Введение к работе
Актуальность работы. Нормальные спирты и их изомеры находят широкое применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности как в качестве исходного сырья, так и в качестве растворителей. В ходе технологических процессов спирты образуют смеси с водой, вследствие чего повторное их использование невозможно без предварительного обезвоживания.
Одним из перспективных методов разделения водно-органических смесей является диффузионное испарение через мембрану - первапорация, обладающая по сравнению с традиционными способами такими достоинствами, как безреагент-ность, низкое энергопотребление, высокая эффективность. Первапорация привлекает внимание прежде всего как экологически чистая и безотходная технология, применяемая для разделения азеотропных смесей, а также близкокипящих или термически неустойчивых веществ. Однако внедрение процесса первапора-ции в практику сдерживается рядом причин, одной из которых является недостаточная изученность закономерностей процесса и, как следствие, отсутствие надежных методик технологических расчетов. Ввиду этого проблема разработки математической модели, позволяющей проводить расчет и оптимизацию основных технологических параметров и характеристик процесса пер-вапорационного разделения водно-органических смесей, является актуальной.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и программной реализации математической модели процесса пер-вапорационного разделения смесей в технологической схеме с рециркуляцией и в решении задачи оптимизации площади мембран при разделении смеси до заданной концентрации конечных продуктов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
получить и проанализировать статистическими методами модели характеристик первапорационных мембран, предназначенных для разделения водных смесей спиртов С2-С4;
методами нестатистического анализа уточнить параметры моделей и рассчитать их доверительные интервалы;
- разработать математическую модель, алгоритмы и соот
ветствующее программное обеспечение для расчета основных
параметров процесса первапорационного разделения смесей в
циркуляционно-порционной технологической схеме;
разработать методику определения оптимальной по технико-экономическому критерию площади мембран, необходимой для разделения смеси до заданной концентрации продуктов;
внедрить полученные результаты в практику научных исследований и учебный процесс.
Методы исследования, используемые в работе, основаны на общеизвестных способах математического моделирования, пространственно-временной декомпозиции процессов, методах статистической и нестатистической оценки параметров эмпирических зависимостей.
Достоверность и обоснованность научных выводов подтверждается качественным и количественным сравнением результатов расчетов с данными физических экспериментов и выводами теоретического анализа, использованием современных методов и средств обработки данных, всесторонним анализом литературных источников и патентной проработкой по теме диссертации.
Совместное использование статистических и нестатистических методов оценки параметров эмпирических зависимостей позволило повысить надежность и достоверность моделей характеристик процесса первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4, а также устранить противоречия в исходной информации, оценить пригодность найденных эмпирических зависимостей и область их применения в модели технологической схемы процесса.
На защиту выносятся:
- статистические модели, описывающие зависимость удель
ной производительности и состава паровой фазы от состава
исходной смеси при разделении водных смесей спиртов С2-С4 на
отечественных композитных мембранах основе полиэлектролит
ного комплекса (ПЭК) и полиамидосульфокислоты (ПАСК);
- математическая модель и на ее основе информационно-
программный комплекс, позволяющие определить основные па
раметры и характеристики процесса первапорационного разде
ления водных смесей спиртов С2-С4 в технологической схеме с
рециркуляцией;
- результаты тестирования модели и численного исследова
ния процесса при параллельном использовании от 1 до 10 мем
бранных модулей;
- методика определения оптимальной по технико-
экономическому критерию площади мембран в технологической
схеме процесса первапорационного разделения смеси.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложена и реализована методика расчета технологических параметров процесса первапорационного разделения жидких смесей на основе эмпирических моделей массообменных характеристик мембран.
-
Впервые получены модели массообменных характеристик отечественных композитных мембран ПАСК и ПЭК для разделения водных смесей спиртов С2-С4 в области высоких концентраций спирта.
-
Разработана математическая модель расчета и оптимизации основных технологических параметров циркуляционно-порционной технологической схемы процесса первапорационного разделения.
-
Выполнено исследование характеристик процесса первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 и оптимизация площади мембран в циркуляционно-порционной технологической схеме.
Практическая значимость. Разработанная математическая модель позволяет определить следующие технологические параметры: материальные потоки, производительность, время протекания процесса, оптимальную площадь мембран, необходимые для синтеза технологических схем разделения и ускорения перехода от лабораторных исследований к промышленному внедрению процесса. Математическая модель исследована на примере первапорационного разделения водных смесей спиртов С2-С4 в технологической схеме с рециркуляцией, но методику можно использовать и для синтеза технологических схем разделения широкого круга водно-органических смесей. Результаты работы могут служить базой для создания малоотходных, экологически и экономически обоснованных технологических процессов.
Реализация результатов. Предлагаемые подходы могут быть использованы в любой отрасли промышленности, где применяются аналогичные смеси и стоит задача их разделения. В частности, одной из конкретных прикладных задач являлась раз-
работка технологического процесса регенерации изопропилового спирта из водных сред на Волгоградском ПО "Химпром" и НИ-ИМВ г. Зеленограда.
Работа выполнена в рамках федеральной научно-технической программы "Университеты России (технические университеты)" Госкомитета РФ по высшему образованию7 по направлению 2.7.4, раздел "Энергосбережение и экология" и региональной научно-технической программы Алтай-2.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Экологически чистые технологические процессы в решении проблем окружающей среды" (ИГТУ, Иркутск, 1996); Байкальском международном студенческом форуме "Безопасное развитие регионов" (ИГУ, Иркутск, 1996); международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий" (НГТУ, Новосибирск, 1997); XI международной конференции молодых ученых МКХТ -97 (МХТИ, Москва, 1997); 4й международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (АГТУ, Барнаул, 1998); первой краевой конференции по математике МАК-98 (АГУ, Барнаул, 1998); Third international congress "Water: Ecology and Technology" ECWATECH-98 (Moscow, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
