис.в).

р,т

Рис.в.Мембранный модуль для КМД; р и П - раствор и пермеат, М -

л* Л*

мембрана , тр,тп и т тп -температурь! раствора и пермеата на входе и выходе модуля.

П.тп

Показано, что производительность такого модуля описывается выражением вида

П= (я с /Л)*п т - т_)/(1 + ь /н )]» (1 - к*./* )г) «р (16)

т РП ш пс * '

где л - длина МОДУЛЯ; г = (1 - ехр(-шкэ)) / (1 - ("11/»с)

ехр(-шкЗ) ); и, = рс И » = рс () п р п с р с

температурный напор в каналах раствора и пермеата; 1/к = (1/ьь 1/ьс + 1/ь );

га = ( 1/1Г. - 1/т ); Ь = С Ь Р + Х/6 ; Р = [С (Т ) (с!р /(1Т) п с га т о в Т

о

»4* "и

+ С(ТА) (ар /ат)„ ]/2; Т = (Т + Т )/2 И т. = (Т + Т )/2 -ЛбТд орП Лр П

средние абсолютные температуры мембраны на входе и выходе из модуля; з - площадь мембраны; р - неявная функция от различных

параметров мембранной системы.

Численно исследовано влияние количества мембранных ячеек на производительность мембранного модуля для КМД.

Показано, что существует оптимальное число мембранных ячеек, превышение которого не приводит к заметному изменению производительности мембранного модуля .

До настоящего времени практически не развивалась теория метода мембраной дастшящ с жидкостным зазором (Щ), представленного на рис.2.

Глава 4 посвящена развитию количественной теории Щ разбавленного раствора нелетучей соли. Анализ тепло и массопереноса в процессе ШД в проточной мембранной ячейке малой длины (когда изменение температур и потоков вдоль ячейки невелики) позволил получить аналитическое выражение для удельного потока пара . Показано, что в случае, когда я/срро. < 2/ь., каналы протока геометрически симметричны и потоки растворов и пермеата в них одинаковы выражение для удельного потока пара шеет вид

а»

J = В (Тр - Тх)/[1 + (Х/6 +- Ь В)/ Н] (17)

Т = (Т + Т )/2 (18)

га р х

где 1/н = 1/ь + /ь ; в = с (<т ) ир /йт) ; т ит- входные

П С 01 ГО Б 1 Р X

ш

температуры раствора и охлаждающего раствора в ячейку с

ЖИДКОСТНЫМ зазором (ШМД - ячейку); 1/1^ = 1/Ь2 + Х£/6 4 1/Ьс; ь2 - коэффициент теплопередачи с поверхности мембраны в объем жидкостного зазора; и &с - теплопроводность и толщина конденсирующей пластины.

Проведенное сопоставление по производительности КМД -ячейки и ЖМД - ячейки показало, что при одинаковых условиях

проведения МД производительность ШМД ниш, чем у КМД. Это обусловлено тем, что передача тепла от мембраны к охлаждающей жидкости протекает менее интенсивно, чем в случае КМД, из-за двух дополнительных тепловых сопротивлений = i - теплопередача с поверхности мембраны в объем жидкостного зазора ; 2 -кондуктивный переноса тепла через охлаждаемую пластину (ХС'6С)-Показано, что из них наиболее существенное влияние на массоперенос пара через мембрану оказывает тепловое сопротивление в жидкостном зазоре.

Анализ экспериментальных данных по Щ, полученных на лабораторной проточной ячейке доя МД, показал, что они хорошо описываются уравнениями (m - (is) при ламинарном течении растворов в каналах ячейки (рис.9). Эти уравнения также хорошо описывают экспериментальные данные по ШМД, полученные в работе

([3] Schofield R.W., Fane A.G., Fell C.J.D..Macoun R. Factors affecting flux in membrane distillation. Desalination 1990,

v.77, p.279-294), когда теплый и охлаждающий растворы протекали турбулентно (рис.9).

