автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Средства и модели мембранной микрофильтрации промышленных жидких сред в автоматизированных технологических комплексах

На правах рукописи

Давыдова Елена Богдановна

СРЕДСТВА И МОДЕЛИ МЕМБРАННОЙ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЖИДКИХ СРЕД В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540976 2 8 НОЯ 2013

Владимир - 2013

005540976

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы и программная инженерия» (ИСПИ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).

Научный руководитель: Костров Алексей Владимирович, доктор

технических наук, профессор, профессор кафедры ИСПИ ВлГУ, г. Владимир

Официальные оппоненты: Халатов Евгении Михайлович, доктор

технических наук, профессор, начальник расчетно-аналитического центра, КБ "Арматура"- филиал ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, Российское космическое агентство, г. Ковров Владимирской области

Осин Алексей Викторович, кандидат технических наук, заместитель главного конструктора - ведущий инженер ООО «РУСАЛОКС», г.Владимир.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова (МИТХТ)», г. Москва

Защита диссертации состоится «11» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.025.01 при ВлГУ по адресу: г.Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.025.01.

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru. Автореферат диссертации разослан «11» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

ДАВЫДОВ Н.Н.

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Непрерывное развитие и расширение сферы реализации автоматизированных производств, обеспечивающих изготовление высококачественных жидких продуктов, или современных автоматизированных производств, основанных на использовании жидких технологических материалов, в значительной степени обусловлено применением в промышленности новейших методов очистки жидкотекучих компонентов производимой продукции. Этим определяется перспективность проведения исследований по модернизации методов и средств управления и обеспечения чистоты жидких технологических сред.

К числу наиболее эффективных методов достижения чистоты жидкой среды следует отнести процессы фильтрации, являющиеся ключевыми в целом ряде отраслей промышленности, что и предопределяет необходимость построения схем очистки, допускающих их реализацию в автоматизированных технологических комплексах.

Так, например, проблемы осветления и стерилизации фармацевтических и биологических жидкостей, лекарственных препаратов, получения стерильного воздуха, тонкой очистки газовых сред, микробиологической стабилизации вин, осветления и "полировки" различных алкогольных и безалкогольных напитков, фильтрации бутилированной и минеральной воды решаются при помощи микрофильтрационного оборудования. При этом глубокой очистке подвергается весь производимый продукт.

Аналогичная проблема интенсивной очистки жидкой среды существует в технологических процессах термообработки поверхности материала изделий интенсивными пучками электромагнитных излучений, например лазерных.

Используемые в ходе технологического процесса лазерной термообработки охлаждающие закалочные жидкости должны обладать свойством исключительной прозрачности для проникающего лазерного излучения, что (в целях стабилизации режимов термообработки поверхности изделий) обусловлено необходимостью исключения нарастающего во времени побочного рассеивания энергии излучения на загрязняющих жидкую среду примесях. Подобный тренд оптических свойств жидкой среды и, соответственно, характеристик обрабатывающего лазерного излучения приводит к нарушению режимов термообработки материала и, в конечном итоге, к разбросу (существенному отклонению) параметров и характеристик теплофизических и физико-механических свойств поверхности отдельных изделий от номинальных значений в пределах обрабатываемой партии. В связи с этим в условиях крупносерийного автоматизированного производства изделий, подвергающихся лазерной термообработке, необходимо изначально признать целесообразность построения системы охлаждения в автоматизированных технологических комплексах по схеме замкнутого цикла очистки охлаждающей закалочной жидкости, дополненной средствами управления системой микрофильтрации технологической среды. Таким образом, проблема исследования и развития автоматизированных производственных комплексов, оснащенных эффективной системой очистки жидкой технологической среды, является актуальной.

Вопросам и проблемам реализации процессов фильтрации жидких технологических сред посвящены исследования ученых Т. Брока, Ю.И. Дытнерского, В.А. Жужикова, А.Г. Касаткина, Р.Г. Кочарова, Н.С. Орлова и др.

В настоящее время накоплен значительный опыт в области интеграции в производство методов и средств автоматизированных систем управления технологическим оборудованием. Важность внедрения интегрированных систем менеджмента на предприятиях России отражена в работах Ю.П. Адлера, Г.Н. Калянова, A.B. Кострова, Р.И. Макарова, М.З. Свиткина, В.И. Скурихина, Е.Р. Хорошевой и др.

Исследованию процессов автоматизированной лазерной обработки изделий, требующих особой чистоты применяемых технологических жидких сред, посвящены научные труды Г.А. Акулиной, В.М. Андрияхина, С.М. Аракеляна, А.Г. Григорьянца, H.H. Давыдова, В.Г. Прокошева, H.H. Рыкалина, В.М. Ходаковского, О.В. Чудиной и др.

В диссертационной работе предлагается разработать каскадную систему фильтрации жидкой среды, оснащенную средствами автоматизированного управления, которая позволит обеспечить в условиях серийного производства эффективную систему фильтрации и контроля состояния закалочной охлаждающей жидкости в технологическом процессе лазерной закалки обособленных поверхностей партии малогабаритных стальных изделий.

Объект исследования - процессы промышленной фильтрации технологических жидких сред.

Предмет исследования - методы и средства управления процессами микрофильтрации жидких сред в автоматизированных производствах.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы управления процессами микрофильтрации жидких сред в автоматизированных технологических комплексах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ факторов, влияющих на эффективность фильтрации промышленных жидких сред.

2. Разработать математическую модель и алгоритм численного решения уравнений, описывающих процесс нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.

3. Провести анализ адекватности полученной математической модели.

4. Разработать систему управления процессом микрофильтрации технологических жидкостей для автоматизированных комплексов лазерной термообработки изделий серийного производства.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.

