Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований по использованию ионообменного умягчения при обработке минерализованных вод 9
1.1. Вопросы использования минерализованных вод в теплосиловом хозяйстве энергетического комплекса России 9
1.2 Умягчение минерализованных вод для повышения эффективности их использования в термоопреснительных и теплосиловых установках 13
1.3 Анализ общей постановки задачи динамики ионного обмена и методов ее решения 21
1.4. Обзор результатов современных исследований динамики ионообменного процесса при натрий-катионитовом умягчении минерализованных вод 40
Глава 2. Основные задачи и методика экспериментального исследования динамики ионного обмена при умягчении минерализованных вод 45
2.1 Цель экспериментальных исследований динамики ионообменного умягчения минерализованных вод и программа их проведения 45
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований ионообменного умягчения в динамических условиях 49
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований динамики парного ионного обмена при умягчении минерализованных вод и методы их обработки 65
3.1 Общая классификация групп опытов по скоростям фильтрования и характеристикам исходных растворов 65
3.2 Сводные таблицы данных экспериментальных исследований 66
3.3 Вывод уравнения выходной кривой истощения для парного ионного обмена при установившемся режиме в ионообменном фильтре 69
3.4 Приведение уравнения выходной кривой истощения ионообменного фильтра к обобщенному виду 73
3.5 Определение зависимости между переменными относительными концентрациями в растворе и на границе раздела фаз методом последовательных приближений - программа «Поиск» 77
3.6 Вычисление интеграла в уравнении выходной кривой истощения методом конечных разностей 81
Глава 4. Определение коэффициентов внешней и внутренней диффузии при умягчении минерализованных вод по результатам экспериментальных исследований 84
4.1 Разработка и анализ методики и программы построения расчетной выходной кривой истощения ионообменного фильтра численными методами 84
4.2 Программа расчета и построения выходной кривой истощения ионообменного фильтра при стационарном режиме и выбор оптимальных значений коэффициентов внешней и внутренней диффузии по результатам экспериментальных исследований - программа «Фронт» 94
4.3 Определение значений коэффициентов внешней и внутренней диффузии по результатам экспериментальных исследований 101
4.4 Практическое применение результатов исследования для расчета и оптимизации процессов умягчения в динамических условиях 117
Заключение 134
Литература 135
Приложения 149
- Умягчение минерализованных вод для повышения эффективности их использования в термоопреснительных и теплосиловых установках
- Методика проведения экспериментальных исследований ионообменного умягчения в динамических условиях
- Сводные таблицы данных экспериментальных исследований
- Программа расчета и построения выходной кривой истощения ионообменного фильтра при стационарном режиме и выбор оптимальных значений коэффициентов внешней и внутренней диффузии по результатам экспериментальных исследований - программа «Фронт»
Введение к работе
Актуальность темы.
На одного жителя нашей планеты приходится более 500 млн. м3 воды, однако, вследствие высокой минерализации, её большая часть не пригодна для использования без предварительной обработки. Ограниченные запасы пресной воды и крайне неравномерное ее распределение, затрудняет водоснабжение населения и объектов производственного назначения. Транспортировка воды в районы, где существует её дефицит или она полностью отсутствует, в настоящее время экономически нерентабельна в связи с большими капитальными затратами и транспортными расходами.
Одним из решений проблемы дефицита пресной воды, является получение ее из морских или пластовых вод, а также стоков объектов теплоэнергетической промышленности. Разработано множество способов получения пресной воды из минерализованных вод, в основе которых лежат методы термической дистилляции, электродиализа, обратного осмоса, вымораживания. При использовании наиболее распространенного метода термической дистилляции можно значительно снизить затраты и повысить эффективность метода за счет предварительного умягчения минерализованной воды методом ионного обмена в ионообменных колоннах. Ход процесса умягчения минерализованных вод на катионите КУ-2х8 в динамических условиях неизбежно сопровождается неполным использованием емкости катионита. Одним из объяснений такого эффекта является недостаточное время контакта каждого отдельного зерна катионита с умягчаемой водой. В этой связи весьма актуальным является вопрос об оптимизации технологического процесса вышеуказанной операции. Для решения поставленной задачи необходимо провести ряд практических и теоретических исследований по определению коэффициентов внешней и внутренней диффузии в динамических условиях (Д и /%), оказывающих непосредственное
5 влияние на процесс умягчения минерализованных вод в зависимости от концентрации сорбируемого иона в воде, скорости фильтрования через ионообменную колонну, а также разработать методики расчета динамических характеристик процесса ионообменного умягчения минерализованных вод.
