WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для изменения КП в нестационарных условиях определены характерные времена релаксации к стационарному режиму. Для исследования нестационарных эффектов предложено использовать приближение, предполагающее, что время установления локального распределения концентрации вследствие диффузии вдоль направления потока много меньше времени, характеризующего изменение концентрации в системе. Ввиду того, что в большинстве реальных систем фильтрации характерные продольные размеры мембраны всегда много больше высоты канала концентрата a, сделано также дополнительное допущение. А именно, что объем концентрата можно разбить на слабо взаимодействующие области, с пренебрежимо малым изменением концентрации раствора внутри каждой из них. То есть каждая область характеризуется своей (локальной) средней концентрацией и скоростью потока вдоль мембраны, но вид концентрационного профиля перпендикулярно плоскости мембраны одинаков для всех областей. Отметим, что в приближении полного перемешивания это разбиение сводится к одной области.

Исходя из указанных предположений получены следующие уравнения, описывающие изменения концентраций в рабочем режиме в объеме.

Для объема концентрата:

Gd 0 -1 -C2 (t) = (C2 - d C1)exp(- t) + d C1, (1) Vгде D0 va d = (1- R) + R(1- )a[a - + (1- ) + (exp( ) -1)]-1.

v DДля объема пермеата:

exp(-wt) - exp(-w2t) C3 (t) = Aw2 + C3 exp(-w2t) + B[1- exp(-w2t)], (2) w - wгде A = b-1(1- )(C2 - d-1C1) ;

-B = (1- )b-1d С1;

Gd RG w = ; w2 =.

V2 VДля объема буферной емкости:

-w-1[1- exp(-wt)] - w2 [1- exp(-w2t)] -C4 (t) = t {Aw2 + w - w0 -1 -+ C3 w2 [1- exp(-w2t)] + B[t - w2 (1- exp(-w2t))]} (3) Здесь Ci0 - начальная концентрация, G – поток, V – объем, R – степень извлечения, - селективность, а – высота канала, - толщина слоя концентрационной поляризации, D – коэффициент диффузии, v – скорость потока через мембрану.

Изложена физико-математическая модель, описывающая изменение концентрации по обе стороны обратноосмотической мембраны в зависимости от времени простоя аппарата. Модель основана на предположении о диффузии растворенного вещества через мембрану во время простоя аппарата.

Рис. 5. Диаграмма распределения концентраций в процессе диффузии растворенного вещества через двухслойную мембрану Уравнения диффузии:

2C2 C2 2CI CI D0 = ; (4) Dmm2 = ; (5) x2 x2CII CII 2C3 CD0m3 = ; (6) D0 =. (7) x2 xГраничные условия:

Cx = -a : = 0 ;

x C2 CI x = 0: D0 = m2Dm ; C2 = CI e ;

x x CII CII x = h1: Dmm2 = m3D0 ; CI e = CII ;

x x CII Cx = h1 + h2 : m3D0 = D0 ; CII = C3 ;

x x Cx = h1 + h2 + a : = 0.

x Начальные условия:

0 0 0 0 C2 = C2 ; CI = CI0 ; CII = CII ; C3 = C3 ; CI0 = CII = С3.

Здесь m2 – пористость селективного (активного) слоя; m3 – пористость микропористого слоя (подложки).

С помощью преобразования Лапласа найдены следующие решения системы уравнений (4-7) совместно с граничными и начальными условиями для средней концентрации растворенного вещества в области обратноосмотического аппарата.

Для сравнительно малых времен простоя t ~ q/K K 0 t (C2 - C3 ) q t + q eC3cp = -1 + C3, (8) K K где ah2 ah1e K = + ;

D0m3 Dmmah2 h2 h1e q = +.

D0m3 6D0m3 2Dmm Для больших времен простоя t >> q/K 0 C2 + C3 K C3 (t) = - S exp(- t). (9) 2 q Константа S находится посредством «гладкой сшивки» (8) и (9). В частности, если пренебречь отклонением от линейности в (8) на больших временах, получаем:

0 0 0 C2 - C3 0 C2 + C3 K t0 + C3 - S exp(- t0 ) ; (10) K 2 q 0 C2 - C3 K K S exp(- t0 ). (11) K q q Решая (7, 8) относительно времени «сшивки» t0 и S, находим:

K q q K 0 t0 = - ; S = (C2 - C3 ) exp( t0 ). (12) 2 K K q Таким образом, при t t0 концентрация C3(t) рассчитывается с помощью выражения (8), при t > t0 с помощью выражения (9), где константы S, t0 определяются соотношениями (12). Среднюю по объему концентрацию C2(t) можно оценить как C2(t) C20 +C30- C3(t), что соответствует пренебрежению общим объемом мембраны по сравнению с объемами пермеата и концентрата.