3 . 2

aJ»10 ,kg/ms_

Рис.9.Зависимость от температуры раствора в ячейке для ШД при :1 -ламинарном \г - турбулентном

о го « , м га к» течении раствора. С

Получена система уравнений тепло - массопереноса, описывающих процесс Щ в противоточном мембранном модуле,

состоящем из ММД - ячеек, в случае когда количество пара переносимого через мембрану модуля меньше массового потока растворителя - роь .Получено решение данной системы и найдено, что производительность мембранного модуля описывается следующим выражением

N л»

П = (б с /л)*[(т - т )/( 1 + ь /н)]* (1 - )* г)* v (19)

1а р х т пс

Л» Л, Л,

где г = (1 - ехр(-ш к Б))/(1 - (уь/»с)*е1р(-ш к Б)); 1/к = (

1/ьь + 1/ьс + 1/ьш ); тх - входная температура охлаждающего

раствора; V - неявная функция, зависящая от характеристик модуля и условий проведения процесса МД.

Разработанный способ описания мембранной дистилляции с жидкостным зазором был использован при проектировании малого пилотного модуля, на который был получен патент РФ. С помощью уравнения (19) проведен качественный и количественный анализ функционирования этого модуля. Гак кз выражения (19) следует, что при возрастании скорости потока раствора о производительность модуля сначала должна заметно возрастать, а затем при дальнейшем увеличении о скорость роста П замедляется. Данное предсказание подтверждает полученная нам экспериментальная зависимость скорости прокачки раствора на производительность мембранного модуля для ЖМД (рис.9 ). Как видно из рис.ю, выражение (19) количественно хорошо описывает экспериментальные данные. Из проведенного анализа также следует, что л будет возрастать с увеличением температуры раствора т , причем нелинейным образом. Данное поведение потока пара через мембрану действительно наблюдалось в экспериментах (рис.и).

3 , 2

.ке/ш з

ял/ь

Рис.ю.Зависимость л от о в случае ШД - модуля :

I ; 60 С И 1 Р *

о

10 С.

.то ,ке/т д

Рис.и.Зависимость з (1) и П (2) от I в случае Щ -модуля. <? = 20 л/ч.

Из анализа полученных выражений следует, что расчет производительности процессов НМД и ШД не возможен без знания коэффициента паропроводности мембраны - си и эффективного коэффициента теплопереноса ячейки, из которой собран модуль. Поэтому разработка способов определения сга коэффициента паропроводности и коэффициентов теплообмена, дающих важную информацию об эффективности процесса МД представляет исключительно важную задачу.

В гл.4 был предложен и обоснован способ определения коэффициента паропроводности пористых гидрофобных мембран - с

л»

и эффективного коэффициента теплопередачи н из

экспериментальных данных, полученных в процессе мембранной дистилляции в мембранной ячейке с жидкостным зазором. Показано, что выражение для потока пара через мембрану в процессе Щ при ламинарном течении раствора (с = О может быть записано в виде

ДТ /{з Ь) = (1 + 2 х/(б н))/[ь с (ар /<1т) ] + 1/н* (20) ™ ш э г

ГД8 1/Н* = 1/Н + Б/(срр Оь); 1/Н = + Х/Ьс; Н- ЭффвКТИВНЫЙ

коэффициент теплопередачи в ячейке с Щ, рн - давление насыщенных паров; = (тр - тх); = (т + тх)/2.

Согласно (20) экспериментальная зависимость дт /л. от 1/[(йрв/(1т)т ] должна представлять собой прямую. Поэтому

из пересечения прямой с осью ординат нетрудно определить 1/н*, а затем из тангенса наклона этой прямой равного (1 + >-а/ш ¿)/(ь с^) с учетом характеристик мембран (х , <5 , б ) и величины скорости раствора <гк нетрудно найти с .

Показано,что согласно развитой методики экспериментальные данные действительно описываются прямой в координатах дтуь/ от 1/(дрз/(1т)г (рис.12 ). Из пересечения этой прямой с осью

ординат вычислено значение Н = 1,11*ю3 Вт/м^ К, а из тангенса угла наклона, с учетом указанных характеристик мембраны МФФ - 2 найдено значение коэффициента паропроводяости ст = 5,48 *ю~7 (кг/м2

с Па) данной мембраны. Показано, что полученные величины сш и Н согласуются с теоретическими оценками этих коэффициентов.

Глава 5 посвящена анализу энергозатрат при получении чистой вода при различных способах подключения мембранного модуля с

жидкостным зазором в общую схему мембранного дистиллятора (рис.13).