2. Разработана структура двухступенчатой системы мембранной микрофильтрации жидкой среды для автоматизированных технологических комплексов.

3. Разработан алгоритм функционирования и управления работой автоматизированного технологического комплекса, оснащенного встроенной каскадной системой очистки жидкой технологической среды.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что доказана возможность использования предложенной математической модели при организации технологических процессов микрофильтрации жидких сред. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в том числе численных методов, экспериментальных методик, методов математической статистики, теории алгоритмов и математического моделирования. Изложены основные факторы, определяющие эффективность управления процессами микрофильтрации промышленных жидких сред.

Практическая ценность состоит в том, что результаты диссертационной работы приняты к использованию и внедрены в промышленности в ООО НПП «Технофильтр», ОАО «ВПО «Точмаш», ФКП «ГЛП «Радуга», ООО «РУСАЛОКС», в учебный и научный процессы ВлГУ. Определены перспективы дальнейшего использования производственных процессов микрофильтрации промышленных жидких сред. Сформулированы практические рекомендации по применению мембранных средств микрофильтрации в промышленных технологических процессах очистки жидких материалов и продуктов.

Методы исследования включают физические эксперименты, математическое моделирование процессов фильтрации жидких сред, статистические методы обработки результатов измерений, методы теории управления и алгоритмизации.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса нестационарной микрофильтрации в автоматизированных технологических комплексах очистки промышленных жидких сред.

2. Архитектура каскадной системы фильтрации с автоматическим блоком управления при лазерной закалке опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг.

3. Алгоритм и структура автоматизированного контроля и управления замкнутой системой каскадной микрофильтрации в автоматизированных технологических комплексах.

Апробация и реализация результатов исследования Основные научные результаты доложены на международной практической конференции «Мембраны - 2007», г. Москва, 2007г.; международной научно-практической конференции «Высокие технологии, исследования, промышленность», г. Санкт-Петербург, 2010г.; всероссийской научно-практической конференции «Производственная инфраструктура; экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», г. Кострома, 2011г.; международной научной конференции ММТТ-24 «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 2011г.; всероссийской научно-практической конференции «Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры», г. Кострома, 2012г.; международной заочной конференции «Актуальные вопросы теории и практики технологии материалов», г. Москва, 2012г; межвузовской научно-практической конференции ВЗФЭИ, г. Владимир, 2011г.; научно-технических конференциях ВлГУ, г. Владимир, 2013г.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях, из них 2 - в журналах, рекомендованных ВАК России. Опубликована заявка на изобретение №2012154705.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержит 132 страницы, в том числе 28 рисунков, 6 таблиц, 4 приложения, список литературы из 150 наименований.

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования. Показана научная новизна работы, теоретическая и практическая значимость. Обоснованы выбранные методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Промышленные процессы фильтрации жидких сред» проанализирован технологический процесс микрофильтрации жидких сред как объект управления. Проведен анализ факторов, определяющих эффективность микрофильтрации промышленных жидких сред. Обоснована постановка задачи исследования.

Описаны основные механизмы микрофильтрации. По механизму удержания частиц выделяют мембранный и глубинный способ фильтрации. Рассматривается возможность оптимальной комбинации глубинного и мембранного фильтров при использовании каскадной системы фильтрации закалочной охлаждающей жидкости при лазерной закалке опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг.

При продолжительном использовании закалочной жидкости происходит её постепенное загрязнение, жидкость утрачивает прозрачность, и повышается температура закалочной среды, что снижает эффективность лазерной технологии. Наличие взвешенных мелкодисперсных частиц в составе охлаждающей закалочной жидкости и увеличение со временем их концентрации приводит к возрастающему рассеиванию на примесных частицах энергии лазерного излучения, что снижает воспроизводимость в пределах обрабатываемой партии игл физико-механических и теплофизических параметров и характеристик закаленной торцевой поверхности игл.

Процедура замены закалочной охлаждающей жидкости относится к числу наиболее трудоемких операций в силу необходимости полной остановки технологического оборудования и тщательной очистки всех поверхностей узлов и механизмов. Для исключения данного недостатка в технологию лазерной закалки необходимо ввести операцию фильтрации материала закаточной среды, эффективность которой зависит от схемы фильтрации используемой охлаждающей жидкости. Система каскадной фильтрации может обеспечить удаление из её состава взвешенных мелкодисперсных частиц, образующихся в зоне воздействия светового пятна интенсивного лазерного излучения на торец иглы вследствие высокотемпературного атомарно-молекулярного отслаивания металла иглы, поверхностных загрязнений и окислов, а также неизбежных мелкодисперсных частиц износа трущихся и соприкасающихся поверхностей элементов конструкции и механизмов стенда.

Известные теоретические подходы к новым технологиям фильтрации дают лишь общее представление о процессах. Для каждого конкретного фильтра, в зависимости от его конструкции и типа фильтрации, требуется разработка более детальных моделей. Одним из этапов построения этих моделей является оценка их качества и степени адекватности. Для оценки адекватности построенных моделей исследуются свойства остаточной компоненты, т.е. расхождение значений, рассчитанных по модели, и фактических наблюдений. Параметры моделей оцениваются методом наименьших квадратов (МНК).

Во второй главе «Моделирование процессов нестационарной микрофильтрации» для повышения эффективности производственных и технологических процессов разработана модель нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны, позволяющая автоматизировать режимы работы фильтрационных установок и уменьшить затраты на опытно-конструкторские работы и научные исследования (рисунок 1).

