Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние исследований по электромембранному извлечению веществ из сточных вод процессов нанесения металлопокрытий 12
1.1 Основные методы разделения растворов 12
1.2 Методы разделения растворов с помощью мембран 17
1.3 Аппаратурное оформление процессов очистки сточных вод 27
1.3.1 Аппараты плоскокамерного типа 27
1.3.2 Аппараты трубчатого типа 27
1.3.3 Аппараты рулонного типа 29
1.4 Методики расчета элементов мембранных аппаратов на прочность и жесткость 29
1.5 Методы расчета оптимальных параметров 44
1.6 Выводы и формулировка цели и задачи исследования 49
2 Техника экспериментальных исследований 51
2.1 Объекты исследований 51
2.2 Подготовка мембран и мембранных элементов к работе 52
2.3 Установка для проведения исследований кинетических характеристик электробаромембранного разделения 55
2.4 Электробаромембранные аппараты, используемые в экспериментах 57
2.5Методика исследования аморфности полупроницаемых мембран 60
2.6 Методика проведения экспериментов по исследованию кинетических коэффициентов 61
2.7 Выводы по второй главе 63
3 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 65
3.1 Экспериментальные исследования аморфности полупроницаемых мембран 65
3.2 Экспериментальные исследования анилинсодержащих растворов 71
3.2.1 Исследование коэффициента извлечения 71
3.2.2 Исследование удельного потока растворителя
3.3 Экспериментальные исследования очистки сточных вод гальванических производств 85
3.4 Выводы по третьей главе 88
4 Расчет оптимальных параметров элементов электробаромембранных аппаратов 90
4.1 Установки и методики для исследования прочностных характеристик
элементов электробаромембранного аппарата рулонного типа 90
4.2 Расчет усилия натяжения дренажного материала при изготовлении
мембранного модуля рулонного типа 96
4.3 Оценка продолжительности работы обратноосмотической мембраны 108
4.4 Расчет оптимальных параметров корпуса обратноосмотического рулонного модуля 110
4.4.1 Расчет камеры по моментной теории тонкостенных оболочек и колец 111
4.4.2 Расчет камеры по балочной теории 115
4.4.3 Расчет оптимальных геометрических параметров корпуса 117
4.5 Выводы по четвертой главе 123
5 Разработка мембранного аппарата комбинированного типа 124
5.1 Рекомендации к разработке баромембранного аппарата
комбинированного типа 124
5.2 Конструкция мембранного аппарата комбинированного типа 125 5.3 Методика расчета площади мембран и количества элементов в мембранном аппарате комбинированного типа и оценка экономической эффективности 128
5.4 Методика расчета на прочность корпуса мембранного аппарата комбинированного типа 136
5.5 Выводы по пятой главе 145
Основные выводы и результаты 146
Список используемых источников 149
- Аппаратурное оформление процессов очистки сточных вод
- Установка для проведения исследований кинетических характеристик электробаромембранного разделения
- Экспериментальные исследования очистки сточных вод гальванических производств
- Расчет оптимальных параметров корпуса обратноосмотического рулонного модуля
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности производства, качества продукции и снижение энергозатрат зависят от эффективности работы технологического оборудования. В химической, нефтехимической и ряде других производств для обеспечения высокого уровня технологических процессов и снижения материалоемкости оборудование выполняется из коррозионно-стойких материалов. Для повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов (металлов) для изготовления технологического оборудования используют гальванопокрытия и ингибиторы коррозии. Производство тех и других характеризуется большими объемами сточных вод, которые необходимо очищать и утилизировать. Одними из наиболее эффективных способов очистки производственных вод являются электробаромембранные методы и, в частности, процессы электрогиперфильтрации и обратного осмоса, при использовании которых затраты энергии сведены к минимально термодинамическим, используемым только на разрыв межмолекулярных связей. Однако применение на практике электробаро-мембранных процессов и технологий сдерживается из-за слабой изученности кинетики процесса, несовершенства технологического оборудования и отсутствия надежных методик его расчета. На решение ряда таких задач и направлена настоящая работа.
Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 г.» по государственным контрактам ГК № 14.740.11.1028, ГК № 02.740.11.0272, ГК № 16.740.11.0525, ГК № 16.740.11.0659 и в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по заданию № 2014/219 на 2014 – 2016 годы.
В работе использовались результаты исследований отечественных и зарубежных ученых Ю. И. Дытнерского, С. Т. Хванга, К. Каммермеера, М. Мулдера, В. А. Шапош-ника, Н. В. Чураева, К. К. Полянского, Ф. Н. Карелина, Т. Маццуры, Р. Е. Кестинга, В. В. Котова, В. И. Заболоцкого, В. Б. Коробова, С. В. Ковалева и других.
Цель работы: исследование кинетики и совершенствование оборудования элект-робаромембранного извлечения железа, цинка, олова и анилина из сточных вод гальванических производств.
Объекты исследований: сточные воды цехов и участков металлопокрытий, содержащие катионы железа, цинка, олова и анилин, используемый как ингибитор коррозии; мембраны МГА-100, МГА-95, МГА-80, ОПМ-К, а также рулонные мембранные модули ЭРО-ЭГ-3.0/400 и ЭРО-К-3.0/475.
Задачи работы:
-
Посредством экспериментальных исследований оценить структурные характеристики ацетатцеллюлозных мембран и коэффициенты извлечения, задержания и удельный поток растворителя при очистке сточных вод, содержащих катионы железа, цинка, олова и анилина.
-
Экспериментально выяснить размеры аморфных областей мембран и определить значения эмпирических коэффициентов, необходимых для расчета технологических параметров оборудования для электрогиперфильтрационного и обратноосмотиче-ского извлечения веществ из сточных вод.
-
Разработка методики оценки периода функционирования мембран и мембранных элементов в процессах электрогиперфильтрации и обратного осмоса.
-
Разработка методики расчета оптимальных значений параметров элементов корпуса мембранных аппаратов рулонного типа, обеспечивающих минимизацию массы при сохранении коррозионной стойкости.
-
Разработка инженерной методики определения рабочей площади мембран и количества мембранных элементов в баромембранном аппарате комбинированного типа. Оценка экономической эффективности очистки сточных вод в баромембранном аппарате комбинированного типа.
-
Разработка методики расчета конструктивных характеристик и проведение расчета на прочность корпуса обратноосмотического аппарата комбинированного типа.
Научная новизна. Получены и интерпретированы экспериментальные значения кинетических коэффициентов электрогиперфильтрационного и обратноосмотического извлечения железа, цинка, олова и анилина из сточных вод различной природы.
Доказано наличие аморфных областей и посредством уравнения Шеррера определены их размеры для воздушно-сухого, водонасыщенного и рабочего состояний полупроницаемых полимерных мембран.
Получены численные значения эмпирических коэффициентов, необходимых для расчета кинетических параметров обратноосмотического процесса разделения растворов.
Разработана методика определения периода функционирования мембран и мембранных элементов электрогиперфильтрационного и обратноосмотического извлечения ряда высокотоксичных продуктов из сточных вод.
Разработана методика расчета оптимальных параметров элементов корпуса об-ратноосмотического аппарата рулонного типа.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработана инженерная методика и проведен технологический расчет площади рабочей поверхности и количества элементов в баромембранном аппарате комбинированного типа для процесса обратноосмотической очистки сточных вод.
Уточнены параметры и разработана методика расчета конструктивных характеристик дренажного материала, используемого при производстве электробаромембранных элементов рулонного типа.
Оценена экономическая эффективность и показана целесообразность применения очистки сточных вод в мембранном аппарате комбинированного типа.
