Теплоэнергетика, 2021, № 10, стр. 53-62

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ УСТАНОВОК УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

Принципиальная схема УФУ представлена на рис. 1. Характерными особенностями ее работы являются:

большое число переходных процессов, высокая нагрузка на запорно-регулирующую арматуру;

малая длительность фильтроцикла (20–60 мин в зависимости от качества исходной воды);

тангенциальный и тупиковый режимы фильтрования с рециркуляцией и без нее;

различные режимы промывок мембран: прямая, прямая водовоздушная, обратная;

химические очистки мембран: непродолжительная химическая очистка в сочетании с обратной и прямой промывками (CEB – Chemical Enhanced Backwash), продолжительная химическая очистка при сервисном обслуживании установки (CIP – Clean in Place);

сочетание режима фильтрования с коагуляцией;

низкая прочность фильтрующего материала, что вызывает необходимость проверки наличия механических повреждений;

длительность промывок сравнима с временем выхода насоса промывочной воды на рабочий режим;

большое количество рабочих операций (фильтрование, промывки, химические очистки, контроль повреждений фильтрующей мембраны).

Эти особенности делают технологию ультрафильтрации одной из самых сложных среди применяемых в водоподготовительных системах. Обеспечение оптимальных режимов работы УФУ является залогом надежности, технологической и экономической эффективности. В России более половины промышленных УФУ размещено на ТЭС. Почти во всех этих установках используются ультрафильтрационные модули с волокнами на основе полиэфирсульфона.

МЕХАНИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПОВЕРХНОСТИ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В процессе работы на поверхности мембраны и внутри ее пор формируются отложения (рис. 2). Для удаления поверхностных отложений используется прямая промывка, эффективность которой обеспечивается значительным градиентом скоростей промывочной воды или турбулентным режимом. Мерой турбулентности принято считать число Рейнольдса ${\text{Re}} = ~{{\rho {v}d} \mathord{\left/ {\vphantom {{\rho {v}d} \mu }} \right. \kern-0em} \mu }$ (здесь v – средняя скорость потока воды; d – гидравлический диаметр; ρ, $\mu $ – плотность и динамический коэффициент вязкости воды).

Скорость потока воды при прямой промывке v_п.п рассчитывают по формуле

где Q_п.п – расход промывочной воды; $S = {{N}_{{\text{в}}}}{{S}_{{\text{в}}}}$ – суммарная площадь поперечного сечения волокон (здесь N_в – число волокон; ${{S}_{{\text{в}}}} = {{\pi d_{{\text{в}}}^{{\text{2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\pi d_{{\text{в}}}^{{\text{2}}}} {\text{4}}}} \right. \kern-0em} {\text{4}}}$ – площадь поперечного сечения волокна; d_в – внутренний диаметр волокна).

Информацию о числе волокон мембранного модуля можно запросить у его производителя, посчитать на спиле корпуса мембраны или рассчитать по формуле

где S_ф – площадь фильтрующей поверхности; l_в – рабочая длина волокна.

Выражение для расчета площади поперечного сечения волокон выглядит следующим образом:

При оптимизации режима прямой промывки необходимо использовать ее продолжительность τ_п.п и расход промывочной воды. Полное время прямой промывки Т_п.п вычисляют по формуле

где τ_н.п.п – время выхода насоса подачи промывочной воды на режим прямой промывки.

Для удаления загрязнений из пор проводится обратная промывка. Форма зависимости расхода промывочной воды Q_о.п от продолжительности процесса (рис. 3) обусловлена особенностью работы насоса с частотно-регулируемым приводом, которому требуется время на разгон для достижения номинальной производительности и торможение при отключении.

Расход воды при обратной промывке определяется по формуле

где J_о.п – удельный расход воды при обратной промывке.

Удельный расход преобразуется в линейную скорость v_о.п по выражению

где ${{\theta }_{{J{v}}}}$ – коэффициент перевода единиц измерения.

