Кинетика процесса разделения растворов методом обратного осмоса с использованием ацетатцеллюлозных и боросиликатных мембран (1095032), страница 13

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

Текст из файла (страница 13)

Вместе с тем, не смотря на относительноневысокуюпроницаемость,пористыеборосиликатныестеклаостаютсянаиболее предпочтительными для выявления структурно-стабилизационныхособенностей мембран разной природы. В связи с этим нами была использованаметодика параллельного сбора экспериментальных данных по полимерныммембранам и мембранам неорганической природы, в качестве которых были93выбраны пористые стекла в виде капилляров (КПМ). Размеры КПМсоответствовали следующим величинам: наружный диаметр dн = 0,5÷1,5 мм,внутренний диаметр dвн = 0,15÷0,8 мм и длина l = 120÷250 мм. При этомсоблюдались условия одинакового проведения процесса, позволяющегоотделить влияние внешних факторов на процесс от изменения рабочиххарактеристик мембран во времени (рисунок 4.10).Сравнение структуры асимметричной АЦМ мембраны и пористойструктуры КПМ показывает, что структура АЦМ включает в себя пористуюнеселективную подложку и селективный слой из ацетатцеллюлозы, которуюполучают по технологии инверсии фаз.

Как известно, в процессе обратногоосмоса поры в АЦМ полностью гидратированы, так что о размерах пор здесьговорить не приходится (это можно видеть из параметров мембран, например,фирм Toray и Evonik). В нанофильтрационных мембранах селективностьразделения падает вследствие изменения размера пор, что не наблюдается впроцессах разделения с использованием КПМ. С увеличением давленияводного раствора роль вклада неселективного вязкостного потока резко (вквадратичной зависимости) возрастает в пористой среде, что не отмечено вобратном осмосе, но отмечено в нанофильтрационных мембранах.

Подобныеизменения в характеристиках разделения КПМ не наблюдаются, посколькупористая структура КПМ получена в результате выщелачивания, которомупредшествовал процесс прокаливания стекла.При этом имеющаяся тенденция ломать остаточную силикатную структурув процессе травления растворимой боратобогащенной фазы наблюдаетсятолько в некоторой области составов. Пористые капилляры получались изщелочеборосиликатного стекла следующего состава: SiO2 – 73-76%; Al2O3 – 12%; B2O3 – 14-17%; Na2O – 3-4%; PbO – 5-6%. Для снятия внутреннегонапряжения стекло подвергали температурной обработке в течение несколькихчасов при t=450-600ºС.

Режим температурной обработки для данного стеклаподбирается, как правило, визуально исходя из его состава и толщины. Послеохлаждения проводилось выщелачивание в минеральных кислотах, для чего94была разработана специальная техника фазового разделения и травления. Врезультатевыщелачиванияостаѐтсяпористаяструктура,состоящаяпреимущественно из SiO2.Изготовление пористых капилляров производилось в лаборатории Научноисследовательского института технического стекла. Основные свойствакапиллярно-пористых стѐкол представлены в таблице 1. Из таблицы видно, чтохимическая стойкость и прочность капиллярно-пористых стѐкол выше, чем уАЦМ.Вместе с тем не приходится говорить об оценке параметров структурыпористой подложки и селективного слоя АЦМ исходя из представления осквозной пористости.При изменении внешних факторов, в частности рабочего давления Р, всоотношенииJ(τ)=a·ln(τ+b)+cизменяютсякоэффициенты.Исследованияпоказали, что при использовании жестких мембран зависимости рабочегодавления Р от коэффициентов a, b и c в формуле J(τ)=a·ln(τ+b)+c имеютлинейныйвидкоэффициенты4.11.), в отличие от полимерных(рисуноккоторыхизменяютсянепредсказуемо.Вэтоммембран,состоитметодическое преимущество применения КПМ.Исходя из особенностей внутреннего механизма процесса разделения сиспользованием мембран из пористого стекла, можно сказать, что основнымвнутренним фактором стабильности внутренних характеристик разделенияявляется пористость мембраны с неизменяющимися размерами пор dраб.

Втеории мембранного разделения жидких сред известны гомогенные игетерогенные модели пористой полупроницаемой перегородки. В гетерогенноймодели учитываются селективные свойства каждой поры мембраны. Далее припомощи экспериментальных функций распределения пор по размерампроизводится интегрированный расчет по всем этим порам. В этой связи длярасчетовкрайневажнадостоверноопределеннаяраспределения по размерам селективных пор в КПМ.закономерность95Рис.

