автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация работы трубчатых мембранных фильтров на основе искусственной турбулизации потока

На правах рукописи

005044468

Глазев Дмитрий Юрьевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ МЕМБРАННЫХ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ ТУРБУЛИЗАЦИИ ПОТОКА

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ? 9 ?р1?

Бийск- 2012

005044468

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (БТИ АлтГТУ) и открытом акционерном обществе «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (ОАО «ФНПЦ «Алтай»),

Научный руководитель Куничан Владимир Александрович

к.т.н., доцент, зав. кафедрой МАХиПП БТИ АлтГТУ

Официальные оппоненты: Овчаренко Александр Григорьевич

д.т.н., профессор, декан механического факультета БТИ АлтГТУ,

Викторов Александр Анатольевич к.т.н., начальник бюро развития производства ФКП «БОЗ»

Ведущая организация Институт проблем химико-энергетических

технологий Сибирского отделения РАН

Защита состоится 29 мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

И.о. ученого секретаря

диссертационного совета ? Верещагин А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время мембранные методы разделения стали достаточно распространены. Это связано в первую очередь с созданием новых технологий и материалов. Мембранные методы широко используются во многих отраслях промышленности при концентрировании и очистке различных нано- и ультрадисперсных систем.

Наиболее эффективным и экономически выгодным мембранным методом разделения суспензий наноматериалов является тангенциальная фильтрация в трубчатых фильтрах, которые перед другими типами фильтров имеют ряд существенных преимуществ: отсутствие застойных зон, высокая селективность по отношению к извлекаемому компоненту, возможность промывки фильтра без разборки аппарата, низкая энергоемкость, компактность и простота аппаратурного оформления.

Наряду с преимуществами существуют и недостатки - ввиду постоянного нарастания осадка производительность трубчатых мембранных фильтров резко снижается, вплоть до выхода фильтров из строя. Одним из путей повышения производительности является искусственная турбулизация потока с помощью встраиваемых устройств. Реализация этого подхода требует разработки методов расчета и проектирования трубчатых мембранных аппаратов с турбулизирующими устройствами, а так же поиска оптимальных конструктивных решений и определения условий проведения процессов в них, отвечающих решению тех или иных технологических проблем.

Исследования в области мембранной фильтрации водных растворов окисленных декстранов проводились в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по государственному контракту № 16.522.12.2001 «Разработка технологии и создание опытного производства окисленных декстранов».

Цель исследования. Повышение производительности трубчатых мембранных фильтров с помощью искусственной турбулизации потока применительно к процессу разделения наносистем.

В связи с этим, задачами исследования являются:

- разработка математического описания фильтрации суспензий наноматериалов на трубчатом мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой;

- экспериментальное исследование работы трубчатого мембранного фильтра с турбулизирующей вставкой при разделении суспензий наноматериалов и проверка адекватности математического описания;

- разработка инженерной методики расчета трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой для процесса мембранной фильтрации и проверка ее применимости при разработке опытно-промышленной установки.

Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследования является трубчатый мембранный фильтр, в полость которого встроена турбули зирующая вставка. Предметом исследования являются основные закономерности

процесса фильтрации в трубчатом мембранном элементе с турбулизируюшей вставкой.

Научная новизна:

- разработано математическое описание процесса фильтрации суспензий наноматериалов на трубчатых мембранных фильтрах с турбулизирующей вставкой в виде дисков, где впервые применено модельное представление о массообменном механизме размывания фильтруемого осадка наночастиц полуограниченной затопленной струей;

- показана эффективность искусственной турбулизации потока с помощью дисковых турбулизаторов при фильтрации суспензий наноматериалов в трубчатом мембранном фильтре в диапазоне размеров частиц до 500 нм, заключающаяся в повышении производительности до 3,5 раз и увеличении предела концентрирования до 2 раз.

Практическая значимость: -разработана методика расчета трубчатых мембранных фильтров, в канал которых встроена турбулизирующая вставка в виде дисков;

- выбрана эффективная конструкция турбулизирующей вставки для трубчатого мембранного фильтра;

- определены фильтрационные свойства осадка и коэффициент диффузии наноалмазов (продукта УДА-В-ГО ОАО «ФНПЦ «Алтай»);

- повышена эффективность работы трубчатого мембранного фильтра в производстве наноалмазов и на стадии очистки раствора окисленного декстрана в ОАО «ФНПЦ «Алтай»;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и основные ее результаты обсуждались на научно-технических конференциях «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 15-16 мая 2008, 14-15 мая 2009, 28-30 апреля 2010 гг.), «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (Бийск, 24 сентября 2009 г.), «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 27 апреля 2010 г.), научно-технической конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение» (Красноярск, 15-16 октября 2009 г.), международной конференции «Физико-химические основы ионообменных процессов ИОНИТЫ - 2010» (Воронеж, 20-22 сентября 2010 г.): На защиту выносятся:

- математическое описание процесса фильтрации наносистем на трубчатых мембранных фильтрах, снабженных турбулизирующей вставкой;

- инженерная методика расчета трубчатых мембранных фильтров, снабженных турбулизируюшей вставкой;

- результаты экспериментальных исследований закономерностей процесса фильтрации наносистем на трубчатых мембранных фильтрах, снабженных турбулизирующей вставкой.

