Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы. Задача об извлечении работы из неравновесной термодинамической системы и обратная ей задача о поддержании в системе неравновесного состояния посредством затраты энергии являются центральными в термодинамике Для систем неравновесных по температуре, первую из упомянутых задач (прямую) решают тепловые машины, а вторую (обратную) — тепловые насосы Для систем неравновесных по составу, первою задачу решают диффузионные машины, а вторую — системы разделения Во многих системах разделения и в диффузионных машинах центральную роль играют мембранные системы, возможности которых существенно зависят от характеристик мембран
Использование в последнее время мембран с высокой селективностью и высокой пропускной способностью и как следствие расширение их применения делает актуальными исследование предельных возможностей таких систем, выявление оптимальных условии протекания процессов и возможностей поддержания оптимальных режимов
Актуальной является оценка предельных возможностей организации процесса в мембранных системах разделения, позволяющая наметить пути совершенствования организации процесса и зависимость его эффективности от характеристик мембран Извлечение энергии в системах неоднородных по составу — один из возможных альтернативных ее источников
Методы проведенного исследования. Оценка предельных возможностей организации процесса в мембранных системах осуществлена с помощью методов термодинамики при конечном времени Это направление термодинамики исследует предельные возможности неравновесных термодинамических систем в условиях конечной продолжительности процессов и заданной средней интенсивности потоков При этом рассматривают необратимые процессы взаимодействия подсистем, каждая из которых является внутренне равновесной
Цель и задачи исследования. В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является получение оценок, характеризующих эффективность протекания процесса в мембранных системах
Применительно к мембранным системам наиболее важным является исследование предельных возможностей систем разделения, однако определенный интерес представляет и обратная задача оценки возможностей диффузионных машин В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи
-
Построение адекватных математических моделей мембранных систем для исследования закономерностей протекающих в них процессов
-
Исследование процессов в мембранных системах методами термодинамики при конечном времени
-
Определение оптимальных условий протекания процесса в мембранных системах
-
Оценка термодинамического совершенства реализованного процесса и анализ возможностей и направления его дальнейшего совершенствования
-
Разработка структуры системы автоматического управления процессом, поддерживающей режим, соответствующий условиям оптимальности
Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые разработано описание мембранных систем с позиций термодинамики при конечном времени, применяемое для решения задач оптимального управления
Поставлены и решены задачи оптимизации процессов в мембранных системах, при этом
-для систем разделения получены оценки минимальных затрат работы или мощности на разделение смеси при заданном начальном и конечном составе смеси и заданной производительности,
-для диффузионных машин получены оценки предельных значений извлекаемой мощности и КПД
Найденные в работе оценки существенно ближе к реальным возможностям системы, чем оценки, основанные на соотношениях термодинамики обратимых процессов, они учитывают кинетику, ограниченность коэффициентов массопереноса и при выполнении определенных условий могут быть достигнуты
Появляется возможность сравнить эффективность протекания реального процесса с предельно возможными показателями и наметить пути его усовершенствования
Предложен эффективный способ поддержания условий оптимального протекания процесса в системах разделения при помощи системы автоматического управления
Практическое применение. По найденным оценкам и условиям оптимальности был произведен расчет важных для экологии процессов очистки сточных вод, опреснения морской воды и выделения водорода из продувочных газов Получены верхние оценки возможностей каждого процесса, и его организация, при которой затраты работы на разделение минимальны, проведено сравнение их с реальными и обратимыми показателями (Таблица 1)
Очистка сточных вод свалки, от излишней концентрации соли, производится последовательно в два этапа (через два рулонных модуля) Результаты расчета, показали, что на каждом этапе, система разделения затрачивает существенно больше энергии чем это минимально возможно (для первого этапа на 13%, для второго этапа на 19%) Для оптимизации процесса необходимо разбить процесс разделения на несколько стадий, что позволит снизить затраты энергии
К аналогичным результатам приводит расчет процесса извлечения водорода из продувочных газов (водород, азот метан и аргон) Разбиение процесса мембранного разделения на стадии приблизит процесс разделе-
Таблица 1
*- номер стадии процесса **- расчет по найденным оценкам
ния к оптимальному и снизит затрачиваемую энергию приблизительно на 25%
Расчет периодического процесса опреснения морской воды при помощи нутч-фильтра показали, что организация данного процесса близка к своим предельным возможностям (затраты работы на разделение 26 2 кВт, предельные возможности 26 1 кВт) и дальнейшее существенное снижение затрачиваемой энергии без изменения характеристик мембран невозможно хотя обратимые затраты втрое меньше фактических
Апробация работы Основные результаты диссертации были представлены на научной конференции Московского государственного университета инженерной экологии "Автоматизация и информационные технологии", Москва (апрель 2006), Всероссийской Школе-семинаре "Математическое моделирование и Информационные технологии", Иркутск (июль 2006)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ (3 журнальных статьи и 2 публикации в трудах конференций)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и притоженпя Работа изложена на 207 страницах машинопистного текста и содержит 109 рисунков и 2 таблицы Библиография включает 105 наименовании
