Кинетика электробаромембранного разделения водных сульфатсодержащих растворов (в производстве оптических отбеливателей)
Установление закономерностей кинетики массопереноса в процессе очистки и концетрирования промышленных сульфатсодержащих растворов электробаромембранными методами. Инженерная методика расчета процесса очистки и концентрирования промышленных растворов.
| Рубрика | Химия |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.08.2018 |
| Размер файла | 246,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кинетика электробаромембранного разделения водных сульфатсодержащих растворов (в производстве оптических отбеливателей)
Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Горбачев Александр Сергеевич
Тамбов 2006
Работа выполнена на кафедрах «Машины и аппараты химических производств» и «Прикладная геометрия и компьютерная графика» Тамбовского государственного технического университета.
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Кормильцин Геннадий Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полянский Константин Константинович
кандидат технических наук, доцент Набатов Вячеслав Александрович
Ведущая организация ОАО «Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов» («НИИхимполимер»), г. Тамбов
Защита состоится «___» декабря 2006 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.
Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.02.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, корп. «Б», а с авторефератом - дополнительно на официальном сайте университета www.tstu.ru
Автореферат разослан «____» ноября 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В.М. Нечаев
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. В последнее время во всем мире происходит интенсивное развитие мембранной технологии. Она широко применяется для разделения водных растворов солей в различных отраслях промышленности. Для интенсификации процесса мембранного разделения необходимы исследования его кинетики, математического описания, а также разработка промышленных технологических схем и аппаратов.
Актуальным является при этом изучение влияния различных физических полей на мембранный процесс и разработка новых методов разделения с учетом этого влияния. Одним из таких методов является мембранный процесс, происходящий при одновременном воздействии градиента давления и электрического потенциала. Электробаромембранная технология - это новое, интенсивно развивающееся направление химической промышленности, которое находится в начале пути своего становления. Основные преимущества электробаромембранной технологии связаны с экологичностью, безреагентностью, малой металло- и энергоемкостью, простотой конструктивного оформления и возможностью концентрирования и выделения из растворов веществ, особенно сложных органических электролитов. Однако применение электробаромембранных методов сдерживается малоизученностью кинетики процесса массопереноса, его математического описания, отсутствием аппаратов для реализации этих методов.
В химической промышленности, например при производстве оптических отбеливателей, сырьем является сульфанилат натрия; при его получении; образуется большое количество промышленных растворов и сточных вод, которые необходимо разделять (очищать, концентрировать).
Работа выполнена в соответствии с договором с ОАО «Пигмент» № 6/04 от 1 марта 2004 г. по теме «Очистка и концентрирование промышленных растворов производств органических полупродуктов и красителей», а также по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2007 гг.», по которой получен грант по теме «Теоретические и прикладные аспекты электробаромембранного выделения и целевого получения веществ из промышленных стоков».
Целью данной работы является установление закономерностей кинетики массопереноса в процессе очистки и концетрирования промышленных сульфатсодержащих растворов электробаромембранными методами, их математическое описание и аппаратурное оформление.
Задачи работы:
1. Провести экспериментальные исследования кинетических характеристик процесса электробаромембранного разделения модельных и реальных растворов производства оптических отбеливателей на мембранах промышленного типа.
2. Разработать математическую модель массопереноса при электробаромембранном разделении растворов с учетов влияния важнейших параметров процесса на коэффициент задерживания и водопроницаемость.
3. Провести экспериментальные исследования адекватности разработанной математической модели на промышленных элементах рулонного типа.
4. Разработать электробаромембранный аппарат рулонного типа и технологические схемы разделения и концентрирования промышленных растворов.
5. Разработать инженерную методику расчета процесса очистки и концентрирования промышленных растворов с применением аппаратов рулонного типа.