Публикации. По материалам выполненных в диссертации исследований

опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 работа опубликована в ведущем рецензируемом научном журнале.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 113 наименований, приложения и содержит 100 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи работы и основные положения, выносимые на защиту, научная и практическая значимость работы.

В первой главе изложены теоретические основы мембранных методов разделения гетерогенных систем, рассмотрена структура потока в трубчатых фильтрах, указаны факторы, влияющие на производительность, приведены методы очистки мембран от загрязнений. Проведено сравнение известных конструкций турбулизируюших устройств для трубчатых фильтров и теплообменников. Ввиду того, что турбулизаторы в виде дисков, позволяют повысить теплоотдачу, имеют простую конструкцию и достаточно просты в изготовлении, был сделан выбор в их пользу. При рассмотрении областей применения трубчатых мембранных фильтров выявлено, что существует проблема загрязнения мембран при фильтрации гидрозолей наноалмазов и суспензии диоксида марганца. Формулируются цель и задачи исследований.

В главе 2 рассмотрены закономерности процесса фильтрации на трубчатом мембранном фильтре. В фильтре для предотвращения нарастания слоя осадка используются встраиваемые турбулизирующие

вставки, которые состоят из дисков, насаженных на стержень с фиксированным шагом (рисунок 1). Трубчатый фильтр характеризуется внутренним диаметром £>0. в него встроена вставка с дисковым турбулизатором наружным диаметром £>н, расстояние между смежными дисками I. Диаметр стержня турбулизатора - йс.

Исходя из свойств частиц, особенностей фильтров и предварительных экспериментов, был сделан ряд допущений:

- частицы осадка монодисперсны;

- слой осадка несжимаем;

- объемный расход прокачиваемой жидкости постоянен по длине фильтра;

- концентрация частиц в потоке на всей длине фильтра не меняется;

- частицы можно рассматривать как большие молекулы;

- процесс фильтрации является квазистационарным.

Для описания процесса фильтрации на фильтре с турбулизатором было использовано модельное представление о распространении полуограниченной

Рисунок 1 - Фрагмент трубчатого фильтра с дисковым турбулизатором

затопленной струи. Плоская турбулентная струя, бьющая из-под диска турбулизатора, распространяется вдоль стенки фильтра, постепенно расширяясь. При этом слой осадка поддается сдвигу по двум механизмам:

- сдвиг осадка потоком жидкой фазы, обеспечивающий прекращение действия сил адгезии и делающий осадок доступным для размывания;

- размывание осадка как процесс массообмена, происходящий за счет турбулентной диффузии.

В первом случае осадок, образующийся на поверхности фильтра, имеет определенную структуру, при которой частицы неподвижны и сцеплены друг с другом. Смыв плотного осадка происходит послойно за счет действия тангенциального напряжения г, создаваемого потоком, начиная с верхнего слоя. На каждый слой толщиной в одну частицу диаметром йч (монослой) действует перепад давлений АР

(1)

где АРмс - перепад давлений на монослое, Па; ДР0с - перепад давлений на слое осадка, Па; Я - высота слоя осадка, м.

Если напряжение жидкостного трения ттр больше напряжения трения покоя, то начнется сдвиг осадка. Условие сдвига осадка потоком жидкости

Хтр > ТГ^ ' ^

где КГР - коэффициент трения.

Касательное напряжение трения внутри слоя по сечению принято постоянным, при этом на внешней границе слоя, где имеет место максимум скорости оно равно нулю, для чисел Рейнолъдса Яеа < 107

_ ОД944/л/0'2иа1,8а0'8

М*) _ 3 ' (3)

Ч 2

где р - плотность среды, кг/м ; V — кинематическая вязкость среды, м /с; иа — средняя скорость истечения струи из-под диска турбулизатора, м/с; а — расстояние между стенкой и диском турбулизатора, м; х — расстояние от диска турбулизатора до сечения с координатой х, м.

Максимально устойчивая высота осадка, выше которой происходит сдвиг за счет вязкого трения _ Д^ос

^мутоо ~ ~—^ч^тр • (4)

ТиЧх)

Второй случай. Скорость образования осадка определяется скоростью фильтрации и концентрацией потока. Скорость уменьшения толщины осадка, за счет диффузионного размыва турбулентными пульсациями, можно рассматривать как процесс массообмена. Условие равновесия описывается равенством скоростей образования и размывания осадка

И^ФРТ(х)С - Кмт(х)Рос> (5)

где — равновесная скорость фильтрации, м/с; С - концентрация

дисперсной фазы, кг/м3; Кмт(дт) — коэффициент массоотдачи, м/с; рос — плотность осадка, кг/м3.

Высота слоя осадка рассчитывается по уравнению ——--/лДа

и'фРТ(х)

Н0Т(ЛГ) = -—- , (6)

г1' ос

где ДР - перепад давлений между потоком внутри фильтра и окружающей средой, Па; ц — динамическая вязкость среды в фильтре, Пас; /?ф — сопротивление фильтра, м"1; гос — удельное сопротивление осадка, м"2.

