Динамика ультрафильтрационного аппарата для разделения диффузионного сока сахарной свеклы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1.АНАЛИЗ РАБОТЫ АППАРАТОВ ДЛЯ БАРОМЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАСТВОРОВ.

1.1.Области и перспективы применения мембранного разделения растворов.

1.2.Классификация и характеристики мембран для разделения растворов.

1.3. Особенности мембранного разделения сахарных производственных растворов.

1.4. Анализ конструкций и способы повышения надежности и эффективности работы баромембранных аппаратов.

ВЫВОДЫ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ.■.

2.1 .Обобщенная расчетная схема установки.

2.2.Численное моделирование процесса ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы.

2.3. Применение метода крупных частиц для интегрирования дифференциальных уравнений ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы.:.

2.4.Результаты численного эксперимента.

ВЫВОДЫ.

3. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ БАРОМЕМБРАННЫХ АППАРАТОВ.

3.1. Основные параметры баромембранных аппаратов.

3.2 Оценка конструктивного исполнения узлов мембранных аппаратов.

3.3 Влияние температуры и давления на долговечность и селективность мембранных элементов.

3.4 Влияние скорости движения сахарных растворов на скорость фильтрации и степень загрязнения мембран.

3.5. Конструктивные особенности разработанного мембранного аппарата.

3.6 Расчет мембранного аппарата на прочность.

3.7 Анализ влияния конструкций узлов входа и выхода потоков на надежность мембранного модуля.

3.8 Влияние концентрации раствора на срок службы мембран.

ВЫВОДЫ.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ.

4.1. Технологическая схема очистки диффузионного сока с использованием ультрафильтрационной установки.

4.2. Моделирование мембранного разделения растворов.

4.3. Методика экспериментальных исследований.

4.4.Экспериментальные исследования мембранного разделения диффузионного сока.

4.5. Анализ экспериментальных данных.

4.6 Методика проведения экспериментальных исследований с использованием импульсной подачи разделяемого раствора при ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы.

4.7. Технико-экономическое обоснование внедрения баромембранных аппаратов.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. В области переработки растительного сырья одними из перспективных и высокоэффективных приемов оптимизации производства являются мембранные процессы, которые находят широкое применение во всех отраслях пищевой, химической и микробиологической промышленности. Успешное использование мембранной технологии в производстве сахара доказано. В настоящее время отечественная промышленность наладила выпуск мембран, отвечающих всем требованиям, необходимым для производства высококачественного продукта. Это позволяет вплотную заняться вопросами мембранных технологий в сахарной промышленности.

Однако в настоящее время отсутствуют научно обоснованные новые технические решения в виде конструкций мембранных аппаратов, отвечающих современным требованиям сахарного производства. Это ставит, в качестве неотложных задач, совершенствование конструкции мембранного аппарата, разработку технологических схем разделения сахарных растворов и исследования закономерностей динамики разделения диффузионного сока сахарной свеклы. Применение новых мембранных аппаратов даст возможность значительно упростить технологию производства сахара, повысить процент выхода продукта, улучшить экологическую обстановку производства, сократить расход электроэнергии и намного уменьшить (или вовсе сократить) использование известняка.

Этим вопросам посвящена настоящая работа, что подтверждает её актуальность и современность.

Цель работы. Целью данной работы является научное обоснование и разработка нового технического решения для повышения эффективности процесса ультрафильтрации при использовании мембранного аппарата усовершенствованной конструкции для очистки диффузионного сока сахарной свеклы с внесением вибрации в разделяемый поток. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить динамику разделения сахарных растворов для различных режимов работы аппарата;

- изучить влияние вибрации, воздействующей непосредственно на разделяемый раствор с помощью вибрирующего устройства, на динамику разделения раствора;

- разработать математическую модель динамики разделения диффузионного сока сахарной свеклы в мембранном аппарате;

- разработать конструкцию мембранного аппарата приемлемого для разделения диффузионного сока сахарной свеклы;

- определить оптимальные режимы работы мембранного аппарата.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались экспериментальный и математическо-модельный, с использованием численных методов анализа.

Научная новизна

1. Предложена математическая модель, описывающая процесс ультрафильтрации под вибровоздействием.

2. Использовано внесение вибраций в разделяемый поток, вследствие чего происходит увеличение эффективности работы аппарата.

3. Впервые показано, что процесс ультрафильтрации сахарных растворов состоит из трех основных периодов. Даны характеристики этих периодов.

