Пути воспроизводства пресной воды на планете (1092857), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

На увеличение энергозатрат при опреснении обратным осмосом влияет концентрационная поляризация, так как проход молекулы воды через мембраны вызывает повышение концентрации солей у их поверхности, что приводит к снижению скорости фильтрации и степени опреснения из-за уменьшения гидротации ионов вследствие падения эффективного давления, вызываемого возрастанием осмотического. Происходящая при этом закупорка пор в мембране солями ухудшает работу установки и требует дополнительных расходов энергии для снижения концентрационной поляризации за счет увеличения скорости течения исходной воды и турбулизации потока. Концентрационная поляризация связана с увеличением химического потенциала на поверхности мембраны, что уменьшает движущую силу при фильтровании. При достижении состояния насыщения, выпадение осадка увеличивает гидростатическое давление. Неравномерное распределение осадка по поверхности меняет сепарационную характеристику мембраны.

Общий расход энергии на ведение процесса обратного осмоса зависит от гидравлических потерь в модулях, мощности, потребляемой насосной установкой, прокачивающей воду, от затрат энергии на ее подвод и предварительную подготовку

В сравнении с термической дистилляцией затраты энергии на обратный осмос 195-200 МДж/м³,в то время как у первой - 130-200 МДж/м³.

Наиболее эффективны такие установки при опреснении солоноватых (2-5г/л) вод и сбрасываемых вод с целью экологической защиты акваторий, на которые они сбрасываются.

Это подтверждается тем,что из всех находящихся в эксплуатации - меньшая часть опресняет морскую воду.

Эффективность процесса обратного осмоса определяется взаимодействием мембраны с исходной водой, которое зависит от удельной проницаемости, селективности, коэффициента извлечения, площади мембраны, концентрационной поляризации, перепада давлений и температуры.

По рекомендациям В.П.Дубляга классификацию мембран можно производить по следующим критериям.

1. Метод получения мембран: на основе расплавов полимеров сухого, мокрого, и сухомокрого формирования; полиэлектролитных комплексов; выщелачивания продуктов полимера; порообразования с помощью ядерных частиц осаждения продуктов плазменной поляризации на пористой подложке.

2. Функциональное назначение, определяемое рабочей средой.

3. Структурное назначение и материал: монолитные и пористые мембраны.

Если в поверхностном слое плотность полимера выше плотности в основной массе, то такие мембраны называют асимметричными.

К числу важнейших свойств относят разделяющую способность, удельную производительность, стабильность их во времени, стойкость к кислотам и щелочам.

Разделяющую способность оценивают по коэффициенту селективности или разделения. Важным является коэффициент проницаемости, представляющий собой количество вещества, проходящего через поверхность в единицу времени при единичном перепаде давления.

Стабильность свойств мембраны является важнейшим, так как обеспечивает их надежность при эксплуатации. Стойкость к кислотам и щелочам особенно необходима при опреснении, потому что влечет за собой последующий выход установки из рабочего состояния, что проявилось при использовании ацетатцеллюлозных мембран, мало отвечающих этому требованию. Более надежны мембраны из ароматических полиамидов и полисульфатов.

Изменение структуры полимерных мембран, снижение их селективности и производительности происходит из-за резких колебаний давлений, температур и концентраций и нарушения состояния пор компонентами опресняемой среды, что в конечном итоге выводит комплектующие их модули из эксплуатации.

Работоспособность полупроницаемых мембран зависит от осадкообразования, вызываемого выпадением солей на поверхностном слое, которое забивает поры, нарушает гидродинамику перемещения потока и массообмен в пограничном слое. Этот процесс приводит к увеличению концентрационной поляризации, возникающей за счет образования у поверхности мембраны растворенных веществ с концентрацией большей чем в основном объеме, а также к уменьшению производительности и удержания солей при опреснении. Это явление отрицательно сказывается на процессе разделения, так как снижает эффективное давление из-за возрастания осмотического, что определяет скорость фильтрования растворителя и селективность мембраны.

Концентрационная поляризация - одна из основных причин эксплуатационных ограничений процесса обратного осмоса из-за негативных явлений, влияющих на внутримембранный процесс. В связи с этим требуется весьма тщательная предварительная обработка морской воды.

Эффективность опреснения определяется общим загрязнением как осадкообразованием так и выпадением дисперсных частиц и коррозией.

Характеристики полупроницаемых мембран зависят от значений рН, так как это вызывает изменение их ионообменной способности. Она влияет на размер коллоидных частиц, из которых получена мембрана, растворяет и коагулирует их. От рН и содержания солей жесткости зависит скорость образования сульфатных и карбонатных отложений.

Для сульфатных отложений их структура рыхлая, а для карбонатных, плотная, покрывающая поверхность мембраны. Жесткость проявляется в изменении селективности водопроницаемости мембран, что вызвано изменением размера пор полупроницаемого слоя.

Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что установки обратного осмоса требуют обеспечения высокой степени чистоты опресняемой воды и ее предварительной водоподготовки. Высокая начальная концентрация солей в морской воде до настоящего времени является одной из причин меньшего количества установок такого типа, работающих на морской воде. Большая их часть работает как водоподготовительная или водоочистительная.

1.3. Выбор оборудования и методика его расчета.

Среди мембранных аппаратов наиболее распространены аппараты с рулонными (спиральными) фильтрующими элементами, с плоскокамерными фильтрующими элементами (типа «фильтр-пресс»), с трубчатыми фильтрующими элементами, с мембранами в виде полых волокон. В установках большой производительности целесообразно использовать аппараты первого или четвертого типа как наиболее компактные (ввиду высокой удельной поверхности мембран).

