Теоретические основы химической технологии, 2019, T. 53, № 2, стр. 168-173
Моделирование процесса ультрафильтрации с учетом продольного перемешивания очищаемого раствора
А. Б. Голованчиков 1, Н. А. Прохоренко 1, *, Доан Минь Кыонг 1
1 Волгоградский государственный технический университет
Волгоград, Россия
* E-mail: natasha292009@yandex.ru
Поступила в редакцию 13.03.2017
После доработки 16.08.2018
Принята к публикации 21.06.2018
Аннотация
На основании дифференциальных уравнений материального баланса выведены формулы технологических и геометрических параметров ультрафильтрационного процесса с учетом продольной диффузии молекул растворенного вещества в очищаемом растворе. Проведена оценка влияния продольной диффузии на концентрацию молекул растворенного вещества в пермеате и ретентате в сравнении с режимами идеального вытеснения и смешения.
ВВЕДЕНИЕ
Типовые методы расчета ультрафильтрационных мембран основаны на режиме идеального вытеснения по очищаемому раствору, движущемуся под полупроницаемой перегородкой [1–3]. Для нейтрализации эффекта концентрационной поляризации часто применяют вибрацию, статические и динамические перемешивающие устройства, приводящие к значительному отклонению структуры потока очищаемого раствора от идеального вытеснения [4–8].
Аналогичные гидромеханические процессы в массообменных аппаратах и химических реакторах, занимающие промежуточное положение по структуре потоков между идеальным вытеснением и смешением, описываются так называемой однопараметрической диффузионной моделью или моделью с продольной диффузией [3, 4, 9–11].
Целью настоящей работы моделирование и создание алгоритма расчетов технологических и геометрических параметров ультрафильтрационного аппарата со структурой потока продольной диффузии очищаемого раствора.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
На рис. 1 изображена схема ультрафильтрационного аппарата с материальными потоками и их концентрациями.
Выделим на длине z от входа аппарата сечения I–I и II–II с расстоянием между ними dz.
Составим элементарный материальный баланс по раствору для выделенного объема $dV = bhdz$ (обозначения параметров приведены в табл. 1):
где $G = ({{a}_{m}}{{{{\mu }_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\mu }_{0}}} \mu }} \right. \kern-0em} \mu })\Delta p$ – удельная производительность по пермеату.Таблица 1.
№ | Наименование параметра | Размерность | Обозна-чение | Величина | ||
---|---|---|---|---|---|---|
Исходные данные | ||||||
1 | Производительность по исходному раствору | кг/с | GH | 0.2 | ||
2 | Начальная концентрация молекул ацилазы в исходном растворе | кг(А)/кг(GH), % | ХH | 0.015 | ||
3 | Конечная концентрация молекул ацилазы в исходном растворе | кг(А)/кг(Lk), % | Хk | 0.15 | ||
Идеальный вытеснитель ${\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} \to \infty $ |
Продольное перемешивание ${\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} = 100$ |
Идеальный смеситель ${\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} \to 0$ |
||||
Расчетные параметры | ||||||
1 | Производительность по пермеату на выходе | кг/с | Lрk | 1.802 × 10–1 | 1.805 × 10–1 | 1.809 × 10–1 |
2 | Производительность по ретентату на выходе | кг/с | Lk | 1.977 × 10–2 | 1.955 × 10–1 | 1.9095 × 10–2 |
3 | Концентрация молекул ацилазы в пермеате на выходе | кг(А)/кг(Lpk), % | xрk | 1.915 × 10–4 | 5.26 × 10–4 | 7.5 × 10–4 |
4 | Концентрация молекул ацилазы в ретентате на выходе | кг(А)/кг(Lk), % | xk | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
5 | Поверхность мембраны | м2 | Fm | 668.7 | 670.6 | 671.2 |
Решение после алгебраических преобразований и интегрирования с учетом граничного условия: z = 0, L = GH принимает вид
Аналогичный элементарный материальный баланс по молекулам растворенного вещества с учетом скорости продольной диффузии VD принимает следующий вид:
Проведя алгебраические преобразования и отбрасывая бесконечно малые высших порядков, приходим к выражению
(2)
