CC BY
38
х. [/._(/ _5у-я] (9)
Соотношение между концентрациями фильтрата и питания зависит от селективности Л и степени извлечения На рис.2 приведены значения Х///Хп, рассчитанные в диапазоне селективности Я от 0,95 до 0,99 и степени извлечения 5' от 0,3 до 0,9. Из рисунка следует, что, чем меньше селективность И больше степень извлечения, тем величина ХфГХ„ больше (или Хф при постоянной концентрации х„.). Эти соотношения позволили определить значения селективности Л и степени извлечения 5, необходимые для обеспечения требуемых концентраций растворенных веществ в фильтрате (х,//х„)
Результаты расчета по содержанию примесей в фильтрате свидетельствуют о том, что при экспериментальных значениях К концентрации всех веществ в фильтрате ниже предельных значений, соответствующих воде 2-го типа, при любых значениях степени извлечения Ж Таким образом, при селективности, соответствующей экспериментально определенным значениям в данной работе, степень извлечения 5 может принимать любое значение в диапазоне 0,3-й),9.
При максимальном значении 8 =0,9, требуемый объем фильтрата может быть получен за 2,2 часа, однако для этого используется 4140 л/час воды с узла ионного обмена. При 8 =0,6, время фильтрования равно 3,26 часа и больше чем в исходной схеме без рецикла. Т.о., при уменьшении 8 снижается количество дополнительной воды, но увеличивается время для получения 9 м фильтрата. Из 3-х возможных значений следует выбрать в = 0,7, т.к. снижение потребности в дополнительной воде до 3220 л/час приводит к уменьшению нагрузки на участок получения деионизованной воды и соответственно расходов на технологическую схему. Таким образом, проведенные расчеты, показали эффективность использования обратного осмоса с рециклом концентрата.
УДК 628.16.081: 682.6596
Е. Г. Крючкова, С. А.Ершов, И. К. Кузнецова, Е. А. Дмитриев Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЦИКЛОВ ПО КОНЦЕНТРАТУ И ВОДЕ ИЗ ЛЕДОВОЙ СТРУЖКИ НА СТАДИИ ОБРАТНОГО ОСМОСА В ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ СПОРТИВНОГО ЛЬДА
Flow diagrams of water treatment of production of sport ice with using recycle of concentrated water and water after ice cuttings thawing are compares in this article. Mathematical expression for calculation of average concentrated of a filtrate during plant operation T in container of mixture is received. Influence of a degree of selectivity and a degree of extraction is considered.
В данной статье сравниваются технологические схемы водоподготовки производства спортивного льда с использованием рецикла концентрату и воды после таяния ледовой
стружки. Получено математическое выражение для расчета средней концентрации фильтрата за время работы установки Т в емкости смешения. Рассмотрено влияние степени селективности и степени извлечения.
Основным узлом технологической схемы получения высокоочищен-ной воды в производстве льда спортивных комплексов является установка обратного осмоса. Высокая степень очистки продукта узла обратного осмоса дает основание предположить, что использование в качестве дополнительного питающего потока концентрата и воды из ледовой стружки, получаемой из фильтрата, приведет к повышению эффективности производства и снижению себестоимости продукта. Для выяснения этого вопроса параметры работы узла обратного осмоса в режиме рециклов были математически описаны и проанализированы. Схема установки обратного осмоса (Рис.1) была дополнена контуром 1, включающим емкость, в которой смешиваются соответственные потоки: - поток концентрата г-того компонента с массо-
вой долей Хм, 0„ - дополнительный поток воды ¡-компонента с массовой долей хщ, 0„..поток воды, полученный при таянии стружки льда с массовой
долей /'-компонентах,/.
Покидает емкость поток 0,„ являющийся питающим для узла обратного осмоса с концентрацией по /-тому компоненту х^. В данном случае подобная схема может быть предложена потому, что концентрат Ок после ступени обратного осмоса (контур II) представляет собой очищенную воду с низкой концентрацией примесей. С другой стороны, вода, полученная из ледовой стружки, согласно проведенным исследованиям, содержит сравнительно малые количества солей, поэтому представляется возможным ее вторичное использование. Концентрации солей жесткости и соединений железа, электропроводность раствора достаточно сильно выросли, но не превысили предельно возможные концентрации на установке обратного осмоса.