и(х, Г ) - направление скорости суспензии вдоль оси х; q{x, Т ) - скорость фильтрации вдоль оси z; с(х, Т ) - изменение объемной концентрации в канале; h(x, Т ) - изменение толщины осадка вдоль х;

S -сечение элементарного объема; hK - высота канала; t - ширина мембраны; L - длина канала

Рисунок 1 - Схема процесса нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны

Рассматривается тупиковый режим фильтрации суспензии в канале. Для течения суспензии в канале принята модель вытеснения. На внутренней поверхности канала расположена фильтрующая перегородка (мембрана), через которую проходит фильтрат за счет трансмембранного давления. Поток фильтрата зависит от гидравлических сопротивлений фильтрующей перегородки и слоя осадка на её поверхности.

Основными уравнениями, описывающими процесс фильтрации суспензии в канале, являются следующие: уравнение материального баланса по веществу, уравнение сохранение массы, уравнение для потока фильтрата (при АР = const) и материальный баланс для слоя осадка (осадок несжимаемый).

Модель нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны может быть представлена в виде двух систем уравнений: 1) в виде системы дифференциалных уравнений в частных производных (1):

эг эх

Э У(Х,Т)

эх

д 0(Х,Т)

йТ

= ~0(Х,Т) = -Мй\Х,Т)%(Х,Т)

с начальными и граничными условиями:

£(Х,0) = <р(Х), С(Х,0) = 1,

с т

Н(Х,Т)=—2-\£{Х,Т)й{Х,Т)(1Т, _ 1

й(Т) = \й(Х,Т)с1Х.

о

2) в виде системы интегро-дифференциальных уравнений (2):

(1)

<)д{Х,Т) Э Т

дХ

У(Х,Т) = $£>(Х,Т)с1Х

0(Х,Т)=-

\ + м\!;(Х,ТШХ,Т)с1Т

с начальными и граничными условиями:

£(х,о) = <р(Х), <2(Х,0) = 1, £(0,т) = 4<т).

Н(Х,Т) = -^-\^(Х,Т)й(Х,Т)сИ,

1 ~~ £ о

<2(Т) = \<2(Х,Т)</х,

(2)

где { - безразмерная концентрация; V - безразмерная скорость; 0 - безразмерный поток; X -безразмерная координата; Т - безразмерное время, <р(Х)- безразмерный начальный профиль концентрации; (2 - безразмерный средний поток, Н - безразмерная высота; с0 - безразмерная концентрация вещества на входе в канал; е - безразмерная пористость слоя осадка; р - удельное

сопротивление осадка вещества на мембране, м'2; р, - удельное гидравлическое сопротивление мембраны, м'2; Л, - толщина мембраны, м; Л, - характерный поперечный размер канала, лг, ДР -перепад давления на мембране, Па\ ц - динамическая вязкость жидкости, Па • с~, Т — текущее время, с; - максимальная скорость суспензии на входе в канал (при X = 0), м/с\ 5 - площадь сечения канала, м2; дт -максимальный поток (при Г =0),.и/с;

М

(—)(—) - безразмерный параметр модели, включающий в себя характеристики 1-е р, Л,

суспензии, осадка, фильтрующей перегородки и геометрию канала.

Для модели (2) разработан алгоритм численного решения, в котором расчетными безразмерными величинами являются скорость суспензии V(X,T), поток Q(X,T), средний поток Q(T), высота слоя осадка ЩХ,Т). Эта система может быть решена с помощью математического пакета Maple 14. Блок-схема алгоритма численного решения системы уравнений (2) представлена на рисунке 2.

Одним из критериев адекватности численного решения является сравнение результатов численного решения системы уравнений с аналитическим решением уравнения фильтрации в стационарном случае.

Под стационарным случаем понимается независимость объемной концентрации от времени £(Х,Т) = 1, т.е. полное заполнение канала жидкостью. При решении системы интегро-дифференциальных уравнений в частных производных (1) при условии £(Х,Т) =1, получаем (3):

1

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма численного решения системы уравнений (2)

Q

уршт+1'

(3)

что в полной мере соответствует автомодельному решению: (? = ~т= при Т —» <*>.

л/Г

На рисунке 3 приведена зависимость Ц (Т) для двух случаев теоретического расчета (2), (3) при М = 1. Из рисунка видно, что численное решение системы интегро-дифференциальных уравнений в частных производных (2) приближается к стационарному случаю (3) с ростом Т. Это говорит об адекватности предложенной модели нестационар-

ной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.

Практическая значимость предложенной модели нестационарной микрофильтрации (2) определяется введением безразмерного параметра М, включающего характеристики суспензии, осадка, фильтрующей перегородки и геометрию канала.

в СП 1,2 ,......................................................................................-........................................................-....................

\

1 • - -......\......

\

О .............................-...........—.......................-..............................~...................г--------------------------------

О 0,5 1 1,5 2 Т 2-5 3 3.5 4

— — Расчстсргднего потока по модели (2)

— - — Расчетсреднего потока в стационарном случае по формуле (3)

Рисунок 3 - Зависимость среднего потока £7 (Т) от времени

В третьей главе «Исследование кинетики процессов микрофильтрации» представлены расчетно-экспериментапьные данные кинетики фильтрации, полученные на мембранном фильтрующем модуле МФМ-0142 с мембраной микропористой капроновой марки ММК с различными размерами пор: 0,15, 0,20, 0,65 и 1 мкм.

Для верификации модели использованы экспериментальные данные, полученные на мембранно-фильтрующем модуле МФМ-0142 с мембраной микропористой капроновой марки ММК-015 с размером пор 0,15 мкм при постоянном давлении АР = 0,05 МПа и температуре водопроводной воды 14 °С .