КМ Н

Л

н .1

XI

Д

И

|Т0

Рис.13. Способы подключения мембранного модуля с жидкостным зазором : ММ - мембранный модуль; ТО - теплообменник; Н -нагреватель; Д - дистиллят; Тн и ^ - входные температуры раствора в мембранный модуль.

Предполагая , что потери тепла в мембранном модуле и теплообменнике незначительны, а затраты на прокачку не велики показано, что во всех случаях энергозатраты определяются количеством теплоты необходимой да нагревания раствора до температурь! тн при входе в мембранный модуль - <?н и описываются выражениями вида

°Н1 = *ЛТНх<У(1+'У (21)

°Н2 = '*ДТН**(1 + * Рщ>*{1 + "т)] <22)

ЧНЗ = ^Дтнх^Л/[и * "т>*( 1 + - 11 (23)

где Рв = ьм = + 1/Ьс + 6А]; Им - эффективный

коэффициент теплопередачи в мембранном модуле для МД; Рт =

«г/ьт8т? ¥ = рср<зр - температурный напор; 1/чг + 1/ьст +

бсАс - аффективный коэффициент теплопередачи в теплообменнике; и нсТ - коэффициенты теплопередачи в теплом и холодном каналах теплообменника; ¿с,вт и - толщина, площадь и теплопроводность теплопередающей поверхности теплообменика; дт„ = (т - т ).

И* я х

Из (21) - (23), следует, что при всех способах подключения мембранного модуля он возрастает прямопропорционально произведению температурного напора « и разности входных температур в мембранный модуль дтНх (т.е. »»дт^). Проведенное сопоставление указанных способов при одинаковых **лтНх показало, что наиболее эффективным по энергозатратам является способ з. Численный анализ эффективности мембранного

дистиллятора собранного по схеме з, как по производительности так и по энергозатратам показал, что производительность мембранного дистиллятора возрастает, а энергозатраты убывают с ростом площади мембраны. Однако существует оптимальное значение площади мембраны, при котором ее дальнейшее увеличение практически не изменяет производительности мембранного дистиллятора.

Глава 6 посвящена развитию теории МД растворов сильных

электролитов при конечных концентрациях. Развиваемый в работе

подход основывается на предположении , что на границе мембрана

- раствор установилось термодинамическое равновесие и мембрана

инертна по отношению к раствору (т.е. не изменяет ее

термодинамические характеристики). В рамках этих допущений

парциальное давление паров вода будет определяться активностью

воды - ан Р = Р -а н 0 \ Для определения активности 2 ' 2 2 2 '

воды предложено использовать термодинамическую модель сильных электролитов, с Кузнецова Е.В. Описание среднего ионного

коэффициента активности и осмотического коэффициента в растворах сильных электролитов в широком диапазоне изменения концентраций. // Электрохимия 1993,т.29, n.9,c.iii73. Исходя из данного подхода, предложена модель МД растворов неорганических солей. Получена система уравнений, описывающая данный процесс. Численно изучено влияние концентрации раствора Nací на интенсивность массопереноса вода через гидрофобную мембрану в процессе КМД. Обнаружено, что с ростом концентрации соли удельный поток пара убывает, но его падение невелико и он все еще сохраняет заметное значение даже при высоких значениях концентрации раствора (рис.14). Показано, что уменьшение температурной поляризации при возрастании концентрации раствора является причиной,сдерживающей заметное убывание потока пара через мембрану в процессе концентрирования солевых растворов методом МД до концентраций близких к насыщению. Предложенная модель находится в согласии с экспериментальными данными, полученными нага на мембранной ячейке для МД (рис.14).

В рамках данного подхода предложена физико - химическая модель МД для раствора содержащего растворенный летучий компонент.В рамках данной модели предполагалось, что в процессе МД происходит испарение воды и десорбция летучего компонента (х) с поверхности теплого раствора, их диффузия через поры

4

3

г 1

о

Рис.14.Влияние концентрации

NaCL На J .

