автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация технологической схемы процесса первапорации на примере разделения водных смесей спиртов C2-C4

^ #

На правах рукописи

74.

ШАРИКОВА Татьяна Геннадьевна

УДК 681.36:66.081

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА ПЕРВАПОРАЦИИ НА ПРИМЕРЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДНЫХ СМЕСЕЙ СПИРТОВ С2-С4

Специальность 05.13.16- Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 1998

Работа выполнена на кафедре химической техники и инженерной экологии Алтайского Государственного Технического Университета им.И.И.Ползунова

Научные руководители д.т.н., профессор Комарова Л.Ф.

д.т.н., профессор Оскорбин Н.М.

Официальные оппоненты д.т.н., профессор Титаренко Ю.И.

к.т.н., доцент Хворова Л.А.

Ведущая организация Институт водных и экологических

проблем СО РАН (г. Барнаул)

Защита состоится "20" ноября 1998 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 064.45.02 в Алтайском государственном университете по адресу: 656099 г. Барнаул, /л. Димитрова, 66

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета

Автореферат разослан " 9" октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ 1А. Безносюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нормальные спирты и их изомеры находят широкое применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности как в качестве исходного сырья, так и в качестве растворителей. В ходе технологических процессов спирты образуют смеси с водой, вследствие чего повторное их использование невозможно без предварительного обезвоживания.

Одним из перспективных методов разделения водно-органических смесей является диффузионное испарение через мембрану - первапорация, обладающая по сравнению с традиционными способами такими достоинствами, как безреагент-ность, низкое энергопотребление, высокая эффективность. Первапорация привлекает внимание прежде всего как экологически чистая и безотходная технология, применяемая для разделения азеотропных смесей, а также близкокипящих или термически неустойчивых веществ. Однако внедрение процесса первапора-ции в практику одерживается рядом причин, одной из которых является недостаточная изученность закономерностей процесса и, как следствие, отсутствие надежных методик технологических расчетов. Ввиду этого проблема разработки математической модели, позволяющей проводить расчет и оптимизацию основных технологических параметров и характеристик процесса пер-вапорационного разделения водно-органических смесей, является актуальной.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и программной реализации математической модели процесса пер-вапорационного разделения смесей в технологической схеме с рециркуляцией и в решении задачи оптимизации площади мембран при разделении смеси до заданной концентрации конечных продуктов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- получить и проанализировать статистическими методами модели характеристик первапорационных мембран, предназначенных для разделения водных смесей спиртов С2-С4;

- методами нестатистического анализа уточнить параметры моделей и рассчитать их доверительные интервалы;

- разработать математическую модель, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для расчета основных параметров процесса первапорационного разделения смесей в циркуляционно-порционной технологической схеме;

- разработать методику определения оптимальной потехни-ко-экономическому критерию площади мембран, необходимой для разделения смеси до заданной концентрации продуктов;

- внедрить полученные результаты в практику научных исследований и учебный процесс.

Методы исследования, используемые в работе, основаны на общеизвестных способах математического моделирования, пространственно-временной декомпозиции процессов, методах статистической и нестатистической оценки параметров эмпирических зависимостей.

Достоверность и обоснованность научных выводов подтверждается качественным и количественным сравнением результатов расчетов с данными физических экспериментов и выводами теоретического анализа, использованием современных методов и средств обработки данных, всесторонним анализом литературных источников и патентной проработкой по теме диссертации.

Совместное использование статистических и нестатистических методов оценки параметров эмпирических зависимостей позволило повысить надежность и достоверность моделей характеристик процесса первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4, а также устранить противоречия в исходной информации, оценить пригодность найденных эмпирических зависимостей и область их применения в модели технологической схемы процесса.

На защиту выносятся:

- статистические модели, описывающие зависимость удельной производительности и состава паровой фазы от состава исходной смеси при разделении водных смесей спиртов С2-С4 на отечественных композитных мембранах основе полиэлектролитного комплекса (ПЭК) и полиамидосульфокислоты (ПАСК);

- математическая модель и на ее основе информационно-программный комплекс, позволяющие определить основные параметры и характеристики процесса первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 в технологической схеме с рециркуляцией;

- результаты тестирования модели и численного исследования процесса при параллельном использовании от 1 до 10 мембранных модулей;

- методика определения оптимальной по технико-экономическому критерию площади мембран в технологической схеме процесса первапорационного разделения смеси.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена и реализована методика расчета технологических параметров процесса первапорационного разделения жидких смесей на основе эмпирических моделей массообменных характеристик мембран.

