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/ч |
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/ч |
0,65 |
0,49 |
0,65 |
0,23 |
|
G0, м3/ч |
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 |
| pН |
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
- Ахназарова С.А, Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. – М.: Высшая школа, 1978.
- Мембранные фильтрующие элементы. Официальный сайт «Индустриальные Системы Водоподготовки». URL: http://www.waterpurification.ru/content/nasha-produktsiya/membrannyye-filtruyushiye-elyemyenty (дата обращения: 12.10.2016)
- 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)