Научная новизна. Получены экспериментальные данные по влиянию факторов на коэффициент задерживания как с наложением электрического поля, так и без него при разделении растворов сульфанилата натрия и сульфата натрия мембранами МГА-90Т, ESPA, ОПМ-К, УАМ-50, УПМ-50. Проанализировано и получено модифицированное уравнение для расчета значения коэффициента задерживания при электробаромембранном процессе разделения. кинетика сульфатсодержащий раствор электромембранный
Получены экспериментальные данные для оценки производительности процесса разделения по пермеату и математическое выражение для расчета значений водопроницаемости при разделении водных растворов сульфанилата натрия и сульфата натрия. Установлено изменение значений водопроницаемости при наложении внешних факторов (электрического поля, давления и температуры) на процесс разделения.
Получены аналитические зависимости для описания коэффициентов диффузионной, осмотической и электроосмотической проницаемости для водного раствора сульфанилата натрия от вида мембран, концентрации и температуры раствора. Получены изотермы сорбции мембран, что позволило рассчитать коэффициент распределения растворенного вещества между раствором и мембраной.
Разработана математическая модель, описывающая массоперенос при электробаромембранном разделении водных растворов солей натрия в аппаратах рулонного типа, которая учитывает влияние электрического потенциала на процесс концентрирования.
Практическая значимость. Полученные данные при исследовании процесса электробаромембранного разделения промышленных сульфатсодержащих растворов позволяют создавать новые технологические методы очистки стоков, концентрирования растворов и разрабатывать аппараты для их реализации.
Разработана и запатентована (патент № 2268085) конструкция электробаромембранного аппарата рулонного типа. Предложена инженерная методика расчета этого аппарата, которая позволяет определить необходимую площадь мембран. Разработаны и предложены для практического использования технологические схемы очистки и концентрирования промышленных растворов солей натрия в производстве оптических отбеливателей. Использование этих схем позволяет уменьшить объем сточных вод и использовать полученный концентрат в качестве сырья.
Результаты исследований были использованы оао «Тамбовская генерирующая компания» для разработки промышленных технологических схем очистки растворов с рассчитанным экономическим эффектом 200 тыс. р. в ценах на 2006 г.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопастность и экология» (г. Казань, 2005 г.); Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН-2004» (г. Воронеж, 2004 г.); Российской конференции с международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (г. Туапсе, 2006 г.); XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях»
(г. Воронеж, 2006 г.), а также на научных конференциях аспирантов и преподавателей Тамбовского государственного технического университета (2003-2006 гг.).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 12 публикациях в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций. Предложена конструкция мембранного аппарата, защищенная патентом.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 197 страниц текста, в том числе 56 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, пяти глав и обобщающих выводов, четырех приложений. Список цитируемой литературы включает 127 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Основное содержание работы
Введение. обоснована актуальность исследуемой темы, преимущество применения электробаромембранных методов очистки и концентрирования, основные трудности их внедрения в промышленность. Сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.
1. Обзор литературных данных по кинетике и конструкциям аппаратов для процессов разделения промышленных растворов. Рассмотрены существующие методы разделения промышленных растворов, основные особенности и трудности их использования. Приведена классификация основных типов мембран и мембранных установок, их краткие характеристики. Проанализированы явления переноса в мембранах, наблюдаемые в процессах очистки и концентрирования растворов, рассмотрены основные гипотезы. Проведен анализ существующих уравнений, описывающих перенос веществ в мембранах, в том числе и с наложением электрического поля. Приведены кинетические характеристики и параметры, влияющие на процесс очистки и концентрирования растворов.