J*10 .kg/m с

-1_i_i-i_i-

0 12 3 4 5 6

С, N

мембраны, конденсация паров воды и растворение летучего компонента в шрмеате. Кроме того, предполагалось, что на обоих сторонах мембраны установилось термодинамическое равновесие; переноса через плотную матрицу полимера не происходит; молекулы вода и молекулы летучего компонента не оказывают взаимного влияния на перенос друг друга и описываются уравнениями вида

JHzO = СИ f P1H20(VW1) - P2H20(V"2> ] (24)

J* = СЯх 1 Plx(VWl) - P2X(T2'W2) 1 (2S)

где j.. n и j - удельные потоки паров воды и летучего 2 Х

компонента ; с^ о и ^ - коэффициенты паропроводности паров 2

воды и летучего компонента соотвественно; р. 0 и р1х -

1 2

парциальные давления на i - ой стороне мембраны паров воды и летучего компонентов u = i - теплая сторона и i = г - холодная сторона мембраны )> т( п2 - температуры на теплой и холодной сторонах мембраны соотвественно; wi - процентное содержание растворенного в воде компонента с i - ой стороны мембраны.

В рамках сделанных допущений получена система уравнений, описывакжщх тепло - массоперенос паров воды и летучего компонента в процессе МД. Предложенная модель была использована при анализе и описании процесса концентрирования методом МД соляной кислоты.(т.е. когда вторым летучим компонентом являлся хлористый водород). При определении парциальных давлений паров воды использовалась указанная выше термодинамическая модель растворов сильных электролитов. Значения парциальных давлений хлористого водорода определялись с помощью регрессионного анализа экспериментальных данных. Построен численный алгоритм расчета и анализа процесса МД для раствора соляной кислоты.

Физико-химические параметры данного раствора описывались как функции состава и температуры с учетом табличных экспериментальных значений.

Исследование процесса концентрирования соляной кислоты методом МД показало, что с ростом ее концентрации в растворе (т.е.»1)? ее концентрация в перкеате (*2) также увеличивается . Однако при ч» < ю?5 содержание кислоты в пермеате не велико ( »2<4% ). При > 17« наблюдается резкое возрастание кислоты в пермеате. Найдено, что поток водяного пара заметно убывает с ростом концентрации кислоты в растворе в области изменения (от 1% -17%), а поток хлористого водорода возрастает при «1 > п%. Анализ влияния «1 на коэффициент разделения - а = «2*(юо -тн)/[(юо - т»2)**п показал, что концентрирование соляной кислоты методом КМД эффективно проводить до средних концентраций «1 < 15*. (рис.15). Полученные результаты находятся в согласии с литературными данными по концентрированию соляной кислоты методом МД, а такие с данными полученными нами на мембранной ячейке для МД.(рислб).

Предложена количественная теория селективности мембраны в процессе МД разбавленных растворов нелетучих солей и экспериментальный способ ее проверки. В основу ее положено предположение о неидеальности мембраны (т.е. наличия в ней незначительного количества гидрофильных пор, через которые исходный раствор может проникать в пермеат).

С учетом принятого допущения предполагалось, что массоперенос в мембране в процессе МД разбавленного раствора нелетучей соли протекает следующим образом = основная масса растворителя в виде пара переносится через гидрофобные поры и лишь незначительная часть раствора протекает через гидрофильные

о

О 5 10 15 20

VI,%

Рис.15.Зависимость коэффициента разделения от концентрации соляной кислоты в растворе при

Тр (К):1 - 323; 2 - 333; 3 -343.

о

О 5 10 15 20

Рис.16.Зависимость з от концентрации соляной * кислоты + экспер.

3 , 2

Л* 10 .кв/т с

поры . Исходя из указанных представлений получена система дифференциальных уравнений, описывающих данный процесс. Получено выражение описывающее зависимость коэффициента селективности мембраны - р от характеристик мембраны и условий проведения МД. Показано, что оно монет быть записано в виде

1п (ш*г)/г = 1п а/г + V б / X) (26)

о р

гд9 ы = (1/Р-1); г = = З^р, а = /(^6),

- эффективный коэффициент диффузии соли в мембране ,-» -коэффициент диффузии соли в растворе; р - коэффициент селективности; ¿р - толщина пограничного слоя; р - плотность раствора; -1 и -т0 - удельные штоки пара через мембрану в процессе МД при температурах (потоках )т (<?) и то (<> ) соответственно;го - коэффициент распределения соли в мембране.