4.11. Зависимость величины коэффициентов в формуле J(τ)=a·ln(τ+b)+c отрабочегодавленияPприразделениижидкойсредыполимернымиполупроницаемыми поверхностями типа ацетатцеллюлозных. ln r   212 2  ln r f(r)eЗависимость, где r – радиус пор; ζ(lnr) –r   (ln r )  2среднеквадратическое отклонение логарифма случайной величины, может бытьиспользована как для моделирования процесса баромембранного разделения,так и для создания предпосылок стабилизации рабочих характеристикполимерных мембран. Однако, даже зная закон распределения, требуютсяэффективные методы, позволяющие в короткий срок осуществлять расчет.Такую возможность дают современные методы расчета при помощи ЭВМ.Такимобразом,использованиесхемыпараллельногосбораэкспериментальных данных по АЦМ и мембранам из пористых материаловнеорганической природы с одинаковыми условиями проведения процесспозволило отделить влияние внешних факторов на процесс от влияния96внутренних факторов - рабочих характеристик мембран со временем.Дальнейшая обработка дала возможность создать компенсационную схему,повышающую точность прогноза работоспособности мембран с учетомфактора нестабильности характеристик аппаратов на базе полимерныхмембран.Была подчеркнута важность результатов исследований процесса обратногоосмоса на качественно новой теоретической основе с использованием длясравнения оригинальной пористой структуры материала из пористогоборосиликатного стекла, которому приданы геометрические формы в видекапилляров, что позволило осуществлять процесс при повышенных давлениях(до 27 МПа и более) исходных растворов.Исключительныепозволиливозможностиоптимальноохватитьпористогоосновноеборосиликатногомножествостеклаособенностеймембранных материалов для обратного осмоса и нанофильтрации.В связи с применением результатов проведѐнного исследованием на КПМбыл сделан вывод, что технология изготовления всех мембран неорганическойприроды должна быть ориентирована на увеличение площади под восходящейчастью кривой и уменьшение площади под нисходящей ее частью (рисунок3.4.).Неизменяемые во времени и наперед прогнозируемые характеристикиразделенияКПМвыгодноотличаютсяотхарактеристикразделения,полученных ранее с помощью АЦМ.

Строгая идентификация характеристикразделения элементов КПМ в соответствии с их расположением в таблице Д.И.Менделеева и возможность определения размеров сквозных пор открылиперспективы теоретических основ новой ветви химической технологии"Мембранные технологии". Впервые представленное нами исследование [117]с использованием схемы параллельного сбора экспериментальных данных пополимерным мембранам и мембранам неорганической природы с одинаковымиусловиями проведения процесса является тому подтверждением.974.5. Методика планирования ремонтно-восстановительных работоборудования баромембранного разделенияМетодика планирования ремонтно-восстановительных работ оборудованиябаромембранного разделения представлена в нашей работе [115]Как отмечалось выше, селективно-производительные характеристикимембран со временем меняются.

В связи с этим необходимы соответствующиенадѐжные методы расчѐта, позволяющие прогнозировать работу аппаратов сучѐтом данных изменений. Данный раздел посвящѐн разработке одной из такихметодик.За основу был взят анализ удельной производительности аппарата на базеАЦМ в 2-хгодичном периоде. Результатом исследования стала разработкаметодикипланированияремонтно-восстановительныхработ,отсвоевременности осуществления которых напрямую зависит эффективностьиспользования основных производственных фондов предприятия.

Алгоритмпоиска оптимальной частоты замены мембран показан на блок-схеме (рисунок4.12).Первый этап включал в себя сбор данных о текущей работе мембран ваппаратах, необходимый для последующей аппроксимации. При этом условияпроведения эксперимента желательно максимально приблизить к будущимрежимам эксплуатации.График падения производительности J во времени η строился на основерегрессионного анализа. Проведѐнное в разделе 4.3 исследование показало, чтов качестве математической модели процесса следует использовать регрессиюданных логарифмической функцией вида (4.7). Регрессия сводится к подборунеизвестных коэффициентов a, b и c, определяющих аналитическуюзависимость J регр ( ) .Наследующемэтапеосуществляласьэкстраполяция,котораяаппроксимировала значение производительности аппаратов за пределамиэкспериментального временного интервала (рисунок. 4.13).98Исходя из издержек, связанных с приобретением новых мембран,ремонтными работами, арендной платой и др., была получена суммарнаястоимостная оценка затрат на замену мембран ( Qзам ), на основании чегоопределялось оптимальное время проведения ремонтно-восстановительныхработ из условия:Vдоп  Qуд Qзам .т(4.8)Здесь Qуд – издержки, связанные с потерей единицы объѐма разделяемогораствора;m– число дополнительных (помимо плановой) замен мембран; Vдоп– дополнительный пермеат, полученный за счѐт замены отработанных мембран.Vдопвычислялсяприпомощиинтегрированиярегрессииданныхлогарифмической функцией (4.7).

Таким образом, например, для проведенияодной дополнительной замены мембран в периодевычисленияVдоп плформула дляимела видVдоп  21 пл  зам2 пл  замJ регр ( )d 0J регр ( )d ,(4.9)0где ηпл – время планируемой замены мембран; ηзам – время на ремонтныеработы, связанные с заменой мембран.Графически расчетVдоп показан на рисунке 4.14.Таким образом, замену мембран рекомендовалось производить, когдапереставало соблюдаться условиеVдоп  Qуд QзамтVдоп  Qуд  max т(4.10)99Рассмотренная методика позволила планировать замену мембран впроцессе эксплуатации, что особенно важно для быстрого реагирования напостоянно меняющиеся условия.

К таким изменениям условий относятся:- изменение стоимости новых мембран;- появление на рынке более совершенных мембран с повышеннойпроницаемостью;- усовершенствование ремонтно-восстановительных работ;- изменение затрат на единицу объѐма пермеата и др.Рис. 4.12. Блок-схема планирования ремонтно-восстановительных работ.100101Рис. 4.13. Экстраполяция функции Jрегр(η).102Рис. 4.14. Визуализация расчѐта пермеата, дополнительно полученного за счѐтзамены отработанных мембран.1034.6.

Характеристики

Список файлов диссертации