Критериальное уравнение Нуссельта Nuc для расчета массообмена в пристенной струе позволяет найти коэффициент массоотдачи для фильтрации на фильтре с турбулизатором на расстоянии х от диска при Rea < 107иPrD> 1

Nuc = 0,1197 '8 Х~олРг°л , (7)

где X - отношение расстояния от диска турбулизатора до сечения х к расстоянию между стенкой и диском а; PrD — диффузионное число Прандтля, характеризующее соотношение между интенсивностями молекулярного переноса количества движения и переноса массы примеси диффузией.

NUC=(8) им

где DM - коэффициент диффузии, м2/с.

PrD=^~- (9)

Так как наночастицы дисперсной фазы при определенных условиях не осаждаются в воде, то можно считать, что они подвержены броуновскому движению, и их можно рассматривать как крупные молекулы. Тогда коэффициент диффузии можно рассчитать по методу Уилки-Чанга

Ь-Т^Г-Ш. СЮ)

где Ф — параметр ассоциации растворителя (для воды Ф = 2,6); Мй — молекулярная масса растворителя, г/моль; Т - температура, К; fiB -динамическая вязкость растворителя, сП; VA —мольный объем растворенного вещества, см3/моль.

Скорость фильтрации на расстоянии х от диска АР

W*tm=-J—-v (П)

¡1 + Hvarix)roc J

где Hvarм - переменная высота слоя осадка, которая не может быть меньше максимально устойчивой, зависит от условия: если при расчете по формуле (6) Яот(х) - нмутоф т0 в Формуле (11) HvaT(x) - Ногм, а если Нот(х) < Н1ЛУТ(х], то

Hvar^ = ^мут(х)-

Средняя скорость фильтрации между соседними дисками турбулизатора

L

^ФТСР =lj Мф1{х)йх. (12)

Так как средняя скорость фильтрации на одном участке £ между соседними дисками турбулизатора равна средним скоростям на остальных таких же участках, то она будет равна средней скорости фильтрации на всем фильтре. Система уравнений (1) - (12) представляет математическое описание процесса фильтрации наносистем на трубчатых мембранных фильтрах с турбулизирующей вставкой.

В главе 3 описано проведение экспериментальных исследований по фильтрации наносистем, необходимых для нахождения параметров, входящих в математическое описание: удельного сопротивления и плотности осадка. Проверена правильность предложенного математического описания процесса фильтрации.

Для определения свойств осадка разработана лабораторная установка (рисунок 2) с поверхностью фильтрации 7,06 см2. Для изучения работы трубчатых мембранных фильтров разработана лабораторная фильтрационная установка с трубчатыми мембранными элементами (рисунок 3). Основным рабочим органом является трубчатый ультрафильтр (ЗАО НТЦ Владипор), поверхностью фильтрации 0,035 м2, длиной 1 внутреннюю полость фильтра встроен дисковый турбулизатор.

1 - друк-фильтр; 2 - ложное днище; 3 - мембрана; 4 -компрессор; 5 - кран; 6 -манометр; 7 - мерный стакан

Рисунок 2 - Схема установки для определения свойств осадков

м, диаметром 0,013 м. Во

I Исходная I суспензия

лЛ

Концентрированная суспензия

1 - центробежный насос; 2 - трубчатый ультрафильтр; 3 - дренажный каркас; 4 - мембрана; 5 - турбулизатор; 6, 7 - манометры; 8-емкость для исходной суспензии; 9 - емкость для фильтрата; 10, 11, 12, 13 - шаровые краны Рисунок 3 - Схема лабораторной ультрафильтрационной установки

Для проведения экспериментов использовались: гидрозоль наноалмазов со средним размером частиц и агрегатов частиц 150 нм, рН среды - 6-6,5; суспензия диоксида марганца с размером частиц от 100 нм, рН среды - 3,2-3,6. В ходе экспериментов определены: удельное сопротивление осадка наноалмазов -7,644-1012 м"2 и плотность - 1822 кг/м^; удельное сопротивление осадка диоксида марганца -1,81-Ю13 м"2 и плотность - 3620 кг/м^.

Экспериментальные данные исследований работы ультрафильтра с турбулизатором в процессе фильтрации гидрозолей наноалмазов при расстояниях между дисками L, равных 0,04, 0,03, 0,02 и 0,01 м, диаметре дисков 0,009 м, объемном расходе 1,8 м7ч, эквивалентном объемному расходу исходного фильтра, показаны на рисунке 5. При этом средняя скорость движения среды в исходном фильтре была 2,8 м/с (Re = 36400), а на фильтре с турбулизатором (в сечении между диском и поверхностью фильтра) - 5,7 м/с (Re = 74 100).