2. Впервые получены модели массообменных характеристик отечественных композитных мембран ПАСК и ПЭК для разделения водных смесей спиртов С2-С4 в области высоких концентраций спирта.

3. Разработана математическая модель расчета и оптимизации основных технологических параметров циркуляционно-порционной технологической схемы процесса первапорационного разделения.

А. Выполнено исследование характеристик процесса первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 и оптимизация площади мембран в циркуляционно-порционной технологической схеме.

Практическая значимость. Разработанная математическая модель позволяет определить следующие технологические параметры: материальные потоки, производительность, время протекания процесса, оптимальную площадь мембран, необходимые для синтеза технологических схем разделения и ускорения перехода от лабораторных исследований к промышленному внедрению процесса. Математическая модель исследована на примере первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 в технологической схеме с рециркуляцией, но методику можно использовать и для синтеза технологических схем разделения широкого круга водно-органических смесей. Результаты работы могут служить базой для создания малоотходных, экологически и экономически обоснованных технологических процессов.

Реализация результатов. Предлагаемые подходы могут быть использованы в любой отрасли промышленности, где применяются аналогичные смеси и стоит задача их разделения. В частности, одной из конкретных прикладных задач являлась раз-

работка технологического процесса регенерации изопропилового спирта из водных сред на Волгоградском ПО "Химпром" и НИ-ИМВ г. Зеленограда.

Работа выполнена в рамках федеральной научно-технической программы "Университеты России (технические университеты)" Госкомитета РФ по высшему образованию7 по направлению 2.7.4, раздел "Энергосбережение и экология" и региональной научно-технической программы Алтай-2.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Экологически чистые технологические процессы в решении проблем окружающей среды" (ИГТУ, Иркутск, 1996); Байкальском международном студенческом форуме "Безопасное развитие регионов" (ИГУ, Иркутск, 1996); международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий" (НГТУ, Новосибирск, 1997); XI международной конференции молодых ученых МКХТ -97 (МХТИ, Москва, 1997); 4й международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (АГТУ, Барнаул, 1998); первой краевой конференции по математике МАК-98 (АГУ, Барнаул, 1998); Third international congress "Water: Ecology and Technology" ECWATECH-98 (Moscow, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и выводов, изложенных на 144 с. текста, включающих 29 рис. и 84 табл., содержит список литературы из 111 наименований и 3 приложения.

Автор приносит искреннюю благодарность за научную поддержку Андрюховой М.В. и Дружинину А.В.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана важность решения проблемы разделения водно-органических смесей, являющихся отходами производства, с целью их повторного использования для создания ресурсосберегающих, малоотходных, экологически и экономически целесообразных технологических процессов. Описаны возможности перспективного метода разделения таких смесей -диффузионного испарения через мембрану или первапорации и его преимущества по сравнению с традиционными способами. Показана актуальность разработки математической модели технологической схемы процесса первапорационного разделения. Рассмотрены: актуальность, научная новизна, практическая значимость работы. Сформулирована цель работы и защищаемые положения.

В первой главе дается анализ опубликованных теоретических и экспериментальных работ по диффузионному испарению через мембрану. Изложены области практического применения процесса, его перспективы и возможности, преимущества и недостатки, а также физико-химические основы и проблемы моделирования.

На основании проведенного анализа проблем современного состояния и промышленного использования первапорации можно сделать вывод, что за последние 10 лет процесс зарекомендовал себя в качестве надежного технологического способа разделения водно-органических смесей. В ряде стран процесс успешно используется для разделения и осушки азеотропных смесей органических растворителей с водой. В настоящее время первапора-ция применяется как составная часть производственных линий в различных отраслях промышленности, при этом наибольшим спросом пользуются установки мощностью до 10 т/сут по целевому продукту. Наиболее рациональные области применения процесса первапорации следующие: химическая технология и нефтехимия, биология и медицина, пищевая промышленность, энергетика, очистка сточных вод и извлечение из них ценных продуктов, разделение органических смесей.

