УДК 66.081.63

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ОБРАТНОГО ОСМОСА НА КАЧЕСТВО ПЕРМЕАТА

Белкина Екатерина Александровна1, Одоевцева Марина Вячеславовна1
1Волжский филиал Московского Энергетического Университета, магистрант

Аннотация
В статье представлены результаты планирования двухфакторного эксперимента по исследованию влияния режимов работы установки обратного осмоса на качество пермеата. На основании расчетных данных выбраны оптимальные режимы работы двухступенчатой установки обратного осмоса, что дает возможность повысить качество пермеата, снизить энергопотребление и затраты на замену мембран, а также сократить потребление исходной (питьевой) воды, путем целевого применения концентрата в действующей схеме.

Ключевые слова: двухфакторный эксперимент, мембранные элементы, метод планирования эксперимента, обратный осмос, численные методы


INFLUENCE RESEARCH OF REVERSE OSMOSIS MODES ON PERMEATE QUALITY

Belkina Ekaterina Aleksandrovna1, Odoyevtseva Marina Vyacheslavovna1
1Volzhskiy branch of Moscow Energy University, master degree student

Abstract
The article presents the results of the planning of two-factor experiment on the influence of modes of reverse osmosis permeate quality. Based on the calculated data selected optimal operating conditions two-stage reverse osmosis, which makes it possible to improve the quality of permeate, reduce energy consumption and the cost of replacing the membranes, as well as reduce the consumption of the original (drinking) water, by the intended use of the concentrate in the existing scheme.

Библиографическая ссылка на статью:
Белкина Е.А., Одоевцева М.В. Исследование влияния режимов работы установки обратного осмоса на качество пермеата // Современная техника и технологии. 2016. № 11. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2016/11/10754 (дата обращения: 02.10.2017).

руководитель Одоевцева Марина Вячеславовна, к.т.н.,

Филиал МЭИ в г. Волжском

Поскольку режимы работы комбинированной установки кондиционирования рабочего тела (ВПУ) влияют на качество рабочего тела, объемы потребления воды и на собственные нужды установки, затраты на закупку мембран и экономию энергоресурсов на участке подготовки воды промышленного предприятия, то представляет интерес оценить возможность регулирования режимов таких установок.

В работе использован метод планирования эксперимента [1, с.159]. Сочетание Na-катионитных фильтров и обратноосмотических установок проявляет достичь исключительно стабильных результаты работы водоподготовительной установки (ВПУ): качество фильтрата изменяется незначительно, химические промывки установки обратного осмоса проводятся реже, чем в полгода [3].

Преимущество данного метода заключается в том, что он позволяет установить взаимосвязь влияния сразу нескольких факторов на изучаемый объект. Задача метода заключается в нахождении регрессионного уравнения, пригодного для достаточно точного расчета параметров исследуемого процесса в принятых интервалах изменения факторов. При выборе факторов и интервалов их варьирования необходимо учитывать возможные ограничения технологического, экологического и экономического характера.

Численные исследования проводились с использованием программы «Hydranautics» для установки обратного осмоса состоящей из 2 аппаратов 1-ой ступени и одного аппарата 2-ой ступени. Характеристики мембраны приведены в таблице 1, где Рмакс. раб. – максимальное рабочее давление, Тмакс. раб  - максимальная рабочая температура [2].

Таблица 1- Характеристики мембраны

Тип элемента

Диаметр,

мм

Длина,

мм

Рмакс. раб,

МПа

Производи-тельность,

л/ч

Селектив-ность,

%

Тмакс. раб.,

  СРА2-4040

99

  1016

4,1

379,2

99,5

45

Для получения математического описания процесса используется двухфакторный эксперимент. Исходной водой для 1-й ступени является умягченная вода, для 2-й ступени – пермеат 1-й стадии установки обратного осмоса. Исследования проводились с учетом влияния двух факторов:

Х1 – температура. Была задана в пределах 15-35 0С.

Х2 – конверсия. Была задана в пределах 35-50%.

При проведении численного эксперимента учитывался ионный состав воды реки Волга. На основании метода планирования эксперимента, была построена таблица 2, в которой отражены результаты исследования влияния температуры и конверсии на производительность установки обратного осмоса по пермеату. С использованием матрицы планирования определены коэффициенты уравнения регрессии, описывающее взаимосвязь производительности установки обратного осмоса от температуры и конверсии: Y=19,39+3,5·х1 + 0,21·х12-0,29·х22

Адекватность модели оценивалась с использованием критерия Фишера. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии осуществлялась с помощью критерия Стьюдента [1, с.40-67].