При часто рекомендуемом удельном расходе обратной промывки J_о.п = 250 дм³/(м² · ч) линейная скорость составляет v_о.п ≈ 70 мкм/с. Скорость воды в порах волокна v_п определяется соотношением v_п = v_о.п/ε (здесь ε – пористость мембраны, обычно ε = 0.3–0.4) и равна примерно 200 мкм/с. Это означает, что время прохождения воды через стенку волокна (по поре) толщиной δ ≈ 200 мкм составляет примерно 1 с, а через плотный фильтрующий слой – около 0.1 с.

Для выделенного цилиндрического объема в волокне характерно выражение

где Q_вх.в – расход воды, входящей в канал волокна через его боковую поверхность; z – длина цилиндра.

Расход воды, выходящей из канала волокна, Q_вых.в является дифференциальной разностью между расходами воды с торцов цилиндра

После приравнивания выражений (4) и (5) можно получить

Интегрирование (6) при условии v_в (0) = 0 дает выражение

Формула для расчета времени вытеснения воды из волокна τ_в выглядит следующим образом:

Для практического применения можно использовать формулу

При d_в = 0.9 мм, l_в = 1.5 м скорость потока воды на выходе из торца мембранного модуля составляет ${{{v}}_{{\text{в}}}} = {{{\text{4}}{{{v}}_{{{\text{о}}{\text{.п}}}}}{{l}_{{\text{в}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{4}}{{{v}}_{{{\text{о}}{\text{.п}}}}}{{l}_{{\text{в}}}}} {{{d}_{{\text{в}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{d}_{{\text{в}}}}}} \approx {\text{6}}{\text{.7}} \times {\text{1}}{{{\text{0}}}^{{\text{3}}}}{{{v}}_{{{\text{о}}{\text{.п}}}}}$ и при v_о.п = = 70 мкм/с равна v_в ≈ 0.47 м/с, необходимое время вытеснения воды τ_в ≈ 24 с.

Полное время обратной промывки Т_о.п определяется суммой

где τ_п.оч – время удаления загрязнения из поры; τ_о.п – время обратной промывки с постоянным расходом воды Q_о.п.

Для промышленных установок большой производительности (более 50 м³/ч) требуется значительное время для разгона насосных агрегатов τ_{н 1}, τ_{н 2} = 10–20 с. Эффективность процесса удаления загрязнений из поры зависит от многих параметров. Наиболее существенное влияние на нее оказывает удельный расход воды при обратной промывке J_о.п (или v_о.п). Длительность промывки не может компенсировать уменьшение расхода Q_о.п (или J_о.п), значение которого зависит от вида загрязнений и перепада трансмембранного давления Δр_тм. При экспериментальных исследованиях было установлено, что τ_п.оч < 4 с.

С увеличением Δр_тм растет и необходимое значение J_о.п для осуществления эффективной очистки. Соотношение между ними должно определяться в ходе пусконаладочных работ либо длительных опытно-промышленных испытаний. При наличии технических возможностей (необходимые параметры насосной станции обратной промывки) изменения могут вноситься в процессе промышленной эксплуатации. Корректное определение значений Q_о.п и Т_о.п способствует долгосрочной эксплуатации ультрафильтрационных мембранных модулей.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫВКИ С ПОМОЩЬЮ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

На промышленных объектах параметры, при которых производится промывка, подбирают при пусконаладочных работах или устанавливают их по проектным данным. Возможно определять их на пилотной установке с мембранным модулем, однако на промышленных объектах это дорогостоящее оборудование отсутствует, а стоимость услуг сторонних организаций высока. Более доступная установка для этих целей – лабораторный ультрафильтрационный модуль (ЛУМ) с прозрачной внешней трубкой, который подключается к источнику исходной воды и позволяет моделировать различные режимы работы (рис. 4). Техническими параметрами ЛУМ являются материал, проницаемость и геометрическая форма волокон, их число в мембране и длина. Динамику загрязнения волокна можно исследовать с помощью набора ЛУМ, имеющих мембраны с волокнами различной длины. Для классификации лабораторных модулей можно ввести обозначение [l_в]/[S_ф] (здесь [l_в] – целая часть длины волокна l_в, см; [S_ф] – целая часть до десятков площади фильтрующей поверхности, см²). Например, в модуле ЛУМ-80/250 l_в = 0.8 м, N_в = 11, d_в = 0.9 мм.