Цель работы.
Экспериментальное определение коэффициентов внешней и внутренней диффузии при ионообменном умягчении минерализованных вод с концентрацией от 0,05 до 0,3Н в динамических условиях и разработка практических рекомендаций по расчету характеристик технологических операций процессов умягчения таких вод.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Проведение экспериментальных исследований для определения коэффициентов внешней и внутренней диффузии при двойных обменах Na+-Ca2+ и Na+-Mg2+ в динамических условиях умягчения минерализованных вод на ка-тионите КУ-2х8 в интервале концентраций от 0,05 до 0,ЗН и скорости фильтрования от 10 до 100 м/час.
Разработка новых методик определения коэффициентов внешней и внутренней диффузии по результатам экспериментальных исследований динамики парного неравновесного ионного обмена в условиях стационарной кривой истощения ионообменного фильтра при умягчении минерализованных вод.
Разработка на основе экспериментальных данных аналитических уравнений для определения значений коэффициентов внешней и внутренней диффузии, используемых в практических расчетах.
4. Создание новых методик для расчета динамических характеристик
процесса ионообменного умягчения минерализованных вод и вывод уравнений
применимых для практических расчетов этих характеристик на основе полу
ченных методик.
Научная новизна работы
В результатах экспериментальных исследований динамики неравновесного ионного обмена в условиях стационарного фронта кривой истощения ионообменного фильтра для парных обменов Na+-Ca2+ и Na+-Mg2+ на катионите КУ-2х8 в широком диапазоне скоростей фильтрования и концентраций умягчаемой воды.
В полученных коэффициентах внешней и внутренней диффузии (Д и Д соответственно) на основе решения системы уравнений динамики ионообменной сорбции.
В разработанной новой методике экспериментального исследования стационарной кривой истощения ионообменного фильтра - программа «Фронт», на основе которой получены оптимальные значения коэффициентов внешней и внутренней диффузии.
В новой методике и программе расчета основной динамической характеристики процесса ионообменного умягчения минерализованных вод - высоты «работающего» слоя катионита в фильтре (Нр) - программа «Фронт-2».
В инженерных расчетных уравнениях определения величины высоты рабочего слоя Нр в исследованном диапазоне характеристик процесса ионообменного умягчения минерализованных вод (концентрация - Ср ~ 50 - 300
мг же/ ( скорость фильтрования -wq = 10 - 100 м/часу относительная концен-трация ионов Са или Mg — арн = 0,2 - 0,5).
Практическая ценность работы
Разработанные методики расчета физико-химических параметров взаимодействующих сред в условиях динамики ионного обмена легли в основу разработки программ «Поиск», «Фронт», «Фронт-2», рекомендованные для инженерных работников объектов химической водоподготовки промышленных предприятий, например, Открытого Акционерного Общества Научно-
7 производственный концерн «ЭСКОМ», в рамках общей программы реконструкции и совершенствования технологической схемы котельной. Данный факт подтверждается актом о внедрении, приведенном в Приложении 3.
Комплекс разработанных программ используется в учебном процессе по дисциплине «Водоподготовка и водно-химический режим объектов ТГВ» для специальности 270109 - Теплогазоснабжение и вентиляция «Северо-Кавказского государственного технического университета».
Основные положения, выносимые на защиту
Получение экспериментальных данных, согласно принятой программе проведения исследования ионообменного умягчения минерализованных вод в динамических условиях.
Результаты обработки экспериментальных исследований ионообменного равновесия в динамических условиях при натрий-катионитовом умягчении минерализованных вод в диапазоне концентраций 0,05-0,ЗН на катионите КУ-2х8.
Зависимости коэффициентов внешней и внутренней диффузии {fi\ И fii соответственно) от скорости фильтрования (и>о) и концентрации исходной минерализованной воды (Ср) в ионообменную колонну.
Результаты расчета процесса динамики ионообменной сорбции с использованием предложенной математической модели.