$\begin{gathered} x\frac{{dL}}{{dz}}dz + L\frac{{dx}}{{dz}}dz + bh\frac{{d{{V}_{D}}}}{{dz}}dz + \\ + \,\,bGdz(1 - \varphi )x = 0. \\ \end{gathered} $По аналогии с уравнением скорости молекулярной диффузии (первым законом Фика), заменяя коэффициент молекулярной диффузии коэффициентом продольной диффузии Dl [3, 4], получаем
Тогда вышеупомянутое выражение (2) с учетом уравнения скорости продольной диффузии после алгебраических преобразований принимает форму неоднородного дифференциального уравнения II порядка [12]:
(3)
$bh{{D}_{l}}\rho \frac{{{{d}^{2}}x}}{{d{{z}^{2}}}} = L\frac{{dx}}{{dz}} - bGx + bG{{x}_{{pz}}}{\text{.}}$Так как расходы пермеата и ретентата связаны интегральным уравнением
общий расход пермеата описывается формулой
а концентрации в пермеате и ретентате молекул растворенного вещества уравнением
то, переходя к безразмерной длине $Z = {z \mathord{\left/ {\vphantom {z l}} \right. \kern-0em} l},$ получаем неоднородное дифференциальное уравнение II порядка [10]:
(7)
$\frac{1}{{{\text{P}}{{{\text{e}}}_{{\text{0}}}}}}\frac{{{{d}^{2}}x}}{{d{{Z}^{2}}}} = \left( {1 - \frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}Z} \right)\frac{{dx}}{{dZ}} - \frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}\phi x,$Особенностью выражения для Пекле Pe0 в отличие от числа Пекле продольной диффузии при расчете массообменных процессов и химических реакторов [7–9] является то, что скорость ${{V}_{0}} = {{{{G}_{H}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{G}_{H}}} {\rho bh}}} \right. \kern-0em} {\rho bh}},$ т.е. относится к начальному участку Z = 0 с известными граничными условиями [7–9, 11, 12]:
(8)
$Z = 0,\,\,{{x}_{H}} = {{x}_{b}} - \frac{1}{{{\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}}}}\left( {\frac{{dx}}{{dZ}}} \right),$При ${\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} \to \infty $ или ${{D}_{l}} \to 0$ режим течения соответствует идеальному вытеснению, тогда ${{x}_{b}} = {{x}_{H}},$ т.е. скачка концентрации на входе нет. При ${\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} \to 0$ или ${{D}_{l}} \to \infty $ режим течения соответствует идеальному смешению ${{x}_{b}} = {{x}_{k}},$ т.е. скачок концентрации на входе наибольший.
Второе граничное условие:
Неоднородное дифференциальное уравнение II порядка (7) с граничными условиями (8) и (9) не имеет аналитического решения.
Алгоритм численного решения уравнения (7) может быть следующий.
I. Сначала решаем уравнение (7) при Rel → ∞, ${{D}_{l}} \to 0,$ т.е. для идеального вытеснения по раствору:
(10)
$\left( {1 - \frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}Z} \right)\frac{{dx}}{{dz}} = \left( {\frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}} \right){{\varphi }^{2}}x,$с граничным условием $Z = 0,\,\,x = {{x}_{H}}.$
Собственный интеграл последнего дифференциального уравнения имеет следующий вид:
(11)
$x = {{{{x}_{H}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{x}_{H}}} {{{{\left[ {1 - \left( {\frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}} \right)Z} \right]}}^{\phi }}}}} \right. \kern-0em} {{{{\left[ {1 - \left( {\frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}} \right)Z} \right]}}^{\phi }}}}.$При $Z = 1,\,\,x = {{x}_{K}},$ и последнее уравнение решается относительно расхода пермеата на выходе:
(12)
${{L}_{{pk}}} = {{G}_{H}}\left[ {1 - {{{\left( {\frac{{{{x}_{H}}}}{{{{x}_{k}}}}} \right)}}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 \varphi }} \right. \kern-0em} \varphi }}}}} \right].$Тогда необходимая площадь ультрафильтрационной мембраны определяется по уравнению
а концентрация молекул растворенного вещества в пермеате на выходе:
(14)
${{x}_{{pk}}} = {{\left[ {{{G}_{H}}{{x}_{H}} - ({{G}_{H}} - {{L}_{{pk}}}){{x}_{k}}} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left[ {{{G}_{H}}{{x}_{H}} - ({{G}_{H}} - {{L}_{{pk}}}){{x}_{k}}} \right]} {{{L}_{{pk}}}}}} \right. \kern-0em} {{{L}_{{pk}}}}}.$Для определения зависимости концентрации молекул растворенного вещества от координаты z в пермеате составим материальный баланс для произвольного сечения от начала координат:
где в числителе массовый расход молекул растворенного вещества, прошедших сквозь мембрану при ее истинной селективности φ, в знаменателе – массовый расход пермеата.После подстановки значения х из выражения (13) и интегрирования получаем уравнение зависимости концентрации молекул растворенного вещества в пермеате от безразмерной координаты длины Z:
(15)
${{x}_{p}} = \frac{{\frac{{{{x}_{H}}}}{{\left( {{{{{L}_{{pk}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{L}_{{pk}}}} {{{G}_{H}}}}} \right. \kern-0em} {{{G}_{H}}}}} \right)}}\left[ {1 - {{{\left( {1 - \frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}Z} \right)}}^{{1 - \varphi }}}} \right]}}{Z}.$При Z = 1 концентрация на выходе определяется в виде
(16)
${{x}_{{pk}}} = \frac{{{{x}_{H}}}}{{\left( {{{{{L}_{{pk}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{L}_{{pk}}}} {{{G}_{H}}}}} \right. \kern-0em} {{{G}_{H}}}}} \right)}}\left[ {1 - {{{\left( {1 - \frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}} \right)}}^{{1 - \varphi }}}} \right].$Формулы (14) и (16) тождественны и дают одинаковые результаты при расчетах ${{x}_{{pk}}}.$
II. Рассматриваем вариант идеального смешения по раствору, находящемуся над ультрафильтрационной мембраной, т.е. при ${\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} \to 0,\,\,{{D}_{l}} \to \infty .$ В этом случае
(17)
$x = {{x}_{k}},\,\,{{x}_{p}} = {{x}_{{pk}}}\,\,{\text{и }}\,\,{{x}_{{pk}}} = {{x}_{k}}(1 - \varphi ).$Из совместного решения общих уравнений материального баланса
получаем расчетные формулы для расходов пермеата
и ретентата
Поверхность ультрафильтрационной мембраны определяется для режима идеального смешения по формуле (13). При селективности мембраны $\varphi \to 1$ расчеты расходов пермеата по формуле (12) для идеального вытеснения и (16) для идеального смешения дают практически одинаковые результаты, а значит, это же касается и расходов ретентата и поверхности мембраны (см. табл. 1). Отличие связано с концентрациями растворенного вещества пермеата на выходе, рассчитываемыми по формулам (14) или (16) для идеального вытеснения и (17) для идеального смешения. Проскок молекул растворенного вещества в пермеат при идеальном вытеснении в несколько раз меньше, чем при идеальном смешении (см. результаты расчетов в табл. 1). Поэтому, когда целевым продуктом является пермеат с допускаемой концентрацией молекул растворенного вещества, продольная диффузия ухудшает качество пермеата по концентрации этих молекул.
III. Рассматриваем вариант продольного смешения для $0 < {\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}} < \infty .$
Переводим дифференциальное уравнение (7) в численный вид:
(20)
$\begin{gathered} {{g}_{{i + 1}}} = {{g}_{i}} + {\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}}\left( {1 - \frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}{{Z}_{i}}} \right){{g}_{i}}\Delta Z - \\ - \,\,\left( {\frac{{{{L}_{{pk}}}}}{{{{G}_{H}}}}} \right){\text{P}}{{{\text{e}}}_{0}}\varphi {{x}_{i}}\Delta Z, \\ \end{gathered} $и определяем ${{g}_{1}} = ({{x}_{b}} - {{x}_{H}}){\text{P}}{{{\text{e}}}_{l}}{\text{:}}$
Тогда
Правильный выбор ${{x}_{b}}$ определяется из условия
с заданной точностью. Это можно сделать, используя метод половинного деления. Концентрации ${{x}_{{i + 1}}}$ на каждой итерации можно определить следующим образом: ${{x}_{{i + 1}}} = {{x}_{i}} + {{g}_{i}}\Delta Z.$
Для определения зависимости концентрации молекул растворенного вещества в пермеате от безразмерной длины Z составим элементарный материальный баланс в выбранном сечении длиной dZ (рис. 1) и возьмем определенные интегралы от левой и правой частей:
или в численном виде:
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты расчетов по вышеприведенному алгоритму в виде графиков зависимостей концентрации молекул в пермеате и входной концентрации этих молекул в ретентате от числа Пекле Pe0 приведены на рис. 2. Как видно из первого графика, концентрация молекул в пермеате в значительной степени зависит от числа Пекле Pe0 и продольной диффузии, т.е. перемешивание исходного раствора в процессе ультрафильтрации, с одной стороны, снижает концентрационную поляризацию, а с другой, ухудшает качество пермеата.