Производительность ЛУМ Q_у вычисляют по формуле

где

– удельная производительность; I(τ) – проницаемость мембраны; τ – время.

При снижении проницаемости мембраны производительность установки поддерживается примерно постоянной путем увеличения перепада трансмембранного давления. Удельная производительность – проектный показатель, значение которого принимается равным 60 дм³/(м² · ч). Настройка Δр_тм(τ) осуществляется регулировочным вентилем, измерение расхода воды – весовым методом, Δр_тм измеряется с помощью датчиков давления.

Фильтрование воды на промышленных установках происходит в соответствии со стандартным алгоритмом в течение заданного времени τ_ф, после чего выполняются обратная промывка мембран и их химическая очистка. При этом должно быть выполнено условие $\Delta {{p}_{{{\text{тм}}}}}\left( {{{\tau }_{{\text{ф}}}}} \right) < \Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{\text{к}}}$ (здесь $\Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{\text{к}}}$ – критическое значение перепада трансмембранного давления, которое выбирается на основе рекомендаций производителя мембран). При достижении этого значения проводится продолжительная химическая очистка.

Цель исследований, осуществляемых на ЛУМ, – определение оптимальных параметров при работе установки вблизи максимально допустимого загрязнения, т.е. вблизи $\Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{\text{к}}}.$ Для этого фиксируется начальный перепад давления $\Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{\text{0}}},$ который должен совпадать с перепадом давления на промышленной установке при проектном значении Q_у. Далее производится фильтрование до достижения $\Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{\text{к}}}.$ В процессе фильтрования при $\Delta {{p}_{{{\text{тм}}}}}\left( \tau \right) < \Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{\text{к}}}$ фактическое значение Q_у может быть и больше рассчитанного по формуле (11) на 20–50%. Такое отклонение допустимо и связано с трудностью контроля условия ${{Q}_{{{\text{у}}~}}} \approx {\text{const}}{\text{.}}$

Прямая промывка выполняется с расходом промывочной воды ${{\bar {Q}}_{{{\text{п}}{\text{.п}}}}},$ при котором загрязнения заведомо удаляются с поверхности мембраны и перепад давления на ней $\Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{{\text{п}}{\text{.п}}}}$ не изменяется. Для определения оптимального значения Q_п.п и скорости потока воды v_п.п его расход при обратной промывке начинают уменьшать от ${{\bar {Q}}_{{{\text{п}}{\text{.п}}}}}$ до тех пор, пока значение $\Delta p_{{{\text{тм}}}}^{{{\text{п}}{\text{.п}}}}$ не начнет увеличиваться.

На примере Новочеркасской ГРЭС было установлено, что при v_п.п = 0.7–0.8 м/с более 80% отложений удаляется с поверхности мембраны за время 3l_в/v_п.п. Оптимальное время было экспериментально определено как ${{T}_{{{\text{п}}{\text{.п}}}}} \approx {{{\text{10}}{{l}_{{\text{в}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{10}}{{l}_{{\text{в}}}}} {{{{v}}_{{{\text{п}}{\text{.п}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{{v}}_{{{\text{п}}{\text{.п}}}}}}}.$ С помощью ЛУМ можно проверять эффективность и других очисток на действующих установках ультрафильтрации прежде, чем менять настройки промышленной УФУ.

ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА МЕМБРАННЫХ МОДУЛЕЙ

Большая площадь поверхности, низкая линейная скорость фильтрования (14–20 мкм/с), малый размер пор (0.02–0.05 мкм) обеспечивают высокое качество очистки воды при ультрафильтрации. Обратной стороной этого является подверженность мембраны сильному загрязнению. Прямая и обратная промывки не обеспечивают полного удаления загрязнений. Кроме того, доля неудаленных загрязнений растет от промывки к промывке. Поэтому на практике применяют химические очистки мембран, которые осуществляются регулярно во время механических промывок (в поток воды добавляют реагенты) и периодически (с прекращением работы установки). Для обеспечения минимальных затрат используют базовые химические реагенты (щелочь, соляную кислоту, гипохлорит натрия).