В России научно-исследовательские работы по созданию первапорационных мембран и установок проводятся в ОАО "По-лимерсинтез" Г.Владимира, где разрабатываются новые типы

мембран; экспериментальные, лабораторные установки и опытно-промышленные первапорационные модули.

Исследования мембранных процессов разделения осуществляются в РХТУ им. Д.И. Менделеева, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, НИФХИ им. Л.Я. Карпова, ИНХС РАН им. A.B. Топчиева. На кафедре инженерной экологии АлтГТУ на протяжении ряда-лет ведутся работы по изучению процесса первапорации, разрабатывается методика исследований, накапливается экспериментальный материал.

На основе анализа возможностей реализации процесса первапорации в отечественной промышленности выбран объект исследования - новый класс отечественных первапорационных мембран производства ОАО "Полимерсинтез" (г.Владимир). Массообменные характеристики мембран были изучены при разделении водно-спиртовых смесей: этанол (ЭС)-вода, пропанол (ПС)-вода, изопропанол (иПС)-вода, бутанол (БС)-вода.

По результатам обзора технологических схем разделения водно-органических смесей выбрана циркуляционно-порционная установка. Она позволяет свести к минимуму рабочую площадь мембран и может успешно использоваться в малотоннажном производстве. В основу схемы положен мембранный модуль, представляющий собой аппарат типа "фильтр-пресс" с плоскокамерными элементами.

Проблема проектирования технологических схем разделения жидких смесей первапорацией заключается в исследовании теоретических закономерностей процесса и разработке надежных методик технологических расчетов. Анализ патентных и литературных данных показал, что указанная задача в полном объеме в литературе не рассмотрена. Отдельные результаты касаются таких аспектов, как выбор мембран для разделения конкретной промышленной смеси и изучение их массообменных характеристик, а при разработке технологических схем преобладают инженерный опыт и интуиция.

Во второй главе решается задача выбора структуры, построения и анализа эмпирических зависимостей статистическими и нестатистическими методами.

Уравнение регрессии должно обладать следующими свойствами: как можно точнее описывать экспериментальные данные; быть простым, адекватным, значимым; включать значимые

базисные функции; иметь узкий доверительный интервал. Некоторый компромисс между указанными свойствами позволил выбрать структуру зависимости для построения модели методом наименьших квадратов.

При выборе регрессоров, наиболее коррелирующих с целевой величиной, рассматривались следующие функции: константа; собственно переменные, на которых базировался план эксперимента; всевозможные почленные произведения переменных вплоть до некоторой степени; некоторые стандартные функции входных переменных и их всевозможные почленные произведения. При этом степень регрессии повышалась до тех пор, пока позволяли данные и получались существенно лучшие модели. В случае незначительного улучшения статистических характеристик модели при повышении ее сложности, выбиралась более простая модель.

В результате анализа полиномиальных регрессионных моделей получены зависимости характеристик процесса первапо-рационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 от концентрации в исходной смеси проникающего компонента - воды при фиксированных температуре и давлении, вид которых приведен в табл. 1, 2. Для зависимости производительности разделения смеси ЭС-вода на мембране ПАСК (табл. 1) приведены альтернативные варианты моделей с несущественным отличием описательных способностей.

Анализ зависимостей, полученных по методу наименьших квадратов, дополнен нестатистическим анализом с целью оценки их параметров и доверительных интервалов. С использованием метода центра неопределенности исследованы верхние и нижние границы изменения параметров моделей характеристик процесса первапорационного разделения водных смесей спиртов.

С целью получения верхней и нижней огибающих моделей производительности и состава паровой фазы (соответственно 4'. Ун, Ув), диапазон изменения концентрации воды в разделяемой смеси был разбит сеткой с шагом в 1-2%, в узлах которой рассчитаны верхнее и нижнее значения аппроксимируемых функций. На рис. 1 представлен график зависимости У(хт) состава паровой от состава жидкой фазы для разделения смеси ПС-вода на мембране ПЭК, а также значения нижней Ун(х() и верхней У8(хг) огибающих, полученные по методу центра неопределенности. Результаты исследования служат для отыскания интервалов неопределенности моделей характеристик процесса.