50 -——1-'-'-'-

0 2 4 6 8 С, %масс

-- без турб.;---Ь = 0,01м; - • --Ъ = 0,02 м;

-----Ь = 0,03 м; ....... -Ь = 0,04м

Рисунок 5 - Средняя скорость фильтрации гидрозоля наноалмазов на фильтре (с турбулизатором и исходном) при эквивалентном объемном расходе

Из графиков на рисунке 5 видно, что уменьшение расстояния между смежными дисками турбулизаторов оказывает положительный эффект и средняя скорость фильтрации при соответствующих концентрациях твердой фазы растет. При расстоянии между смежными дисками турбулизатора 0,01 м средняя скорость фильтрации наибольшая. С ростом концентрации дисперсной фазы до 8 % (масс.) производительность фильтра с турбулизатором с расстоянием между смежными дисками 0,01 м увеличивается в 3,5 раза, по сравнению с исходным фильтром. Применение турбулизатора позволяет получать более концентрированные гидрозоли наноалмазов до 10 % (масс.), по сравнению с 5 - 6 % (масс.) на исходном фильтре.

Проведены экспериментальные исследования по определению влияния размера дисков турбулизатора на скорость процесса фильтрации. Расстояние!

между дисками задавалось 0,01 м. Использовались диски диаметрами - 0,008, 0,009 и 0,01 м. При этом отношение диаметров дисков турбулизатора к внутреннему диаметру трубки фильтра с1турС/с/труо было 0,615, 0,692 и 0,769, соответственно. Объемный расход среды в канале фильтра - 1,8 м /ч. Средний перепад давлений - 0,21 МПа. Результаты экспериментальных исследований по фильтрации гидрозолей наноалмазов показаны на рисунке 6.

\Уф, д;м2ч

-----d = 0,01 м;---d = 0,009м; - • --d = 0,008M

Рисунок 6 - Средняя скорость фильтрации гидрозолей наноалмазов на фильтре с турбулизатором при разных диаметрах дисков

Из рисунка 6 видно, что увеличение диаметра дисков турбулизатора способствует повышению средней скорости фильтрации. При диаметре дисков 0,01 м средняя скорость фильтрации больше, чем при диаметре дисков 0,009 м, на 12 % при увеличении концентрации твердой фазы до 8 % (масс.). В ходе экспериментальных исследований были найдены коэффициенты местных сопротивлений дисков турбулизатора При dmyp(/dmpy5 = 0,615, Ъ, = 0,7671, при dmypt-/dmpy6 = 0,692, % = 0,8198, при dmypi/dmpy6 = 0,769, % = 0,8893.

Сравнение экспериментальных данных средней скорости фильтрации, полученных при фильтрации гидрозолей наноалмазов на фильтре с турбулизатором, с расчетными значениями, найденными при помощи предложенного математического описания, показаны на рисунке 7. Расстояние между смежными дисками L задавалось 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4 м. Как видно, математическое описание удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными средней скорости фильтрации гидрозолей наноалмазов на фильтре с турбулизатором.

Экспериментальным путем найден коэффициент диффузии гидрозолей наноалмазов, который составляет 5,83-10"14 м2/с и соответствует среднему размеру частиц 150 нм, что близко к значению, рассчитанному по формуле (10).

....... -рас. Ь = 0,01 м;---рас. Ь = 0,02 м; — ---рас. Ь = 0,03 м;

— - рас. Ь = 0,04 м; - рас. без турб. ■ - экс. Ь = 0,01 м;

ж -экс. Ь = 0,02 м; • - экс. Ь = 0,03 м; ж - экс. Ь = 0,04 м; ♦ - экс. без турб.

Рисунок 7 - Сравнение экспериментальных данных средней скорости фильтрации на фильтре с турбулизатором с расчетными значениями (гидрозоль наноалмазов)

Сравнение экспериментальных данных средней скорости фильтрации, полученных при фильтрации суспензии диоксида марганца на фильтре с турбулизатором, с расчетными значениями, показаны на рисунке 8. Расстояние между смежными дисками /, задавалось 0,1 и 0,3 м. Как видно, математическое описание удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

....... -рас. Ь = 0,01 м; — • --рас. Ь = 0,03 м;--рас. без турб.

■ -экс. Ь = 0,01 м; • - экс. Ь = 0,03 м; ♦ - экс. без турб.

Рисунок 8 - Сравнение экспериментальных данных средней скорости фильтрации на фильтре с турбулизатором с расчетными (суспензия диоксида марганца)

В главе 4 предложена инженерная методика, которая позволит рассчитать промышленные аппараты для фильтрации наносистем. Исходными данными для расчетов являются: требуемая производительность установки по фильтрату; исходная и требуемая конечная концентрации суспензии, определяющие временные границы процесса.

В качестве данных о составе обрабатываемой суспензии используются параметры: размер частиц; коэффициент трения частиц; удельное сопротивление осадка; вязкость и плотность среды. В качестве рекомендуемых данных задаются: диаметр трубки фильтра; шаг расположения дисков; диаметр диска турбулизатора.

В основу расчета параметров процесса фильтрации на трубчатом фильтре с турбулизатором положены уравнения (1) - (12).

Производительность фильтра между дисками турбулизатора

<?1

= ж* |

где с! - диаметр трубки фильтра, м. Поверхность фильтрации

5 - ^

Оф —

4>Т(Х)

йх

(13)

(14)

где (¡7 — требуемая производительность по фильтру, м3/с.

По найденной поверхности фильтрации задается число трубчатых фильтров. В результате проведенных исследований и с учетом предложенной методики расчета разработана опытно-промышленная установка мембранной фильтрации, технологическая схема которой показана на рисунке 9.