Кислотные промывки предназначены для удаления из мембран отложений, состоящих из солей жесткости. При ультрафильтрации солевой состав воды не изменяется, поэтому не следует ожидать заметных отложений солей жесткости. Однако при предварительной обработке, подогреве и коагуляции воды изменяются ее температура и рН. Как правило, рН сдвигается в кислую сторону и не провоцирует отложение солей жесткости. Кислотные промывки реализуются с применением соляной кислоты и являются самыми неудобными из химических очисток, особенно CEB по рекомендации производителей мембранных модулей и оборудования (1–2 раза в день).

Работы по оптимизации режимов эксплуатации установки ультрафильтрации проводили на Новочеркасской ГРЭС, на которой вода на нужды химического цеха поступает из водоотводного канала. Она используется для прямоточного охлаждения, и в течение бо́льшей части года ее температура составляет 20–30°С. Химический состав воды подвержен существенным колебаниям: общее солесодержание ОСС ≈ 350–750 мг/дм³, рН ≈ 7.5–8.4, щелочность Щ ≈ 2.2–4.2 мг-экв/дм³, жесткость Ж ≈ 4.5–9.2 мг-экв/дм³, концентрация кальция С_Ca ≈ 2.2 ммоль/дм³. Доля кальция в солях жесткости равна 60–67%. Средние значения показателей составляют: температура 25°С, ОСС = = 600 мг/дм³, рН = 7.9, Щ = 2.6 мг-экв/дм³, Ж = = 5.8 мг-экв/дм³.

Для оценки возможности образования карбонатных отложений используется индекс стабильности Ланжелье (LSI – Langelier Saturation Index) [6]

где рН_и, рН_р – измеренное и расчетное значение рН.

При отрицательном значении LSI вода считается стабильной и карбонатные отложения не образуются.

Значение рН_р вычисляют по формуле

где $A = {{\left( {{\text{lg}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\text{ОСС}} - {\text{1}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{\text{lg}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\text{ОСС}} - {\text{1}}} \right)} {{\text{10}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{10}}}}{\text{;}}$ B = 34.55 – 13.12 lg (t + 273); С = lg C_Са – 0.4; D = lg Щ; t – температура.

Формула (13) основана на стандартах США, ОСС при расчете по ней и концентрацию Са по СаСО₃ получают в мг/дм³.

Формулу (13) можно преобразовать в выражение, принятое в производственной практике водоподготовки:

где С_Са, Щ выражаются в моль/м³.

С учетом $\frac{t}{{273}}\,\,{\text{ < < }}\,\,1$ для линейного разложения $13.12\lg \left( {1 + \frac{t}{{273}}} \right) \approx ~ 0.02t$ и формула (14) упрощается:

Среднее значение индекса Ланжелье, рассчитанное по показателям качества воды на Новочеркасской ГРЭС, составило 0.32 и приблизилось к пороговому значению 0.5, при котором начинаются образование отложений солей жесткости и их осаждение на поверхности ультрафильтрационной мембраны. Для того чтобы уменьшить значение LSI, следовало снизить концентрацию кальция в воде. С этой целью после подогрева воду фильтровали через крупнодисперсную фильтрующую загрузку, находящуюся в контактных емкостях. При этом осаждалась нестабильная составляющая солей жесткости, снижалась более чем на 0.7 ммоль/дм³ концентрация кальция, уменьшалась щелочность. Это привело к снижению значения индекса Ланжелье на 0.3. Применение коагулянта способствовало также снижению рН на 0.2 и дополнительному уменьшению щелочности. Значение индекса Ланжелье становилось близким к нулю, вследствие чего интенсивность процессов отложения солей жесткости на поверхности мембран УФУ существенно уменьшалась. Благодаря этому стало возможным отказаться от кислотных СЕВ.

Эффективность такой технологии подтверждается стабильной многолетней работой УФУ на Новочеркасской ГРЭС. При этом длительность рабочего фильтроцикла была больше, чем его длительность с применением СЕВ без фильтрования воды через фильтрующую загрузку. Срок службы мембранных элементов существенно превысил расчетные 7 лет.