2. Методики и установки проведения исследований кинетики массопереноса при мембранном разделении. Для исследования кинетических характеристик процесса электробаромембранного разделения использовались различные типы промышленных мембран.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 1 Схема электробаромембранной установки
В качестве объектов исследования использовались модельные растворы, а также промышленные стоки, получаемые в процессах синтеза полупродуктов оптических отбеливателей на линиях ОАО «Пигмент» (г. Тамбов). Данные растворы характеризуются тем, что содержат органические и неорганические вещества. В качестве модельных растворов использовались растворы веществ, входящие в состав промышленных стоков. Исследования водопроницаемости и коэффициента задерживания мембран проводились на лабораторной установке, представленной на рис. 1. Основным разделительным элементом установки является рабочая ячейка (3), в которой непосредственно происходит процесс электробаромембранного разделения. Из расходной емкости (1) через систему вентилей раствор нагнетался в камеру разделения плунжерным насосом НД 100/63 (2). Пройдя рабочую ячейку (3), дроссель (4) и ротаметры (5), частично разделенный раствор возвращался обратно в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсаций давления и расхода раствора в системе установлен ресивер (6), который представляет собой цилиндрический сосуд (V = 3,5 л), предварительно заполненный сжатым воздухом до давления, составляющего 30…40 % от рабочего (создаваемого компрессором (9)). Давление в установке контролируется образцовым манометром (8). В качестве измерительного манометра в установке использовался электроконтактный манометр (7), который выключает плунжерный насос с помощью электроконтактного реле при повышении давления выше установленного значения. Расход раствора задавался рабочим ходом плунжерного насоса (2). Температура раствора в системе поддерживалась водяным термостатом (10) и измерялась потенциометром (11) и термометром (12). Регулирование напряжения и, как следствие, плотности тока в процессе электробаромембранного разделения производилось блоком питания (13). Жидкость, прошедшая в процессе разделения через мембраны, собиралась в емкости (14). Регулировка давления в системе осуществлялась игольчатым вентилем (4).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 2 Установка для изучения диффузного, осмотического и электроосмотического потока
Значение коэффициента задерживания К определяли по формуле
, (1)
где и - концентрация растворенного вещества в пермеате и в исходном растворе соответственно.
Значение водопроницаемости G рассчитывали по зависимости
, (2)
где V - объем пермеата; F - рабочая площадь мембраны; - время процесса.
Исследования диффузионной, осмотической и электроосмотической проницаемости мембран проводились на установке, изображенной на рис. 2.
Установка состоит из двух камер (I, II), выполненных из оргстекла, между которыми герметично закреплен образец мембраны (1) и между двумя перфорированными пластинами (13) из диэлектрического материала для обеспечения жесткого положения мембраны. Для исходного и отработанного раствора имеются емкости (2-5). Ячейка снабжена электродами (10) и электромагнитными мешалками. Для создания электрического потенциала служит источник постоянного тока (9), а для измерения и контроля напряжения и значения электрического тока в цепь включены вольтметр (7) и амперметр (8). Уровни жидкости определяли капиллярами (11, 12).
Коэффициент диффузионной проницаемости рассчитывали по формуле
. (3)
Коэффициент осмотической проницаемости рассчитывается по объему перенесенного растворителя и рабочим параметрам:
(4)
где V - объем перенесенного растворителя; д - толщина набухшей мембраны; S - рабочая площадь набухшей мембраны; С1,2 - концентрации растворенного вещества в камерах I и II; ф - время процесса.
Коэффициент электроосмотической проницаемости рассчитывали как
, (5)
где V - объем воды, прошедшей через мембрану; F - рабочая площадь мембраны; I - плотность тока.
Для изучения коэффициента распределения растворенного вещества между растворителем и мембраной была разработана методика для исследования сорбционных свойств мембран.
3. Экспериментальные исследования и их анализ. Важными характеристиками процесса обратного осмоса являются коэффициент задерживания и водопроницаемость. Они исследовались как при наложении электрического поля, так и без. Влияние электрического поля изучали на мембранах МГА-90Т и ESPA и на растворах сульфанилата натрия концентрации 10, 50, 100 кг/м3 при изменении плотности тока от 0 до 2 А/м2. Значение коэффициента задерживания для сульфанилата натрия определяли по содержанию анионов n-аминобензольной кислоты в растворе, которые получаются при диссоциации сульфанилата натрия в растворе. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.
Проведенные эксперименты выявили следующие закономерности. На прианодной мембране с увеличением плотности тока наблюдается увеличение коэффициента задерживания. В то же время наблюдается незначительное уменьшение коэффициента задерживания для прикатодной мембраны, что связано с отрицательным зарядом анионов n-аминобензольной кислоты. При увеличении концентрации коэффициент задерживания на прианодной мембране МГА-90Т возрастает незначительно. Это связано с увеличением сорбции анионов n-аминобензольной кислоты активным слоем мембраны, что ведет к закупорке пор. На прикатодной мембране с увеличением плотности тока наблюдается противоположная картина. Для мембраны ESPA с увеличением концентрации раствора происходит уменьшение значения коэффициента задерживания.
