Гидродинамика и массообмен на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы

Дмитриев, Евгений Александрович

автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика и массообмен на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы

доктора технических наук: Дмитриев, Евгений Александрович
город: Москва
год: 2003
специальность ВАК РФ: 05.17.08
цена: 450 рублей

Диссертация по химической технологии на тему «Гидродинамика и массообмен на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы»

Автореферат диссертации по теме "Гидродинамика и массообмен на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы"

На правах рукописи

Дмитриев Евгений Александрович

Гидродинамика и массообмен на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы.

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -2003

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете

им. Д.И.Менделеева

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кулов Н. Н.

Доктор технических наук, профессор Захаров М.К.

Доктор химических наук, профессор Мчедлишвили Б.В.

Ведущая организация - ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»

Защита состоится _ _ 2003 года на заседании

Диссертационного совета Д 212.204.03 в РХТУ имени Д. И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д.9) в аудитории № в_часов.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ имени Д. И. Менделеева

Автореферат диссертации разослан _ _ 2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.03

д.т.н., профессор Бобров Д. А.

I о^оу

Актуальность проблемы.

В настоящее время интерес от изучения гидродинамики и массообмена на пористых поверхностях с отбором и вдувом массы смещается от внешних задач (течение в пограничных слоях) к внутренним (движение в каналах и трубах). Это связано как с развитием способов интенсификации традиционных тепло- и массообменных процессов, так и с появлением новых мембранных процессов разделения и очистки жидких сред, основанных на преимущественном проникновении через полупроницаемые поверхности отдельных компонентов смеси.

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультра- и микрофильтрация), являясь экономически эффективными и малоотходными, позволяют создать рациональные производства переработки растворов неорганических и органических веществ, фракционирования и очистки пищевых продуктов, медицинских препаратов, ценных металлов и неметаллов, очистки сточных вод, а также опреснения и обессоливания воды. В этих процессах, протекающих на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы, гидродинамические и массообменные характеристики служат основным звеном, связывающим эффективность разделения как с технологическими, так и техно-экономическими параметрами. Однако закономерности гидродинамики и массообмена для этих процессов изучены явно недостаточно. Как следствие, отсутствуют надежные методы расчета аппаратов, основанные на экспериментально подтвержденных теоретических закономерностях, а используемые методы «эмпирического» поиска, как известно, ограничены рамками проведенных экспериментов и не отвечают характеру соответствующего уровня общности. Кроме того, комплексное решение проблемы разделения и очистки жидких систем с использованием только мембранных способов часто не реализуется. Поэтому необходим поиск

новых методов, основанных на интеграции (совмещении) процессов на

1"...-. НАЦИОНАЛЬНАЯ I

библиотека

С.Петербург .О »

полупроницаемых поверхностях, которые позволят более эффективно использовать материальные и энергетические ресурсы.

Основные научные исследования выполнены в соответствии с координационным планом РАН по направлению «Теоретические основы химической технологии» (регистрационный номер 2.27, 2.16.6); постановлением ГКНТ СССР № 473 от 18.07.89. «О проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектам приоритетного направления «Мембранные процессы» и государственной научно-технической программы «Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы металлургии и химии». Цель работы состояла в:

• развитии теоретических представлений о гидродинамике и массообмене в каналах с полупроницаемыми стенками и на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы. Слабый отбор и вдув массы понимаются в том смысле, что пограничные слои существуют при отборе и не оттесняются от поверхности при вдуве;

• разработке физически обоснованных методов расчета баромембранных процессов с выбором оптимальных рабочих режимов и условий интенсификации массообмена;

• поиске возможностей интеграции (направленного совмещения) процессов, протекающих на полупроницаемых поверхностях, для создания эффективных способов разделения жидких смесей.

Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи: математическое моделирование массообмена в каналах щелевидной формы с полупроницаемыми стенками в условиях симметричного и асимметричного неравномерного отбора массы;

изучение гидродинамики и массообмена в системе круглых каналов при неравномерном отборе и вдуве массы с учетом взаимного направления потоков; математическое моделирование изменения свойств полупроницаемой

поверхности во времени на основе стохастического подхода;

- обобщение закономерностей массообмена на полупроницаемых поверхностях с учетом модельных представлений и экспериментальных исследований;

- изучение гидродинамики и массообмена в ламинарно стекающей по вертикальной проницаемой поверхности пленке, образующейся за счет вдува массы;

- разработка и моделирование совмещенного микрофильтрационно-десорбционного процесса для регенерации технологических жидкостей;

- усовершенствование прецизионного метода лазерной интерферометрии как основного инструмента измерения параметров диффузионных пограничных слоев;

- систематическое экспериментальное изучение массопереноса в непосредственной близости у полупроницаемой поверхности на основе прямых инструментальных методов.

Научная новизна. Разработаны теоретические положения, которые являются существенным развитием научного направления, связанного с изучением гидродинамики и массообмена в каналах с проницаемыми стенками и на проницаемых поверхностях со вдувом массы. Выполненные обобщения явились базой для создания нового совмещённого процесса и анализа важнейших баромембранных способов разделения жидких смесей: обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации.

В результате теоретических и экспериментальных исследований впервые:

• обобщены закономерности массообмена в щелевых каналах с полупроницаемыми стенками при малом отборе массы;

• создана математическая модель нового микрофильтрационно-десорбционного метода регенерации технологических жидкостей, основанного на принципе интеграции (направленного совмещения) процессов;

• на основе стохастического подхода построена математическая модель изменения свойств полупроницаемой поверхности в процессах микрофильтрации;

• решены гидродинамическая и массообменная задачи при ламинарном течении по проницаемой поверхности плёнки переменной толщины, образующейся за счёт вдува массы;

• построены математические модели оценки эффективности работы половолоконных аппаратов обратного осмоса, позволяющие минимизировать эксплуатационные и капитальные затраты;

• выполнен анализ влияния неравномерности отбора массы на характеристики процессов разделения с использованием полупроницаемых мембран и установлены границы применимости соответствующих моделей массопереноса;

• на основе усовершенствованного прецизионного метода лазерной интерферометрии систематически исследованы параметры диффузионных пограничных слоев в каналах, образованных полупроницаемыми мембранами.

Практическое значение работы.

• Разработан микрофильтрационно-десорбционный метод регенерации технологических жидкостей на основе минеральных масел, использующий принцип направленного совмещения процессов в одном аппарате.

• Предложены физически обоснованные методы инженерного расчёта баромембранных и совмещённых процессов, протекающих на полупроницаемых поверхностях.

• Разработан способ оценки эффективности работы половолоконных аппаратов обратного осмоса с учётом организации потоков, позволяющий минимизировать капитальные и эксплуатационные расходы.

• Усовершенствована прецизионная методика лазерной интерферометрии для изучения массопереноса в непосредственной близости у полупроницаемой

поверхности.

• Выдано техническое задание на проектирование узла обратноосмотической очистки минеральной части сточных вод производства винилхлорида на предприятиях АО «Саянскхимпром» и АО «Каустик», г. Стерлитамак с регулируемой производительностью от 12 до 30 м3/ч сточной воды. Предложенный способ экономичнее выпаривания приблизительно в 2,5 раза.

• Разработана технологическая схема очистки сточных вод кустового завода Селенгинского ЦКК с применением обратноосмотических аппаратов на основе полых волокон. При этом в производство возвращаются такие ценные компоненты как сульфатное мыло и талловое масло. Ожидаемый экономический эффект составляет -230 тыс.у.е./год без учёта экологической эффективности предотвращенного ущерба при сбросе недостаточно очищенных сточных вод в бассейны рек озера Байкал.

• Внедрена в АО «Мосэнергоремонт» установка регенерации высококачественных трансформаторных масел типа Т-750, Т-1500. Основными аппаратами в установке являются микрофильтрационно-десорбционные модули. Эколого-экономический эффект от внедрения установки подобного типа вместо традиционной РТМ-200 составит 242 тыс.руб./год (в ценах 1999 г.)

• Документация в форме технического задания на проектирование установок очистки индустриальных и трансформаторных масел разработана для АО «Морж», г.Москва и КБ «Сектор», г.Калуга.