Показано, что в случае когда скорости теплого и холодного растворов равны - о и постоянны, а температура раствора ть может изменяться , то изменение селективности описывается прямой в координатах (у=1п(ы*г)/г; 1/г), причем тангенс угола наклона

данной прямой позволяет определить *>т/г0 (т.к. ос =1па рис 17). Пересечение этой прямой с осью ординат равно что позволяет определить о/<5р = р - коэффициент массообмена , а также и <5 , если о известен из литературных данных.

Показано, что случае когда температуры раствора и пермеата постоянны, а их объемные скорости равны о и могут изменяться, то изменение селективности описывается уравнением вида

1/3

1п(со * г )/г = А + В /ШО ) (27)

о

где <зо- некоторая объемная скорость потока раствора и пермеата, а и в - постоянные.

Из (27) следует , что в этом случае изменение селективности

также должно описываться прямой в координатах

1/(0/0 )1/3 ). о

Предсказания модели были проверены путем анализа экспериментальной зависимости удельного потока пара и коэффициента селективности от температуры нагреваемого разбавленного раствора 0.1 н кс1 для мембран МФФ - 2. Как видно из рис.17, в случае постоянных скоростей потоков зависимость селективности от температуры раствора действительно описывается прямой, в указанных выше координатах. Найдено, что в мембране МФФ-2 доля гидрофильных пор равнялась ¿Т = 3,7»ю-5. Анализ экспериментальных данных в случае постоянных температур раствора и гор?йеата показал, что изменение селективности от потока растворов и пермеата хорошо описывается прямой (рис.18)

1/3

в координатах (1п(*2)/г и 1/(о/<?о) ).

Глава 7 посвящена развитию теории термопервапорации. Впервые предложен и обсужден механизм неизотермического массопереноса растворителя через композитную мембрану, в процессе термопервапорации (рис.з). Согласно ему массоперзнос растворителя протекает в две стадии: 1) перенос через

1п {ш)/ъ

0.4 0.6

Ъ

Шо)

Рис.18.Зависимость 1п(ю

.1/3

от

(0/0о)

Рис.17.Зависимость 1п(ш г)/х

от г.

гидрофильный полимерный слой (селективный слой), который реализуется по механизму растворение - диффузия ;2) перенос через гидрофобную микропористую мембрану (подложку) осуществляется по механизму мембранной дистилляции. Развита модель неизотермического массопереноса растворителя через композитную мембрану в процессе термопервапорации и изучено влияние ее параметров и условий проведения термопервапорации на величину потока растворителя.

Показано, что проницаемость композитной мембраны в процессе термопервапорации может определяться мембранными характеристиками как полимерного слоя, так и микропористой мембраны. Подробно рассмотрен случай , когда растворителем является вода. Показано, что влияние подложки на проницаемость композитной мембраны может быть заметным, если коэффициент диффузии воды в активном слое от > ю-11 м2/с ,а его толщина -1 < 1мк (табл.4), с учетом теплового баланса в проточной мембранной ячейке в случае, когда толщина активного слоя мембраны мала получено выражение для удельного потока растворителя, которое имеет вид

ТГТ2

(ТЬ-Тс>;

.Г = с (ар /<1Т)„ (Т.-т )

К 8 Т П С Ш

Т10 = <Т1+Т2)/2 <28> /[1+<х/б +ск I. (арз/аг)т )/н] (29)

ш

ГДЗ к=(1/Н 4 1/(Х/<5 4 Ск Ь (с!р/(1т)т )), 1/Н=1/Ь1 4 1/Ь2,

ш

т=к/[х/б + ск ь ], ск - эффективный коэффициент

ш

паропроводности композитной мембраны; ск = рк/л. рк -коэффициент проницаемости композитной мембраны в процессе ТП; л - длина ячейки.

Таблица 4. Влияние толщины

полимерного слоя на

проницаемость композитной

мембраны при пи=ю~п и^/с;

т. = 343 К. Р. И Р, -п 1 о

коэффициенты проницаемости активного слоя и микро -пористой мембраны.