5. Уравнения зависимости высоты рабочего фронта (Нр) от скорости
фильтрования минерализованной воды в ионообменную колонну (wo), концен
трации исходной воды (Ср) и относительной концентрации поглощаемого иона
в исходной воде (арн) для ионного обмена в динамических условиях в диапазо
не концентраций от 0,05 до 0,ЗН.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуж-
дались на конференциях по итогам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава Северо-Кавказского государственного технического университета; региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону»; международной научно-практической конференции «Строительство-2001» в г. Ростов-на-Дону.
Публикации
По результатам выполненной работы опубликовано 6 статей и 5 тезисов к докладам на научных конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, который содержит 20 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список состоит из 146 наименований.
Умягчение минерализованных вод для повышения эффективности их использования в термоопреснительных и теплосиловых установках
Обеспечить требуемый уровень содержания растворенных солей в минерализованной воде возможно несколькими способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки [4, 45, 63, 114, 120]. Рассматривая методы опреснения минерализованных вод, выделяют обычно два основных направления: с изменением агрегатного состояния воды и без изменения. 1.2.1 Методы опреснения с изменением агрегатного состояния а) Термические методы опреснения воды. Термические методы опреснения воды осуществляются в процессе ее дистилляции, т.е. испарении минерализованной воды и конденсации полученного пара. На основании разработок ученых, инженеров, конструкторов и изготовителей многих стран мира опреснение морской воды стало самостоятельной отраслью производства, базирующейся на новейших достижениях науки и техники в различных областях (тепло-массообмен, физическая химия, электрохимия, гидравлика, газодинамика и т.д.). В конце 2000 г. мировое производство пресной воды - самой массовой по объему и жизненно необходимой для человека продукции - достигло более 25 млн. м /сутки. Из многих разрабатывавшихся методов масштабного опреснения основными методами стали дистилляцион-ный и мембранный.
Высокий современный уровень техники и технологии опреснения, опыт промышленной эксплуатации опреснителей позволил существенно расширить область применения дистилляционного метода. Так в теплоэнергетике и в ряде других отраслей опреснительная техника успешно используется для приготовления подпиточной воды котлоагрегатов среднего и высокого давления. Но опреснение находит применение не только для приготовления подпиточной воды для котло- и парогенераторов тепловых и атомных электростанций, но и для переработки минерализованных промышленных стоков, шахтных и других вод с целью повторного использования воды и обеспечения защиты окружающей среды от загрязнений.
В России к концу шестидесятых годов было создано два поколения опреснительной техники: первое — на базе вертикальнотрубных испарителей с естественной циркуляцией раствора; второе - на базе многоступенчатых испарителей мгновенного вскипания и вертикальнотрубных испарителей с принудительной циркуляцией раствора [21, 45, 74, 94, 98, 114, 115, 120, 121, 133]. На установках первого и второго поколений сегодня производится около 300 тыс. м3/сутки пресной воды и с их помощью, к примеру, полностью удовлетворяются потребности в пресной воде г. Актау (бывший г. Шевченко) Казахстан и его промышленных предприятий [94].
В настоящее время в России, как и за рубежом, начинается внедрение дистилляционных опреснительных установок (ДОУ) нового, третьего поколения - с горизонтальнотрубными пленочными аппаратами-испарителями (ГТПА) [53, 122].
Примерами использования опреснительной техники для приготовления подпиточной воды котлоагрегатов являются Ферганская ТЭЦ, Тобольская ТЭЦ, ТЭЦ Первомайского химкомбината (Харьковская обл.), Уренгойская пус-ко-резервная ТЭЦ и др. Разработаны и разрабатываются проекты для Южно-Сахалинской ТЭЦ-1, Ново-Чебоксарской ТЭЦ, Березниковской ТЭЦ, Волжской ТЭЦ-1ит.д.
К более широкому применению ДОУ в народном хозяйстве подвигают всё более ужесточающиеся требования надзорных органов охраны окружающей среды и в виду этого многие предприятия заинтересованы в создании систем с минимизацией или сведением к нулю жидких отходов [94].
Минерализованные сточные воды промышленных предприятий разнообразны, но в большинстве своём они представлены системами из хлоридов, сульфатов, карбонатов натрия, кальция, магния и ионов тяжелых металлов. Как показывает опыт во многих случаях использование техники и технологии опреснения позволяет наиболее экономичным и целесообразным образом перерабатывать такие воды с получением высококачественного дистиллята и соле-продуктов готовых к дальнейшей утилизации [38, 53].
Число термоопреснительных установок превышает 70% от числа всех видов опреснителей, действующих или строящихся, а единичная производительность некоторых из них доходит до 7000 / [122]. Для повышения эффективности работы термоопреснительных установок проводится ряд мероприятий по совершенствованию их конструкции и схемы технологического процесса [1, 38, 45, 68, 98, 133]. б) Опреснение воды вымораживанием. Процесс опреснения вымораживанием основан на разнице температур замерзания пресных и соленых вод, поэтому, при замораживании минерализованных вод образуются кристаллы пресного льда и рассол между ними. Отделив кристаллы льда от рассола и растопив лед можно получить пресную воду с солесодержанием 0,5 - 1,0 у за счет остатков рассола на поверхности кристаллов льда [64].
Данный метод не получил большого распространения в нашей стране и за рубежом, ввиду сложности оборудования (холодильная машина и т.д.), больших затрат на электроэнергию. Однако в последнее время некоторыми учеными все же проявляется активный интерес к данному методу получения пресной воды. В Уральском государственном техническом университете эта технология нашла свое развитие: учеными Полежаевым Ю.М., Русиновой А.А. и Матерн А.И. была усовершенствована технология опреснения воды методом замораживания и оттаивания, в результате чего удалось повысить степень очищенной воды до 82-86% от начального объема [94].
Методика проведения экспериментальных исследований ионообменного умягчения в динамических условиях
Для проведения серии экспериментов в лаборатории кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» Северо-Кавказского государственного технического университета была разработана, изготовлена и смонтирована установка. Схема экспериментальной установки Ионообменная колонна выполнена из высокопрочного кварцевого стекла с внутренним диаметром 32 мм, высотой 1060 мм. Стекло позволяет визуально наблюдать за состоянием катионита во время проведения эксперимента. Высота слоя набухшего в воде катионита составляет 640 мм, остальная верхняя часть заполнена водой, обеспечивая взрыхление. Верхние и нижние края колонны имеют небольшие увеличения диаметра, а также утолщения стенки стекла, с целью облегчения монтажа на верхней и нижней частях колонны узлов подачи (отвода) воды. В нижней части колонны смонтировано дренажное устройство, обтянутое капроновой тканью, диаметр ячеек которой значительно меньше диаметра зерен катионита, от 0,2 до 0,3 мм, которое предотвращает унос зерен катионита вместе с потоком умягчаемой воды.
Лабораторная установка состоит из двух ионообменных колонн для ускорения проведения всего цикла экспериментов. Каждый эксперимент длился в среднем 2 часа 30 минут в зависимости от скорости ввода минерализованной воды. В соответствии с программой исследований (п. 2.1.) был выбран катио-нит марки КУ-2х8. Данный катионит является наиболее распространенным по использованию во всех областях теплоэнергетического комплекса, его модификации (КУ-2х8ЧС, КУ-23 - в фармацевтической промышленности) и обладает хорошими эксплуатационными характеристиками. Буквенная аббревиатура означает — катионит универсальный, цифра 2 - модификация катионита, цифра 8 - количество сшивающего агента (дивинилбензол), %. Также имеются зарубежные аналоги катионита КУ-2х8: Вофатит KPS-200; Дауэкс 50Wx8; Варной K.S; Зеролит; Леватит S100; Амберлайт IR120 и др. [6, 48,61,104, 117].
Катионит имеет гелевую структуру и является монофункциональным сильнокислотным сополимеризационным сульфо-катионитом, содержащим фиксированные ионообменные сульфогруппы - SCVH . Катионит получают сульфированием сополимера полистирола в гранульной форме сшитым 8% ди-винилбензолом (ДВБ). Повышение содержания сшивающего агента в матрице катионита улучшает его механические свойства, но превышение количества ДВБ свыше 8% влечет уменьшение степени набухания зерен и как следствие, ухудшает динамические обменные показатели катионита.
Катионит характеризуется большой обменной емкостью в динамических условиях, высокой химической, механической и термической (в водных растворах в Н-форме - до 120С) стойкостью, а также имеет хорошие кинетические показатели. Основное его применение - ионообменная обработка минерализованной воды на объектах теплоэнергетики, химической промышленности, установках опреснения и др.