• Теоретические задачи, связанные с гидродинамикой и массообменом в системе круглых каналов с проницаемыми стенками и имеющие сравнительно простые аналитические решения, стали составной частью курса «Явления переноса», читаемого студентам РХТУ им. Д.И.Менделеева специальности 251900 «Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов» и специализации 251802 «Мембранная технология».

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на III (1981) и IV (1987) Всесоюзных конференциях по мембранным методам разделения смесей, Всесоюзной научной конференции «Повышение эффективности технологии и совершенствование процессов и аппаратов химических производств» (г.Харьков, 1985г.); Международных конгрессах по мембранам и мембранным процессам (Intern. Congr. on Membr. and Membr. Proc.) - ICOM-87 (г.Токио, 1987) и ICOM-93 (г.Хейдельберг, 1993), Российской конференции «Мембраны-95» (г.Москва, 1995г.), Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (г.Новомосковск, 1997г.), Научно-практической конференции

«Энергосбережение в химической технологии 2000» (г.Казань, 2000) и других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе 1 авторское свидетельство и 1 патент на изобретения.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав основного содержания, выводов, списка литературы из 302 библиографических ссылок и 7 приложений. Она изложена на страницах печатного текста, включающего 71 рисунок и 34 таблицы.

Во введении обоснована актуальность работы, определены её цель и

задачи.

В первой главе - литературном обзоре - дан анализ основных тенденций развития процессов, протекающих на полупроницаемых поверхностях. Показана перспективность использования мембранных процессов в различных отраслях промышленности. Приведены известные математические модели течения в плоских и круглых каналах с проницаемыми стенками, проанализированы модели массообмена в каналах с отбором массы.

Рассмотрены экспериментальные методы исследования массопереноса в каналах с проницаемыми стенками. Показана перспективность использования стохастического подхода к расчётам процессов осаждения и фильтрования. Существенное внимание уделено моделированию и экспериментальным

исследованиям движения частиц малого размера в сдвиговых потоках с появлением компоненты скорости в направлении, поперечном к движению основного потока (lateral migration).

Обсуждены проблемы интеграции (совмещения) процессов с использованием полупроницаемых поверхностей, которые представляют реальные возможности создания новых химических технологий с рациональным использованием материальных и энергетических ресурсов.

Сформулированы выводы, поставлены задачи и определены возможные области применения результатов исследований.

Вторая глава посвящена математическому моделированию гидродинамики и массообмена в каналах с полупроницаемыми стенками при малом симметричном и асимметричном отборе и вдуве массы; теоретическому анализу изменения свойств проницаемой поверхности на основе стохастического подхода; решению гидродинамической и массообменной задач при ламинарном течении по проницаемой поверхности плёнки переменной толщины, образующейся за счёт вдува массы. В ней также построена математическая модель совмещённого микрофильтрационно-десорбционного процесса регенерации технологических жидкостей.

На основе термодинамики необратимых процессов показано, что локальные потоки растворителя Jy, и растворенного вещества Js, жидкой смеси в каналах, образованных полупроницаемыми поверхностями, описываются в общем виде как:

где: А(т), В0 - константы проницаемости растворителя и растворённого вещества; ЛР = Р - АРг(х)~ ЛР[1 (х); Р - избыточное давление на входе в канал; ЛРг(х), ЛР/х) - потери давления в напорном и дренажном каналах;

JVt = А{т)(АР(х)-Атг{х)) Js, =Я0(с3(х)-с200)

(2)

(1)

Ал(х) = ж3(х)~ тт2(х) - разность осмотических давлений растворов; с3(х), с2(х) -концентрации у поверхности мембраны и в фильтрате; х - продольная координата.

Обобщённый подход к определению интегральных потоков требует решения гидродинамических и массообменных задач.

При моделировании массообменных проблем в каналах с отбором массы оценивались трение на проницаемых стенках, искажение профиля осевой скорости и возможность использования в диффузионных уравнениях компонент скорости, полученных на основе автомодельных решений уравнений Навье-Стокса при ламинарном течении.

Уравнение диффузии (с учётом продольной компоненты) для каналов с симметричным отбором массы имело вид:

D 3/, Реу V2^C _ Y v^dC д2С д2С

Рех -(1---Х){\ - Y¿)-+ Рв~{ 3 -Y )-=-г +---и-»

х2 Рех дХ у2 J8Y ЭХ 3Y2 ()

с граничными условиями:

?¡C Г 1 дС\

1.^=0,-1 <У< 1; С=1 2.Х> 0, У =0, —— = 0 3. ^ ре дУ\

дУ >' lv=±i

которые вытекали из физических соображений.

Здесь: X—x/h, V=y/h, С~с/сц - безразмерные продольная, поперечная координа1ы и концентрация; Pex=üüh/D, Pev-uynh/D — числа Пекле, составленные для продольной (м0) и поперечной компонент скорости (щ„); h -полувысота канала, D— коэффициент диффузии.

Уравнение (3) решалось обобщённым методом минимальных невязок (GMRES) в диапазоне изменения Рех = 5-i О3 -105, Реу = 1-15, истинной селективности <ри — 0,9; 0,95; 1, что соответствовало реальным режимам работы аппаратов обратного осмоса с современными высокопроизводительными мембранами. Сопоставление с теоретическими результатами других исследователей показало, что наличие члена в (3), учитывающего продольную

и

диффузию, уменьшает длину начального участка диффузионного пограничного слоя и увеличивает концентрацию на стенке.

Последующее обобщение массива численных данных при <ри = 1 позволило найти приблизительное решение (3) в форме полинома:

С(Х,У=±1)= 1+4,91 1,41 0,156? (4)

Для теоретического исследования асимметричного неравномерного отбора массы уравнение диффузии решалось в следующей форме:

дХ 'дУ Рех дУ

с граничными условиями:

1. С = 1 при Х- 0, 0 < У < 1 (постоянство концентрации на входе в канал); 3(2

2. — = 0 при Х> О, У = О (отсутствие потока на непроницаемой стенке);

1 ЗС

3 .--= <риС при Х> О, У = 1 (равенство локальных диффузионного и

РехМО ВУ

поперечного потоков на проницаемой стенке).

Особенность уравнения (5) состоит в том, что в качестве компонент скорости использовались соотношения, учитывающие нелинейность их изменения, которая связана с отбором массы:

йх = сИмх+{и\~скмх\ )зШХ 0(Х) = )скШ+

где М - параметр, характеризующий проницаемость; {// - степень отбора массы; X/ -Ь/к — безразмерная длина канала.

Необходимость постановки данной задачи продиктована появлением высокопроницаемых мембран, когда отбор массы приводит к деформации профилей продольной и поперечной скоростей. Численные решения, найденные в широком диапазоне изменения параметров IIх, М<3, Рех были

обобщены также в виде зависимости С = /

'хРе1

. При этом было

показано, что нелинейность отбора массы начинает существенно влиять на

процесс при

ХРе

Решение диффузионных задач (3) и(5) позволило найти вид функций ж3(х), С}(х) для вычисления локальных потоков компонентов Зу, и

При расчёте обратноосмотических процессов взаимное направление потоков в каналах аппаратов обычно не учитывается. На основе законов сохранения массы и импульса, применённых к половолоконным аппаратам обратного осмоса, была решена сопряжённая задача распределения давлений и скоростей при прямо-, противоточной схеме организации потоков и для режима идеального смешения в межволоконном пространстве. Исходные соотношения сводились к системе обыкновенных дифференциальных уравнений 2-го порядка, граничные условия к которой определялись схемой организации потоков. В результате были найдены выражения, определяющие профили давления Р(х) и скорость выхода обессоленного раствора йь при длине волокон Ь. Так, например, для прямотока получено:

Р = Р,ш ~ (Рвн ~ Р0) сИрх + уИ/Зх - Вх

р0 = Р РеН~Рл Ь__ВЬ_

0 ен с/г рь р скрЬ

_ Я

и, = —-£ 8//

1-

1

скрЬ

(6)

(7)

(8)

{рвн-рА-вь)рлр1 + в

В (6-8): Р = {^6/Ж2А/; Л/, К2 - внутренний и наружный радиус полого волокна; Рвн=Рех - Лк,1Х; В=Рвхк1+Лкехк2; /л - динамическая вязкость.