Таблица 2 – Матрица планирования и результаты исследования часового расхода энергии (W0) и производительности установки обратного осмоса по пермеату (Gперм).

Номер опыта

Исследуемые факторы

Gперм,

м3

W0 , кВт/ч

В условных единицах

В физических величинах

Х1

Х2

Х1

Х2

-1

-1

35

15

0,16

6,7

+1

-1

50

15

0,23

7,3

-1

+1

35

35

0,16

3,5

+1

+1

50

35

0,23

4,1

-1

-1

42.5

25

0,19

4,9

+1

-1

50

25

0,23

5,4

-1

+1

35

25

0,16

4,8

+1

+1

42.5

35

0,19

3,7

0

0

42.5

15

0,19

6,8

Графическое отображение влияния температуры и конверсии на производительность представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние температуры и конверсии на производительность установки обратного осмоса по пермеату.

Уравнение регрессии, описывающее влияние температуры и конверсии на часовой расход энергии установки обратного осмоса имеет вид:

Y=4,95+0,3·х1 -1,58·х2+ 0,15·х12+0,30·х22-0,10·х1·х2

Графическое отображение влияния температуры и конверсии на часовой расход энергии установки обратного осмоса представлено на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Влияние температуры и конверсии на часовой расход энергии установки обратного осмоса.

Из рисунка 2 видно, что определяющим фактором является температура. При любой температуре будет формироваться требуемое качество воды, но для достижения минимального расхода энергии при большой температуре нужно учитывать и конверсию. Наибольшая эффективность работы установки обеспечивается при температуре не более 25 °С, конверсии 37-47%

На основании результатов планирования определены режимы работы установки обратного осмоса (таблица 3) и качество пермеата и концентрата после первой и второй ступени предлагаемой установки обратного осмоса (таблица 4).

Таблица 3 – Основные параметры действующей и предлагаемой схемы установки обратного осмоса

Показатели

Действующая схема

Предлагаемая схема

1 ступень

2 ступень

1 ступень

2 ступень

рНисх

8,2

8,2

8,2

8,2

Gперм, м3

0,65

0,49

0,65

0,23

G0, м3

1,3

0,7

0,9

0,5

t, °С

35,0

35,0

Конверсия, %

50,0

75,0

50,0

50,0

Количество мембран, шт

2

1

2

1

Часовой расход, кВт/ч

5,8

4,6

Таблица 4 – Качество пермеата и концентрата после первой и второй ступени предлагаемой установки обратного осмоса.

Показатели качества воды

Пермеат

Концентрат

1 ступень

2 ступень

1 ступень

2 ступень

Ca2+, мг/дм3

0,2

0,001

0,3

0,001

Na+, мг/дм3

1,4

0,08

196,6

0,8

HCO3-, мг/дм3

2,4

0,2

216,6

4,7

Cl-, мг/дм3

0,7

0,03

111,8

1,4

SO42-, мг/дм3

0,1

0,001

84,9

0,3

SiO2, мг/дм3

0,02

0,001

3,4

0,0

Солесодержание, мг/дм3

4,7

0,3

616,2

9,1

6,5

5,6

8,4

6,8

Результаты численного моделирования показывают, что смена режима работы установки гарантирует:

-  высокое качество пермеата. Солесодержание пермеата предлагаемой схемы в 3,5 раза меньше, чем у действующей.

-  сокращение количества потребляемой питьевой воды, путем возврата концентрата в голову предлагаемой установки в объёме 0,4 м3/час

-  снижение давления перед мембраной предлагаемой установки, что приведет к увеличению продолжительности работы мембран и снижению энергопотребления в 1,2 раза установки в целом.


Библиографический список
  1. Ахназарова С.А, Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. – М.: Высшая школа, 1978.
  2. Мембранные фильтрующие элементы. Официальный сайт «Индустриальные Системы Водоподготовки». URL: http://www.waterpurification.ru/content/nasha-produktsiya/membrannyye-filtruyushiye-elyemyenty (дата обращения: 12.10.2016)
  3. Загретдинов И.Ш., В.В. Тропин, О.В. Симорова, А.А. Пантелеев и др. Ресурсосберегающие и энергоэффективные схемы в промышленной водоподготовке. Официальный сайт «НПК Медиана-Фильтр». URL: http://www.mediana-filter.ru (дата обращения: 15.10.2016)


Все статьи автора «Белкина Екатерина Александровна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: