CC BY
20
УДК 541.183
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЕССОЛИВАНИЯ ДОБАВОЧНОЙ ВОДЫ БЛОЧНОЙ ТЭС МЕТОДОМ НАНОФИЛЬТРАЦИИ
© 2013 г. А.Г. Шишло
Шишло Анна Геннадьевна - аспирант, Южно-Российский Shishlo Anna Gennadievna - post-graduate student, South-государственный технический университет (Новочеркас- Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic ский политехнический институт). Institute).
Рассмотрены вопросы обессоливания природной воды методом нанофильтрации для целей технического водоснабжения теплоэнергетических предприятий, в частности, подготовки добавочной воды блочных ТЭС. Учитывая многофакторность данного процесса, определение оптимальных параметров проведения обессоливания природной воды с высоким содержанием природных органических веществ было осуществлено с использованием методов планирования эксперимента.
Ключевые слова: тепловые электрические станции; добавочная вода; обессоливание; нанофильтрация.
The issues of natural water desalination by nanofiltration for water supply of thermal power enterprises, in particular, the training of additional water block TPP. Given the multifactorial process of determining the optimum parameters of the desalination of natural water with a high content of natural organic matter was carried out using the methods of experimentation planning.
Keywords: thermal power plants; additional water; desalting; nanofiltration.
В настоящее время баромембранные технологии в области обработки воды находят все большее применение как в нашей стране, так и за рубежом. Это обусловлено неуклонным снижением качества вод поверхностных водоемов, требующим применения новых технологий очистки воды, позволяющих обеспечить даже при низком качестве исходной воды соответствие качества очищенной воды принятым мировым стандартам в области питьевого и технического водоснабжения. Еще одним немаловажным фактором в пользу развития баромембранных технологий является их экологичность - практически полное отсутствие вторичных загрязнений, соответственно, минимизация нагрузки на окружающую среду.
Учитывая, что на процесс обессоливания природной воды методом нанофильтрации влияет множество факторов, включая характеристики исходной воды и условия ее предварительной подготовки перед подачей в баромембранную ячейку, определение оптимальных параметров проведения процесса обессоли-вания природной воды с высоким содержанием природных органических веществ, характерных, например, для паводкового периода, было осуществлёно с помощью дробного факторного эксперимента типа 25-1 с генерирующим соотношением х5 = х1х2х3х4, варьируемыми факторами в котором являлись:
- величина выхода по фильтрату баромембранной ячейки, %;
- накопленный на мембране несмываемый осадок,
мг;
- содержание в исходной воде катионов Са2+, мг/л;
- содержание в исходной воде катионов Fe2+, мг/л;
- вид природной воды (преобладание органических примесей, отвечающих за мутность или цветность). Соответственно, высокомутные воды были
отнесены к верхнему уровню варьирования, а высокоцветные - к нижнему.
Параметром оптимизации являлось среднее арифметическое величины остаточной концентрации катионов Са2+, мг/л, в фильтрате. План проведения эксперимента представлен в табл. 1.
Таблица 1
План проведения эксперимента (матрица планирования эксперимента первого порядка)
Номер Х1 Х2 Хз Х4 Х5
опыта
1 2 3 4 5 6
1 -1 -1 -1 -1 1
2 1 -1 -1 -1 -1
3 -1 1 -1 -1 -1
4 1 1 -1 -1 1
5 -1 -1 1 -1 -1
6 1 -1 1 -1 1
7 -1 1 1 -1 1
8 1 1 1 -1 -1
9 -1 -1 -1 1 -1
10 1 -1 -1 1 1
11 -1 1 -1 1 1
12 1 1 -1 1 -1
13 -1 -1 1 1 1
14 1 -1 1 1 -1
15 -1 1 1 1 -1
16 1 1 1 1 1
Величины минимальных и максимальных уровней и интервалов варьирования факторов устанавливались на основании результатов предварительных лабораторных исследований. Значения уровней и пределов варьирования факторов приведены в табл. 2, результаты эксперимента - в табл. 3.