Для описания режима простоя с помощью выражений (8-12) необходимо знать целый ряд параметров: a, h1, h2, D0, Dm, m2, m3, Ф0, что часто оказывается затруднительным. Поэтому, в ряде случаев удобнее характеризовать свойства мембраны в режиме простоя двумя феноменологическими параметрами – K и q. В отличие от перечисленных выше восьми параметров константы K и q могут быть легко оценены экспериментально посредством измерений временной зависимости концентраций в объемах пермеата и концентрата при простое системы.

Полученные решения, а также экспериментальные данные позволили разработать программу, моделирующую циклическую работу системы регенерации.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов и их обсуждение.

С помощью экспериментальной электрохимической ячейки (рис. 2) были получены зависимости концентрации по обе стороны мембраны от времени простоя. Характерные кривые представлены на рис. 6.

Характер диффузионных кривых описывается уравнениями, полученными в третьей главе. После аппроксимации экспериментальных данных, представленных в табл. 1, были вычислены значения коэффициентов К и q, а затем с помощью уравнения (8) – потенциалы взаимодействия растворенного вещества для трех мембран (табл. 2).

Расчетная величина селективности по NaCl оказалась достаточно близкой к паспортным данным и результатам, полученным на ячейке с плоским каналом (табл. 3).

Концентрация, мг/ л Время, мин 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Пермеат ESPA-Концентрат ESPA-Пермеат Desal AG Концентрат Desal AG Пермеат МГА-100П Концентрат МГА-100П Средняя концентрация Рис. 6. Экспериментальные зависимости концентрации по обе стороны мембраны от времени Затем аппроксимировали эти данные по уравнению (9) и находили значения S и q/K. Из соотношений (10) и (11) находили «время сшивки» t0, то есть то время, при котором решения уравнений (8) и (9) совпадают. В этой точке находили значение тангенса угла наклона прямого участка 0 C2 - Cграфика к оси х, которое соответствовало значению. Затем из K полученных данных находили значения q, K и Ф0. Селективность рассчитывали по формуле 1-. (13) expФ Таблица 1. Параметры аппроксимации экспериментальных данных 0 Мембрана C3 S q/K, мин t0, мин C2 + CМГА 100 639 103 518 140 ~ESPA-1 400 34 360 350 ~Desal AG 569 54 456 586 ~Таблица 2. Коэффициенты K, q, потенциал Ф0 и расчетная селективность для каждой из мембран Мембрана Ф0 K, мин q, мин2, % МГА 100 4.64 592 82880 ESPA-1 5.36 946 331100 99,Desal AG 6.04 2287 1340182 99,Таблица 3. Экспериментальные значения селективности и производительности исследуемых мембран по раствору хлористого натрия с концентрацией концентрата 1500 мг/л Мембрана, % Производительность, л/ м2·ч МГА 100 97,8 19,ESPA-1 99,4 33,Desal AG 99,5 33,Дальнейшие эксперименты были посвящены получению рабочих характеристик – зависимости производительности мембран от времени работы и температуры. В результате была подтверждена линейная характеристика производительности от температуры в интервале 15 – 25 °С.

За 140 дней работы получены данные снижения удельной производительности мембран (табл. 4).

Таблица 4. Снижение удельной производительности мембран в ходе эксперимента Мембрана Снижение удельной производительности, л/м2 ·ч Первые 10 дней Последние 10 дней ESPA-1 1,415 0,Desal AG 0,72 0,МГА-100П 0,565 0,Из полученных данных видно, что мембрана Desal AG имеет наибольшую селективность и средний показатель проницаемости, падение удельной производительности составляет не более 0,0054% на каждые литров после первичной усадки мембраны.

Для подтверждения правильности выбранной схемы регенерации СГВ и проверки зависимостей, полученных в третьей главе проведены натурные испытания макета баромембранной системы регенерации СГВ.

Были проведены циклы регенерации воды после стирки белья, полученного в гермокамерном эксперименте с участием человека (для последующей стирки). Всего за время эксперимента было очищено литров СГВ (по 20 литров за цикл). Для первой стирки, а также для восполнения потерь использовался обратноосмотический пермеат водопроводной воды, полученный на той же установке, которая использовалась для эксперимента. Общая степень извлечения чистой воды из исходной составила 80%.

0 20406080 2, Производительность Средняя производительность 1, Значение КИ Среднее значение КИ 1,25 1,1,1,1,1,1,0 1,0 20406080 Общее количество пермеата, л Рис. 7. Зависимость производительности ультрафильтрационного модуля и коллоидного индекса (КИ) от количества полученного пермеата с учетом обратных промывок На рис. 8 видно, что после первых двух циклов концентрация растворенных веществ в пермеате стабилизируется и не имеет тенденции к росту. Это происходит в связи с понижением концентрации в исходной воде за счет добавления в нее недостающих 20% объема из запасного резервуара.

Таким образом, экспериментально показано, что изменение качества пермеата происходит в основном за счет диффузии растворенных веществ из концентрата в пермеат во время длительных простоев оборудования.