Для организации рециклов ступень обратного осмоса необходимо дополнить контуром Г.Пусть емкость смешения первоначально содержит
жидкость массой М с массовой долей / - ого компонента х„ю. Поскольку концентрация д-„, в емкости изменяется, для определения времени работы емкости до достижения предельной заданной техническими условиями концентрации фильтрата, необходимо составить материальный баланс нестационарного процесса. Тогда для промежутка времени Д/, в течение которого концентрация /-того компонента изменяется на Ах,, имеем:
бгЫ + в,Ъ,Ы + ОаВ,Ы-+ (?, +(?1;)о1 с,)гД/ = / (о„ + Ао„)~
где хпср1~ средняя концентрация компонента г в емкости для промежутка
времени Дг; х„1 - текущая в момент времени Л Так как 0к+0_,+0,>=* (/„
О)
(2)
Ок~(1-8)0,1
Х„) тХ„і(1-^)'І{' где:ЛГ селективность по /-тому компоненту
обозначим: [(./ —5)/ (3)
+ СеА* = -В/ (4)
После преобразований получаем зависимость времени работы контура / от текущей концентрацией питающего потока по /-тому компоненту хя/:
М , Ах + В -Ьг-^-и
t = -
А,
Текущая концентрация фильтрата определяется концентрацией питания и параметрами установки и может быть найдена по формуле (6):
Xö,(‘)=0-R,Xi-s)~
В, ( А: —-ехр\ t — { М
В,
(6)
Определим среднюю концентрацию в контуре за время Т по формуле (7).
7
К/ (>)*
77 =°___________
(?)
х,ш = -- (/ - R, %l - S)~ А,
jdt
(Л,Х„ д + В,)
ехр\ Т
U
М
(8)
Средняя концентрация фильтрата хф1 за период работы контура Т не должна превышать предельную концентрацию данного компонента в воде Хфщр, задаваемую требованиями на воду для формирования льда.
Исходная информация для расчета определялась условиями функционирования ледового комплекса. Для того, чтобы обеспечить высокую скорость протока в мембранном модуле согласно техническим условиям, на узел обратного осмоса требуется подавать не менее 4,6 м7час подготовленной на предыдущих этапах очистки воды. Объем фильтрата для разовой за-
ливки льда равен 9 м"’ и накапливается в действующей схеме в течение 3 часов работы. Первый вариант основан на использовании рецикла концентрата. Такая схема включает контур I с емкостью смешения объемом, выбранным нами равным 5 м .
Из материального баланса аппарата обратного осмоса и емкости смешения следует G„ - G„+ G,/, «*<?»+ G» . т.е. дополнительный поток равен потоку фильтрата Сф~- G(J. Различные значения потока фильтрата получали, задаваясь величинами степени извлечения S от 0,3 до 0,8. Общее время фильтрования было переменным в зависимости от производительности по фильтрату, т.к. общий объем фильтрата должен быть равен 9 mj. Предельная концентрация в первом варианте рециркуляции не была превышена по солям жесткости и соединениям железа. Было выяснено, что вариант S = 0,8 не может быть использован, т.к. средняя концентрация фильтрата в емкости хф выше предельной по общему и остаточному хлору, вариант S = 0,7 не удовлетворяет по остаточному хлору. Во всех остальных случаях при S 0,3 + 0,6 рассчитанные концентрации хфпр ниже предельных значений.
Табл. I .Сравнение вариантов с рециклом концентрата и без рецикла.