Методика получения параметра модели М, характеризующего процесс нестационарной микрофильтрации, заключается в следующем:

1) Оцениваем параметр М из уравнения регрессии для стационарного случая (3) с помощью метода наименьших квадратов (МНК) при больших временах Т.

2) Решаем систему интегро-дифференциальных уравнений в частных производных (2) численным методом вблизи оценочного значения Ма.

3) Варьируем параметр М вблизи оценочного значения М0. С помощью МНК получаем оптимальное значение М, которое является характеристикой системы (2).

На рисунке 4 показаны экспериментальные и расчетные значения среднего потока 2(Г) в зависимости от времени Т при различных значениях параметра М. Наблюдается хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных при М = 5,9 ■ 10"3.

На рисунке 5 представлены экспериментальные логарифмические зависимости среднего потока Ы()(Т))от времени 1п(Г) и результаты вычислений параметров для стационарной (3) и нестационарной моделей (2) при малых и средних временах.

• при Т>0,015 (28,4 мин.) значения данных экспериментальных и теоретических исследований для обеих моделей взаимно близки в пределах ошибки эксперимента;

• при Т<0,015 (28,4 мин.) стационарная модель (3) в значительной степени отличается от нестационарной модели (2) и экспериментальных данных.

Рисунок 4 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений 2 (Г) в зависимости от времени Т для мембраны марки ММК-015 (в безразмерных координатах)

— - — Гтыцилнлрмм морель(З)

-Нестаимонарная

МП/1М1,(?)

« 2Чсгеримент»/ь ныерамные

|П(Т)

Рисунок 5 - Сравнение экспериментальной зависимости среднего потока 2(Г)с теоретическими (в двойном логарифмическом масштабе)

Из полученных результатов можно сделать вывод, что при масштабировании мембранных модулей рекомендуется применять нестационарную модель

микрофильтрации, которая в более широком диапазоне значений Т с высокой степенью точности соответствует экспериментальным данным (2(Т).

Статистический анализ сравнения модели с экспериментальными данными показал адекватность предложенной модели. При этом использовались стандартные критерии оценки адекватности модели.

Разработанная модель в виде системы уравнений (2) нестационарной микрофильтрации с образованием осадка на поверхности мембраны опробована при решении задачи масштабирования мембранных модулей, работающих в тупиковом режиме. Модель может быть применена в инженерных расчетах при разработке микро- и ультрафильтрационных установок. В основу методики апробации модели рекомендуется предложенный алгоритм расчета мембранных модулей.

В четвертой главе «Средства автоматизации процесса тонкой очистки закалочной среды при лазерной термообработке» для осуществления лазерной закалки торцевой поверхности игл высокоскоростных центрифуг разработан специализированный стенд (рисунок 6).

1 - лазер; 2 - корпус ванны; 3 - охлаждающая закалочная жидкость; 4 - игла в позиции лазерной закалки; 5 - блок управления запуском лазера, двигателями насоса; 6 - насос для перекачки охлаждающей закалочной жидкости; 7 - фильтры тонкой очистки охлаждающей закалочной жидкости

Рисунок 6 - Структурно-функциональная схема стенда лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг

Технологический процесс, реализованный на данном стенде, предусматривает совмещение импульсного локального лазерного нагрева и непрерывного омывающего охлаждения торцевой поверхности малогабаритной опорной иглы, погруженной в очищенную закалочную охлаждающую жидкость.

Разработанный стенд отличается от известных аналогов тем, что обеспечивает возможность локального повышения твердости металла (следовательно, износостойкости) обособленных (торцевых) поверхностей малогабаритных деталей без изменения физико-

механических свойств сердцевины металла (например, без ухудшения свойств упругости и вязкости и без повышения хрупкости) по всей длине детали. В данный стенд предлагается ввести систему фильтрации, в которой предусмотрен замкнутый циклический режим со стабилизацией температуры охлаждающей закалочной жидкости (рисунок 7).

Показания манометров и датчика температуры передаются в блок автоматического управления 25. По командам блока управления происходит пошаговое регулирование производительности насоса для перекачки охлаждающей закалочной жидкости с установлением оптимальной скорости протекания омывающего ламинарного потока охлаждающей жидкости вдоль закаливаемой поверхности иглы. В качестве блока управления могут быть применены программируемый микроконтроллер, специализированная микросборка/микросхема высокой степени интеграции, однокристальная микро-ЭВМ или персональный компьютер.

в

1 - напорная емкость с охлаждающей жидкостью; 2 - насос; 3-4 - фильтродержатели с фильтрами;

5 — стенд; 6 - термостат (охлаждающий); 7 — датчик температуры; 8-10 — манометры;

11-22 -шаровые краны; 23-24 - воздушные клапаны; 25 - блок автоматического управления

Рисунок 7 - Структурная схема системы фильтрации

Эффективность двухступенчатой системы фильтрации характеризуется более высоким ресурсом надежности и производительности по сравнению с одноступенчатой системой. Исходя из этого, в технологическом процессе лазерной термообработки малогабаритных стальных изделий типа "игла" целесообразно применить двухступенчатую систему очистки: ступень предварительной очистки (глубинный фильтрующий элемент) и ступень тонкой очистки закалочной охлаждающей жидкости (мембранный фильтрующий элемент). При этом обеспечивается разгрузка второй (финишной) ступени и достигается максимальный ресурс фильтроэлементов на обеих ступенях.