Для проведения экспериментальных исследований была использована стандартная партия (40 кг) промышленного катионита КУ-2х8, поставляемого в Н-форме. Подготовка катионита к эксперименту включает несколько стадий, тщательное соблюдение и выполнение которых во многом определяет качество всего эксперимента Геометрические характеристики зернистого слоя в значительной степени зависят от фракционного состава зерен слоя. Отделение гранул крупных, неправильной формы, обломков от основной рабочей массы катионита является непременным условием для качественного проведения эксперимента. Поэтому, при подготовке катионита для экспериментальной установки, с целью получения однородного фракционного состава вся партия катионита КУ-2х8 в Н-форме была подвергнута сухому рассеву на стандартном наборе сит с размерами отверстий от 0,09 мм до 2,0 мм, в течение 10 мин. Фракции размером менее 0,5 мм и более 1,6 мм отбрасывались, а остальная партия катионита, составляющая основную долю (80-85%) массы катионита, вновь перемешивалась и готовилась к закладке в экспериментальную установку.
Слой катионита КУ-2х8 в экспериментальной колонке состоит из частиц с формой близкой к шаровидной с диаметром от 0,5 до 1,6 мм. Диаметр частиц катионита оказывает существенное влияние на динамические и статические показатели ионного обмена в колоне. Так, частицы малого диаметра имеют относительно большую удельную поверхность и малый радиус сферы, за счет чего существенно увеличивается скорость внешней и внутренней диффузии ионов в этих зернах и уменьшается время установления равновесия.
Однако, вследствие полидисперсного характера размера зерен катионита в слое и большой сложности детального изучения (с учетом всех размеров и всех частиц) процессов, происходящих в этом слое, на практике зернистый слой рассматривается усредненно, как однородная изотропная среда, свойства которой характеризуются усредненными обобщенными характеристиками, зависящими от фракционного состава и формы зерен слоя [7,29,104,117]. Фракционный состав исследованной партии катионита определялся на основе полученных данных ситового анализа для серии из 12 параллельных измерений в соответствии с ГОСТ 10900-74.
Перевод катионита в требуемую солевую Ыа+-форму проводился партией массой 1500 г воздушно-сухого катионита. Для отмывки катионита от возможных промышленных загрязнений и перевода его в состояние предельного набухания катионит замачивался дистиллированной водой, объемом 2-3 литра на 2 часа. По истечении этого времени отработанный дистиллят заменялся на свежий и операция повторялась не менее 3 раз. Набухший катионит загружался в ионообменную колонну для перевода в Na+ форму. Правильное заполнение колонны катеонитом - весьма важная операция и тщательное ее выполнение во многом предопределяет успех всего эксперимента. После закрепления колонны в строго вертикальном положении ее заполняют водой и постепенно начинают вводить небольшими порциями предварительно набухший катионит в колонну. При этом нужно не допускать образования пузырьков воздуха, которые резко снижают эффективность работы колонны. Также необходимо вводить массу катионита равномерно во избежание образования залежей катионита [3, 7, 48]. Пропускание через колонну раствора соли NaCI, с концентрацией 1500 мг экв/ в количестве 5 л в течение 6-8 часов обеспечивает более чем 4-х кратный избыток ионов Na+, по сравнению с вытесняемыми ионами Н\ Все растворы приготавливались из химически чистых солей на дистиллированной воде. Когда уровень рН фильтрата повышался до 6 единиц, операция перевода катионита в нужную солевую форму прекращалась.
Затем катионит отмывался от остатков солевого раствора пропусканием через колонну дистиллированной воды до снижения уровня ионов СГ в фильтрате менее 3 у . Отмытый катионит в Na-форме готов для проведения эксперимента. Уровень содержания хлора определялся титриметрическим анализом.
Сводные таблицы данных экспериментальных исследований
В сводном отчете все опыты разделены на две группы - по типу сорбируемого иона Са2+ и Mg2+. Каждая группа имеет единую сквозную нумерацию. Результаты экспериментальных исследований заносились в лабораторный журнал, а позже представлялись в сводные таблицы результатов экспериментальных данных - таблицы П. 1.1 и П. 1.2 Приложения, которые впоследствии явились основой для обработки данных, построения и анализа графических зависимостей с применением ЭВМ.