Расход воды после ион.обмена, л/час Время работы Т, час, Количество сбрасываемой жидкости, л/цикл
1. Без рецикла 4600 3 4800
2. С рециклом S- 0,6 2760 3,26 5000
3. С рециклом S = 0,5 2300 3,91 5000
4. С рециклом S = 0,4 1840 4,89 5000
В вариантах с рециклом используется только дополнительный поток воды, с различными значениями расхода в зависимости от величины степени извлечения в. Количество сбрасываемой жидкости - 5 м3 соответствует объему емкости смешения, которая опорожняется в конце процесса. Время работы также различно, в зависимости от объема получаемого фильтрата: оно увеличивается с уменьшением 8, поэтому в таблице 1 приведены данные только для 5 0,4 *■ 0,6, при этом время фильтрования возросло практически до 5 часов.
Т.о., можно сделать вывод, что вариант с рециклом концентрата при 5' = 0,6 выгоднее, чем вариант без рецикла: время проведения практически не изменилось (без рецикла - 3 часа, с рециклом - 3,26); объем сбрасываемой жидкости почти одинаков (без рецикла - 4800, с рециклом - 5000 л), однако объем поступающей на ОО воды в процессе без рецикла - 12800 л, в случае применения рецикла - 14000 л.
Второй вариант технологической схемы предполагает использование рецикла воды из ледовой стружки, которая является дополнительным источником очищенной воды и подается в емкость смешения, вместе с дополнительным потоком и концентратом. Остальные условия работы установки те же. Из материального баланса аппарата обратного осмоса и емкости смешения следует 0„= Ок+ Сф - (?,+ Сд + С„. Количество воды из ледо-
вой стружки определяется объемом получаемого фияьтрата:0',, -- <р Оф, где ç - коэффициент, учитывающий потери,, на основании практических соображений выбран 0,75+0,9. Различные значения потока фильтрата получали, задаваясь величинами степени извлечения S от 0,3 до 0,8. Подобные расчеты сделаны и по другим примесям. Было выяснено, что варианты S ~ 0,8 и 0,7, как и. в случае рецикла концентрата, не могут быть использованы, т.к. не удовлетворяют условиям по остаточному хлору, использование варианта S = 0,6 спорно, т.к. он. не удовлетворяет по остаточному хлору при его максимальной концентрации в воде, полученной после таяния стружки. Во всех остальных случаях при S 0*3 + 0,5 рассчитанные концентрации хф ниже предельных значений. В таблице 2 приведены данные только для S 0,5+ 0,6, Из полученных данных можно сделать вывод, что в случае использования варианта с рециклом концентрата и воды из* ледовой стружки требуется меньше дополнительной воды:
в процессе без рецикла - 12800 л, в случае применения рецикла - 900 л при q>= 0,9 и 2250 л при ф- 0,75, а с учетом воды, необходимой для первичного заполнения емкости смешения 5900 л при $»=0,9 и 7250 л при д>= 0,75
Табл. 2.Сравнегше вариантов с рециклом концентрата и воды из ледовой стружки и без рецикла.
G,j, л/час Время работы Т, час. Количество сбрасываемой жидкости. л/цикл у>= G,.i Сф,
1. Без рецикла 4600 3 4800
2. С рециклом S = 0,6 276 3.26 5000 0,9
3. С рециклом S = 0,5 230 3,91 5000 0,9
4. С рециклом S = 0,6 690 3,26 5000 0.75
5. С рециклом S = 0,5 575 3,91 5000 0,75
Вариант 5 = 0.6 является оптимальным по времени работы, но могут быть превышены предельные концентрация на воду. Вариант 5 = 0,5 также может быть использован: в этом случае время работы увеличивается практически до 4 часов, без ухудшения характеристик разделения объем емкости смешения может быть уменьшен до 4000 л, что снизит сброс воды после разделения.
Второй вариант технологической схемы с рециклом воды из ледовой стружки приводит к сокращению потребляемого объема дополнительной воды и к уменьшению действующих аппаратов всей технологической линии водоподготовки,. а также к снижению расходных материалов, объема и времени обслуживания. Следовательно, его можно использовать в целях экономии в процессе получения высокоочмценной воды в производстве льда спортивных комплексов. Наиболее оптимальным является проведение процесса при степени извлечения ,$’ = 0,5 и <р - 0,9.