Разработана методика расчета прочностных характеристик обратноосмотического аппарата комбинированного типа, позволяющая на предварительном этапе проектирования подобрать оптимальные размеры камер, удовлетворяющие соответствующим технологическим условиям при минимальной массе аппарата с сохранением его коррозионной стойкости.
Разработана и запатентована конструкция аппарата комбинированного типа (патент № 2496560 RU), которая принята к использованию в ОАО Инжиниринговая компания «Научно-исследовательский институт коммунального водоснабжения и очистки воды», г. Тамбов и ОАО «Тамбовгальванотехника» им. Лившица, г. Тамбов для проектирования аппаратов, применяемых в процессе очистки промышленных растворов и сточных вод.
Получены величины коэффициентов извлечения, задержания и удельного потока растворителя для полупроницаемых мембран МГА-95, МГА-80П, ОПМ-К и МГА-100, найдены их зависимости от давления и плотности тока, необходимые при проектировании и производстве очистного оборудования.
Разработаны программы и проведены вычислительные эксперименты по расчету оптимальных технологических и конструктивных параметров электробаромембранных аппаратов (ЭВМ № 2010613375, № 2012616228, № 2013617473).
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментальных исследований структурных характеристик и размеров аморфных областей для ацетатцеллюлозных полупроницаемых мембран воздушно-сухого, водонасыщенного и рабочего состояний.
-
Результаты экспериментальных исследований электрогиперфильтрационного и обратноосмотического извлечения железа, цинка, олова и анилина из сточных вод с учетом их физико-химических характеристик.
-
Получены значения эмпирических коэффициентов, необходимых для расчета кинетических параметров электрогиперфильтрационного и обратноосмотического извлечения катионов железа, цинка, олова и анилина из сточных вод.
-
Методика определения периода функционирования электрогиперфильтраци-онных и обратноосмотических мембран и мембранных элементов.
-
Методика расчета оптимальных параметров мембранного аппарата рулонного типа.
-
Методики расчета технологических и конструктивных параметров обратноос-мотического аппарата комбинированного типа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на: XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2009); конкурсе аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности (Новочеркасск, 2010); международной научно-практической конференции «Решение региональных экологических проблем» (Тамбов, 2011); 11 Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (Братск, 2012); VI Международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2014); международной конференции «Теоретические и практические аспекты сорбционных и мембранных процессов» (Кемерово, 2014).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 22 публикациях, из них 12 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и обобщающих выводов, списка используемых литературных источников и приложения. Она включает 186 страниц машинописного текста, в том числе 47 рисунков, 12 таблиц, список цитируемых источников – 143 наименования публикаций отечественных и зарубежных авторов.
Аппаратурное оформление процессов очистки сточных вод
Традиционные способы разделения промышленных растворов и стоков условно можно разделить на четыре основные группы - механические, механо-химические, физико-химические и биохимические методы [1,2- 3].
К механическим методам разделения водных растворов относятся: Отстаивание – это способ очистки растворов и стоков от грубодисперсных механических примесей под действием сил гравитации. Данный способ широко применяется в водоподготовке для бытовых и производственных нужд, очистке вод от масел и нефтепродуктов, отделении воды и солей от сырой нефти и в ряде процессов химических производств. Отстаивание также широко применяется для извлечения ценных продуктов природного или промышленного происхождения из жидких дисперсионных сред [1, 2, 4].
Фильтрование – это процесс разделения водных растворов под действием градиента гидростатического давления. В ходе процесса фильтрования из раствора извлекаются не только дисперсии, но и коллоиды. В ряде технологических процессов водоочистки, как правило, завершающим методом является фильтрование [5]. К механо-химическим методам разделения растворов относятся: Коагуляция – это процесс слипания частиц в водной среде с целью образования крупных агрегатов. При коагуляции система теряет седиментационную устойчивость, частицы укрупняются и перестают участвовать в броуновском движении [4, 5, 6]. В процессе коагуляции происходит не только уменьшение межфазной поверхности, но и снижение свободной поверхностной энергии.