Щелочные промывки являются неотъемлемой частью работы УФУ. Они позволяют удалять из мембраны органические отложения, которые не удаляются при обратных промывках. Использование щелочи также является обязательным при проведении CIP.

Для очистки установок обратного осмоса используют кислотные и щелочные растворы на базе комплексонов. Их применение для УФУ ограничено высокой стоимостью и довольно большим количеством реагента на единицу площади обрабатываемой поверхности. На Новочеркасской ГРЭС в конце 2006–начале 2007 г. были введены в эксплуатацию три УФУ с мембранными модулями Dizzer 5000. В течение 2014–2016 гг. на двух из этих установок были проведены исследования эффективности применения реагентов, содержащих комплексонаты, для очистки мембран. Установки, на которых применяли такие реагенты, эксплуатируются до сих пор без замены мембранных модулей, а на третьей была произведена их замена.

В испытаниях были использованы кислотный раствор MF-CRO-220 и щелочной раствор MF-CRO-218 производства НПК “Медиана-Фильтр”, разработанные специально для установок ультрафильтрации в целях снижения затрат при проведении CIP. В результате исследований было установлено, что применение этих реагентов снижает $\Delta {{p}_{{{\text{тм}}}}}$ на 10–20% в зависимости от степени загрязнения мембраны. Эффективность очисток с помощью комплексонов довольно высока. Значение усредненного по времени перепада трансмембранного давления $\Delta {{\hat {p}}_{{{\text{тм}}}}}\left( \tau \right),$ который обеспечивает необходимую производительность установки, определяется по выражению

где τ_р – время работы установки; $\hat {T} = \sum \tau = \hat {N}\tau $ – среднее время между CIP-очистками; $\hat {N}$ – число фильтроциклов между очистками.

Применять реагенты следует после проведения базовой щелочной или кислотной очистки. Использование реагентов увеличивает время между последовательными CIP-очистками в среднем на 15%. Следует ожидать, что в целом увеличится срок службы мембранных модулей благодаря уменьшению суммарного времени воздействия на мембрану агрессивных очищающих растворов.

Применение реагентов на основе комплексонов для CIP-очистки УФУ позволяет значительно снизить перепад трансмембранного давления, уменьшить естественную деградацию мембраны в течение эксплуатации. При их использовании можно восстановить рабочие характеристики мембранных модулей, если не помогают стандартные CIP-очистки. Рекомендуется производить CIP-очистки с применением реагентов на базе комплексонов 2 раза в год. Частота выполнения очисток будет ограничиваться стоимостью реагентов.

Были проведены промышленные испытания щелочного раствора, содержащего детергент MF-CRO-326 для очистки мембранных элементов от нефтепродуктов. Содержание нефтепродуктов в воде, поступающей на УФУ, было незначительным (0.1 мг/дм³). Применение реагента MF-CRO-326 привело к снижению $\Delta {{\hat {p}}_{{{\text{тм}}}}}$ на 4%. Это значение находится в пределах погрешности измерения и расчета $\Delta {{\hat {p}}_{{{\text{тм}}}}}.$ Таким образом, надежный положительный эффект не был зарегистрирован, что связано с низким содержанием нефтепродуктов в исходной воде. Применение реагента MF-CRO-326 возможно на установках ультрафильтрации, где в исходной воде содержится значительное количество нефтепродуктов, либо для очистки установки, которая подвергалась воздействию залповых выбросов нефтепродуктов.

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ФИЛЬТРОВАНИЯ

Расход фильтрата Q_ф в ультрафильтрационной установке описывается уравнением

где J_ф – удельный расход фильтрата; dS_ф = dzdrdφ; z, r, φ – цилиндрические координаты волокна; р – давление; τ_ф – время фильтрования.

В этой формуле учитывается зависимость проницаемости мембраны $I\left( {z{\text{,}}{{\tau }_{{\text{ф}}}}} \right) = \frac{{\partial {{J}_{{\text{ф}}}}}}{{\partial p}}$ от неоднородности загрязнения и времени, которая в процессе фильтрования уменьшается. Для обеспечения постоянной производительности УФУ увеличивают трансмембранное давление согласно выражению

Технология ультрафильтрации предусматривает тупиковый и тангенциальный режимы фильтрования (рис. 5). Тангенциальный режим предполагает фильтрование со сбросом части исходной воды (см. рис. 5, в) и без него (см. рис. 5, б). В первом случае

Во втором случае Q_к = 0.