Одним из критериев выбора микронного рейтинга и, следовательно, типа финишного фильтра является соотношение размера пор мембраны с длиной волны лазерного излучения, так как характеристики подлежащего применению лазерного излучения предопределяются дисперсностью твердых частиц, взвешенных в закалочной охлаждающей

жидкости. Исходя из этого, в составе двухступенчатой системы фильтрации рекомендуется использовать оптимальную комбинацию глубинного и мембранных фильтров марок ЭПВ.СЦ-300/100-А-250 (размер пор 1 мкм) и ЭПМ.ПС-065/020-А-500 (размер пор 0,65/0,2 мкм) производства ООО НПП «Технофильтр», высотой 250 и 500 мм соответственно.

Структура алгоритма управления системой очистки представлена на рисунке 8. Схема отражает процедуру управления составными частями системы очистки в процессе рециркуляции охлаждающей жидкости. Анализ дополнительных данных, поступающих с измерительных устройств и датчиков, установленных в точках контроля технологических режимов закалки, способствует выработке оптимальных решений о корректировке режимов работы составных частей стенда.

Срок службы фильтрующих элементов (ресурс) определяется условиями их эксплуатации и характеристиками фильтров. По командам блока управления на основе модельных расчетов процесса фильтрации фильтроэлементы заменяются для последующей регенерации или утилизации.

Параметр М модели

нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны, учитывающий характеристики суспензии, осадка и фильтрующей перегородки, транслируется

в блок автоматического управления Рисунок 8 - Алгоритм управления системой системой и служит критерием очистки

своевременной замены фильтров в момент времени tKp(M). Дополнительным критерием определения момента регенерации фильтрующих элементов или их замены является достижение критического значения давления на фильтроэлементах Ркр = 0,3 МПа (3,0 атм). Блок-схема поддержки принятия решений представлена на рисунке 9.

Предлагаемая схема фильтрации с блоком автоматического управления позволяет обеспечить в условиях серийного промышленного производства эффективный контроль состояния закалочной охлаждающей жидкости в технологическом процессе лазерной закалки обособленных поверхностей партии малогабаритных стальных изделий, что предопределяет возможность своевременной замены фильтров, сокращая при этом время простоя технологического оборудования.

III ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования решена научно-техническая задача, заключающаяся в разработке средств и моделей процесса нестационарной микрофильтрации промышленных жидких сред в автоматизированных технологических комплексах. Получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ факторов, влияющих на эффективность фильтрации промышленных жидких сред.

2. Разработаны математическая модель и алгоритм численного решения системы уравнений нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.

3. Получено аналитическое выражение зависимости потока от времени в стационарном случае при 2МТ < 1.

4. Проведен анализ адекватности полученной математической модели.

5. Разработана архитектура каскадной системы фильтрации закалочной охлаждающей жидкости с блоком автоматического управления для стенда лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг.

6. Разработаны алгоритмы автоматизированного контроля, управления и поддержки принятия решений системой очистки в технологическом процессе лазерной термообработки малогабаритных стальных деталей.

7. Результаты диссертационного исследования имеют практическую значимость для производственных процессов микрофильтрации промышленных жидких сред.

Таким образом, в диссертации изложены научно-обоснованные, технические и технологические решения, которые имеют существенное значение в области совершенствования автоматизированных процессов тонкой очистки промышленных жидких сред.

IV СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК:

1. Давыдова, Е.Б. Моделирование нестационарного процесса фильтрации суспензий в тупиковом канале [Текст] / Е.Б. Давыдова, М.И. Ильин, A.B. Тарасов // Теоретические основы химической технологии. - 2013. - Том 47. -№3. - С. 1-3 (Соискатель - 70%).

2. Давыдова, Е.Б. Модель и каскадная система фильтрации в автоматизированных технологических комплексах [Текст] / Е.Б. Давыдова, Нт.Н Давыдов, A.B. Костров, H.H. Давыдов // Проектирование и технология электронных средств. - 2013. -№ 4. - С. 41-45 (Соискатель - 50%).

Начало

1

Инициализация переменны», оборудования Блок управления

4 -

Блок

фильтрации

Рисунок 9 - Блок-схема поддержки принятия решений

В прочих изданиях:

3. Юр (Давыдова), Е.Б. Моделирование нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале [Текст] / A.B. Тарасов, М.И. Ильин, Е.Б. Юр (Давыдова), Ю.А. Федотов, О.В. Крисько // Всероссийская научная конференция "Мембраны-2007". - г. Москва, 4-7 октября 2007. - С. 190-192 (Соискатель - 70%).

4. Давыдова, Е.Б. Математическая модель нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале [Текст] / Е.Б. Давыдова, A.B. Костров, A.B. Тарасов, О.В. Крисько // Высокие технологии, исследования, промышленность: Сборник трудов Девятой международной научно-практической конференции. В 2 т. Т. 1. Глава 2 . 22-23.04.2010, Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Куди-нова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С. 133-135 (Соискатель - 70%).

5. Давыдова, Е.Б. Апробация модели нестационарной микрофильтрации при масштабировании мембранных модулей [Текст] / Е.Б. Давыдова, A.B. Костров, A.B. Тарасов, М.И. Ильин, О.В. Крисько // Высокие технологии, исследования, промышленность: Сборник трудов Девятой международной научно-практической конференции. В 2 т. Т.1.Глава 2. 22-23.04.2010, Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С. 135-136 (Соискатель - 50%).

6. Давыдова, Е.Б. Моделирование нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале в технологии производства фильтрующих элементов [Текст] / Е.Б. Давыдова, М.И. Ильин, A.B. Тарасов //Информационный менеджмент социально-экономических и технических систем - 2011: сборник материалов II Международной молодежной научно-практической школы (г. Москва). - Владимир: Транзит-ИКС, 2011. - С. 39-42 (Соискатель - 70%).