Для случая гексагональной упаковки цилиндрических элементов в модуле удельные диссипативные потери были найдены в форме:

где: К(„) - коэффициент зависящий от плотности упаковки цилиндров. Осреднённая селективность разделения <(р,> определяется интегрированием

локальной движущей силы АР, по длине модуля:

1 =1 , A) L[ dx ((1 -<р,)) AL J АР,(х) (Ю)

Анализ уравнений (6-8, 10) показал существенные изменения давления, скорости потока и селективности на сравнительно коротких участках полого волокна и их сильную зависимость от взаимного направления потоков.

Полученные теоретические выражения легко проверяются экспериментально измерением давления Ро (в заглушённых участках полых волокон) и определением интегральной удельной производительности <JV> из соотношения :

uL-nR\ ={Jv)-2ttR2-L (11)

Для процессов микрофильтрации разница осмотических давлений Аж(х) отсутствует и выражение (1) принимает форму уравнения Хагена-Пуазейля или Козени-Кармана для течения в пористой среде. Однако в силу того, что структура проницаемой поверхности меняется из-за образования осадка, плотность потока начинает зависеть от времени и это учитывается коэффициентом А(т).

Математическая модель микрофильтрации на основе стохастического подхода, развитая в диссертационной работе, отличается от существующих следующими положениями:

1. Принимается во внимание доля частиц, не остающихся на проницаемой поверхности за счёт наличия продольной скорости и связанного с ней эффекта миграции микрочастиц от стенок (lateral migration).

2. Рассматриваются два периода кольматации проницаемой поверхности: первичный (образование монослоя частиц, блокирующих поры) и вторичный

(дальнейшая блокировка пор частицами суспензии, размеры которых позволяют им проникать через первичные слои; более крупные частицы формируют слой осадка или уносятся продольным потоком).

Используя известные из литературы соотношения для локальной скорости миграции, поперечной и продольной компонент скорости в круглом канале (с учётом их деформации), получили для максимального радиуса частиц, остающихся на проницаемой поверхности:

11/2

(12)

а <

0,364

V

'/2 кгц

(сИМХ^+В зкМХ1)/2Х1 где: V - кинематическая вязкость; м0 - средняя скорость на входе в канал; Я -радиус канала; Х1=Ь / Я - безразмерная длина канала; В - константа, определяемая степенью отбора массы.

В начальном периоде микрофильтрации поверхность будет доступна всем частицам суспензии, размер которых меньше а. После образования первичного слоя поры проницаемой поверхности могут блокировать только частицы с

размером Здесь г - средний размер частиц, формирующих

первичный слой осадка. Величина Ь получена из рассмотрения сечения, образованного плоскостью, проходящей через центры трёх контактирующих сфер радиусом г.

Модель основана на «ситовом» механизме, главным допущением которого является проникновение через мембрану частицы г, с радиусом меньшим радиуса поры Я,. Исходной информацией является наличие функций распределения частиц суспензии/^ и мембраны/м(Я) по размерам.

Нелинейный процесс кольматации поверхности рассматривался на малых временных интервалах в квазистационарном приближении. Расчёт базируется на определении индивидуальных вероятностей проникновения частиц

различных размерных фракций через поры разного диаметра.

Полная вероятность проникновения частиц определенной размерной группы вычисляется как сумма элементов индивидуальных вероятностей в столбце массива:

1=0

/=0

(13)

где: /?,= г, + ( т — I) АЯ, I,] - соответствуют текущим интервалам радиусов

пор мембраны и частиц. Рз Ь ]= ' № Рм к ] = Гл (Л ул

«

Максимальный радиус частиц гт = а в начальном периоде и = Ь - в последующих.

Полная вероятность задержания частиц той же размерной фракции рассчитывается как:

1=гп

1=0

ЛДЛ/]

(14)

Поскольку функция /дДЛ) меняется во времени из-за блокировки пор, плотность потока растворителя в различных размерных интервалах будет также варьировать:

3 V, —

жЛР 8/Л

(15)

я,

По истечении промежутка времени Ат,./ , в течение которого процесс полагается квазистационарным, число пор на рассматриваемом размерном

интервале уменьшится и составит:

К+АК

Я+ЛК

Я, Я,

./=* У=гша, 1

Здесь: Л^т) - плотность пор (м"2); п - общая концентрация частиц (м-3);

Ь - толщина активного пористого слоя мембраны (м). Новая функция распределения пор по размерам вычисляется на каждом временном

Таким образом, в результате расчета имеем функцию Л(т) изменения удельной производительности во времени, а также распределение частиц в фильтрате <Р1[^](х). При этом выполнение условия /м (/?тах (г,)) = 0 позволяет прогнозировать наличие частиц в фильтрате размером г/т,) <Ятах(т).

Для комплексного решения проблем очистки водно-органических смесей, содержащих тонкодисперсную твёрдую фазу, был разработан микрофильтрационно-десорбционный метод, основанный на интеграции (направленном совмещении) в одном аппарате различных процессов. Установка выполняется в виде вертикального одноходового кожухотрубного теплообменника. Загрязнённая жидкость движется по трубному пространству, образованному неорганическими мембранами, и фильтруясь через внутреннюю активную поверхность, попадает в вакууммированное межтрубное пространство. Стекая по поверхности трубчатых мембранных элементов в форме плёнки или пены, очищенная от механических и высокомолекулярных примесей жидкость подвергается десорбции, т.е. одновременно удаляются вода и растворённые газы. Разность давлений, реализуемая за счёт вакуумирования межтрубного пространства, является движущей силой микрофильтрации, а разрежение создаёт необходимую для десорбции разность парциальных давлений.

Для теоретического исследования процесса потребовалось решение сопряжённой гидродинамической задачи движения внутри трубы с отбором массы и течения по наружной поверхности плёнки переменной толщины, образующейся за счёт вдува.

интервале как:

Совместное решение уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока приводит к следующему виду продольной и поперечной компонент скорости в стекающей плёнке:

f 07,

Толщина стекающей пленки diz) определялась с помощью полученного интегро-дифференциального уравнения:

pd dwz

О

где Ам(т) - удельная массовая проницаемость мембраны; с1, г - внутренний диаметр и текущая высота трубчатой мембраны; Рц, Рост - давление на входе в напорный канал и остаточное давление в межтрубном пространстве; ж, - средняя скорость потока в напорном канале.

(19)

го - полная высота канала.

Задача распределения концентрации десорбируемого вещества в плёнке решалась при помощи уравнения диффузии с найденными компонентами скорости (17)

& ду ду2 и граничными условиями: с=си 2.у=0 г>0 с=сн З.у = с^г), г>0 с=сп*

(сн, с*п - начальная и равновесная концентрации десорбируемого компонента).

Аналитическое решение (20) с переменным граничным условием 3 -сложная математическая задача. Поэтому полученное уравнение решалось численно в реальном диапазоне изменения иуП, с и, сп, 3(г).

Производительность мембран меняется во времени, что влечёт вариацию величин иуо, и:. Новые компоненты скорости находятся путём построения массива индивидуальных вероятностей задержания микропримесей,

вычисления на каждом временном этапе новой функции распределения пор мембраны по размерам и определение функции Jv(ri) с помощью выражений (12-16). Интервалы времени, в течение которых процесс рассматривается как квазистационарный, выбираются из соображения поведения производной

Величина Ам(т) вычисляется для любого временного интервала по соотношению:

^(О-ттЦ^в-.)

•МГц)

В каждом цикле поэтапного расчёта выводится средняя концентрация десорбируемого компонента с(т,) в нижней части плёнки 8К(т/)\

1 5к 8 к Ы I

Для инженерных расчётов массив численных решений (20) был обработан в форме ^ °и\ = /(Fo), где Бо = --число Фурье,

составленное для максимальной скорости на поверхности плёнки при 8К.