1 - емкость для суспензии; 2 - насос; 3 - фильтрационный блок; 4 - емкость для пермеата; 5 - трубчатый фильтр; 6 - турбулизатор; 7 - манометр. Рисунок 9 - Технологическая схема опытно-промышленной установки мембранной фильтрации

Основным рабочим органом в данной схеме является фильтрационный блок БТУ-0,5/2 (ЗАО НТЦ «Владипор»). В каждую из семи трубок фильтрационного блока встроены турбулизирующие вставки. Установка предназначена для проведения мембранных процессов разделения суспензий методом микро- или ультрафильтрации на мембранных трубчатых фильтрах типов БТМ-0,5/2, БТУ-0,5/2 и отдельных трубчатых элементах длиной 1 м поверхностью 0,035 м2.

Результаты испытаний опытно-промышленной установки в процессе фильтрации гидрозоля наноалмазов при разных расстояниях между смежными дисками турбулизатора представлены на рисунке 10. Средний перепад давлений был равен ДРсг = 0,21 МПа, расстояния между смежными дисками задавались -0,01 и 0,03 м. Диаметр дисков турбулизатора - 0,009 м.

....... - рас. Ь = 0,01 м; — • - - рас. Ь = 0,03 м;--рас. без турб.

■ - экс. Ь = 0,01 м; • - экс. Ь = 0,03 м; ♦ - экс. без турб.

Рисунок 10 - Сравнение расчетных и экспериментальных данных средней скорости фильтрации, полученных на опытно-промышленной установке при фильтрации гидрозоля наноалмазов

Как видно из графиков на рисунке 10, математическое описание удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными средней скорости фильтрации гидрозолей наноалмазов на разработанной опытно-промышленной установке.

Результаты испытаний опытно-промышленной установки в процессе концентрирования суспензии диоксида марганца при разных расстояниях между смежными дисками отображены на рисунке 11. Средний перепад давлений, расстояния между дисками и их диаметр задавались как в эксперименте с гидрозолем наноалмазов.

....... -рас. Ь = 0,01 м; и -экс. Ь = 0,01 м;

— ---рас. Ь = 0,03 м; • экс. Ь = 0,03 м;

■ - рас. без турб. ♦ - экс. без турб.

Рисунок 11 - Сравнение расчетных и экспериментальных данных средней скорости фильтрации, полученных на опытно-промышленной установке при фильтрации суспензии диоксида марганца

Как видно из графиков на рисунке И, математическое описание так же удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными средней скорости фильтрации суспензии диоксида марганца на разработанной опытно-промышленной установке.

Разработанная на основании математического описания инженерная методика расчета трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой была использована для вывода закономерностей и расчета процесса фильтрации в лабораторных условиях и доказана ее применимость в опытно-промышленных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработано математическое описание фильтрации суспензий наноматериалов на трубчатом мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой в виде дисков, где впервые использовано модельное представление о массообменном механизме размывания фильтруемого осадка наночастиц полуограниченной затопленной струей.

2. Экспериментально исследована работа трубчатого мембранного фильтра с турбулизирующей вставкой при фильтрации гидрозолей наноалмазов и суспензии диоксида марганца. Определены фильтрационные свойства осадков наноалмазов и диоксида марганца. Выявлены закономерности влияния расстояния между дисками и их диаметр на скорость процесса. Экспериментально подтверждена адекватность математического описания в диапазоне размеров частиц до 500 нм.

3. Разработана инженерная методика расчета трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой в виде дисков и экспериментально подтверждена ее применимость при разработке опытно-промышленных установок.

4. Результаты внедрены в ОАО «ФНПЦ «Алтай» в производстве УДА-В-ГО, что позволило увеличить предел концентрирования продукта с 6 до 10 % (масс.) и повысить производительность фильтрации до 3,5 раз, и в производстве окисленного декстрана на стадии отделения от примесей диоксида марганца.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Глазев, Д.Ю. Исследование влияния пульсаций на производительность фильтра при концентрировании гидрозолей наноалмазов / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Бийск: АлтГТУ, 2008. - С. 36-37.

2. Глазев, Д.Ю. Опыт концентрирования алмазных золей с помощью трубчатых фторопластовых и керамических фильтров / Д.Ю. Глазев, И.С. Ларионова, Ю.И. Ладыгин, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение: труды научно-технической конференции с международным участием. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С.89-91.

3. Глазев, Д.Ю. Устройство для повышения эффективности мембранного концентрирования алмазных золей / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 2-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск: АлтГТУ, 2009. -С.41^5.

4. Глазев, Д.Ю. Устройство для интенсификации мембранного концентрирования алмазных золей / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Инновационные технологии: производство, экономика, образование: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Бийск: АлтГТУ,

2009. - С. 414-415.

5. Глазев, Д.Ю. Изучение работы турбулизирующей вставки в процессе мембранного концентрирования алмазных золей / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. - Бийск: АлтГТУ, 2010. - С. 35-39.

6. Глазев, Д.Ю. Исследование процесса сгущения гидрозолей наноалмазов на трубчатых мембранных фильтрах с турбулизирующей вставкой / Д.Ю. Глазев // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово: КемТИПП,

2010.-С. 420-422.