Анализ доверительных интервалов полученных моделей показал, что они пригодны для использования в модели технологической схемы процесса, однако степень их работоспособности требует дополнительных исследований.

В третьей главе разрабатывается математическая модель для расчета параметров и характеристик проведения первапора-ционного разделения в циркуляционно-порционной технологической схеме, представленной на рис. 2, и формулируются допущения, позволяющие ее реализовать:

1) потоки различных ступеней разделения не смешиваются;

2) рециркулируют потоки только целевого продукта: над-мембранного (ретанта) или подмембранного (пермеата);

3) непрерывный процесс изменения концентраций заменяется дискретным с интервалом дискретности, равным времени одного цикла (такта), лимитируемому скоростью прохождения смеси по делительной пластине мембранного модуля:

¿А~И\1,

где 1 - длина делительной пластины модуля, м; уг экспериментальная скорость распределения смеси по мембранной пластине модуля, м/с;

4) концентрация разделяемой смеси не изменяется при прохождении делительной пластины мембранного модуля;

5) перемешивание смеси во входном коллекторе является идеальным;

6) рабочие характеристики мембраны не изменяются в течение периода эксплуатации;

7) конденсация паров пермеата является полной, то есть его потерями при работе вакуум-насоса пренебрегаем.

Модель составлена с учетом специфики циркуляционно-порционного технологического процесса, состоящей в постоянном изменении состава и количества разделяемой смеси, связанной с возвратом рецикловых потоков, и включает следующие уравнения:

1. Материального баланса по всему веществу и по растворенному компоненту:

Р = Ы + Р, Р-Хг-11-Хг+РХр, где Р, II, Р, Х[, хг, Хр - расход, кг и состав, % масс, соответственно исходной смеси, ретанта и пермеата.

2. Соотношения для расчета количества и состава пермеата включают эмпирические зависимости состава паровой фазы У и удельной производительности процесса J от концентрации растворенного вещества х(, приведенные в табл. 1,2:

Р = Л(ХГ) ■ Б • I, ХР = У(ХГ),

где Б - рабочая поверхность мембраны, м2; I - время,ч.

3. Соотношения для расчета количества и состава надмем-бранного продукта - ретанта, полученные из вышеприведенных уравнений:

Хг = (Р-Хг-Р-Хр)Л1

4. Уравнения для расчета расхода смеси я, поступающей на разделение в один такт:

Я = тг/4 -а2- рсм-VI, где й - диаметр трубопровода, м; рсм - плотность смеси, кг/м3; VI -скорость перекачивания жидкости во входном коллекторе, м/с.

При возврате надмембранного продукта в исходную емкость происходит смешение потоков, изменяется концентрация смеси и пересчитывается ее плотность.

Методика расчетов предполагается точной в рамках принятых допущений. Реально ряд параметров определяется неточно, поэтому необходимо предусмотреть способы оценки неточности основных технологических параметров - времени процесса, объема и состава продуктов, полученных в результате разделения.

Математическая модель циркуляционно-порционной технологической схемы процесса первапорационного разделения водных смесей реализована в виде комплекса программ (рис.3) и позволяет определить материальные потоки, производительность установки и время, необходимое для разделения определенного количества смеси заданного состава до конечной концентрации. Программы работают в интерактивном режиме, что позволяет легко изменять исходные данные, управлять выводом результатов на монитор, печатающее устройство или файл. В результате расчета можно получить промежуточную информацию о времени, необходимом для изменения концентрации смеси в емкости на заданную концентрацию, и о соответствующем изменении технологических параметров процесса.

Структура программного комплекса, представленная на рис.3, состоит из следующих модулей: "Ва1апз" - программный

модуль расчета материальных балансов; "Model_J" и "Model_ Y" -внешние функции, описывающие соответственно зависимость производительности процесса и состава паровой фазы от состава исходной смеси при заданных условиях проведения процесса. Файлы *.isx и *.rez содержат соответственно исходные данные и результаты расчета. Программный комплекс реализован в среде Turbo Pascal и работает в операционной системе MS DOS.

В связи с тем, что при разработке методики расчета процесса был принят ряд допущений, возникает необходимость исследования расчетной методики на соответствие реальному процессу. Часть допущений можно обосновать на основе опыта исследований разделительных свойств мембран и промышленной эксплуатации установок. Часть допущений в нечеткости исходных предположений могут быть проверены методом вычислительного эксперимента расчетом процесса на тестовых режимах.