1 мкм Р, 1011 Рх 1011 Р, ю12 1 <5 р к КГ/!,ГС

10 0,01 0,0998

1 0, 1 5 г» со

0,1 1,0 33,0

Численный анализ влияния ряда параметров на удельный поток вода через композитную мембрану - з по формулам (28)-(29) показал, что л растет с уменьшением толщины активного слоя 1 мембраны. Увеличение объемной скорости или температуры теплого раствора приводит к росту удельного потока воды. Указанные зависимости экспериментально наблюдались в литературе. Показано, что удельный поток воды в процессе термопервапоравди может достигать заметно высоких значений з > юкг/м2с при > ю-11 М2/с и 1 < 1 мкм.

вывода.

1. Впервые предложено проводить анализ и описание процесса мембранной дистилляции растворов различной природа в рамках

модели запыленного газа. На основе данного модельного подхода развита теория неизотермического массопереноса паров летучего растворителя в процессе МД солевого раствора. Показано, что перенос пара определяется взаимной диффузией пара в воздухе, заключенного в порах мембраны и кнудсеновской диффузией. Получено выражение, для удельного потока пара через мембрану в процессе МД при любом значении эффективного параметра Кнудсена.

2. Развита обобщенная модель контактной мембранной дистилляции солевого раствора в непроточной ячейке. Показано, что предложенная модель позволяет описать экспериментальные данные по КМД, которые не согласовывались с ранее предложенными моделями МД.

3. Получена замкнутая система дифференциальных уравнений, описывающих процесс КМД в прямоточном модуле при турбулентном течении раствора и пермеата. Методом численного эксперимента на ЭВМ проведен анализ влияния на интенсивность протекания МД характеристик мембраны и условий его проведения. Установлено, что увеличение скорости потока или температуры раствора приводит к росту производительности модуля, в отличие от аналогичных характеристик пермеата. Эффективность модуля заметно возрастает с уменьшением теплопроводности мембраны, а также ее толщины.

4. Получены явные выражения, позволяющие расчитывать производительность в проточной ячейках и модулях. Обнаружено, что производительность ячейки для контактной мембранной дистилляции будет выше, чем у ячейки с жидкостным зазором. Однако производительность последней может бьггь увеличена, если интенсифицировать теплообмен в жидкостном зазоре.

5. Получены аналитические выражения для расчета производительностей модулей для контактной мембранной дистилляции (КМД-модуль) и с жидкостным зазором <Щ - модуль)

в зависимости: от характеристик мембраны и условий проведения процесса разделения. Показано, что разработанный метод описания Щ не только качественно, но и количественно хорошо согласуется с экспериментальными данными по мембранной дистилляции водопроводной воды на ЩД - модуле.

е. Предложен и обоснован способ определения коэффициента паропроводности гидрофобной микропористой мембраны - сга и эффективного коэффициента теплопередачи к забранной ячейки - н из экспериментальных данных , полученных в процесс МД в проточной ячейке с жидкостным зазором. Показано, что полученные этим способом значения данных коэффициентов для мембраны МФФ -2 и равные ст = 4,58<мо~7 кг/м2с Па и н = 1,и*ю3 Вт/м2 к хорошо согласуются с соответствующими теоретическими оценками.

7. Определен эффективный способ включения ЖМД - модуля в общую схему мембранного дистиллятора. Найдено оптимальное значение площади мембраны , при котором ее дальнейшее увеличение не изменяет заметно производительности мембранного дистиллятора.

8. Развита теория МД для концентрированных растворов неорганических солей. Методом математического моделирования исследовано влияние концентрации наС1 на поток пара в процессе МД. Показано, что метод МД позволяет концентрировать данный раствор до эк без существенной потери производительности , что согласуется с экспериментом. Онаружено, что причиной, сдерживающей заметное убывание производительности процесса МД при концентрировании солевых растворов является подавление эффекта температурной поляризации с ростом концентрации соли.

9. Построена количественная теория селективности мембраны в процессе МД разбавленных растворов неорганических солей. Получена аналитическая формула для расчета коэффициента

селективности мембраны в зависимости от характеристик мембраны и условий проведения процесса МД. Показано, что предсказываемые теорией зависимости коэффициента селективности от температуры или скорости потока раствора хорошо согласуются с экспериментальными данными по мембранной дистилляции раствора

0.1 N кс1. Найдено, что доля гидрофильных пор в мембране МФФ-2 равна ет = 3,7-ю-5, что согласуется с литературными данными.