7. Глазев, Д.Ю. Способ концентрирования алмазных золей с помощью трубчатых фторопластовых и керамических мембранных фильтров / Д.Ю. Глазев,

B.А. Куничан, И .С. Ларионова, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова // Физико-химические основы ионообменных процессов: материалы XII Международной конференции. Сорбционные и хроматографические процессы. Специальный выпуск.-2011.-Т. 11.-Вып. 2.-С. 172-177.

8. Глазев, Д.Ю. Способ концентрирования гидрозолей наноалмазов с помощью трубчатых мембранных фильтров / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова // Нанотехника. - 2011. - №4(24). -

C. 45—47.

9. Пат. 2430016 Российская Федерация, МПК С01В 31/06, В82В 3/00. Способ получения золей наноалмазов / И.С. Ларионова, Д.Ю. Глазев, A.C. Жарков, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова, A.B. Фролов; заявитель и патентообладатель ОАО «ФНПЦ «Алтай», опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27.

Подписано в печать 20.04.2012. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл. печ. л. - 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 2012-38. Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ, 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.



Бийский технологический институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

На правах рукописи

Глазев Дмитрий Юрьевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ МЕМБРАННЫХ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ ТУРБУЛИЗАЦИИ ПОТОКА

Специальность 05.17.08. - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Куничан В.А.

Бийск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1 Аналитические исследования 6

1.1 Мембранные методы разделения 6

1.1.1 История мембранного разделения 6

1.1.2 Классификация мембранных процессов 10

1.1.3 Применение мембранных технологий 14

1.1.3.1 Мембранные технологии в процессе получения наноалмазов 15

1.1.3.2 Мембранные технологии в процессе получения

окисленных декстранов 17

1.1.4 Мембраны и их виды 18

1.1.5 Мембранные аппараты 2 3

1.2 Особенности работы трубчатых мембранных фильтров 27

1.2.1 Основные закономерности фильтрации 28

1.2.2 Структура потока в трубчатых фильтрах 29

1.2.3 Концентрационная поляризация 32

1.3 Загрязнение мембран и методы очистки 32

1.3.1 Методы очистки мембран от загрязнений 32

1.3.2 Фильтрация в тангенциальном потоке 33

1.3.3 Устройства гидродинамической очистки мембран 34

1.4 Цели, задачи и объект исследования 38

2 Моделирование процесса фильтрации в трубчатом

мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой 40

2.1 Основные допущения 41

2.2 Анализ основных закономерностей процесса 42

3 Экспериментальные исследования процесса фильтрации наносистем на трубчатом мембранном фильтре 53

3.1 Описание экспериментальных установок 53

3.1.1 Лабораторная установка для определения свойств осадка 5 3

3.1.2 Установка мембранная трубчатая 5 5

3.2 Сырье и материалы 59

3.3 Методика проведения экспериментов 59

3.3.1 Определение свойств осадка 59

3.3.2 Методика проведения экспериментов на лабораторном трубчатом ультрафильтре с турбулизатором 61

3.3.3Определение гидравлического сопротивления

турбулизатора 63

3.4 Обсуждение результатов экспериментальных исследований 64

3.4.1 Удельное сопротивление и плотность осадка 64

3.4.2 Определение скорости фильтрации на лабораторном трубчатом ультрафильтре 64

3.4.3 Гидравлическое сопротивление турбулизатора 71

3.4.4 Проверка соответствия разработанного математического описания экспериментальным данным 71

4 Методика расчета аппаратов для процессов ультрафильтрации

на трубчатых фильтрах 75

4.1 Выбор схемы проведения процесса ультрафильтрации 75

4.2 Определение расчетных параметров 77

4.3 Разработка опытно-промышленной установки ультрафильтрации 78

4.4 Испытания опытно-промышленной установки 82

Заключение 87

Список использованных источников 88

Приложение 101

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время мембранные методы разделения стали достаточно распространены. Это связано, в первую очередь, с созданием новых технологий и материалов.

Мембранные методы широко используются в химической, пищевой, микробиологической и медицинской отраслях промышленности при концентрировании и очистке различных нано- и ультрадисперсных систем

(УДС).

Наиболее эффективным и экономически выгодным мембранным методом разделения является тангенциальная фильтрация. Это связано с тем, что наряду с так называемыми «классическими» методами разделения, к которым относят центрифугирование, фильтрацию, отстаивание, тангенциальная фильтрация в проточных мембранных элементах обладает существенными преимуществами, а именно: отсутствием застойных зон, высокой селективностью по отношению к извлекаемому компоненту, возможностью промывки фильтра без разборки аппарата, а также низкой энергоемкостью, компактностью и простотой аппаратурного оформления.

Широкое применение для процессов мембранного разделения суспензий ультрадисперсных материалов нашли трубчатые фильтры, обладающие рядом важных технологических преимуществ по сравнению с другими типами фильтров. Однако, их производительность не всегда удовлетворительна. Одним из путей ее повышения является искусственная турбулизация потока с помощью встраиваемых устройств. Реализация этого подхода требует разработки методов расчета и проектирования трубчатых мембранных аппаратов с турбулизирующими устройствами, а так же поиска оптимальных конструктивных решений и определения условий проведения

процессов в них, отвечающих решению тех или иных технологических проблем.