Таблица 2
Значения уровней и пределы варьирования переменных факторов
Фактор Величина выхода по фильтрату баромембранной ячейки,% Накопленный на мембране несмываемый осадок, мг Содержание в исходной воде катионов Са2+, мг/л Содержание в исходной воде катионов Fe2+, мг/л Вид природной воды
Основной уровень 2® 47,5 3,75 1100 4 -
Интервалы варьирования ЛZj 27,5 1,75 700 4 -
Верхний уровень (+) 75 5,5 1800 8 Высокомутная
Нижний уровень (-) 20 2,0 400 0 Высокоцветная
Таблица 3
Значения концентраций катионов Са2+ в фильтрате баромембранной установки
Номер опыта Экспериментальные значения параметра оптимизации, мг/л Среднее значение параметра оптимизации у , ммоль / г Значения выборочных дисперсий Si
У1 У2
1 2 3 4 5
1 8,11 8,43 8,3 0,053
2 16,08 16,20 16,1 0,0104
3 11,88 11,74 11,8 0,01
4 20,60 21,40 21,0 0,32
5 19,1- 20,12 19,6 0,52
6 23,03 23,18 23,1 0,0113
7 21,24 22,01 21,6 0,2977
8 18,31 18,48 18,4 0,0145
9 14,21 14,87 14,5 0,221
10 19,58 19,06 19,3 0,136
11 13,81 13,58 13,7 0,0265
12 16,28 16,56 16,4 0,04
13 18,34 17,89 18,1 0,1017
14 11,97 12,90 12,4 0,4349
15 16,95 18,61 17,8 1,3786
16 22,92 21,96 22,4 0,464
Расчет выполнен на ПЭВМ (табл. 4). Таким образом, в данном эксперименте число
факторов равно 5 (К = 5), число опытов - 16 (Ы = 16), количество дублей в каждом опыте - 2 (М = 2).
Уровни факторов представляют собой границы исследуемой области по выбранному технологическому параметру. Значения верхнего ZImax и нижнего 7Г уровней варьирования по каждому фактору были выбраны в результате предварительных экспериментов и анализа имеющихся литературных данных. Соответственно, интервал варьирования ЛZj является единицей варьирования по оси Л7.
Безразмерная система координат х1, х2, ..., хк и система координат Z1, Z2, ..., Zk связаны следующим соотношением:
X = 7 - 2>, ) / zJ ,
где ] = 1, 2, ... к.
Причем точка с координатами (21°, Z20, ..., 2'к) называется центром плана, или основным уравнением.
Таблица 4
Значения и статистическая значимость коэффициентов регрессии
Обозначение коэффициента Значение коэффициента регрессии Значение теоретического коэффициента регрессии Статистическая значимость
bc 17,156 1,34 значим
b\ 1,481 1,34 значим
b2 0,731 1,34 не значим
b3 2,0188 1,34 значим
b4 2,894 1,34 значим
b5 1,281 1,34 не значим
Проверка однородности дисперсии экспериментальных данных была выполнена по критерию Кохре-на [1]:
/ы 2
& = Smax 2 Si ,
где Six - максимальная дисперсия; £ S2 - сумма
где S.2д - дисперсия адекватности;
воспр
дисперсия
i=1
дисперсий,
N 2 1 т 2
Z =—:Z( y - уш)
i=1 m -1 и=1
воспроизводимости.
Дисперсию воспроизводимости на основании доказанной однородности дисперсий находим как среднее арифметическое, а дисперсию адекватности определяем по уравнению
2 = т2(У - Уг )2
yi - среднее арифметическое значение параметра оптимизации; уги - значение параметра оптимизации параллельного опыта
1 т
уг — 2 уги .
ти=1
Для данного эксперимента величина £тах составила 1,3786, величина 2- 4,0396.
Соответственно, экспериментальное значение критерия Кохрена равно 0,3413. Табличное значение критерия Кохрена при уровне значимости 0,05, числе опытов 16 и количестве параллельных измерений в каждом опыте 2 составило 0,4546.
Так как табличное значение критерия Кохрена превышает экспериментальное, то можно сделать вывод об однородности дисперсий и равноточности эксперимента.
