CC BY
4УДК 544.076.34
Мысак А.П. студент магистратуры 1 курса факультет «Химии и высоких технологий»
Корж К. О.
студент магистратуры 1 курса факультет «Химии и высоких технологий»
Ишмухаметова Р.И. студент магистратуры 1 курса факультет «Химии и высоких технологий» Кубанский государственный университет
Россия, г. Краснодар ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ТУРБУЛИЗАТОРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ОБЕССОЛИВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Аннотация: В статье представлены результаты исследования воздействия формы турбулизатора на эффективность обессоливания питьевой воды. Смоделированы несколько вариантов конструкции профилированных мембран для электродиализных аппаратов. Исследован гидродинамический режим полученных моделей и определен оптимальный профиль турбулизатора.
Ключевые слова: электродиализ, математическое моделирование, концентрационная поляризация, диффузионный слой, профилированные мембраны.
Mysak A.P. Master's student
1 course, faculty of Chemistry and high technologies
Kuban state University Russia, Krasnodar Korzh K.O. Master's student
1 course, faculty of Chemistry and high technologies
Kuban state University Russia, Krasnodar Ishmukhametova R.I. Master's student
1 course, faculty of Chemistry and high technologies
Kuban state University Russia, Krasnodar
THEORETICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF THE SHAPE OF THE BAFFLE ON THE EFFICIENCY OF THE SYSTEMS OF
DESALINATION OF DRINKING WATER Abstract: The article presents the results of the study of the impact of the form of the turbulator on the efficiency of desalination of drinking water. Several design
variants of profiled membranes for electrodialysis machines are simulated. The hydrodynamic regime of the obtained models is studied and the optimal profile of the turbulator is determined.
Key words: electrodialysis, mathematical modeling, concentration polarization, diffusion layer, profiled membranes.
Мембранные методы получения чистой воды можно разделить на: баромембранные (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос) и электродиализ. Электродиализ с применением ионообменных мембран широко используется в процессах очистки, деминерализации и концентрирования растворов сильных электролитов. Ионообменные мембраны применяются в современных производственных установках и относятся к наиболее прогрессивному технологичному типу материалов.
Установка обратного электродиализа состоит из ряда чередующихся катионо- и анионо - обменных мембран, расположенных между двумя электродами. Механическая опора для создания отсеков поточных каналов и поддержания постоянного расстояния между мембранами обычно обеспечивается непроводящими прокладками (сепараторами). В отсеки поочередно подают концентрированные (морскую воду) и разбавленные (речную воду) солевые растворы. Таким образом, у катионов и анионов образуется разность потенциалов с электродами, и первые мигрируют в противоположных направлениях к катоду и аноду соответственно. Этот резкий ионный поток преобразуется в электрический ток на поверхностях электродов. В электродных отсеках рециркулируют раствор, содержащий предпочтительно гомогенную окислительно-восстановительную пару.
Наличие сепаратора частично блокирует поверхность мембраны и создает извилистый и, следовательно, более длинный путь для ионов в канале, что означает более высокое омическое сопротивление. Следовательно, выходы мощности снижаются.
Профилированные мембраны могут решить основную проблему как прямого, так и обратного электродиализа, поскольку они образуют канал для течения жидкости без дополнительного сепаратора, за счет рельефа, сформированного на их поверхностях. Наличие профилей различной формы и размера на поверхности мембраны снижает омическое сопротивление системы. Тем не менее, не всегда обеспечивается достаточно эффективное перемешивание жидкости. В работе Сильвина Павловского разработаны профилированные мембраны по типу шеврона, которые улучшают гидродинамический режим в канале электродиализатора.
Цель работы - исследование влияния формы/конструкции турбулизатора на распределение скорости течения жидкости в канале электродиализатора.
Задачи:
1) Смоделировать несколько вариантов конструкции профилированных мембран для электродиализных аппаратов
2) Исследовать гидродинамический режим полученных моделей и определить оптимальную профилей
Объектом исследования является канал, образованный профилированными мембранами. Ширина которого - 9,9 см; Высота - 40,1 см; Толщина - 0,81 мм.