ю. Развита модель МД водных растворов, содержащих растворенный летучий компонент. Численно исследован процесс концентрирования соляной кислоты методом МД. Обнаружено, что концентрирование соляной кислоты эффективно проводить до 15% нс1 в растворе. Показано, что предложенная модель находится в согласии с экспериментальными данными .

11 - Предложен механизм неизотермического массопереноса индивидуального растворителя через композитную мембрану в процессе термопервапорации и развита его математическая модель. Показано, что влияние пористой подложки мембраны на массоперенос растворителя может оказаться сравнимой с влиянием активного слоя мембраны. Получена формула для удельного потока растворителя в зависимости от характеристик композитной мембраны и условий проведения термопервапорации. Установлено, что удельный поток вода через композитную мембрану в процессе термопервапорации может достигать заметно высоких значений J > ю кг/м2с, если толщина активного слоя мембраны 1 < шкм, а коэффициент диффузии вода в нем ога>ю~пм2/с.

Список основных работ по теме диссертации.

1. Золотарев П.П., Угрозов В.В., Зиневич С.Ю., Тиматев С.Ф. Исследование процесса мембранной дистилляции.//Тез.докл.на х Менделеевском съезде .г.Ташкент 1989,т.2,с.259.

2. Золотарев П.П., Угрозов В.В., Тимашев С.Ф. Мембранная дистилляция. Проблемы и перспективы.//Тез.докл.Всесоюзн. научн.конф."Состояние и развитие мембранной техники." пос.Дивногорск, 2? апр,1989, с.71-72.

3. Зиневич С.Ю., Угрозов В.В. Исследование процесса мембранной дистилляции./Лез.докл.на i Всесоюзн.школе-скмпоз. молодых ученых и специалистов "Мембранные процессы. Разделение жидких смесей "29 янв.- 5 февр. 1989. с. 156-157.

4. Zolotarev P.P., Ugrozov V.V., Tiraashcr S.F. Aspects of the contact membrane distillation of the membranes for solutions of the nonvolatile salts.// Intern. syraposium on vapour séparation. Suzdal. USSR.1989. Preprint.p.45.

s. Угрозов В.В..Золотарев П.П.. Тимашед С.Ф. О процессе контактной мембранной дистилляции.//Теоретич.основы химич.технол. I99Ï, т.25, nI,с.17-25.

6. Угрозов В.В., Золотарев П.П., Тимаиев С.Ф. О мембранной дистилляции растворов нелетучих солей в вакуум. //Теоретич. основы химич.технол. 1991, т.25, n3, с.17-20.

7. Золотарев П.П., Угрозов В.В. Некоторые проблемы мембранной дистилляции растворов нелетучих неорганических веществ. //Тез. докл. и Республ. конф. по мембр. и мембран, технологии. Киев.

1991. с.18.

s. Угрозов В.В. Анализ контактной мембранной дистилляции с учетом вязкого течения пара.//Тез. докл. п Республ. конф. по мембранам и мембранной технологии.Киев.1991. с.25. 9. Ежина И.Б., Золотарев П.П., Никулин В.Н., Угрозов В.В. Экспериментальное исследование влияния температурного фактора на процесс мембранной дистилляции.//Химия и технология воды

1992, Т.14,П.7, С.497-501.

ю. Золотарев П.П..Угрозов В.В., Елкина И.Б., Никулин Н.В.

Исследование влияния высоких концентраций растворенного вещества на процесс контактной мембранной дистюшщии.//Химия и технология вода 1992, т.14,п.7, с.501-504. п. Зиневич С.Ю., Угрозов В.В., Золотарев П.П. Исследование процесса контактной мембраннй дистилляции на гидрофобных микропористых мембранах.//Георетж.основы химич.технол 1992, Т.26, п.6, с.793-799.

12. Zolotarcv P.P.,Ugrozov V.V., Elkina I.В., Nikulin V.N. Membrane distillation a perspective method of solution separation and concentrât ion.//World conference CHENYSTRY AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT CHENRAWN VU I,Moscow,1992. p.37.