В производственных процессах разделения водных систем протекают две стадии коагуляции. На первой стадии наблюдается скрытая коагуляция. Здесь маленькие частицы становятся крупнее, но еще сохраняют свою седиментационную устойчивость. На второй стадии происходит явная коагуляция: частицы утрачивают свою седиментационную устойчивость. Образование осадка происходит в том случае, если плотность частиц превышает плотность дисперсионной среды. Причины возникновения коагуляции многообразны, начиная от внешних воздействий и заканчивая природными явлениями [6, 7, 8]. Флокуляция (от лат. flocculi = клочья, хлопья) – это один из видов коагуляции, при котором мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в водной среде, образуют собой рыхлые хлопьевидные соединения (флокулы). Флокуляция в водных дисперсных системах, таких как золи, суспензии, эмульсии, латексы, происходит при введении в раствор специальных веществ - флокулянтов и при возникновении тепловых, механических, электрических и др. явлений различной физической природы. Эффективнымифлокулянтамиявляются растворимые полимеры (особенно полиэлектролиты). Действие таких флокулянтов можно объяснить адсорбцией нитевидных макромолекул. При этом возникшие в растворе агрегаты образуют флокулы, которые могут быть удалены фильтрованием или осаждением. К особому виду флокулянтов относятся поликремниевая кислота, полиакриламид и др. Эти вещества нашли применение при водоподготовке и получении технической воды для технологических и бытовых нужд, обогащении полезных ископаемых, на текстильном производстве, в агропромышленном производстве, в методахполучения ценных продуктов из отходов производств и при обработке сточных вод промышленных производств. Флокуляции с помощью органических флокулянтов в природных водоёмах приводит к их самоочищению и частичному восстановлению физико-химических свойств [9, 10].
Достоинства процесса – простота технологического оформления и низкие энергозатраты. К недостаткам флокуляции можно отнести загрязнение флокулянтами растворов или стоков, подвергаемых разделению, а также большой расход реагентов.
Флотация — это процесс очистки водных систем от взвешенных примесей, основанный на явлении прилипания частиц к газовым пузырькам с последующим переходом их в пенный слой. Сущность процесса флотации заключается в особом действии межмолекулярных сил, приводящих к прилипанию частиц взвешенных примесей к пузырькам газа, диспергированного в воде, при этом на поверхности водной среды происходит образование пенного слоя, который содержит извлеченные вещества. Кинетика образования краевого угла смачивания определяет вероятность слипания частицы и пузырька газа при их столкновении [1].
К методу интенсификации процесса флотации относится гидрофобизация поверхности извлекаемых примесей реагентами, это улучшает процесс слияния частиц и пузырьков газа. В качестве гидрофобизирующих реагентов выступают флокулянты и коагулянты. При флотационной обработке осадок из отработанных гидроксидов имеет более низкую влажность и меньший объем, чем осадок, образующейся в флотационных отстойниках [1]. К достоинствам метода относится простота конструктивного оформления процесса и его обслуживания. Недостаток флотации – это дорогостоящий метод, не позволяющий проведения глубокой очистки разделяемых растворов от примесей [1].
Нейтрализация – это метод, основанный на химических реакциях между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которые при взаимодействии теряют свои первоначальные физико-химические свойства. Наиболее часто применяется реакция нейтрализации, происходящая между ионами водорода, содержащимися в сильных кислотах, и ионами гидроксида, содержащимися в сильных основаниях.