7. Давыдова, Е.Б. Математическое моделирование нестационарного процесса микрофильтрации [Текст] / Е.Б. Давыдова, М.И. Ильин, A.B. Тарасов // Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты: материалы Всероссийской научно-практической конференции (г. Кострома, 27-28 мая 2011 г.) / сост. Г.М. Травин, М.В. Зосимов; общи. Ред. Г.М. Травина; науч. ред. М.В. Зосимова. -Кострома: КГУ им. H.A. Некрасова, 2011. - С. 32-36 (Соискатель - 70%).

8. Давыдова, Е.Б. Моделирование нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале [Текст] / Е.Б. Давыдова, М.И. Ильин, A.B. Тарасов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ- 24: сб. трудов XXIV Международная научная конференция. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Саратов: Саратов, гос. техн. ун-т, 2011. - С. 108-111 (Соискатель - 70%).

9. Давыдова, Е.Б. Практическое применение модели нестационарной микрофильтрации [Текст] / Е.Б. Давыдова, М.И. Ильин, A.B. Тарасов // Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры: материалы Всерос. науч.-практ. конф., Кострома, 25-26 мая 2012 г. / сост. Г.М. Травин, М.В. Зосимов; общ. ред. Г.М. Травина, науч. ред. М.В. Зосимова. - Кострома: КГУ им. H.A. Некрасова, 2012. - С. 20-22 (Соискатель - 70%).

10. Давыдова, Е.Б. Экспериментальные исследования кинетики фильтрации на микропористых мембранах [Текст] / Е.Б. Давыдова // Отраслевые аспекты технических наук. - №12 (24). - 2012. -С. 85-87.

11. Давыдова, Е.Б. Математическое моделирование автоматизированных процессов нестационарной микрофильтрации [Текст] I Е.Б. Давыдова, М.И. Ильин // Молодежная наука в развитии регионов: материалы III Всерос. конф. студентов и молодых ученых (Березники, 24 апреля 2013). -Пермь: Березниковский филиал Перм. нац. исслед. политехи, ун-та, 2013. - С. 112-113 (Соискатель-70%).

12. Давыдова, Е.Б. Двухступенчатая система фильтрации жидкой закалочной среды в технологических процессах лазерной закалки игл вращения центрифуг [Текст] / Е.Б. Давыдова, Е.В. Рогож-кин // Инновационные аспекты бизнес-процессов в производстве и сервисе: материалы Всерос. науч.-практ. конф., Кострома, 31 мая-1 июня 2013 г. / сост. Г.М. Травин, М.В. Зосимов; общ. ред. Г.М. Травина, науч. ред. М.В. Зосимова. - Кострома: КГУ им. H.A. Некрасова, 2013. - С. 10-13 (Соискатель - 70%).

13. Давыдова, Е.Б. Автоматизированная система тонкой очистки жидкой закалочной среды при лазерной термообработке [Текст] / Е.Б. Давыдова, H.H. Давыдов //Вестник Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. Серия: Информационные и лазерные технологии. Вопросы теории, практики и производства. Сборник научных статей. - Владимир: ВлГУ, 2013. - С. 113-120 (Соискатель-75%).

14. Заявка на изобретение №2012154705, МПК С 01 D 9/26, С 01 D 1/09. Стенд лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг [Текст] // Давыдова Е.Б., Костров A.B., Александров Д.В. и др. - Заявлено 17.12.2012г.

Подписано в печать 8.11.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура тайме. Усл. п.л.0,9. Заказ № 955-13.Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ФКУ «ЦХиСО УМВД России по Владимирской области» 600020 Б.Нижегородская, 88-Д Тел. (4922) 322-161

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Давыдова Елена Богдановна

СРЕДСТВА И МОДЕЛИ МЕМБРАННОЙ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЖИДКИХ СРЕД В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

На правах рукописи

04201456253

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических паук

Научный руководитель: Костров Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

На правах рукописи

Давыдова Елена Богдановна

СРЕДСТВА И МОДЕЛИ МЕМБРАННОЙ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЖИДКИХ СРЕД В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Костров Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. 4

Глава 1 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКИХ

СРЕД........................................................................... 9

1.1 Процесс мембранной микрофильтрации............................... 9

1.2 Фильтрация жидких технологических материалов при лазерной закалке........................................................................ 18

1.3 Средства моделирования процессов фильтрации................... 23

1.4 Постановка задачи исследования....................................... 26

Глава 2 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

НЕСТАЦИОНАРНОЙ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ.................. 28

2.1 Разработка модели нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны..................................................................... 28

2.2 Алгоритмы численного моделирования процессов нестационарной микрофильтрации................................................. 37

2.3 Выводы по главе 2......................................................... 47

Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССОВ

МИКРОФИЛЬТРАЦИИ.................................................. 49

3.1 Методика исследования кинетики процессов микрофильтрации

на мембранах................................................................ 49

3.2 Методика определения параметров процесса микрофильтрации. Анализ адекватности моделей........................................... 54

3.3 Выводы по главе 3......................................................... 62

Глава 4 СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ТОНКОЙ

ОЧИСТКИ ЖИДКОЙ ЗАКАЛОЧНОЙ СРЕДЫ ПРИ

ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКЕ...................................... 64

4.1 Автоматизированный технологический комплекс лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных газовых центрифуг......................................................... 64

4.2 Каскадная система тонкой очистки жидкой закалочной среды при лазерной термообработке малогабаритных деталей........................................................................ 76

4.3 Алгоритмы контроля, управления и поддержки принятия решений в автоматизированной системе очистки охлаждающей закалочной жидкости...................................................... 83

4.4 Выводы по главе 4.......................................................... 89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................ 90

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.... 92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................ 94

ПРИЛОЖЕНИЕ А Блок-схемы численного решения интегро-

дифференциальной системы............................................. 110

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Экспериментальные данные кинетики

микрофильтрации.......................................................... 115

ПРИЛОЖЕНИЕ В Научно - производственная база ООО НПП

«Технофильтр»............................................................. 124

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Материалы внедрения результатов диссертационного исследования...................................................... 125

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывное развитие и расширение сферы реализации автоматизированных производств, обеспечивающих изготовление высококачественных жидких продуктов, или современных автоматизированных производств, основанных на использовании жидких технологических материалов, в значительной степени обусловлено применением в промышленности новейших методов очистки жидкотекучих компонентов производимой продукции. Этим определяется перспективность проведения исследований по модернизации методов и средств управления и обеспечения чистоты жидких технологических сред.