Практическая ценность работы заключается в следующем: при использовании разработанного мембранного аппарата, с вносимым в разделяемый поток вибровоздействием:

- увеличивается время работы аппарата в стационарном режиме, что обеспечивает непрерывность протекания процесса очистки диффузионного сока сахарной свеклы;

- снижаются потери сахарозы и повышается качество выпускаемого продукта;

- уменьшается расход мембранного материала;

-разработана практическая приемлемость установленных режимов работы мембранного аппарата в процессе ультрафильтрации;

- снижаются энергетические и материальные затраты на регенерацию мембранного материала и промывку мембранного аппарата;

- выделено три основных периода динамических кривых процесса ультрафильтрации.

Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы нашли применение при выполнении госбюджетных НИР РСПНИИ, внедрены в учебный процесс Курского государственного медицинского университета (дисциплина: «Процессы и аппараты химических производств»).

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе диссертационных исследований, были представлены на заседаниях научного совета в РНИ-ИСП, 5-ой Международной конференции «Распознавание - 2001» (Курск), Международной конференции «Вибрация - 2001» (Курск), Международной конференции «Вибрация в технике и технологиях - 2002» (Винница).

Публикации. Результаты, представленные в диссертационной работе, были отражены в 11 печатных работах, получено авторское свидетельство на полезную модель.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель динамики процесса ультрафильтрации под воздействием вибраций, метод и численный расчет процесса разделения раствора.

2. Результаты численного исследования основных параметров разделяемого раствора и их влияние на динамику разделения;

3. Результаты обобщения экспериментального и численного исследования основных параметров раствора в процессе ультрафильтрации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы 106 наименований, приложе

ВЫВОДЫ

В данном разделе выявлены зависимости удельной производительности и селективности мембраны от величины рабочего давления, температуры, линейной скорости сока. Установлены оптимальные гидродинамические параметры: давление 0,25 - 0,30 МПа, линейная скорость 2-4 м/с, температура 80 - 85 °С. Экспериментальный образец модуля имеет производительность по фильтрату 14,5 л/ч, испытания его проведены на модельных и промышленных растворах на базе ОАО «Золотухинский сахарный завод», в лабораториях КГТУ.

Увеличение рабочего давления до указанных оптимальных значений вызывает рост удельной производительности мембраны. Дальнейшее увеличение давления оставляет удельную производительность практически неизменной, что можно объяснить ростом сопротивления осадка за счет его уплотнения, а также может привести к нежелательным необратимым структурным изменениям самой мембраны.

Температура оказывает большое влияние на процесс ультрафильтрации. С увеличением ее значений этот процесс существенно интенсифицируется. Увеличение температуры ведет к снижению вязкости сахарного раствора, что облегчает прохождение Сахаров через мембрану, а следовательно, снижает толщину слоя осаждений на мембране. Но, с другой стороны, при дальнейшем увеличении температуры увеличиваются расходы тепловой энергии и рост потерь основного продукта.

Линейная скорость движения разделяемого раствора также влияет на интенсивность процессов ультрафильтрации. С увеличением скорости потока увеличивается его турбулизация, что ведет к снижению образования нежелательного слоя отложений на поверхности мембраны, однако, с другой стороны, увеличение скорости потока вызывает квадратичный рост потери давления в аппарате, а это приводит к снижению КПД мембранной установки.

Показано, что цикл ультрафильтрации по изменению скорости ультрафильтрации можно разделить на три периода: начальный, в котором идет стабилизация процесса со снижением скорости фильтрации до стабилизированных значений, период постоянной скорости фильтрации и период затухания процесса. Продолжительность периодов определяется природой мембраны и разделяемого раствора, давлением, температурой и тангенциальной скоростью разделяемого раствора, гидродинамическими условиями процесса.

На данном мембранном модуле достигнута тангенциальная скорость потока 2-3 м/с, которая является оптимальной для ультрафильтрационных мембран при работе на многокомпонентных растворах с повышенной плотностью и вязкостью, рабочее давление - 0,26.0,3 МПа, время выхода на гтзпионярный режим 1,5 часа, скорость фильтрации — 40 л/м2-ч. что соответствует характеристике данного вида мембран.

При ультрафильтрации, когда в разделяемый поток вибрирующим устройством вносятся пульсации давления, характер кинетических кривых несколько иной. Кинетические кривые имеют только два периода: начальный и постоянной скорости фильтрации. Продолжительность второго периода заметно увеличилась, что говорит об увеличении эффективности очистки разделяемого раствора.

Экономические расчеты подтверждают сделанные выводы.