Тангенциальная скорость u(z), т.е. линейная скорость потока воды над мембраной, определяется выражением

где

– расход воды над мембраной в точке с координатой z.

В формуле (21) множитель ${z \mathord{\left/ {\vphantom {z {{{l}_{{\text{в}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{l}_{{\text{в}}}}}}$ учитывает уменьшение расхода воды вследствие отбора фильтрата. Это предполагает, что удельная производительность мембраны постоянна, что не всегда обосновано из-за ее неоднородного загрязнения. При граничных условиях $\tilde {Q}\left( {\text{0}} \right) = {{Q}_{{{\text{вх}}}}}{\text{,}}$ $u\left( {\text{0}} \right) = {{u}_{{{\text{вх}}}}}{\text{,}}$ $\tilde {Q}\left( {{{l}_{{\text{в}}}}} \right) = {{Q}_{{\text{р}}}} + {{Q}_{{\text{к}}}}{\text{,}}$ $u\left( {{{l}_{{\text{в}}}}} \right) = {{u}_{{{\text{вых}}}}}$ расходы рециркуляции и сбрасываемого концентрата составляют ${{Q}_{{\text{р}}}} = {{\xi }_{{\text{р}}}}{{Q}_{{\text{ф}}}}{\text{,}}$ ${{Q}_{{\text{к}}}} = {{\xi }_{{\text{к}}}}{{Q}_{{\text{ф}}}}$ (здесь ${{\xi }_{{\text{р}}}}$ – коэффициент рециркуляции; ${{\xi }_{{\text{к}}}}$ – коэффициент сброса концентрата).

Расчет скоростей удобно выполнить через базовую проектную удельную производительность J_ф и площадь фильтрующей поверхности мембранного элемента S_ф:

Данная модель позволяет описать и режим тупикового фильтрования. При $\tilde {Q}\left( {\text{0}} \right) = {{Q}_{{{\text{вх}}}}} = {{Q}_{{\text{ф}}}}{\text{,}}$ $\tilde {Q}\left( {{{l}_{{\text{в}}}}} \right) = {\text{0,}}$ $u\left( {{{l}_{{\text{в}}}}} \right) = {{u}_{{{\text{вх}}}}}{\text{,}}$ $u\left( {{{l}_{{\text{в}}}}} \right) = {\text{0}}$ этот режим не является чисто тупиковым, так как значение продольной компоненты довольно велико

При удельном расходе фильтрата J_ф ≈ ≈ 60 дм³/(м² · ч) линейная скорость потока воды на входе в УФУ u_вх ≈ 0.1 м/с является существенной. На значительной части волокна этот поток приводит к взрыхлению легких прилегающих к поверхности веществ, препятствуя снижению удельной производительности мембраны. При этом происходит унос загрязнений и повышение их концентрации в следующих по ходу движения потока областях. Очевидно, это приводит к неравномерному загрязнению поверхности мембраны. Динамику образования отложений в волокне можно отобразить выражением

где α характеризует образование отложений при фильтровании через волокно; β – безразмерный коэффициент; ρ(z) – плотность отложений; $z{\kern 1pt} '$ – параметр неоднородности отложений.

Значение α пропорционально концентрации взвешенных частиц. Второй член в уравнении (25) описывает унос отложений, третий – их поступление вследствие уноса из других областей. С учетом (24) для качественного описания процессов интеграл в уравнении (25) можно аппроксимировать в первом приближении

где γ, δ – безразмерные коэффициенты.