Установка для проведения исследований кинетических характеристик электробаромембранного разделения
Экспериментальные исследования по изучению кинетических характеристик разделения производились на экспериментальной установке плоскокамерного типа. Схема данной установки изображена на рис. 2.1. Экспериментальная установка функционирует следующим образом. Из емкости (1) разделяемый раствор через систему трубопроводов и вентилей подается плунжерным насосом НД 100/63 (2) в мембранный модуль (3). После прохождения мембранного модуля (3), дросселей (4) и поплавковых ротаметров (5) раствор возвращается в емкость (1). Ресивер (6), представляющий собой цилиндрическую емкость емкостью 3.5л, сглаживает колебания давления и расхода раствора в установке. Ресивер заполняется сжатым воздухом с помощью компрессора (7) до давления ниже рабочего на 70-60% процентов. Давление в ресивере контролировалось с помощью образцового манометра (16). Рисунок 2.1 – Схема экспериментальной установки по исследованию технологических параметров мембран
Для контроля давления в системе перед мембранным модулем был установлен образцовый манометр (8). Электроконтактный манометр (9) посредством реле производит отключение компрессора (7) при превышении заданного уровня давления. Расход разделяемого раствора регулируется изменением хода поршня плунжерного насоса (2). Измерение температуры раствора в установке производится с помощью потенциометра (11), термометра (12). Поддержание заданной температуры производится с помощью термостата (10). Регулирование напряжения и плотности тока в процессах электроультрафильтрации и электроосмофильтрации производилось с помощью блока питания (13). Жидкость, полученная в процессе разделения, собиралась в емкости (14). Для сброса давления в системе был установлен игольчатый вентиль (15). Все элементы системы, вступающие в контакт с разделяемым раствором, были изготовлены из нержавеющей стали. Колебания температуры в установке составляют 1С, а расхода раствора и давления – не более 5%. 2.4 Электробаромембранные аппараты, используемые в экспериментах
Однокамерный модуль плоскокамерного типа (рис. 2.2) состоит из двух фланцев (1) типа «выступ-впадина», изготовленных из капролона, штуцеров для ввода (2) и вывода (3) раствора, мембран (4), прокладок под мембраны (5), выполненных из ватмана, пористых подложек (6), выступающих в роли электродов, металлической сетки из нержавеющей стали (7). На фланцах (1) для вывода пермеата располагаются три штуцера, часть которых изготовлена из нержавеющей стали. Посредством металлических штуцеров осуществляется подвод электрического тока. Соединение фланцев (1) уплотняется с помощью паронитовых прокладок (9). Между собой фланцы стягивались с помощью шести шпилек. Рабочая площадь мембран (4) составляла 7.810-3м2.
Однокамерная ячейка плоскокамерного типа Семикамерный разделительный модуль плоскокамерного типа, представленный на рис. 2.3, состоит из двух фланцев (1), имеющих каналы для ввода (2) исходного раствора и вывода ретентата (3), а также каналы (4) и (5) для отвода раствора, прошедшего через мембраны, отверстия для стягивания модуля болтами, клемм (6) для подвода электрического тока, пористых подложек (7), изготовленных из пористого проката с пористостью 20-45%, служащих электродами и дренажом для отвода пермеата, мембран (8), уплотнений (9) и пористых биполярных электродов (10). Пористый биполярный электрод, также выполняющий роль дренажа для отвода пермеата, состоит из диэлектрической плиты (14), на сторонах которой закреплены анод (11) и катод (12), соединенные между собой шпилькой из коррозионностойкого металла. На пористом биполярном электроде, имеющем переточное отверстие (15), расположены мембраны (8).
Конструкция рулонного аппарата с мембранным модулем представлена на рис. 2.4. Данный аппарат комплектуется рулонным модулем ЭРО-К-3.0/475, имеющим рабочую площадьмембраны 3м2. Основными конструктивными элементами рулонного аппарата, представленного на рис. 2.4 являются цилиндрический корпус (1), изготовленный из нержавеющей стали, и мембранный модуль рулонного типа (2). Рулонный модуль изготавливается путем прикрепления к трубке для отвода пермеата (14) пяти пакетов мембран с последующей навивкой. Пакет состоит из двух листов мембраны (19), между которыми прокладывается лист дренажного материала (22) и сепарирующая сетка (20), образующие напорный канал.
Герметизации трубки для отвода пермеата в месте соединения с крышкой (10) осуществляется с помощью кольцевой резиновой прокладки (11), а в месте соединения с корпусом с помощью круглой заглушки (15).