Анализ полученных зависимостей показывает, что с увеличением плотности тока повышается водопроницаемость. Это связано с увеличением составляющей электроосмотического потока и изменением структуры пограничного слоя. Обнаружено различное влияние электрического поля на производительность прикатодной и прианодной мембран. На прикатодной мембране наблюдалось несколько большее увеличение водопроницаемости по сравнению с прианодной, что, вероятно, связано с более высокой степенью гидротации ионов натрия по сравнению с анионами n-аминобензольной кислоты и «блокировкой» пор на прианодной мембране за счет переноса последних.
а) б)
в) г)
Рис. 3 Зависимость значений коэффициента задерживания и водопроницаемости от плотности тока: а, в - МГА-90Т; б, г - ESPA: 1, 2 - Сисх = 10 кг/м3, 3, 4 - Сисх = 50 кг/м3, 5, 6 - Сисх = 100 кг/м3
С увеличением концентрации происходит уменьшение водопроницаемости мембраны, что говорит о влиянии осмотического давления на процесс. При увеличении концентрации разница между водопроницаемостью на прикатодной и прианодной мембранах уменьшается, что опять же объясняется увеличением сорбции анионов n-аминобензольной кислоты активным слоем мембраны и частичкой «закупоркой» пор. Для расчета значений водопроницаемости от давления раствора над мембранной, концентрации и температуры получено следующее выражение:
, (6)
где - эмпирические коэффициенты; - реперная (принятая нами 293 К) и рабочая температуры разделяемого раствора.
Для расчета коэффициента диффузионной проницаемости была использована апроксимационная зависимость
, (7)
где a, b, m - коэффициенты.
По экспериментальным данным рассчитаны значения эмпирических коэффициентов для исследуемых мембран.
Для расчета коэффициента осмотической проницаемости получено уравнение вида
, (9)
где n, K1, g, A - коэффициенты, зависящие от вида мембраны и растворенного вещества.
При обработке экспериментальных данных по коэффициентам электроосмотической проницаемости была получена эмпирическая формула
, (10)
где С - концентрация раствора; Т - температура; A, B, n - эмпирические коэффициенты.
При обработке полученных экспериментальных данных для мембран МГА-90Т, ESPA и ОПМ-К выяснилось, что изотермы сорбции для этих мембран и исследуемых растворов достаточно хорошо описываются уравнением
, (11)
где , - концентрации растворенного вещества в мембране и в растворе; b, n, m - экспериментальные коэффициенты; , - рабочая и реперная (принятая как 293 K) температуры.
4. Математическая модель массопереноса и инженерная методика расчета процесса электробаромембранного разделения. Математическое описание процесса массопереноса в электробаромембранных аппаратах рулонного типа, основано на уравнении гидродинамики движения раствора и уравнении конвективной диффузии в канале, образованного лепестками мембран. Отличие данной модели от моделей, разработанных Ю.И. Дытнерским, В.А. Шапошниковым, В.И. Коноваловым, В.Б. Коробовым, состоит в том, что влияние электрического поля учитывается через электроосмотический поток и через изменение коэффициента задерживания для прианодной и прикатодной мембран, значение которых различны между собой, что, в свою очередь, делает задачу несимметричной.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 4 Схема разделения раствора в межмембранном канале электробаромембранного аппарата: М1, М2 - прианодная и прикатодная мембраны; L - длина межмембранного канала, м; b - расстояние между мембранами, м; C(x, y), - поле концентраций растворенного вещества в растворе, кг/м3; , - продольная и поперечная скорости движения раствора в межмембранном канале
Рассмотрим задачу массопереноса при движении жидкости в плоском мембранном канале, образованном двумя соседними «лепестками» мембраны, в аппарате рулонного типа - рис. 4.