К числу наиболее эффективных методов достижения чистоты жидкой среды следует отнести процессы фильтрации, являющиеся ключевыми в целом ряде отраслей промышленности, что и предопределяет необходимость построения схем очистки, допускающих их реализацию в автоматизированных технологических комплексах.

Так, например, проблемы осветления и стерилизации фармацевтических и биологических жидкостей, лекарственных препаратов, получения стерильного воздуха, тонкой очистки газовых сред, микробиологической стабилизации вин, осветления и "полировки" различных алкогольных и безалкогольных напитков, фильтрации бутилированной и минеральной воды решаются при помощи микрофильтрационного оборудования. При этом глубокой очистке подвергается весь производимый продукт.

Аналогичная проблема интенсивной очистки жидкой среды существует в технологических процессах термообработки поверхности материала изделий интенсивными пучками электромагнитных излучений, например лазерных.

Используемые в ходе технологического процесса лазерной термообработки охлаждающие закалочные жидкости должны обладать свойством

исключительной прозрачности для проникающего лазерного излучения, что (в целях стабилизации режимов термообработки поверхности изделий) обусловлено необходимостью исключения нарастающего во времени побочного рассеивания энергии излучения на загрязняющих жидкую среду примесях. Подобный тренд оптических свойств жидкой среды и, соответственно, характеристик обрабатывающего лазерного излучения приводит к нарушению режимов термообработки материала и, в конечном итоге, к разбросу (существенному отклонению) параметров и характеристик теплофизических и физико-механических свойств поверхности отдельных изделий от поминальных значений в пределах обрабатываемой партии. В связи с этим в условиях крупносерийного автоматизированного производства изделий, подвергающихся лазерной термообработке, необходимо изначально признать целесообразность построения системы охлаждения в автоматизированных технологических комплексах по схеме замкнутого цикла очистки охлаждающей закалочной жидкости, дополненной средствами управления системой микрофильтрации технологической среды.

Таким образом, проблема исследования и развития автоматизированных производственных комплексов, оснащенных эффективной системой очистки жидкой технологической среды, является актуальной.

Вопросам и проблемам реализации процессов фильтрации жидких технологических сред посвящены исследования ученых Т. Брока, Ю.И. Дытнерского, В.А. Жужикова, А.Г. Касаткина, Р.Г. Кочарова, Н.С. Орлова и др. [16, 44-46, 50, 62,71,79].

В настоящее время накоплен значительный опыт в области интеграции в производство методов и средств автоматизированных систем управления технологическим оборудованием. Важность внедрения интегрированных систем менеджмента на предприятиях России отражена в работах Ю.П. Адлера, Т.Н. Калянова, A.B. Кострова, Р.И. Макарова, М.З. Свиткина, В.И. Скурихина, Е.Р. Хорошевой и др. [1, 2, 4, 60, 67-70, 74, 107, 109J.

Исследованию процессов автоматизированной лазерной обработки изделий, требующих особой чистоты применяемых технологических жидких сред, посвящены научные труды Г.А. Акулиной, В.М. Апдрияхипа, С.М. Аракеляна, А.Г. Григорьянца, Н.Н. Давыдова, В.Г. Прокошева, Н.Н. Рыкалина, В.М. Ходаковского, О.В. Чудиной и др. [3, 7, 9, 10, 24, 38-42, 101-103, 119-121].

В диссертационной работе предлагается каскадная система фильтрации жидкой среды, оснащенная средствами автоматического управления, которая позволяет обеспечить в условиях серийного производства эффективную систему фильтрации и контроля состояния закалочной охлаждающей жидкости в технологическом процессе лазерной закалки обособленных поверхностей партии малогабаритных стальных изделий.

Объект исследования - процессы промышленной фильтрации технологических жидких сред.

Предмет исследования - методы и средства управления процессами микрофильтрации жидких сред в автоматизированных производствах.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы управления процессами микрофильтрации жидких сред в автоматизированных технологических комплексах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ факторов, влияющих на эффективность микрофильтрации промышленных жидких сред.

2. Разработать математическую модель и алгоритм численного решения уравнений, описывающих процесс нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.

3. Провести анализ адекватности полученной математической модели.

4. Разработать систему управления процессом микрофильтрации технологических жидкостей для автоматизированных комплексов лазерной термообработки изделий серийного производства.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.

2. Разработана структура двухступенчатой системы мембранной микрофильтрации жидкой среды для автоматизированных технологических комплексов.

3. Разработан алгоритм функционирования и управления работой автоматизированного технологического комплекса, оснащенного встроенной каскадной системой очистки жидкой технологической среды.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что доказана возможность использования предложенной математической модели при организации технологических процессов микрофильтрации жидких сред. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в том числе численных методов, экспериментальных методик, методов математической статистики, теории алгоритмов и математического моделирования. Изложены основные факторы, определяющие эффективность управления процессами микрофильтрации промышленных жидких сред.