КИ по пермеату, л/час Производительность УФ-модуля Рис. 8. Изменение концентрации растворенных веществ в воде, прошедшей через систему очистки В конце главы представлена программа для моделирования работы системы в различных режимах, общий вид которой приведен на рис. 9.

Расчет изменения концентраций для режима фильтрации и режима простоя осуществляется в программе на основе соотношений, полученных в Главе 3.

Переход между режимами осуществляется посредством модификации соответствующих граничных условий для средних концентраций.

Деградация мембраны учитывается в виде изменения селективности и производительности при каждом запуске системы. Установить значения этих параметров можно, заполнив соответствующие ячейки в диалоговом окне программы, показанном на рис. 9.

Рис. 9. Диалоговое окно программы, используемой для моделирования.

Программа позволяет сделать прогноз поведения системы в зависимости от количества рабочих циклов и различных параметров (рис.

10, 11).

0, Расчетная концентрация в пермеате C, мг/л Расчетная концентрация в буферной емкости Экспериментальная концентрация в пермеате 0,0,0,0 100 200 Время, час Рис. 10. Зависимости изменения концентраций ионов натрия в пермеате и буферной емкости от времени работы установки Исходный раствор Концентрат 10 Пермеат Буферная емкость 0,0,0,01 0,1 1 10 100 1000 Время, час Рис. 11. Зависимость общего солесодержания в системе регенерации воды от времени работы, рассчитанная на два года. Результаты математического моделирования предлагаемой системы регенерации воды.

Концентрация, г/л В пятой главе оценены массо-энергетические характеристики предлагаемой схемы регенерации СГВ. Для оценки массоэнергетических характеристик обратноосмотической системы взята за основу система СРВСГ. Принимается, что система, построенная на баромембранных процессах (ультрафильтрации и обратном осмосе) отличается лишь присутствием мембранных модулей и конструкцией блока подачи раствора. При этом считается, что разница в эквивалентных массах систем определяется лишь этими различиями.

В таблице 5 приведена сравнительная оценка эквивалентной массы оборудования, которое обеспечивает очистку СГВ в баромембранной и сорбционной системах. Для двухгодичного автономного полета принят общий объем требуемой воды для санитарно-гигиенических нужд и стирки белья 90 м3.

Таблица 5. Сравнительная оценка эквивалентной массы оборудования очистки СГВ Объем регенерированной Эквивалентная масса оборудования, кг воды, мСРВ-СГ Баромембранная СРВ 10 459 705,50 3571 3313,90 6423 5921,Показано, что система регенерации СГВ, основанная на баромембранных процессах, в условиях двухлетнего космического полета (например, на Марс) имеет преимущество по массе перед системой СРВ-СГ.

Преимущество же перед системой, основанной на запасах воды, составит на один полет более 80000 кг.

Несмотря на небольшой выигрыш предлагаемой нами схемы по массовым характеристикам системе СРВ-СГ, основанной только на механической фильтрации и сорбции, такая схема имеет ряд неоспоримых преимуществ, а именно:

- за счет введения узла ультрафильтрации многократно повышается ресурс всей системы в целом, а также происходит обеззараживание системы и, как следствие, обеспечивается микробиологическая чистота регенерированной воды;

- схема, основанная на баромембранных процессах, обладает способностью к задержанию большего спектра примесей, чем система, основанная исключительно на сорбции;

- повышается универсальность системы, то есть возможна регенерация воды, полученной из различных источников (стирка белья, душ, умывальное устройство и прочие).

ВЫВОДЫ 1. Впервые для условий длительных космических экспедиций предложена схема регенерации СГВ на основе двух последовательных баромембранных процессов: предварительная обработка – ультрафильтрация на полых волокнах, основная – обратный осмос на рулонных мембранных элементах с частичным использованием концентрата для обратной промывки полых волокон. Такой узел регенерации имеет низкую эквивалентную массу, большую универсальность и селективность по загрязняющим компонентам.

2. Получена теоретическая зависимость выравнивания концентраций по обе стороны мембраны при простое аппарата из предположения о диффузии растворенного вещества через мембрану. Совпадение характера теоретических и экспериментальных диффузионных кривых, а также потенциалов взаимодействия поверхности пор активного слоя композитных мембран с растворенным веществом подтверждает правильность полученных решений.

3. В развитие теории обратноосмотического разделения растворов и в соответствии с предложенной схемой разработана математическая модель работы узла регенерации воды из СГВ, позволяющая рассчитывать поведение системы оборотного водоснабжения с подпиткой водой, при ее длительной эксплуатации. С помощью полученных экспериментальных данных и представленной модели возможно рассчитывать основные характеристики системы регенерации: необходимый объем и качество воды запасов, производительность и сменность мембранных элементов и т. п., в зависимости, например, от требований к СГВ.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»