Приняты следующие допущения: диффузионное сопротивление со стороны пермеата незначительно, скорость электродных реакций значительно выше скорости массопереноса, поток жидкости стационарен, стенки межмембранного канала плоско-параллельны, режим течения жидкости ламинарный Re < 2300, насос обеспечивает постоянный расход раствора.
Математическая запись задачи:
; (12)
, (13)
где - кинематическая вязкость раствора; - плотность раствора.
Начальные и граничные условия:
; (14)
U(x; b/2) = 0; U(x; 0) = 0; (15)
; , (16)
где - коэффициент диффузии вещества в растворе; - коэффициенты задерживания для прианодной и прикатодной мембран.
Уравнение (13) является решением уравнений гидродинамики при ламинарном движении жидкости в канале, в сечении которого давление не меняется по высоте. Решение уравнений гидродинамики с граничными условиями U(x; +b/2) = 0; U(x; -b/2) = 0 будет
. (17)
расход жидкости через канал
, (18)
где - динамическая вязкость раствора.
Рассмотрим дифференциальное уравнение для водопроницаемости с учетом электроосмотического потока
, (19)
- водопроницаемость через прианодную и прикатодную мембрану; - водопроницаемость потока растворителя за счет перепада давления до и после мембраны, которые определяются по следующей зависимости:
, (20)
, - электроосмотические водопроницаемости через прианодную и прикатодную мембрану соответственно:
; (21)
, (22)
где i - плотность тока; , - коэффициент электроосмотической проницаемости для прианодной и прикатодной мембраны; - выход по току, - осмотическое давление.
Приравняв уравнения для расходов (13) и (17), получим
). (23)
Решение данного дифференциального уравнения с граничными условиями :
, (24)
где и (25)
Подставив найденные значения в уравнения для определения продольной (17) и поперечной скоростей (20), а уравнения (17) и (20) в уравнение конвективной диффузии (14) получим систему уравнений, решением которой является поле распределения концентрации вещества в межмембранном канале.
Решение системы проводилось, конечно-разностным методом. Полученную при этом систему линейных алгебраических уравнений с сильно разряженной трехдиагональной матрицей коэффициентов удобно решать методом прогонки (алгоритм Томаса). Расчетный алгоритм реализован в виде программы на языке Visual Basic, который позволяет визуализировать полученные решения. На рис. 5 показано поле концентраций при следующих условиях: , , , , .
а) б)
Рис. 5 Картина изолиний : а - с наложением электрического поля; б - без наложения электрического поля
Проверка адекватности модели заключалась в сравнении расчетных средних значений концентрации на выходе из аппарата (в ретентате) с экспериментальными значениями.
Средние значения концентраций на выходе рассчитывали по формуле
, (26)
где - средняя продольная скорость раствора в межмембранном канале:
. (27)
Для проверки адекватности модели с учетом влияния электрического поля был собран электробаромембранный аппарат рулонного типа, корпус которого выполнен из диэлектрического материала (длина элемента 0,38 м).
Эксперимент проводился с раствором сульфанилата натрия концентрацией 10 кг/м3, при рабочем давлении 0,7 МПа. Плотность тока изменяли от 0 до 2 А/м2. Концентрацию ретентата измеряли на выходе из аппарата. Отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 15 %, что подтверждает приемлемость приведенной математической модели для описания процесса электробаромембранного разделения аппаратах рулонного типа.
Целью расчета электробаромембранного рулонного элемента является определение рабочей площади мембраны. Для определения площади используем основное уравнение массопередачи
, (28)
где - масса вещества; - движущая сила обратноосмотического процесса; - коэффициент массопереноса.
Массу вещества определяем из уравнения материального баланса
. (29)
Коэффициент массопереноса находим по выражению
, (30)
где - коэффициент массопереноса от раствора к поверхности мембраны; - толщина мембраны; - коэффициент диффузионной проницаемости мембраны.
Значение массотдачи рассчитываем по критериальному уравнению
, (31)
где - коэффициент диффузии в свободном объеме; - эквивалентный диаметр межмембранной щели.