Практическая ценность состоит в том, что результаты диссертационной работы приняты к использованию и внедрены в промышленности в ООО НИИ «Технофильтр», ОАО «ВПО «Точмаш», ФКП «ГЛП «Радуга», ООО «РУСАЛОКС», в учебный и научный процессы ВлГУ. Определены перспективы дальнейшего использования производственных процессов микрофильтрации промышленных жидких сред. Сформулированы практические рекомендации по применению мембранных средств микрофильтрации в промышленных технологических процессах очистки жидких материалов и продуктов.

Методы исследования включают физические эксперименты, математическое моделирование процессов фильтрации жидких сред, статистические методы обработки результатов измерений, методы теории управления и алгоритмизации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса нестационарной микрофильтрации в автоматизированных технологических комплексах очистки промышленных жидких сред.

2. Архитектура каскадной системы фильтрации с автоматическим блоком управления при лазерной закалке опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг.

3. Алгоритм и структура автоматизированного контроля и управления замкнутой системой каскадной микрофильтрации в автоматизированных технологических комплексах.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием теории управления и алгоритмов, математического моделирования, а также результатами вычислительного эксперимента, реализованного с использованием статистических данных, полученных с действующего научно-производственного предприятия, занимающегося производством фильтрационного оборудования.

Основные научные результаты доложены на международной практической конференции «Мембраны - 2007», г. Москва, 2007г.; международной научно-практической конференции «Высокие технологии, исследования, промышленность», г. Санкт-Петербург, 2010г.; всероссийской научно-практической конференции «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», г. Кострома, 2011г.; международной научной конференции ММТТ-24 «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 2011г.; всероссийской научно-практической конференции «Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры», г. Кострома, 2012г.; международной заочной конференции «Актуальные вопросы теории и практики технологии материалов», г. Москва, 2012г; межвузовской научно-практической конференции ВЗФЭИ, г. Владимир, 2011г.; научно-технической конференции ВлГУ, г. Владимир, 2013г.

Глава 1 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКИХ СРЕД

1.1 Процесс мембранной микрофильтрации

Мембранная фильтрация относится к числу инновационных технологий мирового рынка методов и средств очистки жидких и газовых сред. Мембранная фильтрация является достаточно сложным процессом и применяется для отделения твердых мелкодисперсных частиц, относящихся, в основном, к числу «невидимых невооруженным глазом».

Технология мембранной фильтрации подразделяется на ряд самостоятельных областей: микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос [16, 18, 46, 79].

Примерные границы применения мембранных процессов следующие: обратный осмос для отделения от растворителя веществ с размером молекул 5 х 10"4-10"2 мкм;

ультрафильтрация для отделения от растворителя веществ с размером молекул 5х10"2-10"' мкм;

микрофильтрация для отделения от жидкой фазы коллоидных и взвешенных частиц с размером КУ'-Ю мкм, а также микроорганизмов. Ограничимся рассмотрением процесса микрофильтрации суспензий. Микрофильтрация является одним из наиболее распространенных лабораторных и промышленных процессов и применяется для выделения из жидкостей и газов твердых коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1...10 мкм и выше, а также микроорганизмов и бактерий. Микрофильтрация занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обычной фильтрацией (макрофильтрацией) без резко выраженных границ (рисунок 1.1) [16, 79, 127, 130, 139, 141, 148, 149].

-

к <

Си

&

К X

О.

¡С

МАКРОФИЛЬТРАЦИЯ

Л

70 ккм/40 .\*.км Видимые частицы

10 мкм/З мкм Клетки

1 мгл',/0,3 мкм/0,65 мкм ДрОЖЖИ

0,45 .V,км/0,2 мш Бактерии

0,1 шл Коллоиды

зооко Вирусы

Белки 100 КО

Лнпосомы 30 КО

Пнрогены 10 ко

5 КО

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

Рисунок 1,1 - Наиболее распространенные процессы фильтрации

Разделение суспензии, состоящей из жидкости, в которой взвешены твердые частицы, производятся при помощи фильтрующей перегородки (мембраны).

Поток жидкости увлекает твердые частицы к фильтрующей перегородке. Эти частицы могут попасть в различные условия. Рассмотрим первый случай, когда твердая частица задерживается на поверхности фильтрующей перегородки и не проникает в пору в результате того, что размер поры в начальном сечении меньше размера твердой частицы. Второй случай, когда размер твердой частицы меньше размера поры в самом узком ее сечении, частица может пройти через фильтровальную перегородку вместе с фильтратом. Однако она может задержаться внутри фильтрующей перегородки в результате механического торможения на том участке поры, который имеет неправильную форму или за счет механизма адсорбции на стенах поры. Такая застрявшая частица уменьшает эффективное сечение поры, и увеличивается вероятность задержания в ней последующих твердых частиц. Третий случай, когда отдельная твердая частица полностью закупоривает пору и делает ее непроходимой для других частиц. Возможен также случай, когда небольшая по сравнению с порами твердая частица может остаться на поверхности фильтрующей перегородки и не войти в пору. Это происходит тогда, когда над входом в пору на поверхности фильтрующей перегородки образуется «сводик» из нескольких относительно небольших твердых частиц. Он пропускает жидкость и задерживает другие твердые частицы.

«Сводик» может образовываться лишь при достаточно высокой концентрации твердых частиц в разделяемой суспензии. Все описанные случаи встречаются на практике (рисунок 1.2) [6, 16, 50, 128, 129, 137].

Толщина мембраны

Размер поры

Рисунок 1.2 - Механизм мембранной фильтрации

Мутность фильтрата в начале фильтрования объясняет