Для обоснования правильности допущений были проведены:

а) разработка и исследование тестовых моделей;

б) анализ возможных противоречий или совпадений, полученных в результате моделирования с данными экспериментальных исследований;

в) сопоставление соответствия результатов моделирования физико-химическим основам процесса.

Тестовый расчет режима идеального разделения предполагает, что вода из элементарного объема, пошедшего на разделение, полностью покинула технологический цикл, что можно выразить следующем равенством :

.. C(t + At) =-9ШШ--

Q(t)-AQ(t)(l-C(t))

где C(t), C(t+At) - концентрация спирта в емкости-накопителе соответственно до и после ухода элементарного объема; Q(t), AQ(t)- количество смеси соответственно в емкости-накопителе и элементарном объеме, подаваемом на разделение в один такт.

Изменение концентрации смеси во времени выразится соотношением:

dC C(t + At)-C(t)

— = lim -

dt At—>0 At

Интегрируя вышеприведенное соотношение, получаем уравнение для определения времени разделения Q кг смеси с

начальной Сн и конечной Ск концентрацией целевого продукта -обезвоженного спирта:

г,

а

[с.-О-сд

где а - коэффициент, зависящий от площади мембран и технологических параметров процесса; ^ - время завершения процесса разделения, ч.

Сравнительные результаты расчетов по разработанной методике для идеальной разделительной способности мембран и вышеприведенному уравнению показали отклонение в 2-3% (табл. 3). Хорошее количественное совпадение результатов моделирования и тестовых расчетов позволяет сделать вывод о возможности использования разработанной модели с предварительной проверкой ее качественных характеристик.

На рис.4 приведен график зависимости времени разделения смеси иПС-вода на мембранах ПАСК и ПЭК. Как видно из рис.4, для мембраны ПАСК необходимый эффект разделения достигается за более короткий промежуток времени при одинаковых значениях объемов материальных потоков. Это подтверждает работоспособность математической модели, так как мембрана ПАСК по данным экспериментальных исследований признана наиболее производительной.

Исследование потерь целевого компонента - спирта с под-мембранным продуктом (водой) при разделении 100 кг смеси на мембранах ПАСК и ПЭК, результаты которого приведены на рис.5, позволяет сделать следующие выводы:

1. Количество спирта, ушедшего с водой, не зависит от площади мембраны в рамках выбранной точности расчетов.

2. Потери спирта при разделении смеси на мембране ПЭК значительно меньше, чем на мембране ПАСК. Это не противоречит данным о более высокой селективности мембраны ПЭК по сравнению с мембраной ПАСК, полученным в результате экспериментальных исследований.

Отсутствие противоречия между экспериментальными и расчетными данными подтверждает правильность математической модели процесса на качественном уровне.

Это позволило перейти к исследованию процесса первапо-рационного разделения водных смесей спиртов и оптимизации технологической схемы.

Исследование интервалов неопределенности, моделей производительности и состава паровой фазы позволило определить интервал [£, I] - время окончания процесса соответственно для верхней (лучшей) и нижней (худшей) огибающих. Величины I определяются посредством вычислительного эксперимента, результаты которого приведены в табл.4, и могут быть полезны Для оценки интервалов неопределенности при выборе оптимальной площади мембран в технологической схеме процесса.

Задачу синтеза технологической схемы разделения водно-спиртовых смесей методом первапорации можно сформулировать так: необходимо разделить заданное количество смеси определенной концентрации до конечных продуктов, удовлетворяющих технологическим требованиям, при минимальных энерго- и материальных затратах за счет оптимально подобранной площади мембран в модулях.

Тогда критерий оптимальности выразится соотношением: З=3м(8,(3)+3э(8,д)=>тш, где 3 - суммарные затраты, руб.; 3Э(3,С>) - эксплуатационные затраты, руб.; Зм(8,9) - затраты, связанные с заменой мембран, руб.; 8 - площадь, мембран в модуле, м2; О - производительность одного цикла, кг.