Другая особенность продольной диффузии связана со скачком концентрации исходного раствора на входе. Величина этого скачка тем больше, чем меньше число Pe0, и изменяется от нуля для режима идеального вытеснения до наибольшего значения в режиме идеального смешения ${{x}_{b}} = {{x}_{k}}$ (рис. 2, кривая 2). Профили концентраций молекул ацилазы в ретентате и пермеате в зависимости от относительной длины мембраны приведены на рис. 3 и 4. Как видно из этих рисунков, с уменьшением числа Pe0 (увеличением коэффициента продольной диффузии Dl) эти концентрации в обоих случаях возрастают с ростом относительной длины Z, при этом градиент концентрации молекул ацилазы в ретентате на выходе при Z = 1 не равен нулю, как это имеет место в массообменных и реакторных процессах (это одно из граничных условий $\frac{{dc}}{{dz}} = 0$ при решении дифференциальных уравнений второго порядка, аналогичных дифференциальному уравнению (7) в массообменных и реакторных процессах, учитывающих продольную диффузию [7–12]). Однако мы в работах [11, 12] показали, что вместо безградиентного условия (21) можно использовать градиентное граничное условие при Z = 1. Последнее и имеет место в мембранных процессах с диффузионной структурой потока. Нельзя не обратить внимания и еще на одну особенность, связанную с резким возрастанием концентрации молекул ацилазы в пермеате по длине мембраны при режимах, близких к идеальному вытеснению. Поэтому для получения раствора пермеата повышенной чистоты можно помимо использования мембраны с высокой селективностью и снижением степени концентрирования ретентата провести секционирование приемной камеры, в которую отбирается пермеат. Тогда в первых секциях по ходу течения ретентата будет отбирать пермеат с концентрациями растворенных молекул в 2–3 раза меньше, чем на выходе.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
a | константа проницаемости мембраны по чистой воде, кг/(м2 с МПа) |
Dl | продольная диффузия, м2/с |
F | площадь ультрафильтрационной мембраны, м2 |
Fm | поверхность мембраны, м2 |
G | удельная производительность по растворителю, кг/м2 |
GH | производительность по исходному раствору, кг/с |
gb | градиент концентрации молекул ацилазы в ретентате на входе, % |
gi | градиент концентрации молекул растворенного вещества в ретентате |
h | высота ретентата над мембраной, м |
Lk | производительность по ретентату на выходе, кг/с |
Lрk | производительность по пермеату на выходе, кг/с |
l | общая длина, м |
p | рабочий перепад давления, МПа |
t | рабочая температура, °С |
VD | скорость продольной диффузии, м/с |
ХH | начальная концентрация молекул ацилазы в исходном растворе, % |
Хk | конечная концентрация молекул ацилазы в исходном растворе, % |
х | техническая концентрация ретентата, % |
хpz | локальная концентрация молекул растворенного вещества под мембраной, % |
xрk | концентрация молекул ацилазы в пермеате на выходе, % |
xk | концентрация молекул ацилазы в ретентате на выходе, % |
xb | концентрация молекул ацилазы в ретентате на входе, % |
y | истинная селективность мембраны УАМ-150 по молекулам ацилазы |
Z | безразмерная длина |
$\mu $ | динамическая вязкость раствора, Па с |
${{\mu }_{0}}$ | динамическая вязкость чистой дистиллированной воды, Па с |
$\nu $ | кинематическая вязкость раствора, м2/с |
ρ | плотность водного раствора ацилазы, кг/м3 |
φ | истинная селективность |
Pe0 | число Пекле |
Список литературы
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. М.: Химия, 1983.
Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969.
Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1976.
Лобасенко Б.А., Семенов А.Г. Математическая модель ультрафильтрации с учетом гелеобразования в условиях периодической очистки мембраны // Техника и технология пищевых производств. 2010. № 3. С. 137.
Масленников В.А., Осадчий Ю.П., Маркелов А.В., Гришута А.С. Математическая модель процесса разделения отработанного моторного масла на компоненты ультрафильтрацией // Приволжский научный журнал. 2013. № 3. С. 39.
Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Кудрявцев В.А., Кувардина Е.М. Моделирование процесса ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы // Известия вузов. Пищевая технология. 2004. № 2–3. С. 74.
Лисовой В.В. Математическое моделирование процесса ультрафильтрации в малоотходной технологии переработки водных биоресурсов // Новые технологии. 2011. № 2. С. 39.
Богомолов В.Ю., Кочетов В.И., Лазарев С.И. Расчет элементов мембранного агрегата для очистки промышленных растворов и стоков методом ультрафильтрации // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2015. № 2(56). С. 195.
Голованчиков А.Б., Коберник А.А., Залипаева О.А., Меренцов Н.А. Ионообмен в аппарате непрерывного действия с диффузионной структурой потока по жидкости // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015. Т. 8. № 1(154). С. 39.
Голованчиков А.Б., Прохоренко Н.А., Карев В.Н. Алгоритм расчета насадочной ректификационной колонны с учетом продольного перемешивания по жидкой фазе // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. 2016. № 3(182). С. 14.
Голованчиков А.Б., Меренцов Н.А. Моделирование насадочной экстракционной колонны с диффузионной структурой потока по сплошной фазе // Химическая технология. 2016. Т. 17. № 8. С. 377.
Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. 12-е изд. М.: Наука, 1977.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Теоретические основы химической технологии