При начальном условии ρ(z, 0) = 0 решение уравнения (26) выглядит следующим образом:

где $\omega \left( z \right) = {{u}_{{{\text{вх}}}}}\left[ { - \beta + \left( {{\beta \mathord{\left/ {\vphantom {\beta {{{l}_{{\text{в}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{l}_{{\text{в}}}}}} + \gamma } \right)z - \delta {{z}^{2}}} \right].$

На первоначальном этапе фильтрования ω(z) << 1 и происходит простое линейное однородное отложение загрязнений на поверхности волокна, после которого начинается нелинейный режим в динамике отложений (рис. 6). Он сопровождается образованием неоднородности с максимумом ${{z}_{{{\text{max}}}}} = {{\left( {{\beta \mathord{\left/ {\vphantom {\beta {{{l}_{{\text{в}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{l}_{{\text{в}}}}}} + \gamma } \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{\beta \mathord{\left/ {\vphantom {\beta {{{l}_{{\text{в}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{l}_{{\text{в}}}}}} + \gamma } \right)} {\left( {{\text{2}}\delta } \right)}}} \right. \kern-0em} {\left( {{\text{2}}\delta } \right)}}{\text{.}}$ Фильтрование на взвешенном слое осадка дополнительно увеличивает неоднородность отложений. При этом снижается эффективность фильтрования, происходит быстрый рост перепада трансмембранного давления, увеличивается вероятность разрыва волокон, что ограничивает применение технологии ультрафильтрации при увеличении концентрации взвешенных и коллоидных частиц.

Решение этой проблемы – применение тангенциального режима фильтрования при ${{\xi }_{{\text{р}}}} \ne {\text{0,}}$ что позволяет оставлять загрязняющие вещества во взвешенном слое и снижать количество отложений на мембране. Использование тангенциального режима обеспечивает на выходе из волокна скорость $u\left( {{{l}_{{\text{в}}}}} \right) = \frac{{{\text{4}}{{l}_{{\text{в}}}}}}{{{{d}_{{\text{в}}}}}}{{\theta }_{{J{v}}}}{{J}_{{\text{ф}}}}{{\xi }_{{\text{р}}}},$ которая при достаточном значении ${{\xi }_{{\text{р}}}}$ предотвращает образование неоднородностей внутри волокна и способствует стабильному режиму фильтрования. Проводимые на пилотных установках исследования показали, что вплоть до концентраций взвешенных частиц 200 мг/дм³ коэффициент рециркуляции должен составлять ${{\xi }_{{\text{р}}}}$ = 0.5–0.7. Эти режимы работы УФУ были реализованы на Новочеркасской ГРЭС при концентрации взвешенных частиц 15–180 мг/дм³. Для высоких значений (более 30 мг/дм³) средний перепад трансмембранного давления в тангенциальном режиме при ${{\xi }_{{\text{р}}}}$ = 0.5 ниже, чем в тупиковом. В тангенциальном режиме эксплуатации УФУ увеличивается продолжительность фильтрования τ_ф, уменьшается число химических промывок, снижается вероятность разрывов волокон. Срок службы ультрафильтрационных мембранных элементов на Новочеркасской ГРЭС оказался больше, чем на водоподготовительных установках других ТЭС с использованием технологии ультрафильтрации в тупиковом режиме.

ВЫВОДЫ

1. Для эффективного подбора режимов фильтрования, прямой и обратной промывок могут применяться лабораторные ультрафильтрационные модули.

2. При оптимизации кислотных промывок рекомендуется рассчитывать индекс стабильности карбоната кальция (индекс Ланжелье).

3. Для снижения интенсивности отложений в установке ультрафильтрации при существенно нестабильной исходной воде может быть использовано предварительное фильтрование воды через зернистую загрузку.

4. Оптимизация режимов работы ультрафильтрационных установок и предварительная обработка воды во многих случаях позволяют отказаться от непродолжительных кислотных очисток и ограничиться продолжительными кислотными очистками, что существенно упрощает эксплуатацию установки.

5. Качество работы ультрафильтрационных установок может быть повышено благодаря применению продолжительных кислотных и щелочных очисток на основе комплексонов с периодичностью применения 2 раза в год.

6. При тупиковом режиме фильтрования значительная часть отложений собирается в центральной части волокна. Естественным способом борьбы с этими отложениями является организация тангенциального режима фильтрования.

7. При нестабильном качестве исходной воды и повышенном содержании взвешенных и коллоидных частиц (более 30 мг/дм³) эффективным режимом является тангенциальное фильтрование, которое применяется при очистке стоков.