Для герметизации корпуса используется кольцевая резиновая прокладка (9). Между ответным фланцем (12) и крышкой (10) устанавливается прокладка (8). Фланец и крышка стягиваются шестью болтами (5), гайками (6) и шайбами (7).
При изготовлении мембранного модуля на кромку мембран наносят клеевой состав, обеспечивающий склейку мембранного пакета.
Под действием перепада давления раствор движется продольно по напорным каналам между мембранами, при этом часть раствора проходит сквозь мембрану и образует поток пермеата, движущийся по дренажному материалу в пермеатоотводящую трубку и отводящийся из аппарата через крышку. Поток ретентата, проходящий через мембранный модуль, удаляется из аппарата через штуцер (13), имеющий накидную гайку (18). Под действием перепада давления в модуле может происходить сдвиг слоев в продольном направлении. Для недопущения сдвига с торца модуля устанавливается перфорированная антителескопическая пластина (16) и втулка (17). Между рулонным мембранным элементом и корпусом аппарата устанавливается резиновая манжета (3), исключающая байпасирование раствора в аппарате.
Экспериментальные исследования очистки сточных вод гальванических производств
Подача разделяемого раствора в аппарат осуществляется через штуцер (4). Под действием перепада давления раствор движется продольно по напорным каналам между мембранами, при этом часть раствора проходит сквозь мембрану и образует поток пермеата, движущийся по дренажному материалу в пермеатоотводящую трубку и отводящийся из аппарата через крышку.
Поток ретентата, проходящий через мембранный модуль, удаляется из аппарата через штуцер (13), имеющий накидную гайку (18).
Под действием перепада давления в модуле может происходить сдвиг слоев в продольном направлении. Для недопущения сдвига с торца модуля устанавливается перфорированная антителескопическая пластина (16) и втулка (17).
Между рулонным мембранным элементом и корпусом аппарата устанавливается резиновая манжета (3), исключающая байпасирование раствора в аппарате.
Движение ионов раствора, молекул растворителя и растворенного вещества внутри капилляра (поры) мембраны определяется суперпозицией трех процессов -электромиграцией, диффузией и конвекцией. Вероятно, это связано с тем, что течение внутрипоровой жидкости и обусловлены структурным состоянием полимерной полупроницаемой мембраны, то есть наличием аморфных областей.
Исследования структуры ацетацеллюлозной мембраны проводили рентгенодидрактометрическим методом в области больших углов. Рентгенодифрактометрические измерения определения влияния адсорбированной воды на структуру воды осуществляли в области углов 26 от 2-40 на дифрактометре Дрон-3 с автоматической записью на ПК в геометрии на “отражение”. Использовалось излучениеСиКа (Я = 1.54А). Монохроматизация обеспечивалась Ni-фильтром. Полученные, дифрактограммы строились в геометрии на отражение в зависимости от угла рассеивания. Схема поверхности мембраны с наличием аморфных областей представлена на рис.2.5
Методика проведения экспериментальных исследований кинетических характеристик мембран состоит в следующем. Перед началом экспериментальных исследований производится сборка разделительного модуля, предварительно подготовленная мембрана располагается на подложке активным слоем к разделяемому раствору. Собранный разделительный модуль устанавливался на установку, показанную на рис. 2.1. Посредством регулировки хода поршня плунжерного насоса (2) задавался расход разделяемого раствора. После этого производилось заполнение системы рабочим раствором К = 6 -10 м3. Компрессором (7) нагнеталось давление в ресивере (6) до давления 30-40% от рабочего давления при закрытом игольчатом вентиле (15). Далее в систему охлаждения поршня плунжерного насоса и промывки сальников включалась подача воды.Полностью закрывались игольчатые дроссели (4) и производилось включение насоса. С повышением давления в системе осуществлялась регулировка игольчатых дросселей (4) и вентиля (15) таким образом, чтобы показания на манометрах установились в заданное значение.При подаче раствора в мембранный модуль (3) контролировалось отсутствие протечек раствора. При проведении экспериментов с наложением электрического поля к электродам подводился электрический ток от блока питания (13). Раствор, прошедший через мембраны, собирался в емкости (14).