Ориентируясь на отечественную аппаратуру, выберем аппараты рулонного типа. Среди них наиболее перспективны аппараты, каждый модуль которых состоит из нескольких совместно навитых рулонных фильтрующих элементов (РФЭ). Такая конструкция позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление дренажа потоку пермеата благодаря тому, что путь, проходимый пермеатом в дренаже, обратно пропорционален числу совместно навитых РФЭ.

Аппарат состоит из корпуса 1, выполненного в виде трубы из нержавеющей стали, в которой размещается от одного до четырех рулонных модулей 8. Модуль формируется навивкой пяти мембранных пакетов на пермеатоотводящую трубку 6. Пакет образуют две мембраны 11, между которыми расположен дренажный слой 13. Мембранный пакет герметично соединен с пермеатоотводящей трубкой, кромки его также герметизируют, чтобы предотвратить смешение разделяемого раствора с пермеатом. Для создания необходимого зазора между мембранными пакетами при навивке модуля вкладывают крупноячеистую сетку-сепаратор 12, благодаря чему образуются напорные каналы для прохождения разделяемого раствора.

Герметизация пермеатоотводящих трубок в аппарате обеспечивается резиновыми кольцами 7. Герметизация корпуса осуществляется с помощью крышек 3, резиновых колец 10 и упорных разрезных колец 2, помещаемых в прорези накидного кольца 1, привариваемого к корпусу 4.

Исходный раствор через штуцер поступает в аппарат и проходит через витки модуля (напорные каналы) в осевом направлении. Последовательно проходя все модули, раствор концентрируется и удаляется из аппарата через штуцер отвода концентрата. Прошедший через мембраны пермеат транспортируется по дренажному слою к пермеатоотводящей трубке, проходит через отверстия в ее стенке и внутри трубки движется к выходному щтуцеру.

С целью предотвращения телескопического эффекта (возникающего вследствие разности давлений у торцов модулей и приводящего к сдвигу слоев навивки н осевом направлении) у заднего торца модуля устанавливают антителескопическую решетку 5, в которую он упирается.

Байпасирование жидкости в аппарате предотвращено резиновой манжетой 9, перекрывающей зазор между рулонным модулем и внутренней стенкой корпуса.

Рис. 7. Схема устройства аппарата рулонного типа:

1 - накидное кольцо; 2 - упорное кольцо; 3 - крышка; 4 - корпус; 5 - решетка; 6 - трубка для отвода пермеата; 7 -- резиновое кольцо; 8 - рулонный модуль; 9 – Резиновая манжета; 10 – резиновое кольцо; 11 - мембраны; 12 - сетка-сепаратор; 13 - дренажный слой

Метод расчета мембранной установки с рулонными элементами

Исходными данными для расчета и проектирования мембранного аппарата являются:

• производительность аппарата (L_н);

• начальная и конечная концентрация растворенного вещества (х_н, х_к);

• перепад рабочего давления через мембрану (Δр);

• физико-химические свойства смеси (ρ, υ или Re);

• температура;

1.Определение рабочей площади мембраны

Степень концентрирования:

Истинную селективность мембран φ_и рассчитываем по формуле:

где a и b – константы для данной мембраны при определенных давлении и температуре (табл. 2); ΔН_с.г. – среднее геометрическое значение теплот гидратации ионов, образующих соль; Z_m – валентность иона с меньшей теплотой гидратации.

Ниже представлены характеристики ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса, выпускаемых в СССР (характеристики установлены при перепаде рабочего давления через мембрану Δр = 5 МПа и рабочей температуре t = 25 °С; в качестве удельной производительности по воде указаны средние значения за длительный период эксплуатации; значения констант а и b отвечают размерности ΔН в кДж/моль):

Таблица 1

Марка мембраны	Удельная производительность по воде G0·103, кг/(м2·с)	Константы уравнения
		a	b
МГА-100	1,4	6,70	3,215
МГА-95	2,3	3,47	1,844
МГА-90	3,0	2,67	1,420
МГА-80	4,9	1,00	0,625

Аналогичным образом определим истинную селективность для остальных мембран

Считая,, что в первом приближении наблюдаемая селективность равна истинной, определяем среднюю концентрацию х₂ растворенного вещества в пермеате

Находим расход фильтрата L_ф

Потери растворенного вещества с пермеатом составляет

Проницаемость на входе разделяемого раствора в аппарат и на выходе из аппарата соответственно равна

где G₀ - удельная производительность (проницаемость) мембраны (определяется по табл.2).

Δπ_н и Δπ_к - осмотическое давление в объеме разделяемого раствора на входе и выходе из аппарата.

Средняя проницаемость мембраны

Определяем рабочую поверхность мембран

2.Определение основных размеров мембранного модуля

Основные характеристики выбранного аппарата:

• Длина рулонного модуля l_м=0,90 м

• Длина пакета l_п=0,95 м

• Ширина пакета b_п=0,83 м

• Высота напорного канала, равная толщине сетки сепаратора δ_с=5·10^-4 м

• Толщина двух мембран с расположенным между ними дренажным слоем δ_п=0,5-1,5 мм. Примем δ_п=1 мм

• Число элементов в модуле n_э=5

Рабочая повepхность мембран в данном элементе составит

Характеристики

Список файлов реферата