В связи с этим, настоящая работа посвящена поиску путей повышения эффективности работы мембранных аппаратов с трубчатыми фильтровальными элементами, разработке методов их расчета и проектирования, применительно к процессам разделения УДС.

Исследования в области мембранной фильтрации водных растворов окисленных декстранов от диоксида марганца проводились в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» по государственному контракту № 16.522.12.2001 «Разработка технологии и создание опытного производства окисленных декстранов».

1 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ Мембранные методы разделения известны с XVIII в., с тех пор, наука о мембранах существенно продвинулась вперед, а мембранные технологии широко применяются практически во всех отраслях промышленности.

1.1.1 История мембранного разделения Как отмечается в работах [1, 2], впервые мембраны изучал французский монах П. Ноллет в 1748 году. Он установил, что через стенки бычьего пузыря, помещенного в винный спирт, вода проходит, а спирт задерживается. Явление выравнивания концентраций растворов за счет проникновения растворителя через полупроницаемую мембрану (которой в данном случае был бычий пузырь), получило название «осмоса».

Следующей важной вехой становления науки о мембранных процессах следует считать установление в 1885 году А. Фиком законов диффузии, которые в настоящее время являются основой феноменологического описания разделительных свойств мембран. Он так же впервые получил и изучил синтетические мембраны из эфирноспиртовых растворов нитрата целлюлозы, которые впоследствии нашли широкое применение в коллоидной химии [3].

В 1857 году Т. Грехем провел первые эксперименты по диализу, ставшему одним из наиболее распространенных и доступных методов очистки коллоидных растворов, что во многом способствовало становлению коллоидной химии как отдельной области химических знаний. Так же он открыл явление газопроницаемости мембран.

В 1860 - 1887 г.г. М. Траубе, В. Пфеффер и Дж. Г. Вант-Гофф на ферроцианидных и коллодиевых мембранах количественно изучили закономерности осмоса, а Дж. Г. Вант-Гофф сформулировал

термодинамический закон (закон Вант-Гоффа) определения осмотического давления раствора.

В 1907 - 1918 г.г. Р. Зигмонди получил первые микрофильтрационные мембраны. В это же время Ф. Дж. Доннан сформулировал термодинамический закон распределения электролита между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной.

А. Михаэле (1926) и Е. Мейногольд (1929), используя целлофановые и коллодиевые мембраны, наблюдали явление обратного осмоса, которое, как указывалось ранее, открыто еще в XIX веке.

Т. Теорелл, К.Г. Сивере и Дж. Ф. Мейер в 1930 году сформулировали теоретические основы переноса через ионизированные (заряженные) мембраны и мембранные электролиты. В 40-х годах в Голландии испытаны первые электродиализные установки. Следует отметить, что теоретические основы электродиализа, осуществляемого на электрохимически нейтральных мембранах, разработаны и практически апробированы в те же годы И.И. Жуковым с сотрудниками [2].

Несмотря на то, что явление полупроницаемости и мембраны естественного происхождения открыты еще в XVII в., а синтетические мембраны известны с начала XX в., мембранной технологии и науки о мембранах в современном понимании до 50-х годов не существовало. Это было связано как с неудовлетворительными характеристиками имевшихся мембран, так и с отсутствием необходимости их использования в реальных технологических процессах.

Возникновение науки о мембранах и мембранной технологии относится к концу 50-х годов XX в., когда были получены полимерные мембраны с удовлетворительными разделительными свойствами. Одновременно химия и технология синтеза полимеров достигли уровня развития, когда стало возможно создание пористых полимерных структур,

обладающих в значительной мере регулируемыми свойствами: общей пористостью, размером пор, распределением пор по размерам, необходимой прочностью и т.д. Таким образом, была создана предпосылка для синтеза и широкомасштабного производства таких пористых полимерных материалов, как мембраны.

К тому времени относится и начало серьезного осознания экологических проблем (нехватка пресной воды, резкий рост объемов загрязненных отходами и засоленных сточных вод, неприемлемость многих традиционных технологий), возникших при интенсивном развитии промышленности и сельского хозяйства. Таким образом, сформировались технологические, экологические и экономические предпосылки зарождения и интенсивного развития мембранных технологий.

Наиболее острой проблемой представлялась нехватка пресной воды, поэтому в начале развития мембранных технологий широкое практическое использование получил обратный осмос. Первые работы по обессоливанию воды обратным осмосом с использованием синтетических полимерных мембран были осуществлены в середине 60-х годов К.Е. Рейдом [4]. Однако водопроницаемость таких мембран была очень низкой, менее 12,4 л/(м сут). Позже Г. Майон предложил использовать в качестве мембран тонкие полые волокна [5], которые, несмотря на очень низкую производительность (5 л/(м2сут)), стали широко применяться впоследствии, т.к. возможна высокая плотность их размещения в единице объема аппарата.

Однако революционным скачком в развитии мембранной технологии следует считать работу С. Лоеба и С. Соурираяджана [6], предложивших способ получения анизотропных мембран из ацетата целлюлозы (рисунок 1.1). Их производительность на порядок превышала производительность известных мембран.