По данной методике проводился холостой опыт в течение 30 минут. По завершению опыта установка выключалась, с помощью игольчатого вентиля (15) производился сброс давления в системе, собранный раствор из емкостей (14) возвращался в исходную емкость (1). Установка оставлялась на несколько часов.
После выдержки раствор сливали из установки, тщательно перемешивали и заливали в исходную емкость (1) в объеме 6-Ю"3 м3. Затем по выше описанной методике запускали установку, при помощи термостата (10) и термометра (11) устанавливали заданный температурный режим и производили контрольный опыт в течение 4 часов. Пермеат, собранный в ходе контрольного опыта, из емкостей (14) возвращался в исходную емкость (1). Время проведения рабочего эксперимента составляло 30 минут. При этом время фиксировалось секундомером. По завершению рабочего эксперимента, установка приводилась к состоянию, соответствующему начальному этапу эксперимента. При необходимости проводился повторный рабочий эксперимент без контрольного.
Данные о концентрациях исходного раствора, ретентата и пермеата, а также температура, рабочее давление, плотность тока, данные об объеме полученного ретентата и пермеата, расход исходного раствора записывались в журнал экспериментов.
На основе данных, полученных в ходе рабочего эксперимента, рассчитывались удельный поток растворителя J, коэффициент задержания К и коэффициент извлечения Киз [59] по следующим формулам:
1. Для проведения экспериментальных исследований выбраны объекты исследований. В качестве исследования выбраны промышленные стоки Тамбовского завода «Электроприбор» гальванического производства и водные растворы анилина, используемых в качестве ингибитора коррозии.
2. Рассмотрена методика подготовки мембран к работе, позволяющая привести водонасыщенную мембрану в рабочее состояние путем обжатия до получения стабильных значений по удельному потоку растворителя. Разработана методика по выявлению аморфности и определению размеров аморфных областей по уравнению Шеррера в полимерных полупроницаемых мембранах.
4. Рассмотрена экспериментальная установка для исследования коэффициента извлечения, коэффициента задержания и удельного потока растворителя. Экспериментальные исследования проводились на различных конструкциях электрогиперфильтрационных и обратноосмотических аппаратов: однокамерном аппарате, семикамерном плоскокамерного типа и аппарате рулонного вида.
5. Приведена методика по исследованию коэффициента задержания, коэффициенту извлечения и удельному потоку растворителя, а также расчетные формулы для получения численных значений по кинетическим коэффициентам.
Расчет оптимальных параметров корпуса обратноосмотического рулонного модуля
Одним из наиболее важных технологических процессов изготовления различных элементов рулонного типа является намотка элементов [19]. На стадии намотки элементов перфорированную винипластовую трубу с введенным внутрь металлическим стержнем закрепляют в патроне намоточной машины. Лист дренажного материала обводят вокруг трубки и приклеивают к ней по образующей быстрозатвердевающим клеем. Затем включают привод и оборачивают дренажный материал несколькими витками вокруг центральной трубки с одновременной приклейкой краев материала. Далее между отводящей трубкой и натянутым с определенным усилием листом дренажного материала вводят две полосы подложки и сложенную вдвое мембрану с помещенным между ее слоями турболизатором-разделителем (рис. 4.4).
Основным из условий, обеспечивающим изготовление качественного элемента, а также плотности намотки листов, является навивка материалов без складок, морщин и разрывов, что обеспечивается определенным натяжением S полос дренажного материала с помощью натяжного устройства. С другой стороны усилие натяжения дренажного полотна должно быть таким, чтобы обеспечить надежное транспортирование проникающего компонента от мембраны в отводящий канал без больших гидравлических сопротивлений, что обусловлено соответствующим выбором дренажного материала с достаточно высокой прочностью и малым остаточным удлинением.