Третья глава посвящена экспериментальному подтверждению основных закономерностей модельных представлений. В ней приведены схемы установок для проведения базовых экспериментов, методики анализа и характеристики модельных и реальных объектов исследования. Полупроницаемые поверхности представлены обратноосмотическими (листовыми и половолоконными), ультрафильтрационными, микрофильтрационными (керамическими и полимерными) мембранами. Анализ компонентов модельных и реальных систем выполнялся с использованием современных инструментальных методов: атомно-абсорбционной спектрофотометрии, ИК спектрометрии и УФ спектрофотометрии, лазерных анализаторов микрочастиц. Для получения некоторых характеристик поверхностей использовались методы оптической и электронной микроскопии.

В соответствии с поставленными задачами большое внимание было уделено совершенствованию прецизионного метода лазерной интерферометрии как основного инструмента исследования диффузионных пограничных слоёв (рис. 1). Были решены многочисленные технические проблемы, связанные с гидродинамической стабилизацией потока, организацией начала отбора массы на различном расстоянии от оптических окон, юстировкой оптической системы и др. Выполнены необходимые для коррекции интерферограмм вычисления траектории световых лучей в диффузионных пограничных слоях, найдены предельные значения оптических градиентов, связанные с шириной модели, получены формулы для оценки погрешностей определения локальных концентраций и градиентов концентраций с учётом шероховатости поверхности.

На типичных интерферограммах (рис.2) диффузионных пограничных слоев отчетливо видна их эволюция по длине напорного канала. Систематические экспериментальные исследования позволили проверить теоретические уравнения (3) и (5) в форме зависимостей относительных концентраций С (х. У = ±1), толщин диффузионных слоев д(х) от продольной координаты; влияния на эти параметры осевой скорости, степени отбора массы, высоты каналов, коэффициентов диффузии.

Обработка обширного экспериментального материала и сравнение с теоретическими результатами показали целесообразность аппроксимации профилей концентрации в форме:

С = 1+(Сг1)(1-г,)" (22)

где: г\=у/8- безразмерная координата по толщине пограничного диффузионного слоя. Показатель степени п в (22) изменяется от ~1 на входе до ~3,5 на выходе из канала и в общем случае определяется соотношениями:

п = /, (Ре» Реу, X); г, =/2 (Рех, Реу, X).

интерферометром по схеме Маха-Цендера.

1 - Не-Не лазер; 2 - коллиматор; 3 - диафрагма; 4 - поворотное зеркало; 5 -мембранный модуль с оптическими окнами; 6 - оптические окна; 7 -фотокамера; М| , М2' - полупрозрачные зеркала; М|\ М2 - непрозрачные зеркала; tm - tm ; t,-t, - плоскости фокусировки.

-,--,--1->

О 8 160 420 л:, мм

Рис.2. Интерферограммы, иллюстрирующие развитие диффузионного

пограничного слоя в щелевом канале с полупроницаемыми стенками; настройка на полосы: а) бесконечной ширины, б) конечной ширины.

Эволюция профилей концентрации в безразмерной форме представлена на рис.

3, из которого видны очень небольшие отклонения от теоретических

результатов.

С- 1

П

Рис. 3. Эволюция профилей концентрации в диффузионном слое по длине напорного мембранного канала.

Мембрана ОФАМ-К, раствор NaCl, йо=0,01 м/с, йуо=4,06-10"6м/с, h = 1,5 мм, о-х = 20 мм, Л-.т =160 мм, '3-х = 420 мм. Литературные экспериментальные данные (растворы NaCl, NaNC>3, мембрана Gulf General Atomic).

Толщины пограничных диффузионных слоев при ультрафильтрации (большие числа Se) составляют величины порядка 60-80 мкм, что не позволяет получать достоверную информацию о распределении концентраций. Поэтому уравнение (5) также проверялось с помощью литературных экспериментальных данных путём вычисления интегральных величин.

Теоретические соотношения (6-10) были экспериментально проверены

измерением величин максимального давления Ро(х), (jVi ^ с определением uL из

выражения (11). Сопоставление собственных и литературных экспериментальных данных с полученными уравнениями доказало адекватность последних для модулей на основе отечественных ацетатцеллюлозных полых волокон и полиамидных производства DUPONT.

Среднеквадратичное отклонение при различных способах организации потоков между экспериментальными и рассчитанными значениями составило: для

средних величин производительности ^7^ ^ - 9,8%, а концентрации фильтрата -6,1%.

Математическая модель изменения свойств полупроницаемой поверхности в процессах микрофильтрации проверялась на керамических и полимерных мембранах при обработке трансформаторных, индустриальных масел, а также водных суспензий Mg(OH)2. Концентрация частиц п в технологических жидкостях находилась в диапазоне 1012 - 1014 м"3, а их средний размер (математическое ожидание г) составлял от 1,2 до 0,5 мкм; для растворов М£(ОН)г - п »1,2-1013 м"3, г =0,72 мкм. Как показали исследования, распределение частиц в суспензиях //г) близко к логарифмически нормальному. На основе соотношений (12-16) вычислялись массивы

гя

индивидуальных вероятностей тг,

находились полные вероятности

проникновения срх [г; ] и задержания (рй \г] ] частиц размерных фракций и

определялись функции распределения пор проницаемой поверхности по размерам/^(Я). В качестве иллюстрации на рис. 4 приведена эволюция функции /М(Я) для одной из керамических мембран. Значения Ктах(г) проверялись по содержанию в фильтрате частиц размером г/т) > в определённые

моменты времени. Изменение производительности мембран во времени рассчитывалось суммированием потоков Jy¡ (уравнение 15) по полному размерному интервалу от Я=0 до Ктах(т). Сравнение экспериментальных результатов для трансформаторного Т-750, индустриального ИГП-30 масел, а также суспензий Mg(OH)2 в воде в форме зависимости интегральной удельной производительности от времени показало, что они хорошо коррелируются с расчётом по теоретическим уравнениям.

/м

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0.0Е+00 1.0Е-07 2.0Е-07 З.ОЕ-07 4.0Е-07 5.0Е-07 6.0Е-07

К,м

Рис.4. Эволюция функции распределения пор проницаемой поверхности по размерам.

*- г=0; т=3 с; О-г=60с; И-г=180с; А-г=300с; □-г=600с;Л-

т= 1200 с; ♦ - г = 1800 с; Рассчитано по уравнению (16). Керамическая мембрана опытного производства РХТУ им. Д.И. Менделеева. Трансформаторное масло Т-750, п= 1013 м-3

Одновременно в опытах по микрофильтрации минеральных масел оценивалась адекватность модели, построенной для микрофильтрационно-десорбционного процесса при условии плёночного течения фильтрата по вертикальной поверхности трубчатых керамических элементов. Кроме систем «минеральное масло - вода» при исследовании десорбции была использована и модельная система «минеральное масло - уксусная кислота». В силу достаточно большой вязкости масел значение числа Яе для плёнки не превышало 6, а относительно малое остаточное давление позволило исключить влияние паро-газового потока на движение плёнки. Т.е. рассматривались гидродинамика и массообмен при безволновом движении плёнки переменной

1 * 1 1 1 Ж 1 ж Ж ■ Ж 1 1 К-!-1-1-Г—

толщины, образующейся за счёт вдува через проницаемую поверхность, с лимитирующим диффузионным сопротивлением в жидкой фазе.

На рис. 5 сопоставлены теоретические и экспериментальные результаты в форме зависимости безразмерной концентрации от числа Фурье. Уравнение (20) хорошо описывает экспериментальные данные (кривая 1), а классическое теоретическое решение для безволновой плёнки, движущейся по непроницаемой поверхности (кривая 2), даёт заниженные значения безразмерной концентрации. Полученные результаты объясняются следующим образом. Плёнка на проницаемой поверхности образуется за счёт вдува массы, поэтому её толщина и, следовательно, масса увеличиваются по ходу движения. Это приводит к возрастанию скорости движения плёнки и сокращению времени контакта с газовой фазой, что повышает среднюю концентрацию десорбируемого компонента с.

Рис.5. Зависимость безразмерной концентрации влаги в пленке от числа Го.

• - экспериментальные точки; (1, 2) - теоретические результаты: 1- для ламинарной пленки переменной толщины на проницаемой поверхности, 2- на непроницаемой.