При проведении всего цикла экспериментальных исследований при скоростях ввода исходного раствора в ионообменную колонну менее 20 м/час и концентрациях исходного раствора свыше 200 мг экв/ объем пробы уменьшался до 0,5 л с целью проведения более точного и качественного исследования. Для обмена Ca2+-Na+ проведено 47 экспериментов. 1. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 5 ] мг экв/ было проведено 5 экспериментов, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку 20 wo 40 м/час проведено 2 опыта, 40 WQ 70 м/час 1 опыт, 70 w0 90 м/час 1 опыт и 90 w0 110 м/час 1 опыт. 2. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 101,6 мг экв/ было проведено 12 экспериментов, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку 20 w0 40 м/час проведено 5 опытов, 40 w0 70 м/час 3 опыта, 70 wQ 90 м/час 2 опыта и 90 w0 110 м/час 2 опыта. 3. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 205,1 мгэке/ было проведено 25 экспериментов, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку w0 20 м/час проведено 2 опыта, 20 Wo 40 м/час 8 опытов, 40 м о 70 м/час 5 опытов, 70 м о 90 м/час 6 опытов и 90 w0 110 м/час 4 опыта. 4. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 310,6 мг же/ было проведено 5 экспериментов, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку 40 wQ 70 м/час проведен 1 опыт, 70 w0 90 м/час 3 опыта и 90 w0 110 м/час 1 опыт. Для обмена Mg -Na проведено 13 экспериментов. 1. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 50,1 мгэкв/ было проведено 3 эксперимента, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку 40 м о 70 м/час проведен 1 опыт, 70 w0 90 м/час 1 опыт и 90 w0 110 м/час 1 опыт. 2. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 101 мгэкв/ было проведено 3 эксперимента, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку 40 w0 70 м/час проведен 1 опыт, 70 wo 90 м/час 1 опыт и 90 wo 110 м/час 1 опыт. 3. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 199,8 мгэкв/ было проведено 5 экспериментов, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку wo 20 м/час проведено 2 опыта, 40 wo 70 м/час 1 опыт, 70 w0 90 м/час 1 опыт и 90 w0 110 м/час 1 опыт. 4. При средней концентрации всех катионов в исходном растворе 303,5 мг эку было проведено 2 эксперимента, из которых, при скорости ввода исходного раствора в ионообменную колонку 40 w0 70 м/час проведен 1 опыт, 70 wo 90 м/час 1 опыт. Результаты всех опытов заносились в протоколы. Модифицированный и упрощенный вариант этих протоколов опытов представлен в Приложении (таблицы П. 1.1 и П. 1.2).
Ввиду множества представляемых данных в таблицах П. 1.1 и П. 1.2, для удобства восприятия информации шапка таблиц выполнена в нестандартном виде - отличается от расположения основной части таблицы. В ней приведено подробное описание каждой величины, а данные первого опыта приведены расширенно с пояснением всех величин, ячейки таблицы с номерами опытов выделены серым фоном. Внутри таблиц данные экспериментальных исследований отсортированы, сначала по концентрациям - по возрастанию, затем по скоростям пропускания исходного раствора через ионообменную колонну - по возрастанию. В таблицах приведены данные экспериментального исследования, показывающие истощение ионообменного фильтра с момента формирования стационарного рабочего фронта и до момента окончания работы сформировавшегося фронта. Соответственно и при обработке экспериментальных данных использовались только те данные, при которых начинал формироваться и заканчивал работать стационарный рабочий фронт.
С целью выдерживания единого стиля представления данных экспериментальных исследований для каждого опыта в таблице заложено 18 ячеек проб данного конкретного опыта - по числу максимального количества проб в серии проведенных экспериментальных исследований.
Программа расчета и построения выходной кривой истощения ионообменного фильтра при стационарном режиме и выбор оптимальных значений коэффициентов внешней и внутренней диффузии по результатам экспериментальных исследований - программа «Фронт»
Разработка этой программы осуществлена с целью решения двух основных задач: - по заданным исходным характеристикам процесса истощения ионооб менного фильтра и принятым коэффициентам внешней и внутренней диффузии (Д и fo) рассчитать и построить плавную кривую изменения концентрации по глощаемого иона в растворе на выходе из фильтра ар = f(v) или изменение этой же концентрации в слое катионита в фильтре в зависимости от высоты слоя ар = /(н); - по заданным характеристикам и результатам истощения ионообменного фильтра экспериментальной установки произвести подбор коэффициентов внешней и внутренней диффузии (fi\ и Д), при которых рассчитанная и постро енная кривая истощения для этого ионообменного фильтра будет иметь мини мальное отклонение от экспериментальной кривой истощения данного опыта. Программа разрабатывается для условий стационарного фронта при парном ионном обмене в условиях неравновесной динамики и действительна только в пределах изменения концентрации поглощаемого иона от аРо + Аар до арн-Аар, где Аар - начальное и конечное отклонение концентрации от равновесий, принимаемое в пределах Аар = 0,02 0,05(арн - ара). (4.30) На основании приведенного выше анализа (п. 4.1.3) различных методик расчета и построения выходных кривых истощения ионообменных фильтров численными методами, для разработки данной программы принимается методика расчета при постоянном шаге изменения основной переменной величины - К (объема выходящего раствора).