Для того чтобы полотно дренажного материала равномерно работало по толщине рулона в процессе эксплуатации последнего, необходимо обеспечить требуемое усилие натяжения полотна в процессе изготовления элемента. Для определения этого натяжения рассмотрим конструкцию цилиндрической части элемента, имеющего по толщине n слоев полос (рис. 4.5). Причем внутренний слой отводящей трубки выполнен из достаточно прочного РиКонструкция цилиндрический части элемента с n слоев полос полимерного материала, например винипласта. Рассмотрим вначале двухслойную конструкцию (рис. 4.6). Из условия равновесия сил, действующих в наружном и внутреннем слоях в направлениивертикального диаметра цилиндра, получим
Таким образом, если напряжения в слоях намотки будут определяться по формуле (4.16), то в каждом из слоев натяжение будет одинаковым. Из формул (4.11)-(4.16) видно, что напряжение в каждом исследуемом слое должно быть меньше, чем в предыдущем. Если толщина всех слоев одинакова, то можно записать
Итак, для того чтобы после намотки все слои находились под одинаковым натяжением, необходимо уменьшить напряжение в каждом последующем слое в сравнении с первым в n раз. Графически это представлено на рис. 4.9.
Натяжение каждого слоя намотки вызывает сжатие внутреннего слоя отводящей трубки. Напряжение сжатия на поверхности отводящей трубки будет
Для апробирования методики расчета рассмотрим пример рулонного модуля. Исходные данные: материал отводящей трубки - винипласт ПВХ; Е = 2600МПа; авр=23МПа; сгвс=80МПа; сги=90МПа; коэффициент запаса устойчивости с учетом перфорированных отверстий по длине трубки / = 6; допускаемый прогиб [у] = 0.5мм; коэффициент запаса прочности К] = 1.5; геометрические размеры трубки: D = 20MM; SM=2MM; І = 400ММ; диаметр стального стержня, вставленного в трубку при намотке сі0=15мм; материал дренажного полотна - лавсан; Е = 2600МПа; авр=23МПа; ат=12МПа; коэффициент запаса прочности материала [п]т=4; А/ = 5% / = 400мм; = 03мм; число слоев п = 25(данные механические и упругие характеристики получены в лаборатории ТГТУ при испытании образцов из лавсанового дренажного материала). Рулонный модуль и его расчетная схема приведены на рис. 4.10.
В условиях работы под воздействием физически активных сред наибольшему воздействию подвержена мембрана. Под действием разделяемой среды происходит ее набухание, что значительно влияет на прочностные характеристики. При этом в процессе работы аппарата на систему действует рабочее давление Р, вызывая прогиб мембраны в ячейки сетчатой подложки и вызывая разрушающее воздействие контактных напряжений узлов сетки на поверхность мембраны. Поэтому одним из важнейших вопросов эксплуатации таких аппаратов является вопрос срока службы мембраны до ее разрушения.
Корпус (рис. 4.12) аппарата обратноосмотического рулонного модуля представляет собой гладкую цилиндрическую тонкостенную оболочку, с одной стороны которой имеется днище ступенчато изменяющийся толщины, а с другой усилено кольцевым фланцем, и служит для размещения фильтрующих элементов, предназначенных для разделения и очистки водных растворов [19]. Рабочее давление, возникающее внутри корпуса, может достигать до 6 МПа, что ведет к возникновению значительных напряжений (особенно в краевых зонах сопряжения оболочки с днищем и фланцем), определяющее прочность и герметичность всего аппарата в целом.
Учитывая, что корпус аппарата изготовлен из достаточно дорогостоящего материала (нержавеющая сталь), необходимо разработать новый подход к проектированию подобного типа корпусов с использованием методов оптимального расчета элементов конструкций из условия прочности при их минимальной металлоемкости.