WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Токмачев Михаил Геннадьевич МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗРЕАГЕНТНОГО МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ИОНООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ОПРЕСНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД 05.13.18 – математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Работа выполнена на кафедре математики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Тихонов Николай Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Веницианов Евгений Викторович доктор физико-математических наук, Трубецков Михаил Кириллович

Ведущая организация: Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, Москва, РАН

Защита состоится "_4_" _июля_ 2008 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.002.09 Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 4, НИВЦ МГУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИВЦ МГУ.

Автореферат разослан "" _ 2008 года Учёный секретарь диссертационного совета Суворов В.В 2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. На Земле менее 1% воды легкодоступно в пресной форме. Кроме того, только треть потенциально доступной пресной воды в мире является безопасной для здоровья человека и пригодной для технологических процессов из-за возрастающего загрязнения от городских и промышленных отходов. Среди загрязнений значительную негативную роль играют неорганические соединения и тяжелые металлы. Эти загрязнения, как правило, присутствуют в водных растворах в растворимом виде. Отсюда следует важность очистки воды как в быту, так и в промышленных масштабах.

Для очистки воды от минеральных загрязнений наиболее часто используют методы сорбции, осмоса или выпаривания/дистилляции. Одной из проблем, возникающих при использовании любого из этих методов, является быстрое снижение эффективности и срока службы очистительных установок, работающих на сильно минерализированных растворах из-за забивания фильтров или образования накипи на нагревательных элементах. Поэтому эффективность и рентабельность процесса заметно повышается при использовании систем предварительной очистки воды.

Ионообменный процесс – один из основных методов предварительной подготовки воды. Применение ионообменного процесса позволяет понизить содержание солей в очищаемой воде до уровня, приемлемого для эффективной работы очистительной установки. Умягчение (обессоливание) важно для обработки как морской воды, так и для широкого круга природных и сточных промышленных вод. В связи с жесткими требованиями к сточным водам, особенно к водам, сливаемым в рыбохозяйственные водоемы, необходима их глубокая очистка. В то же время, объемы перерабатываемых стоков велики, поэтому метод очистки должен быть высокоэффективным и рентабельным.

Ионный обмен является обратимым процессом. Поэтому среди различных процессов умягчения отдельное место занимает циклический самоподдерживающийся ионообменный процесс, являющийся основой безреагентного метода умягчения воды. В частности, большой интерес представляет создание эффективных безреагентных методов концентрирования и разделения компонентов водных растворов различного состава.

Разработка методов, не требующих использования дорогостоящих реагентов, важна для создания основ экономически и экологически целесообразных технологий промышленного выделения ценных минеральных компонентов, в частности, соединений калия.

Проблема создания эффективного и экономически выгодного метода декальцинирования водных растворов, не требующего применения иных химических PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com реагентов, кроме тех, которые уже в них содержатся, активно изучалась с 60-х годов ХХ века. Осуществимость идеи циклического ионообменного самоподдерживающегося процесса сорбционного умягчения-опреснения водного раствора удалось доказать экспериментально, но обеспечение экономической эффективности процесса осталось нерешенной задачей. Математическое моделирование показало, что условия первых экспериментов соответствовали плохому набору параметров. Дальнейший анализ задачи позволил сделать вывод о том, что при некотором выборе параметров рассматриваемый метод становится рентабельным с показателем эффективности выше среднемирового уровня для процессов умягчения водных растворов. Сложная зависимость хода протекания процесса от входных параметров обуславливает необходимость его изучения и оптимизации методами математического моделирования.

Целью диссертации является исследование возможностей циклического самоподдерживающегося ионообменного процесса в многокомпонентных водных растворах, с учетом его технологических особенностей, на базе математического моделирования.

В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи:

исследование влияния различных факторов на ход протекания процесса на базе математического моделирования и на этой основе определение круга физикохимических явлений и эффектов, которые необходимо учитывать при описании циклического самоподдерживающегося процесса;

разработка математической модели, описывающей основные аспекты ионообменного процесса, в том числе разработка модели учета активности компонентов в многокомпонентных растворах;

разработка метода учета изотермического пересыщения в водных растворах, используемых для циклического ионообменного процесса;

создание численного конечно-разностного алгоритма для моделирования ионообменного процесса;

постановка и решение обратной задачи определения характеристик модели и определение границ применимости метода последовательного определения кинетических коэффициентов;

разработка программного комплекса, содержащего численный алгоритм для схем с переменным числом сорбентов, и верификация программного продукта;

проведение вариантных расчетов для определения диапазона изменения параметров, в границах которого возможно проведение безреагентного циклического ионообменного процесса при различных схемах его реализации;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com исследование устойчивости циклического ионообменного процесса при внесении в него внешних возмущений;

выбор оптимальной схемы циклического ионообменного процесса для различных конфигураций установки по обработке растворов различного состава;

исследование возможностей разделения компонентов на базе процессов такого типа, а также изучение случая обработки трудных вод.

Научная новизна Исследовано семейство моделей учета активностей в многокомпонентных водных растворах.

Разработан метод учета изотермического пересыщения в модели многокомпонентного циклического ионообменного процесса.

На базе математического моделирования исследована правомерность метода последовательного определения кинетических коэффициентов в процессе сорбции вещества на зерне сорбента и определены границы его применимости.

Разработан численный конечно-разностный алгоритм для моделирования ионообменного процесса, реализуемого в схемах различной конфигурации, и для определения параметров процесса.

Исследован циклический процесс для многоколоночных схем разделения нескольких компонентов.