Обработка расчетно-аналитических данных позволила получить приближенные аппроксимационные соотношения для усредненных коэффициентов массоотдачи по длине канала. После их корректировки по результатам экспериментов получено следующее критериальное уравнение (погрешность 15 %):
, (32)
где - симплекс учета рабочего давления.
5. Практическое применение электробаромембранных методов в технологических процессах очистки и концентрирования сульфатсодержащих растворов. Для реализации электробаромембранного разделения растворов предлагается новая конструкция аппарата представленная на рис. 6, прототипом которой является баромембранный аппарат рулонного типа (Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. - М.: Химия, 1986). Электробаромембранный аппарат рулонного типа состоит из корпуса (1), выполненного из диэлектрического материала; секционированной перфорированной трубки (2), служащей для отвода прианодного и прикатодного пермеата; обратноосмотической прианодной мембраны (3) и обратноосмотической прикатодной мембраны (4); монополярных электродов анода (5) и катода 6 выполненных из графитовой ткани, которая также является подложкой для мембран и дренажом для отвода прикатодного и прианодного пермеата; (7) - сетки-турбулизатора; (8) - устройство для подвода электрического тока.
Рис. 6 Электробаромембранный аппарат рулонного типа
На основе проведенных исследований, разработанной математической модели массопереноса и инженерной методики расчета был предложен электробаромембранный способ концентрирования сульфанилата натрия проточным способом с использованием каскадной схемой. На рис. 7 показаны схемы концентрирования сульфанилата натрия на мембране МГА-90Т. Начальное давление для каждого аппарата Pн = 5 МПа и конечное Pк = 4,5 МПа. Таким образом все аппараты находились в одинаковых условиях.
Рис. 7 Каскадная схема концентрирования сульфанилата натрия: а - с наложением электрического тока; б - без наложения электрического тока; Vи - скорость подачи раствора в первые ступени раствора 10-2 м/с; Vр - удельная производительность по ретентату 10-2 м/с; Vп - удельная производительность по пермеату 10-6 м/с; С - концентрация на входе кг/м3; Ср - концентрация в ретентате каждой ступени на входе кг/м3; n - число сдвоенных элементов ЭРО900/6,5 в ступени
Основные обозначения
С - концентрация вещества в растворе, кг/м3; P - давление раствора над мембраной, МПа; Т - температура раствора, К; G, - водопроницаемость мембран, м3/(м2с); K - коэффициент задерживания; Рд, Рос, Рэо - диффузионная, осмотическая и электроосмотическая проницаемости, м2/с; D, Dm - коэффициент диффузии в растворе и мембране, м2/с; - осмотическое давление, МПа; - рабочее давлений, МПа; к - коэффициент распределения; L - длина межмембранного канала, м; F - рабочая площадь мембраны, м2; U, V - продольная и поперечная составляющие скорости течения раствора в межмембранном канале, м/с; - время, с.
Основные выводы и результаты
Экспериментально исследованы основные кинетические характеристики процесса массопереноса при электробаромембранном и обратноосмотическом разделении раствора сульфанилата натрия и сульфата натрия на мембранах МГА-90Т, ESPA, ОПМ-К, УФМ-50, УПМ-50. Показано, что при разделении водного раствора сульфанилата натрия 10 кг/м3 на мембране МГА-90Т значение коэффициента задерживания без наложения электрического поля равен 0,78, а с наложением поля 2 А/м2 достигает 0,95 на прианодной мембране. При наложении электрического поля также наблюдается увеличение водопроницаемости как для прикатодной, так и для прианодной мембран. Изучено влияние параметров процесса на диффузионную, осмотическую и электроосмотическую проницаемости и коэффициент распределения, необходимые для описания процесса массопереноса в электробаромембранных аппаратах. Получены необходимые инженерно-аппроксимационные зависимости для расчета кинетических характеристик процесса.