. Исследование первапорационного разделения водно-спиртовых смесей с использованием, различного числа параллельно установленных, аппаратов позволило получить ряд технологических параметров, характеризующих процесс в любой момент времени. Эксплуатационные затраты на проведение процесса разделения водно-спиртовых смесей на 100 кг исходной смеси можно выразить линейной зависимостью:

Зэ(8,100)=30+к-Т(8Д 00), где 3„- условно-постоянные затраты (в рассматриваемой задаче 30=0); к: сумма затрат на электроэнергию, тепло- и хладоагенты; Т(8,100) -время разделения 100 кг смеси.

Стоимость замены мембран в модулях Зм(8,<3) рассчитана исходя из предположения, что изменением их свойств в период эксплуатации можно пренебречь. Это предположение основано на том, что технологическим регламентом предусмотрены способы восстановления свойств мембран, с учетом которых были проведены их ресурсные испытания, показавшие возможность устойчивого поддержания работоспособности мембран в течение 100-120 рабочих дней, что соответствует полугодовому сроку

эксплуатации. Исходя из сказанного, произведен расчет стоимости замены мембран в модулях.

Затраты на электроэнергию, тепло- и хладоагенты рассчитаны по данным теплового и материального балансов. Планово-заготовительные цены взяты на I квартал 1998 года в деноминированных рублях.

Сопоставив затраты на проведение процесса при параллельном использовании от 1 до 10 мембранных модулей, можно определить их экономически целесообразное количество, отвечающее поставленному выше критерию оптимальности.

На рис.6 приведена зависимость затрат от количества модулей в установке на примере разделения 100 кг смеси иПС-Н20. Как видно из рис.6, задача определения оптимальной по технико-экономическому критерию площади мембран сводится к задаче одномерной минимизации, в которой целевая функция является суммой: 1- эксплуатационных затрат, 2- стоимости мембран. Первая функция вогнутая и монотонно убывающая с асимптотой в 3=0, вторая - вогнутая и монотонно возрастающая. Таким образом, у функции суммарных затрат существует единственный глобальный минимум, а задача оптимизации может быть решена любым методом одномерной минимизации или методом полного перебора с заданным шагом по оптимизируемой площади1 мембран. Алгоритм оптимизации, связанный с расчетом значений оптимизируемых функций и проведением их сглаживания, выполнен в среде_ЕХСЕ1_.

С учетом минимального £ и максимального Гвремени разделения водно-спиртовой смеси на мембране ПАСК (табл.. 4) определено, что минимуму материальных затрат на разделение 100 кг смеси соответствует параллельное использование в технологической схеме от трех до четырех мембранных модулей, общая площадь мембран в которых составляет от 7,5 до 10 м2.

Схема, состоящая из рекомендуемого количества модулей, может служить основой для создания экономически целесообразной технологии разделения водной смеси спиртов С2-С4 в области высоких концентраций спирта методом первапорации.

выводы

1. Проведен анализ проблемы моделирования технологической схемы циркуляционно-порЦибнното процесса разделения водно-спиртовых смесей методом первапорации.

2. На основе экспериментальных данных получены эмпирические зависимости массообменных характеристик первапора-ционного разделения водных смесей спиртов С2-С4 на гидрофильных мембранах ПАСК и ПЭК при фиксированных условиях проведения процесса.

3. Нестаггистическими методами оценены интервалы неопределенности и уточнены параметры эмпирических зависимостей.

4. Разработана и программно реализована расчетная математическая модель циркуляционно-порционной схемы процесса, позволяющая определить параметры технологических потоков, а также продолжительность процесса разделения смеси при параллельном использовании нескольких мембранных модулей в схеме.

5. Проведено численное исследование процесса первапо-рационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 с применением в технологической схеме от 1 до 10 мембранных модулей.

6. Разработана и —обоснована методика определения оптимальной по технико-экономическому критерию площади мембран, необходимой для разделения базового количества смеси до заданной концентрации.

г. Разработанный программный комплекс внедрен в научно-исследовательскую работу и учебный процесс кафедры инженерной экологии АлтГТУ им. И.И.Ползунова и используется для моделирования процесса первапорационного разделения различных водно-органических смесей, что подтверждается рационализаторским предложением.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шарикова Т.Г., Комарова Л.Ф., Андрюхова М.В. Информационные технологии для оптимизации мембранного разделения// Тез. докладов международной конференции "Экотехноло-гия-96". -Иркутск.-1996.-С. 125-126.