Определен диапазон изменения параметров, в границах которого возможно осуществление циклического ионообменного процесса при различных схемах его реализации, и выбраны параметры, обеспечивающую максимальную эффективность процесса. Показано, что этот диапазон гораздо шире, чем ожидалось ранее, и дано физическое объяснение этому эффекту.

Проведено исследование устойчивости циклического ионообменного процесса при внесении в него внешних возмущений.

Основные результаты работы, выносимые на защиту Исследование результатов, полученных в рамках различных математических моделей, описывающих циклический самоподдерживающий ионообменный процесс, и выявление среди них наиболее простой и адекватной эксперименту.

Исследование метода решения обратной задачи определения кинетических коэффициентов процесса сорбции.

Алгоритмы расчета по математическим моделям и их программная реализация, на базе которых рассчитывался самоподдерживающийся процесс.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Метод учета изотермического пересыщения при численном моделировании многокомпонентных циклических ионообменных процессов.

Прогноз протекания процесса для различных схем обессоливания (умягчения) воды и разделения компонентов исходных водных растворов Практическая ценность работы обусловлена доведением разработанных теоретических моделей до программного комплекса, позволяющего на количественном уровне рассчитывать и прогнозировать различные варианты реализации циклического самоподдерживающегося ионообменного процесса в широком диапазоне условий.

Программный комплекс и результаты расчетов использованы в лаборатории сорбционных методов института геохимии им. Вернадского (г. Москва) для создания пилотной установки по комплексной переработке морской воды. На установке проведена совместная работа по апробации расчетной программы и уточнению модельных параметров. Верифицированная расчетная программа включена в общее программное обеспечение автоматической системы управления работой установки. В настоящее время установка проходит испытания на действующем опреснительном заводе с целью демонстрации технологии переработки рассолов после опреснения с получением дополнительного количества чистой воды и ценных минеральных компонентов.

Программные продукты также внедрены в Институте технической химии Исследовательского центра, г. Карлсруйе, Германия.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались:

• на секции «Физика» ежегодной международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2007», г. Москва, 2007 г.

• на международной конференции «Физико-химические основы ионообменных процессов - ИОНИТЫ -2007», г. Воронеж, 2007 г.

Личный вклад автора Автор принимал участие в постановках задач, формулировках и исследованиях математических моделей; разработал численную схему и реализующий ее алгоритм для моделирования ионообменного процесса и определения его параметров, на базе которого создал программный комплекс, исследовал и проанализировал полученные результаты работоспособности различных схем многокомпонентного циклического ионообменного процесса, а также привел выводы и рекомендации по выбору оптимальной схемы многокомпонентного циклического ионообменного процесса.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Публикации Результаты диссертации опубликованы в пяти статьях в реферируемых журналах, а также в тезисах докладов одной международной конференции.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы (123 наименования), приложения и 28 рисунков; изложена на 120 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, определяется ее цель и кратко излагается ее содержание.

В первой главе приводится обзор современного состояния исследований ионообменных процессов и работ по математическому моделированию циклического ионообменного процесса.

Особый упор делается на математическом моделировании безреагентного циклического самоподдерживающегося многокомпонентного ионообменного процесса умягчения-опреснения природных вод, простейшая принципиальная схема которого показана на рис.1.

Пресная вода Сброс Исходный раствор Умягченный раствор 1 Сорбент Раствор без кальция на регенерацию Рис. 1. Схема "самоподдерживающегося" процесса умягчения–опреснения водного раствора.

1 - колонна с катионообменной смолой (поочередно находится в режимах сорбции и регенерации), т.е. сорбент; 2 – опреснительный бак; 3 – сепаратор (мембрана или нагревательный элемент); 4- накопитель рассола.

Исходя из уровня разработанности темы и проблем, существующих при исследовании циклического «самоподдерживающегося» процесса умягчения PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com многокомпонентных водных растворов, поставлены задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются особенности ионообменных процессов, явления и эффекты, их сопровождающие, и их математическое описание; формулируется математическая модель процесса.

В работе исследуется задача кинетики сорбции, которая заключается в определении временных характеристик (а также связанных с ними кинетических коэффициентов) процесса сорбции на одной грануле сорбента, и задача динамики сорбции, которая относится к распространению вещества по сорбционной колонне.

В основе расчетов динамики ионного обмена лежат системы уравнений равновесия, кинетики и материального баланса для каждого компонента, вступающего в ионный обмен. При этом учитываются следующие факторы:

1. перенос вещества (ионов Na+, Ca2+, Mg2+, K+, SO42-, Cl- и их соединений);

2. ионный обмен между сорбентом и раствором;

3. образование сульфатных комплексов ионами Ca2+ и Mg2+ в растворе;

4. зависимость кинетического коэффициента в процессе ионного обмена от концентрации компонентов при пересыщении раствора CaSO4;

5. учет свободного объема жидкости между слоем сорбента и точкой измерения концентраций в растворе на выходе из колонны.

В математическую модель входят:

Условия материального баланса веществ:

cNa = cNa, cMg = cMg + cMgSO, cCa = cCa + cCaSO (1) + 2+ 2+ 4 cSO = cSO + cMgSO + cCaSO, cCl = cCl (2) 2- 4 4 где c - общая концентрация вещества в растворе, - ионная концентрация в c растворе.

Уравнения перехода от концентраций к активностям компонентов (явный вид зависимости активности компонента будет рассмотрен ниже):

ai = ci i I, aj = cj j I, aij = Gcij (3) ( ) ( ) где a - активность вещества в растворе, - коэффициент активности, I - ионная сила раствора, G– константа, i- индекс, перечисляющий катионы, j- индекс, перечисляющий анионы.

Уравнения переноса для катионов и анионов.

Pages:     |
|



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.