п. Никулин В.H., Елкша И.Б., Сизова С.Н., Угрозов В.В., Золотарев П. П.Установка для мембранной дистилляции. / /Патент РФ 5058364 ММ5 В01Д 61/36, приоритет от 10.08 92.

14. Zolotarev P.P.,Ugrozov V.V., Elkina I.В., Nikulin V.N. The treatment of wast water from heavy metals by membrane distillation.// The XI International Congress of Chem. equipment Design and Automation. CHISA'93, Praga,1993. Poster, p.72.

is. Золотарев П.П.,Угрозов В.В., Елкина И.В., Никулин В.Н. Мембранная дистилляция перспективный метод разделения и концентрирования растворов.//Российский хим. журнал.1993,т.37, п.4, с.105-106.

16. Угрозов В.В. Математическое моделирование контактной мембранной дистилляции.//Теоретич.основы химической технол. 1994, Т.28, п.4, с.375 -38117. Zolotarev P.P., Ugrozov V.V., Elkina I.В., Nikulin V.N. The treatment of wast water from heavy raetais by membrane distillation.// Journ.of Hazardous Materials,1994,v.37 p.77-82.

is, Елкина И.Б.,Золотарев П.П.,Угрозов В.В., Никулин В.Н. 0

производительности и селективности микрофильтрационных гидрофобных мембран для мембранной дистилляции с газовым зазором.// Коллоидный журн. 1995, т.57, п.З, с.321-324.

19. Елкина И.Б., Золотарев П.П., Никулин В.Н. .Угрозов В.В., Хамизов P.X.Разделение и концентрирование растворов солей методом мембранной дистилляции.// Коллоидный журн. 1995, т.57, П.З, с.325-328.

20. УгрозовВ.В., Елкина И.Б., Никулин В.Н., Золотарев П.П. Аналитический метод расчета контактной мембранной дистилляции в проточном мембранном модуле.//Теоретич.основы хшич. технол. 1995, т.29, n. 6, с.124-135.

21. Угрозов В.В., Елкина И.Б., Золотарев П.П., Никулин В.Н. Определение коэффициента паропроводности пористых мегйбран.// Шурнал физич.химии. 1995.т.69. n.II, с.2070 - 2074.

22. Угрозов В.В., Елкина И.Б., Никулин В.Н., Золотарев П.П. Мембранная дистилляция с жидкостным зазором.// Теоретич.основы химич.технологии. 1996,т.30. n.I, с.22-27.

23. Ugrozov V.V., Etkina I.В., Hikulin V.N., Zolotarev P.P. Theoretical and experimental research of different methods of

membrane distillation processes.// Proceedings of

'Euromembrane - 95' Bath,18-20 sept. 1995. v.2. p.263-266.

24. Угрозов В.В. О влиянии вязкого течения на НМД.// Теоретич. основы химич. технологии.1996, г.30,п.2, с.188- 194.

25. Угрозов В.В., Елкина И.Б. Модель неизотермического массопереноса растворителя через композитную мембрану.// Нурн. физич.химии. 1996, т.70. n 5.с.899-903.

26. Угрозов В.В.,Елкина И.Б. О неизотермическом массопереносе в процессе термопервапорации.//Российская конф. по мембранам и мембранным технологиям. "Мембраны - 95" I995.C.I75.

27. Елкина И.Б., Угрозов В.В., Никулин В.Н.,Золотарев П.П.

Теоретические и экспериментальные исследования мембранной дистилляции в проточном модуле.// Российская конф. по мембранньм технологиям. "Мембраны - 95" 1995.с.150.

28. Никулин В.Н., Елкина И.Б., Сизова Е.В., Угрозов В.В., Золотарев П.П. "Установка для мембранной дистилляции".// Российский патент «2040314 класс МКИ5 В01Д 61/36 Приоритет 25.07.95.

29. Ugrozov V.V.,EIkina I.В. Theoretical and experimental study of HCL/water solution separation by membrane distillation.// 12th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'96, Praha, Czech Republic,25-30 August 1996. p.120.

30. Elkina I.В., Ugrozov V.V. Separation and concentration of aqueous solutions by membrane //12th International. Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'96, Praha, Czech Republic, 25-30 August 1996. p. 121.