Спустя десятилетие был признан перспективным другой важнейший баромембранный процесс - ультрафильтрация. Ее широкое внедрение в промышленность началось тогда, когда на основе имеющегося опыта синтеза обратноосмотических мембран были созданы высокопроизводительные анизотропные ультрафильтрационные мембраны.

Рисунок 1.1 - Мембрана из ацетата целлюлозы

Таким образом, развитие мембранных процессов, вплоть до нашего времени, сопровождается взаимным обогащением накопленными опытом и знаниями. Успешное развитие науки о мембранах и мембранной технологии базируется на фундаментальных достижениях химии, физики, механики материалов, а так же других отраслей науки и техники.

На сегодняшний день известно четыре вида мембранных процессов, классификация которых рассмотрена в следующем параграфе.

1.1.2 Классификация мембранных процессов

Методы разделения жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемой перегородки называются мембранными методами [7-9].

Мембранные процессы классифицируются по виду основной движущей силы. Движущей силой мембранного процесса является градиент химического (для незаряженных частиц потока) или электрохимического (для заряженных частиц потока) потенциала. Однако для технических расчетов таких процессов, так же как и для других массообменных процессов, в качестве движущей силы мембранного процесса принимают градиент фактора, определяющего скорость данного процесса, например градиент давления, температуры, концентрации и электрического потенциала.

Таким образом, основной движущей силой мембранного процесса может быть градиент давлений - баромембранные процессы, градиент концентраций - диффузионно-мембранные процессы, градиент электрического потенциала - электромембранные процессы, градиент температур - термомембранные процессы.

Прошедший через мембрану продукт называется пермеатом, а оставшаяся перед мембраной разделяемая смесь - ретантом (иногда концентратом).

Основным показателем мембранных процессов является скорость фильтрации (удельная производительность), которая выражается объемом пермеата, получаемого при данной движущей силе в единицу времени с единицы рабочей поверхности мембраны.

Баромембранные процессы характеризуются движущей силой -перепадом давления до мембраны и после нее [7 - 9]. К данному классу относятся осмос, нано-, ультра-, микро- и диафильтрация. В свою очередь,

баромембранные процессы делятся в зависимости от размеров фильтруемых частиц, условные границы которых показаны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Условные границы применения баромембранных процессов

Процесс Обратный осмос Нанофильтрация Ультрафильтрация Микрофильтрация

Диаметр частиц, мкм 0,0001 -0,003 0,001 - 0,005 0,005 - 0,05 0,05- 10,0

Процесс обратного осмоса заключается в фильтровании растворов через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ размером 0,0001 - 0,003 мкм, под давлением, превышающим осмотическое [7, 8, 10]. В основе данного метода лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор до достижения равновесия. Давление, при котором оно устанавливается, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение в названии процесса «обратный осмос».

Нанофильтрация - мембранный процесс, способный задерживать частицы свыше 1 - 5 нм. Преимуществом нанофильтрации перед обратным осмосом при производстве питьевой воды является сохранение жизненно необходимых для здоровья человека солей и микроэлементов [11 - 13].

Ультрафильтрация - процесс разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений. Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых

молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя [14].

Микрофильтрация занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обычной фильтрацией [14]. Применение данного процесса эффективно для подготовки жидкостей перед проведением обратного осмоса, нано- и ультрафильтрации.

Диафильтрация используется в случаях, когда мембрана обладает заметно различной селективностью по отношению к разделяемым компонентам раствора. Ее применение эффективно для обессоливания.

Диффузионно-мембранные процессы обусловлены градиентом концентрации или давления по толщине пористых либо непористых мембран на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. Их используют для разделения газовых и жидких смесей. К диффузионно-мембранным процессам относятся: мембранное газоразделение, испарение через мембрану и диализ.

Мембранное газоразделение применяется для разделения на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов, т.е. пермеат обогащается компонентом с меньшей молекулярной массой, а ретант - с большей [15-23]. Для проведения мембранного газоразделения обычно применяют полимерные пленки и половолоконные мембраны.

Испарение через мембрану применяется для разделения жидких смесей [24]. Данный процесс основывается на различной скорости переноса компонентов смеси через полупроницаемую мембрану вследствие различных значений их коэффициентов диффузии. Для процесса разделения испарением через мембрану применяют пористые и непористые мембраны, обычно на основе различных полимеров [25], например, полипропилена и полиэтилена. На основе неорганических материалов, например, керамики, изготовляют пористые мембраны.

Диализ - это процесс, основанный на различии скоростей диффузии веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Его обычно применяют для разделения веществ, значительно различающихся по молекулярным массам (а значит, и по коэффициентам диффузии) [7]. В качестве полупроницаемых мембран для диализа используют целлофан, пленки из нитратов и ацетатов целлюлозы, микропористый поливинилхлорид.

Электромембранные процессы широко используют для обессоливания и концентрирования растворов электролитов, обессоливания сахарных растворов, молочной сыворотки. Движущей силой электромембранных процессов является градиент электрического потенциала по толщине мембран. К электромембранным процессам относится электродиализ, который нашел наибольшее практическое применение в данном классе. Суть процес