2. Шарикова Т.Г., Перевалова Т.М., Комарова Л.Ф. Проблемы очистки промышленных стоков методом первапорации// Тез.

N

докладов Байкальского международного студенческого форума "Безопасное развитие регионов". -Иркутск. -1996. -С.38-39.

3. Шарикова Т.Г., Комарова Л.Ф., Оскорбин Н.М. Синтез оптимальной технологической схемы разделения водно-органических смесей методом первапорации// Труды международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий". -Новосибирск. -1997. -С.13-15.

4. Шарикова Т.Г., Комарова Л.Ф. Оптимизация энерго-и ресурсосберегающей технологии разделения водных смесей спиртов С2-С4 методом первапорации.// Тез. докл. 4й международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (С И Б Р ЕСУ РС-4-98). - Барнаул. -1998. -С.65-66.

5. Шарикова Т.Г., Комарова Л.Ф., Плотников А.Ю. Математическая модель процесса разделения водно-органических смесей методом первапорации// Тез. докладов XI международной конференции молодых ученых по химии и хим. технологии "МКХТ-97", Ч. 3. "Кибернетика химико-технологических процессов". -Москва. -1997. - С. 37.

6. Шарикова Т.Г., Комарова Л.Ф., Андрюхова М.В. Возможности использования метода диффузионного испарения через мембрану для разделения водных смесей спиртов// Химия растительного сырья. - 1997. -№ 2. - С.31-37.

7. Шарикова Т.Г., Дружинин A.B. Моделирование и оптимизация процесса диффузионного испарения через мембрану на основе эмпирических корреляций// Материалы первой краевой конференции по математике МАК-98, - Барнаул, -1998 - С. 64.

8. Шарикова Т.Г. Разработка методики на базе эмпирических корреляций для расчета и оптимизации технологии разделения водных смесей спиртов первапорацией// Тез. докладов третьего сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), Новосибирск, -1998. - С.79.

9. Komarova L.Fj, Sharikova T.G., Perevalova Т.М. Researches of waste waters purification by pervaporation through membrane. Third international congress "Water: Ecology and Technology" ECWATECH-98, Abstracts, Moscow, 1998. - P.282.

10. Шарикова Т.Г., Андрюхова M.B., Комарова Л.Ф., Оскорбин Н.М. Оптимизация, технологии разделения водных смесей спиртов С2—С4 методом первапорации// Журнал прикладной химии. - 1998. -Т. 71, -№ 10. -С.1612-1616.

Таблица 1

Характеристики мембраны ПАСК для процесса разделения водно-спиртовой смеси

Смесь Зависимость производительности кг/(м2-ч) от состава исходной смеси Х(,% масс. Зависимость состава паровой фазы У, % масс, от состава исходной смеси Xf, % масс. Состав исходной смеси Хг, % масс.

ЭС-Н20 0,196- Х{ -34,142+40,908-Хг--3,684- X\ 1,46-8,03

0,699-0,178- Х,+ +0,0385- х}

ПС-Н20 0,184- Хг 65,732+7,924-Х£--0,629: X? +0,0142- Х| 1,77-24,0

иПС-Н20 0,199- Х[ 97,096+4,328-1п(Х£)--1,527-(1п(Хг))2 0,80-21,88

бс-н2о 1,022+0,282- 14,656-Хг-0,665- Х^ 2,06-13,20

Таблица 2 Характеристи кимембраны ПЭК для процесса разделения водно-спиртовой смеси

Смесь Зависимость производительности ,1, кг/(м2-ч) от состава исходной смеси Хг,% масс. Зависимость состава паровой фазы У, % масс, от состава исходной смеси Х(, % масс. Состав исходной смеси X,, % масс.

ЭС-Н20 -0,309 + 0,075- Хг 100,794 - 0,688-Хг 1,46-8,03

пс-н2о -0,995 + 0,214-Хг 100,289-0,143-ХГ+ +0,0146--0,00046-X? 1,77-24,0

иПС-Н20 -0,0273-Хг+ +0,0147-Х^ 100,0555-0,0329-ХГ 0,80-21,88

БС-Н20 -1,719 +0,352- Х{ 100,681-0,258ХГ + +0,0259- Х| -- 0,000827- X? 2,06-13,20

Таблица 3

Сравнение тестового и модельного времени идеального разделения смеси

Концентрация спирта, % масс Площадь мембран, м2

Время, ч.