Разработана математическая модель массопереноса электробаромембранных процессов разделения растворов, основанная на уравнениях гидродинамики, и уравнении конвективной диффузии, как наиболее точно описывающая механизм процесса электробаромембранного разделения. Для учета наложения электрического поля дополнительно рассматривается два потока: электроосмотический поток (перенос растворителя через мембраны) и миграционный поток (перенос растворенного вещества), который, в свою очередь, учитывается через коэффициент задерживания мембраны. Данная модель позволяет рассчитывать основные параметры процесса (поле концентраций в межмембранном канале, поле скоростей, а также все выходные значения концентрации раствора, концентрация в пермеате, производительность по пермеату и ретентату).
Проведена проверка адекватности разработанной математической модели и ее приемлемость для описания процесса электробаромембранного разделения растворов в аппаратах рулонного типа.
Разработана и запатентована (патент № 2268085) конструкция электробаромембранного аппарата рулонного типа с целью интенсифиции процесса разделения промышленных растворов. Предложены технологические схемы очистки и концентрирования сульфанилата натрия в производстве полупродуктов оптических отбеливателей. Приведены примеры расчета электробаромембранного способа концентрирования сульфанилата натрия проточным способом с использованием каскадной схемой и по замкнутому циклу ретентата.
Разработана инженерная методика расчета электробаромембранных аппаратов рулонного типа на основе уравнения массопереноса, которая позволяет рассчитать необходимую площадь мембран для проведения процесса очистки и концентрирования.
Результаты исследований были использованы оао «Тамбовская генерирующая компания» для разработки промышленных технологических схем очистки растворов.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах
1. Лазарев, С.И. К вопросу математического описания массопереноса при баромемранном разделении / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев, Г.С. Кормильцын // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопастность и экология: материалы Всерос. студенческой науч.-техн. конф. Казань, 16-18 мая 2005 г. Казань, 2005. С. 169-171.
2. Лазарев, С.И. Применение баромембранных методов в производстве сульфанилата натрия / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев, П.А. Фефелов // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах: материалы II Всерос. конф. Воронеж, 2004. Т. 2. С. 612-614.
3. Лазарев, С.И. Модель расчета аппаратов обратного осмоса рулонного типа / С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов, А.С. Горбачев // Журнал прикладной химии. 2004. Т. 77. Вып. 11. C. 1844-1846.
4. Лазарев, С.И. Исследование диффузионной и осмотической проницаемости водного раствора сульфанилата натрия через обратноосмотические мембраны / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев // Известия вузов. Химия и химическая технология. Иваново, 2005. Т. 48. Вып. 2. С. 113-115.
5. Лазарев, С.И. Влияние давления, температуры и концентрации на обратноосмотическое разделение водного раствора сульфанилата натрия / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев, М.А Кузнецов // Известия вузов. Химия и химическая технология. Иваново, 2005. Т. 48. Вып. 4. С. 126-129.
6. Кузнецов, М.А. Определение изобарной теплоемкости нормальных алканов С7-С11 / М.А. Кузнецов, А.С. Горбачев // Теоретические основы химической технологии. 2005. Т. 39. № 4. С. 1-5.
7. Лазарев С.И. Исследование коэффициента задерживания и удельного потока растворителя при обратноосмотическом разделении раствора сульфанилата натрия / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев // Конденсированные среды и межфазные границы. Воронеж, 2005. № 4. С. 409-412.
8. Лазарев, С.И. Математическое описание массопереноса в электробаромембранных аппаратах рулонного типа / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев, О.А. Абоносимов // Математические методы в технике и технологии - ММТТ-19: сб. тр. XIX Междунар. науч. конф.: в 10 т. Воронеж: Воронеж. гос. технолог. акад., 2006. Т. 9. С. 68-70.
9. Пат. 2268085. Российская Федерация. Электробамембранный аппарат рулонного типа / Лазарев С.И., Горбачев А.С., Абоносимов О.А. ; опубл. 20.01.2006. Бюл. № 02.