В четвёртой главе представлено обобщение данных по массообмену на полупроницаемых поверхностях и выполнен анализ влияния проницаемости поверхности на характер массопереноса.

Результаты прямых инструментальных измерений концентрации у поверхности обратноосмотических мембран сопоставлены с собственными и известными литературными теоретическими соотношениями на рис.6. Значения

безразмерного параметра £ =

отвечают диапазонам изменения

[ /"I Ч У

полувысоты канала - 0,5-4-10'3 м: длины - 0,01-1,8 м: коэффициентов диффузии - 0,6-1,9-10'9 м2/с: продольных скоростей - 0,01-0,25 м/с: удельных производительностей - 10"6-2-10"5 м3/м2-с. Предложенная аппроксимация (4) с3/ с

Рис. 6. Сравнение данных прямых инструментальных измерений концентрации у поверхности мембран с теоретическими результатами.

1 - уравнение (4); 2, 3; 4; 5 - уравнения Брайена-Шервуда; Кимуры-Сурираджана; Полякова.

9 , я, Х- литературные; остальные точки - экспериментальные данные автора

массива численных решений уравнения (3) хорошо коррелируется с экспериментальными данными. Уравнения Брайена-Шервуда дают несколько завышенные, а Кимуры-Сурираджана - заниженные значения относительной концентрации при величинах > 0,1, характерных для современных высокопроизводительных низконапорных мембран. В области меньших значений £ все рассмотренные теоретические решения (численные и интегральные методы) практически не отличаются. В качестве базового соотношения для инженерных расчетов рекомендуется уравнение (4), которое описывает весь возможный интервал изменения обобщенного параметра без разрывов.

Анализ влияния проницаемости поверхности на характер массообмена и сравнение массопереноса на полупроницаемых и непроницаемых поверхностях были выполнены в форме построения относительного «закона» массообмена, т.е. в виде функциональной зависимости

¿V л *

\

ЯКОГ-Чл/ Рву;

(23)

Здесь = /^у)у_1 /(Ст, -1)"локальное число Шервуда: Бк(0) - число

Шервуда при очень малых положительных X, характеризующее массоперенос в непосредственной близости от входа в канал.

Зависимости (23) построены как для области изменения параметров, характерных для процессов обратного осмоса и ультрафильтрации с современными полупроницаемыми мембранами, так и для более производительных мембран, которые, по-видимому, появятся в ближайшем будущем.

Величина %/р =—-^-, представляющая собой преобразованную

/ х И Яе х~ Бс

продольную координату, достаточно хорошо обобщает теоретические и опытные данные в диапазоне изменения Яех от ~80 до ~2000, чисел Бс от -500

до -2000 (обратный осмос) и от -15000 до -25000 (ультрафильтрация). Значение Реу характеризует степень отбора массы. На рис.7 приведены закономерности массообмена в щелевидных каналах с полупроницаемой стенкой для обратного осмоса.

Рис. 7. Закономерности массообмена в щелевидных каналах с полупроницаемыми стенками (обратный осмос).

Для Реу = 0 (отсутствие отбора массы) решение диффузионной задачи, полученное аналитически в форме,

полностью коррелируется с численным решением уравнения (5).

На начальных участках происходит быстрое уменьшение относительного числа Шервуда, а затем наблюдается его асимптотическое снижение, хотя полная стабилизация процесса не достигается. По мере увеличения проницаемости поверхности участок, где происходит сущесгвенное снижение

ей.

ЭЩО)

1,00

0,60-

0,40

величины

, уменьшается, а относительная стабилизация массопереноса

наступает при более высоких значениях отношения чисел Шервуда.

В практическом плане проведенный анализ определяет границы использования уравнений для вычисления коэффициентов массоотдачи, не учитывающих отбор, и области работы с узкими и короткими напорными каналами (неразвитые диффузионные пограничные слои). Кроме того, для поддержания относительных чисел Шервуда на достаточно высоком уровне в узких каналах мембранных аппаратов по мере увеличения отбора массы требуются все более высокие величины осевой скорости, предельные значения которой обусловлены гидродинамическим сопротивлением. Последнее обстоятельство особенно важно отметить в связи с появлением низконапорных высокопроизводительных мембран, при работе которых диссипация энергии на трение может снижать движущую силу в большей мере, чем диффузионное сопротивление.

Пятая глава посвящена инженерным и технологическим аспектам процессов с применением полупроницаемых мембран. В ней приведены методики и алгоритмы расчётов мембранных аппаратов плоскокамерного типа и на основе полых волокон, выполнена оценка эффективности работы половолоконных модулей, рассмотрены технологические проблемы реализации совмещённого мембранно-десорбционного процесса и дана методика его расчёта.

Расчёт плоскокамерных мембранных аппаратов базируется на полученном интегро-дифференциальном уравнении:

в котором произведения учитывают диффузионное сопротивление (как

функцию обобщённого параметра £,=ак) и концентрирование потока, а форма констант То - Т$ определяется взаимным направлением потоков.

(24)

О

/=1

Найденные в результате решения (24) градиенты давления ЛР/х) определяют поток фильтрата, а его средний состав вычисляется интегрированием локальных концентраций по длине модуля.

Поскольку аппараты обратного осмоса на основе полых волокон используются в крупнотоннажных производствах, произведена оценка эффективности их работы с точки зрения различных схем организаций потоков. В качестве критериев оптимизации были выбраны количество продукта, получаемого в единицу времени с единицы объёма аппарата ((Зг/Уд), и удельный расход энергии (е), определяющий мощность гидравлической машины.

Введенный коэффициент эффективности К~ (),/УА характеризует капитальные затраты и, например, для противоточной схемы он находится как:

К = ^ прот■ 8 МЬ

{Рвн -РА)р1кр1-В

\ 1 ^

(25)

скр1/

Исследование функций К-/(Я,,1), представляющих собой геометрические поверхности без разрывов, показало наличие максимальных

значений ^Уд/^ = 0, проекции которых на плоскость Ь) дают оптимальные

зависимости £=_/} (Я/) для всех рассмотренных схем организаций потоков.

На рис. 8 представлена одна из возможных поверхностей, построенная для аппарата, работающего в режиме противотока. Максимальное значение К при обессоливании растворов с начальной концентрацией 14-34 г/л практически перестаёт существовать при Ь> 1,5-1,8 м. Физически это означает появление участков, где движущая сила стремится к нулю, и дальнейшее развитие рабочей поверхности за счёт увеличения длины волокон не имеет смысла.

Оценка относительных энергетических затрат на опреснение также была произведена при различных схемах организации потоков в аппарате для солоноватой воды, воды внутренних морей и океанической.

ЯрЮ6, м

Рис. 8. Функция К=/(Яг, Ь) для половолоконного аппарата обратного осмоса, работающего в режиме противотока (раствор ЫаС1 с начальной концентрацией 18 г/л).

Показано, что эффективность использования энергии определяется исходной концентрацией соли и степенью отбора пресной воды. При обессоливании океанической воды с 50% - ной степенью обора продукта энергетические затраты в противоточной схеме соответственно в ~1,4 и ~1,9 раза меньше, чем в прямоточной и схеме идеального смешения.

Приведённая методика расчёта половолоконных аппаратов обратного осмоса базируется на экспериментально проверенных теоретических уравнениях и состоит в итерационном вычислении интегральных характеристик разделения, соответствующих оптимальным условиям работы аппарата.

В данной главе обсуждены также технологические аспекты, связанные с практической реализацией мембранно-десорбционного процесса и его расчётом. Рассмотрены вопросы применения разработанного метода к регенерации трансформаторных и индустриальных масел с целью удаления

тонких механических примесей, эмульсионной и растворённой влаги, газов, а также снижения кислотного числа.

Доказана высокая эффективность запатентованного микрофильтрацион -но-десорбционного способа очистки технологических жидкостей от:

• тонких механических примесей (получение продукта 0 и 00 класса чистоты из исходных масел 9-14 класса чистоты по ГОСТ 17216-71);

• эмульсионной влаги (степень извлечения от 99,6 до 99,9% при содержании воды до 0,5 % масс.;

• растворённой влаги (содержание в продукте от 0,0008 до 0,0003 % масс, в зависимости от остаточного давления);

• образующихся в процессе работы карбоновых кислот (снижение кислотного числа на 30-40%).