Программа расчета и построения выходной кривой истощения, а также подбора коэффициентов диффузии (Д и Д) по результатам экспериментальных исследований - программа «Фронт» — выполняется по следующему алгоритму. Основные исходные характеристики и результаты истощения экспериментального ионообменного фильтра, принимаемые по результатам данного опыта: п - число проб в пределах выходной кривой истощения экспериментального фильтра; j - номер текущей пробы; У\, Уг, УЪУ - Ур-"Ум-соответствующий объем каждой экспериментальной пробы, л; С,, С2 , С3,... С j,... Сп - средняя концентрация поглощаемого катиона в каждой экспериментальной пробе, мг эку , Ср - полная концентрация всех катионов в исходном и умягченном растворе, мг экв/ ; Сн - начальная концентрация поглощаемого катиона в исходном растворе, равновесном с истощенным катеонитом, мг экв/; Со - остаточная концентрация поглощаемого катиона в умягченном растворе, равновесном с отрегенерированным катеонитом, мг экв/ ; Срої — текущая концентрация поглощаемого катиона в начале первой пробы, определяемая по результатам анализа начальной часта эксперименталь 96 ной выходной кривой истощения между первой пробой и пробой стоящей перед первой, мг экв/; wo - средняя скорость пропускания раствора через слой катионита в фильтре в течение всего эксперимента, м/с; F площадь поперечного сечения экспериментального фильтра, м2; q относительная концентрация катиона кальция (Са2+) в общей жесткости исходного раствора. Для парных ионных обменов q -1,0 при обмене Са2+ Na+ и q = 0 при обмене Mg2+-Na+.
Подбор коэффициентов выполняется путем выполнения серии последовательных расчетов по приведенной выше программе при различных сочетаниях значений коэффициентов Д и Д. Оптимальные значения этих коэффициентов по минимальной величине отклонений Аар и 5ар определяют в одном из расчетов данной серии. Для снижения трудоемкости этих расчетов в программу «Фронт» включен блок автоматического перебора переменных исходных данных, значение которых точно неизвестно - Сро, Д и Д. По предварительно заданным ожидаемым интервалам изменений значений этих величин программа осуществляет автоматический перебор вариантов сочетания этих величин, изменяя их значения в каждом варианте на постоянный небольшой шаг. Из всех вариантов перебора программа «Фронт» по заданию выбирает тот, при котором средние ошибки будут минимальные.
Всего по программе «Фронт» были обработаны данные 60 опытов, из них 47 опытов для парного обмена Na+-Ca + и 13 опытов для парного обмена Na+-Mg2+. Полученные при этих расчетах оптимальные значения коэффициентов диффузии Д и Д приведены в сводных таблицах 4.1 и 4.2, а так же на рис. 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4. Анализ полученных результатов показывает следующее: . - использование программы «Фронт» позволило получить наиболее оптимальные значения коэффициентов Д и Д. Среднее отклонение расчетных значений концентрации поглощаемого иона от экспериментальных значений в большинстве опытов не превышает 1-3%, а по всему массиву опытов среднее отклонение составляет 4,0 % для обмена Na+-Ca2+ и 3,2% для обмена Na+-Mg2+, и только в нескольких опытах колеблется в пределах 4-9%; - величина коэффициента внешней диффузии Д значительно растет с увеличением скорости фильтрования wo, что объясняется турбулизацией потока раствора, обтекающего гранулы катионита и, соответствующим, уменьшением толщины пограничного слоя раствора на поверхности зерна катионита, через который протекает процесс внешней диффузии при ионном обмене; - величина коэффициента внешней диффузии возрастает с увеличением общей концентрации раствора Ср, что объясняется увеличением подвижности обменивающихся ионов с ростом концентрационного напора.