х„ Хк Расчет 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25

92 98 Модель 2,45 1,22 0,82 0,61 0,49 0,41 0,35 0,31 0,27 0,26

Тест 2,37 1,19 0,79 0,59 0,48 0,40 0,34 0,30 0,26 0,24

75 98 Модель 9,39 4,96 3,13 2,35 1,88 1,57 1,34 1,17 1,04 0,94

Тест 9,09 4,55 3,03 2,27 1,82 1,52 1,30 1,14 1,01 0,91

78 98 Модель 8,16 4,08 2,72 2,04 1,63 1,36 1,17 1,02 0,91 0,82

Тест 7,91 3,95 2,64 1,98 1,58 1,32 1,16 1,00 0,88 0,79

87 98 Модель 4,49 2,25 1,50 1Д2 0,90 0,75 0,64 0,56 0,50 0,45

Тест 4,35 2,18 1,45 1,09 0,87 0,73 0,62 0,54 0,48 0,44

Таблица 4

Сравнение минимального и максимального I времени разделения 100 кг водно-спиртовой смеси на мембране ПАСК

Концентр, спирта, % масс. Время, ч Площадь мембран, м2

Хн Хк 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25

ЭС - вода 1 4,71 2,35 1,57 1,18 0,94 0,78 0,67 0,59 0,52 0,47

92 98 г 5,33 2,67 1,78 1,33 1,07 0,89 0,76 0,67 0,59 0,53

ПС-вода 1 6,45 3,23 2,15 1,61 1,29 1,08 0,92 0,81 0,72 0,65

75 98 Т 6,56 3,28 2,19 1,64 1,31 1,09 0,94 0,82 0,73 0,66

иПС-вода 6,37 3,18 2,12 1,59 1,27 1,06 0,91 0,80 0,71 0,64

78 98 Т 6,45 3,23 2,15 1,61 1,29 1,08 0,92 0,81 0,72 0,65

БС-вода х 5,11 2,56 1,70 1,28 1,02 0,85 0,73 0,64 0,57 0,51

87 98 т 5,15 2,58 1,72 1,29 1,03 0,86 0,74 0,64 0,57 0,52

Сокращения

ЭС Этиловый спирт

БС Бутиловый спирт

иПС изо-Пропиловый спирт

ПС Пропиловый спирт

ПАСК Полиамидосульфокислота

ПЭК Полиэлектролитный комплекс

Зависимость У(х1) для разделения на мембране ПЭК смеси

ПС-вода

У, % масс.

Хг, % масс. Н20

1 - нижняя огибающая; 2 - верхняя огибающая

Технологическая схема циркуляционно-порционного процесса разделения водно-спиртовых смесей методом первапорации

1.4

1.1

1.2

1.4

1.6

1.10

холодна» вода горячая вода

конденсированный пермеат отработанная вода

2.6

3.8

8.7

пермеат

вакуум

ретакт

8.5+1.6

разделяемая смесь

1 - емкость-накопитель разделяемой смеси; 2,5,6 - центробежный насос; 3 - термостатированная емкость; 4 - емкость-приемник ретанта; 7 - мембранный аппарат; 8 - конденсатоотводчик; 9 -емкость для охлаждения пермеата; 10 - емкость-сборник пермеа-та; 11 - ресивер; 12 - вакуумметр; 13 - насос вакуумный водо-кольцевой; 14 - вентиль запорный

Схема программного комплекса по расчету материальных

балансов

Рис. 3

Зависимость времени разделения 100 кг смеси иПС-вода от площади мембран

2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5

~^мембрана ПАСК мембрана ПЭК

Рис.4

Потери целевого компонента - спирта с водой при разделени 100 кг смеси на мембранах ПАСК и ПЭК

п мембрана ПАСК "мембрана ПЭК

Рис. 5

Зависимость затрат на проведение процесса разделения 100 кг смеси иПС-Н20 от площади мембран

—о- 1 - Энергозатраты

—- 2 ■ Затоаты на замену мембмн

—х — 3 - Суммарные затраты

Рис.6