Показаны высокие возможности данного метода при восстановлении диэлектрических свойств (пробивного напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь) высококачественных трансформаторных масел типа Т-750 и Т-1500.

При существенно высоком кислотном числе апробирован способ его снижения путем добавления в исходное масло концентрированного водного раствора аммиака с последующей обработкой в микрофильтрационно-десорбционном модуле.

Экспериментально доказана (в течение 2-х летней эксплуатации) возможность многократной регенерации керамических мембранных элементов обратными жидкостным и газовым потоками.

Предлагаемый расчёт микрофильтрационно-десорбционного процесса основан на сопряжённом решении систем уравнений, описывающих процессы микрофильтрации и десорбции в квазистационарном режиме, и последующем вычислении интегральных характеристик за определённый период работы. Достоверность предлагаемой методики расчёта проверена при регенерации трансформаторных и индустриальных масел.

Шестая глава иллюстрирует использование полученных результатов в условиях конкретных производств. В ней представлены разработанные схемы установок регенерации технологических жидкостей на основе микрофильтрационно-десорбционных модулей, материалы по разработке узла обратноосмотической очистки минеральной части сточных вод производства винилхлорида (на уровне выдачи технического задания на проектирование) и технологической схемы очистки сточных вод целлюлозно-картонного комбината (ЦКК) с применением половолоконных аппаратов. Теоретические и экспериментальные исследования микрофильтрационно-десорбционного метода явились основой для разработки энерго- и ресурсосберегающих технологических схем регенерации рабочих жидкостей типа трансформаторных и индустриальных масел. Основными элементами таких схем стали модули, изготовленные из трубчатых керамических мембран. Микрофильтрационно-десорбционный модуль (МФД) конструируется по типу кожухотрубного теплообменника и работает в вертикальном положении. Установки предназначены для удаления из рабочих жидкостей тонких механических примесей, эмульгированной и растворенной влаги и газов. В зависимости от требований к регенерированным маслам, степени загрязненности, производительности они могут быть легко модифицированы изменением режима работы МФД модулей, их количества, а также выбором рабочей температуры. На рис.9 приведена технологическая схема регенерации трансформаторных и индустриальных масел с производительностью 250-280 л/час (в расчете на трансформаторное масло Т-750 при температуре 25°С). По аналогичной схеме на территории ТЭЦ ЗИЛа была изготовлена совместно с АО «Мосэнергоремонт» опытно-промышленная установка на основе МФД модулей. Опыт ее эксплуатации доказывает перспективность использования разработанного микрофильтрационно-десорбционного процесса для регенерации рабочих жидкостей.

^ ВЗц £ ВЗы £ вз

Рис.9. Технологическая схема установки микрофильтрационно-десорбционной очистки рабочих жидкостей на основе минеральных масел.

1 - МФД модули ; 2 - трехсекционная емкость; 3 - емкость исходного масла; 4, 5 - основной и вспомогательный шестеренчатые насосы; 6 - вакуум-насос; 7 - ловушка масляная; 8 - цеолитовый патрон; 9 - холодильник-конденсатор; 10 - сборник конденсата.

Результаты сравнения регенерации трансформаторных масел типа Т-750 на разработанной установке и ее ближайшем промышленном аналоге (РТМ-200) показывают существенные преимущества разработанного метода как в отношении качества получаемого продукта, так и производительности. Сравнительный анализ показал, что эколого-экономический эффект от внедрения составляет 242 тыс рублей в ценах 1999 года.

Узел обратно-осмотической очистки спроектирован для предприятий АО «Саянскхимпром» и АО «Каустик», г. Стерлитамак, как составная часть общей схемы очистки сточных вод производства винилхлорида, разрабатываемой НИИ «Синтез», г. Москва. Промышленная установка обратного осмоса с системами предочистки и регенерации мембранных элементов рассчитана в

секционированном варианте с возможностью измёненидод^да^д^цизедвности от

5 "библиотека I

С.Петербург |

09 <00 акт ^

змене

12 до 30 м3/ч по сточной воде. Выбрано основное технологическое оборудование и даны рекомендации по автоматизации схемы. Узел обеспечивает требуемую степень очистки (не менее 90 %) от минеральных компонентов СГ, С032', БО/", , А13+, Ре2+, Ре3+, Си2+, СЮ"), снижает щелочность и концентрацию остаточных производных дихлорэтана. Проведенная оценка показывает, что предложенный способ экономичнее выпаривания в 2,5 раза.

Проведенные на кустовом заводе Селенгинского ЦКК исследования по очистке сточных вод с помощью половолоконных аппаратов обратного осмоса стали основой для разработки технологической схемы производительностью 2880 м3/сутки по исходным стокам. Обратноосмотическая станция обеспечивает нормативную очистку от минеральных веществ, метилмеркаптана, снижает щелочность и окисляемость. Кроме того, имеет место извлечение и возврат в производство таких ценных продуктов как сульфатное мыло и талловое масло. Расчет по типовым методикам и рекомендациям, применяемым в целлюлозно-бумажной промышленности, показал, что ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой схемы очистки составляет ~230 тыс.у.е. в год. При этом не была учтена эколого-экономическая эффективность от предотвращенного ущерба при сбрасывании недостаточно очищенных сточных вод в бассейн рек озера Байкал.

Основные выводы:

1. На основе теоретических и прецизионных экспериментальных исследований обобщены закономерности массообмена в щелевых каналах с полупроницаемыми стенками при малом отборе массы. Показано существенное изменение характера массопереноса при переходе от непроницаемых поверхностей к поверхностям с увеличивающимся отбором массы. Проведенный анализ определяет области интенсивного протекания и относительной стабилизации процесса массообмена на полупроницаемой

поверхности в зависимости от значений обобщенных параметров, составленных из высоты и длины канала, коэффициентов вязкости и диффузии, продольной и поперечной компонент скорости потока.

2. Разработан, теоретически обоснован и апробирован энерго- и ресурсосберегающий способ регенерации технологических жидкостей, основанный на принципе направленного совмещения в одном аппарате процессов микрофильтрации и десорбции. В применении к рабочим жидкостям на основе минеральных масел метод позволяет одновременно удалять тонкие механические примеси, эмульгированную и растворенную влагу и газы. Создана и экспериментально проверена математическая модель совмещенного процесса, базирующаяся на сопряженном решении системы интегро-дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих протекающие процессы в квазистационарном режиме.

3. На основе стохастического подхода построена математическая модель изменения свойств полупроницаемой поверхности во времени. Расчет базируется на определении полной вероятности проникновения и задержания микрочастиц определенных размерных фракций с учетом их доли, не остающейся на полупроницаемой поверхности за счет эффекта латеральной миграции. Учет эволюции функции распределения пор проницаемой поверхности по размерам позволяет прогнозировать состав фильтрата и изменение удельной производительности во времени. Адекватность модели доказана экспериментальной проверкой при очистке разбавленных водных суспензий, трансформаторных и индустриальных масел на полимерных и неорганических микрофильтрационных мембранах.

4. Решена сопряженная гидродинамическая задача движения разбавленных суспензий внутри пористой трубы с отбором массы и течения по наружной поверхности пленки переменной толщины, образующейся за счет вдува. Полученные профили компонент скорости использовались для решения диффузионной задачи вычисления средней концентрации десорбируемого

компонента при условии лимитирующего сопротивления в жидкой фазе. Массив численных решений был обобщен в форме зависимости безразмерной концентрации десорбируемого компонента от числа Фурье, составленного для максимальной скорости на поверхности пленки. Полученные результаты экспериментально проверены на системах «минеральное масло - вода» и «минеральное масло - уксусная кислота».

5. Построена математическая модель оценки эффективности работы половолоконных аппаратов обратного осмоса с учетом взаимного направления потоков, позволяющая минимизировать эксплуатационные и капитальные затраты на опреснение воды. Проведенный анализ показал, что оптимальные размеры аппарата и энергетические затраты зависят от исходной минерализации воды, степени отбора продукта и определяются в существенной мере взаимной организацией потоков в аппарате.