Вычисление коэффициентов регрессии Ь осуществляли скалярным произведением величин параметра оптимизации у на соответствующий столбец Xj (табл. 1) и последующим делением полученного произведения на число опытов Ы в матрице планирования эксперимента:
Ь = (X ХУ) / Ы.
После расчета коэффициентов полиноминальной модели получено следующее уравнение регрессии:
у = 17,156 + 1,481 х1 + 0, 731 х2 +
+ 2,0188х3 + 2,894х4 + 1,281х5.
Оценка статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии проведена по критерию Стьюдента [1] при 2 %-м уровне значимости (табл. 4). Табулированное значение коэффициента уравнения регрессии составило 1,34.
После исключения незначащих коэффициентов уравнение регрессии имеет вид
у = 17,156 + 1,481х1 + 2,0188х3 + 2,894х4. (1)
Проверка адекватности уравнения регрессии выполнена по критерию Фишера:
Ы -1
где у, уг - опытные и расчётные данные оптимизации; Ы - число опытов; I - число значимых факторов.
Значение дисперсии адекватности - 0,7345, дисперсии воспроизводимости - 0,2528. Соответственно, экспериментальное значение критерия Фишера составило 2,9054. Табличное значение критерия Фишера для уровня значимости 0,01 и при числах степеней свободы /1 = 12 и /2 = 16 составит 3,60 [1]. Таким образом, выполняется неравенство Fэ < Fтабл, свидетельствующее об адекватности полученной математической модели.
С целью определения координат экстремальной точки, соответствующей максимальной концентрации катионов Са2+ в фильтрате баромембранной ячейки, был применен метод крутого восхождения по поверхности отклика. При крутом восхождении было использовано полученное уравнение (1), причем наименее значимые параметры х1 и х2 были зафиксированы на нулевом уровне, а в качестве объекта исследования использовались образцы вод с высокоим показателем мутности х5. Условия проведения нового эксперимента приведены в табл. 5.
В качестве шага была взята величина, равная 0,2 (Ь Л7).
Таблица 5
Условия проведения эксперимента локального описания поверхности отклика
Параметры Z2 Z5
Основной уровень 2° 1100 4
Интервал варьирования ЛZj 700 4
Значение коэффициента Ь 2,0188 2,894
Произведение Ь ЛZj 1413,16 11,576
Величина шага 282,632 2,315
F = -
S 2
Результаты, полученные при проведении нового эксперимента, приведены в табл. 6.
Отличительной особенностью данного эксперимента от предыдущего являлось то, что опыты проводились только с использованием высокомутных образцов воды, а изменяемыми параметрами являлись только величины концентраций катионов Са2+, мг/л, и Fe2+, мг/л, при неизменных значениях величины выхода по фильтрату баромембранной ячейки, %, и степени заработки мембраны лабораторной ячейки (величина накопленного на ней несмываемого осадка, мг).
i=1
S
Таблица 6
Показатели концентраций катионов Са2+ в фильтрате баромембранной установки при крутом восхождении по поверхности отклика
Номер опыта Значения факторов Экспериментальные значения параметра оптимизации, мг/л Среднее значение параметра оптимизации у , мг/л
Z2 Z3 У1 У2
1 2 3 4 5 6
17 1382,632 6,315 19,38 19,44 19,41
18 1665,264 8,630 21,85 21,90 21,88
19 1947,896 10,945 22,57 22,80 22,69
20 2230,528 13,260 22,69 22,76 22,72
С увеличением параметров Z2 и Z3 наблюдается рост параметра оптимизации у, но анализ полученных результатов (табл. 6) показывает, что дальнейшее увеличение значений у настолько незначительно, что можно сказать, что показатели параметра оптимизации стабилизированы, и для выбранных условий проведения эксперимента изменение концентраций компонентов исходной воды в сторону увеличения к росту
Поступила в редакцию
концентрации катионов Са2+ в фильтрате практически не приводит.
Литература
1. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М., 1978. 320 с.
20 мая 2013 г.