10. Лазарев, С.И. К вопросу математического описания массопереноса в электробаромембранных аппаратах рулонного типа / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев // Ионный перенос в органических и неорганических мембранах: тез. докл. Рос. конф. с междунар. участием. Тамбов, 29 мая - 3 июня 2006 г. Тамбов, 2006. С. 46-48.
11. Горбачев, А.С. Исследование кинетических характеристик обратноосмотического разделения водных растворов сульфанилата натрия / А.С. Горбачев, В.А. Шапошник, В.М. Стамов // Журнал прикладной химии. 2006. Т. 79. Вып. 5.
12. Лазарев, С.И. Расчет электробаромембранного способа концентрирования раствора сульфанилата натрия в циркуляционном режиме / С.И. Лазарев, А.С. Горбачев, Г.С. Кормильцин // Труды ТГТУ: сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. Вып. 19. С. 22-25.
13. Горбачев, А.С. К вопросу математического описания массоперенноса в электробаромембранных аппаратах рулонного типа / А.С. Горбачев, С.И. Лазарев, Г.С. Кормильцин // Вестник физико-математического факультета Елецкого государственного университета им. И.А. Бунина. 2006. Вып. 12. С. 72-79.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Константы и параметры, определяющие качественное (фазовое) состояние, количественные характеристики растворов. Виды растворов и их специфические свойства. Способы получения твердых растворов. Особенности растворов с эвтектикой. Растворы газов в жидкостях.
реферат [2,5 M], добавлен 06.09.2013Зависимость температуры кипения водных растворов азотной кислоты от содержания HNO. Влияние состава жидкой фазы бинарной системы на температуру кипения при давлении. Влияние температуры на поверхностное натяжение водных растворов азотной кислоты.
реферат [3,9 M], добавлен 31.01.2011Кинетика ионного обмена. Определение лимитирующей стадии процесса сорбции и установление механизма сорбции хлорокомплексов палладия (II) на волокнах ЦМ-А2, Мтилон-Т и ВАГ из хлоридных растворов. Влияние температуры и способов регенерации сорбентов.
дипломная работа [405,1 K], добавлен 01.04.2011Ознакомление с операцией гидролитического осаждения примесей железа, алюминия, кобальта и кадмия. Рассмотрение процесса получения медно-кадмиевого кека в результате одностадийной цементации. Особенности проведения химической очистки цинковых растворов.
презентация [76,0 K], добавлен 16.02.2012Исследование кинетики адсорбции поверхностно-активных веществ на границе с газом или жидкостью, измерение динамического поверхностного натяжения водных растворов алкилсульфатов натрия, эффект появления максимума на изотерме поверхностного натяжения.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 01.02.2012Физико-химические основы процесса нейтрализаций железосодержащих сточных вод от обработки метала кислотами. Способы нейтрализации отработавших растворов: реагентами, фильтрованием через щелочные металлы и полусухая. Кинетика и механизм процесса очистки.
курсовая работа [89,4 K], добавлен 30.09.2014Способы очистки углеводородных газов от Н2S, СO2 и меркаптанов. Схемы применения водных растворов аминов и физико-химических абсорбентов для извлечения примесей из природного газа. Глубокая осушка газа. Технология извлечения тяжелых углеводородов и гелия.
контрольная работа [340,3 K], добавлен 19.05.2011Коллоидная химия как наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных, высоко-дисперсных систем и высоко-молекулярных соединений. Производство и методы очищения коллоидных растворов. Применение гелей в пищевой промышленности, косметике и медицине.
презентация [6,3 M], добавлен 26.01.2015Механические свойства изделий из полимеров. Воздействие механического поля на жидкокристаллические растворы ЦЭЦ. Анализ результатов рентгеновских исследований растворов ЦЭЦ. Последствия сдвиговой деформации жидкокристаллических растворов ЦЭЦ в ДМФА.
статья [825,5 K], добавлен 22.02.2010Характеристика растворов, содержащих буферные системы и обладающих способностью поддерживать рН на постоянном уровне. Применение буферных растворов и их классификация. Сущность буферного действия. Буферные свойства растворов сильных кислот и оснований.
контрольная работа [43,9 K], добавлен 28.10.2015