6. Выполнен анализ влияния неравномерности отбора массы на характеристики разделения процессов с использованием полупроницаемых мембран и установлены границы применимости соответствующих моделей массопереноса. Найдены численные значения обобщенной переменной, составленной из безразмерной длины канала, чисел Пекле для продольной и поперечной компонент скорости, при которых неравномерность отбора массы существенно влияет на процесс массообмена.

7. На базе усовершенствованной прецизионной методики лазерной интерферометрии систематически исследованы параметры диффузионных пограничных слоев в щелевых каналах с симметричным и асимметричным неравномерным отбором массы. Полученные экспериментальные результаты явились основой проверки теоретических уравнений для расчета диффузионного сопротивления при массообмене в каналах с полупроницаемыми мембранами и выбора наиболее приемлемых соотношений.

8. Предложены физически обоснованные методы инженерного расчета баромембранных и совмещенных процессов, протекающих на

полупроницаемых поверхностях. Способы расчета базируются на разработанных математических моделях, экспериментально проверенных прямыми инструментальными методами, и состоят в итерационном вычислении интегральных характеристик разделения, соответствующих оптимальным условиям работы аппаратов.

9. На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований массообмена на полупроницаемых поверхностях с отбором и вдувом массы разработаны энерго- и ресурсосберегающие технологические схемы установок регенерации рабочих жидкостей на основе минеральных масел, узла очистки минеральной части сточных вод производства винилхлорида, очистки и извлечения ценных компонентов сточных вод целлюлозно-картонного комбината. Установка регенерации высококачественных трансформаторных масел, разработанная на основе принципа направленного совмещения процессов микрофильтрации и десорбции, запатентована и внедрена в АО «Мосэнергоремонт».

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Дытнерский Ю.И., Дмитриев Е.А. Явление концентрационной поляризации при разделении растворов солей обратным осмосом. // Хим. пром-сть - 1979. - №7. - с. 53-55.

2. A.C. №768041 СССР (1980) МКИ6 В 01 D 13/00 Мембранная ячейка // Дмитриев Е.А., Шаяхметов А.Ш., Мороз В.А.

3. Дытнерский Ю.И., Дмитриев Е.А. К расчету характеристик мембранного разделения с учетом концентрационной поляризации // Тр. Моск. хим,-технол. ин-та им. Д.И.Менделеева.- 1982.- вып. 122,- с.64-72.

4. Дытнерский Ю.И., Дмитриев Е.А. Исследование концентрационной поляризации при разделении разбавленных водных растворов электролитов обратным осмосом. // Теор. основы хим. технол. - 1982. -т. 16, №6. - с. 837-839.

5. Дытнерский Ю. И., Дмитриев Е. А., Щерев И. А. Концентрационная поляризация при разделении растворов слаборастворимых солей обратным осмосом. // Массообмен в хим. технологии - Рига: 1986. -с. 130-140.

6. Смирнов В. А., Дытнерский Ю. И., Агашичев С. П., Терпугов Г. В., Дмитриев Е. А. Расчет гидравлических потерь при продольном обтекании массива трубчатых мембран // Теор. основы хим. технол. - 1987. - т. 21, №5.-с.703-705.

7. Dytnersky Y.I., Dmitriev Е.А., Shterev I.A. Investigation of the Diffusive Boundary Layer on the Surface of the Reverse osmosis Membranes under Dynamic Condition using a Laser Interferometer and Comparison with the Theory.//Proc. of Intern. Congr. on Membr. and Membr. Proc.(ICOM-87), Tokyo, 8-12 June 1987. - p. 346-347.

8. Dytnersky Y. I., Dmitriev E. A., Scerev I. A. Eine Optiche Methode zur Untersuchung der Konzentration Polarisation bei der Trennung von Saltzlosungen durch Umkehrosmose. // Chem. Techn. - 1987.-v.39, №7. - s. 302-305.

9. Дытнерский Ю. И., Худоян П.А., Дмитриев Е. А. Концентрационная поляризация в предгелевом режиме при ультрафильтрации желатина в ламинарном потоке. // Химия и технол. воды. - 1990.-т.12,№10.-с.890-893.

10. Dytnersky Y.I., Dmitriev Е.А. Concentration Polarization in Membrane Separation. // Proc. of Intem. Congr. on Membr. and Membr. Proc. (ICOM -93), Aug. 30 - Sept. 3, 1993. Heidelberg, Germany. - p.1-6.

11. Тарарышкин M.B., Дмитриев E.A., Лисицын И.В. Использование лазерной интерферометрии для исследования концентрационной поляризации в баромембранных процессах. // Теор. основы хим. технол. -1994.-т.28., №1. - с. 14-20.

12.Дмитриев Е. А., Тарарышкин М. В., Тарарышкин А. В. Развитие концентрационной поляризации по длине щелевого напорного канала в

процессе обратного осмоса. // Хим. пром-сть - 1994. -№11.- с.47-50.

13. Трушин A.M., Прохорова Т.В., Дмитриев Е.А. Массопередача при десорбционной осушке минеральных масел с одновременной микрофильтрацией. // Хим. пром-сть. - 1996. - №12. - с. 33-36.

14. Пат. 2071972 Россия, 1997, МКИ6 В 01 D 61/00, В 01 D 63/06. Способ регенерации трансформаторного масла и устройство для его осуществления. // Дмитриев Е.А., Трушин A.M., Зимин И.В., Кабанов О.В., Прохорова Т.В.

15. Agashichev S. P., Dmitriev Е. A. Stochastic modeling particle - size distribution in permeate and in concentrate on stage of membrane pretreatment before reverse osmosis. // Desalination. - 1997.-№110. - p.75-84.

16.Саркисов П. Д., Дмитриев Е. А. Энерго- и ресурсосбережение в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии. // Энергосбережение в химической технологии 2000: Материалы научно-практической конференции (Пленарные доклады). - Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева, 2000. - с. 10-14.

17.Дмитриев Е. А. Энерго- и ресурсосберегающий способ регенерации рабочих жидкостей. // Энергосбережение в химической технологии 2000: Материалы научно-практической конференции. - Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева, 2000. - с. 105-106.

18.Дмитриев Е.А., Кузнецова И.К. Оценка возможности использования электродиффузионного метода для моделирования массоотдачи в процессах обратного осмоса и ультрафильтрации. // Теор. основы хим.технол. - 2001.- т.35, №2.-с. 133-137.

19. Дмитриев Е.А. Комбинирование процессов - путь к созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий. // Ресурсо-энергосберегающие проекты и технологии. - М., «Информ-знание», 2001. - с. 182-184.

20. Дмитриев Е.А., Бородкин А.Г. К расчету мембранных аппаратов на основе полых волокон // Хим. технология. -2003. -№4,- с.26-32.

Заказ 100_Объем 2,5 п. л._Тираж 100 экз.

Издательский центр РХТУ им. Д. И. Менделеева

* 1 090 7

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Дмитриев, Евгений Александрович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 6 ВВЕДЕНИЕ.

1. ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕНОС НА ПОЛУПРОНИЦАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ (ЛИТЕРАТУРНЫЕ ДАННЫЕ).

1.1. Полупроницаемые поверхности и аппараты мембранного разделения жидких смесей.

1.2. Математическое моделирование гидродинамики и массопереноса в каналах мембранных аппаратов.

1.2.1. Ламинарные течения в плоских и круглых каналах с проницаемыми стенками.

1.2.2. Массоперенос в каналах с проницаемыми стенками.

1.3. Экспериментальное исследование массоотдачи в каналах с полупроницаемыми стенками.

1.3.1. Прямые инструментальные методы.

1.3.2. Косвенные способы.

1.3.3. Обобщённые зависимости.

1.4. Образование осадка на полупроницаемой поверхности и способы снижения диффузионного сопротивления.

1.5. О возможности интеграции (совмещения) процессов с использованием полупроницаемых поверхностей.

1.6. Выводы из анализа литературных данных и постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССООБМЕНА В КАНАЛАХ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ С ПОЛУПРОНИЦАЕМЫМИ СТЕНКАМИ.

2.1. Локальные потоки компонентов смеси через полупроницаемые поверхности.

• 2.2. Плоские щелевидные каналы прямоугольного сечения.

2.2.1. Диффузия в каналах с непроницаемыми стенками.

2.2.2. Массоотдача в плоских каналах с симметричным отбором массы.

2.2.3. Массообмен в плоских каналах с асимметричным отбором массы.

2.3. Каналы круглого сечения с отбором и вдувом массы.

2.3.1. Капилляры (полые волокна).

2.3.2. Единичное полое волокно с проницаемой стенкой (вдув массы).

2.3.3. Оценка гидродинамического сопротивления при продольном обтекании массива трубчатых мембран.

2.3.4. Взаимное направление потоков и изменение локальной движущей силы.

2.3.5. Нелинейность падения давления и проницаемости в круглых каналах (отбор массы).

2.4. Учёт изменения свойств проницаемой поверхности (кол ьматация).

2.5. Гидродинамика и массоперенос в совмещённых процессах на проницаемых поверхностях.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ОСНОВНЫХ

ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ.

3.1. Объекты исследования и методики анализа.

3.2. Установки для проведения базовых экспериментов.

3.2.1. Исследование диффузионных пограничных слоёв (метод лазерной

• интерферометрии).

3.2.2. Изучение гидродинамики и массообмена в пучке полых волокон.

3.2.3. Исследование совмещённых процессов.

3.3. Экспериментальная проверка адекватности математических моделей.

3.3.1. Щелевидные каналы прямоугольного сечения.

3.3.2. Каналы круглого сечения с вдувом массы (полые волокна).

3.3.3. Характеристики разделения с учётом изменения свойств проницаемой поверхности (микрофильтрация).

3.3.4. Совмещение микрофильтрационного и десорбционного процессов.

4. ОБОБЩЕНИЕ ДАННЫХ ПО МАССООБМЕНУ НА ПОЛУПРОНИЦАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.

4.1. Корреляции для расчёта диффузионного сопротивления.

4.2. Влияние проницаемости поверхности на массообмен.

4.3. Предпосылки для расчёта интегральных характеристик баромембранных процессов.

5. ИНЖЕНЕРНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛУПРОНИЦАЕМЫХ МЕМБРАН.

5.1. Плоскорамные модули.

5.2. Аппараты обратного осмоса на основе полых волокон.

5.2.1. Оценка эффективности работы половол оконных модулей.

5.2.2. Расчет характеристик разделения.

5.3. Аппараты для реализации совмещённого мембранно-десорбционного процесса.

5.3.1. Технологические аспекты.

5.3.2. Расчёт микрофильтрационно-десорбционного процесса.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАТНОГО ОСМОСА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И МИКРОФИЛЬТР А1ДИОННО-ДЕСОРБЦИОННОГО МЕТОДА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ.

6.1. Проектирование узла обратноосмотической очистки минеральной части сточных вод производства винилхлорида.

6.1.1. Результаты опытных исследований.

6.1.2. Расчёт промышленной одноступенчатой установки обратного осмоса.

6.1.3. Технологическая схема.

6.1.4. Основное технологическое оборудование и рекомендации по автоматизации.

6.2. Разработка технологической схемы очистки сточных вод кустового завода Селенгинского ЦКК с применением обратноосмотических аппаратов на основе полых волокон.

6.2.1. Опытная установка.

6.2.2. Технологическая схема.

6.3. Регенерация рабочих (технологических) жидкостей микрофильтрационно-десорбционным способом.

6.3.1. Очистка и регенерация рабочих жидкостей (краткие литературные данные).

6.3.2. Итоги опытных исследований.

6.3.3. Технологические схемы.

Введение 2003 год, диссертация по химической технологии, Дмитриев, Евгений Александрович

Одной из характерных особенностей научно-технического прогресса в современных условиях является создание высокоэффективных технологий, которые должны быть как энерго- и ресурсосберегающими, так и экологически безопасными. Эти требования особенно важны для химических и смежных с ней отраслей промышленности, поскольку они характеризуются не только значительным потреблением ресурсов, но и существенным риском создания диспропорций в биосфере.

В химической промышленности широко распространены процессы и аппараты с использованием свойств проницаемых и полупроницаемых поверхностей (радиальные адсорберы, каталитические реакторы, мембранные аппараты разделения жидких и газовых смесей). Технологии, основанные на этих процессах, безусловно, перспективны и их дальнейшее развитие требует решения ряда научных и научно-технических задач.

Актуальность проблемы.

В настоящее время интерес от изучения гидродинамики и массообмена на пористых поверхностях с отбором и вдувом массы смещается от внешних задач (течение в пограничных слоях) к внутренним (движение в каналах и трубах). Это связано как с развитием способов интенсификации традиционных тепло- и массообменных процессов, так и с появлением новых мембранных процессов разделения и очистки жидких сред, основанных на преимущественном проникновении через полупроницаемые поверхности отдельных компонентов смеси.

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультра- и микрофильтрация), являясь экономически эффективными и малоотходными, позволяют создать рациональные производства переработки растворов неорганических и органических веществ, фракционирования и очистки пищевых продуктов, медицинских препаратов, ценных металлов и неметаллов, очистки сточных вод, а также опреснения и обессоливания воды. В этих процессах, протекающих на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы, гидродинамические и массообменные характеристики служат основным звеном, связывающим эффективность разделения как с технологическими, так и техно-экономическими параметрами. Однако закономерности гидродинамики и массообмена для этих процессов изучены явно недостаточно. Как следствие, отсутствуют надежные методы расчета аппаратов, основанные на экспериментально подтвержденных теоретических закономерностях, а используемые методы «эмпирического» поиска, как известно, ограничены рамками проведенных экспериментов и не отвечают характеру соответствующего уровня общности. Кроме того, комплексное решение проблемы разделения и очистки жидких систем с использованием только мембранных способов часто не реализуется. Поэтому необходим поиск новых методов, основанных на интеграции (совмещении) процессов на полупроницаемых поверхностях, которые позволят более эффективно использовать материальные и энергетические ресурсы.

Основные научные исследования выполнены в соответствии с координационным планом РАН по направлению «Теоретические основы химической технологии» (регистрационный номер 2.27, 2.16.6); постановлением ГКНТ СССР № 473 от 18.07.89. «О проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектам приоритетного направления «Мембранные процессы» и государственной научно-технической программы «Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы металлургии и химии».

Цель работы состояла в: • развитии теоретических представлений о гидродинамике и массообмене в каналах с полупроницаемыми стенками и на полупроницаемых поверхностях с малым отбором и вдувом массы. Слабый отбор и вдув массы понимаются в том смысле, что пограничные слои существуют при отборе и не оттесняются от поверхности при вдуве;

• разработке физически обоснованных методов расчета баромембранных процессов с выбором оптимальных рабочих режимов и условий интенсификации массообмена;

• поиске возможностей интеграции (направленного совмещения) процессов, протекающих на полупроницаемых поверхностях, для создания эффективных способов разделения жидких смесей.

Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи: математическое моделирование массообмена в каналах щелевидной формы с полупроницаемыми стенками в условиях симметричного и асимметричного неравномерного отбора массы; изучение гидродинамики и массообмена в системе круглых каналов при неравномерном отборе и вдуве массы с учетом взаимного направления потоков; математическое моделирование изменения свойств полупроницаемой поверхности во времени на основе стохастического подхода; обобщение закономерностей массообмена на полупроницаемых поверхностях с учетом модельных представлений и экспериментальных исследований; изучение гидродинамики и массообмена в ламинарно стекающей по вертикальной проницаемой поверхности пленке, образующейся за счет вдува массы; разработка и моделирование совмещенного микрофильтрационно-десорбционного процесса для регенерации технологических жидкостей; усовершенствование прецизионного метода лазерной интерферометрии как основного инструмента измерения параметров диффузионных пограничных слоев; систематическое экспериментальное изучение массопереноса в непосредственной близости у полупроницаемой поверхности на основе прямых инструментальных методов.