Роль турбулизатора выполняют выступы на поверхности мембран, представленные в виде равноудаленных барьеров круглой формы диаметром 0,6 мм. При наложении друг на друга выступы на мембранах образуют сетку, схожую с обычной сепараторной прокладкой. Выступы расположены под заданным углом относительно длины канала (35о /38о /45о).
Гидродинамический поток жидкости описывается системой уравнений Навье-Стокса
^ ^ |
— = ~(й ■ У)и + уАи--Ур
р
Уи = 0
Граничные условия: на входе и на выходе в канал обессоливания задается равномерное распределение скорости течения жидкости. На поверхности мембран задается условие прилипания. Опорный уровень давления на входе в канал = 1 атм, начальная скорость = 6,9 см/с
Рисунок 1 - двухмерные профили скорости течения жидкости в сечении
СОД
Шт
6\<Ж
На данном рисунке изображены профили течения жидкости у границы мембрана/раствор (на расстоянии 5% толщины канала от мембраны) с препятствиями, развернутыми относительно длины канала на: а) 35°, б) 38°, в) 45°.
Также, были сделаны поперечные сечения канала с целью определения оптимального гидродинамического потока
Рисунок 2 - трехмерные профили скорости течения жидкости в сечении
м/с
0 4 0
«Ю^т
По полученным графикам видно, что наилучшее распределение течения жидкости наблюдается, в канале с препятствиями, развернутыми относительно длины канала на 35 градусов.
Таблица 1 - сравнительный анализ полученных результатов
Средняя скорость течения жидкости в исследуемом канале на расстоянии 5% межмембранного расстояния от мембраны, м/с
Угол поворота препятствий относительно длины канала, 0 35 38 45
Без турбулизаторов 2,00 см/с 2,00 см/с 2,00 см/с
С турбулизаторами 4,53 см/с 3,84 см/с 3,26 см/с
Разница Увеличение в 2.25 раза Увеличение в 1.9 раз Увеличение в 1.6 раз
На основании сравнительного анализа турбулизаторов в рамках электродиализатора подобной конструкции, расположенных под разными углами к длине канала электродиализатора установлено, что наилучшие распределение течения жидкости и доставка раствора к рабочей поверхности мембраны наблюдаются в канале с препятствиями, развернутыми относительно длины канала на 35 градусов. И связанно это с тем, что раствор, текущий в канале, встречает меньшее гидродинамическое сопротивление относительно других конструкций с большими углами разворота препятствий.
Решена трехмерная стационарная задача течения жидкости в камере электродиализатора с учетом влияния турбулизатора потока.
В процессе решения поставленной задачи был исследован характер распределения жидкости в межмембранном канале с наличием турбулизаторов, а также влияние формы/конструкции турбулизатора на
эффективность обессоливания на примере реальной электродиализной ячейки.
Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными и литературными представлениями, что позволяет применять данные модели для оптимизации гидродинамических параметров процесса электродиализа в системах водоподготовки.
Использованные источники:
1. Garcia-Vasquez, W. Effects of acid-base cleaning procedure on structure and properties of anion-exchange membranes used in electrodialysis / W. Garcia-Vasquez, L. Dammak, C. Larchet, V. Nikonenko, D. Grande // Journal of Membrane Science. - 2016. - Vol. 507. - P. 12-23.
2. Ярославцев, А. Б. Ионообменные мембранные материалы: свойства, модификация и практическое применение / А. Б. Ярославцев, В. В Никоненко // Российские нанотехнологии. - 2009, Т 4, № 3 - С.33-53.
3. Чижиумов, С. Д. Основы гидродинамики / С. Д. Чижиумов. -Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - 106 с.
4. Прандтль Л. Гидроаэромеханика / Л. Прандтль. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. - 576 с.
5. Urtenov M. K., Uzdenova A. M., Kovalenko A. V., Nikonenko V. V., Pismenskaya N. D., Vasil'eva V. I., Sistat P., Pourcelly G. Basic mathematical model of overlimiting transfer enhanced by electroconvection in flow-through electrodialysis membrane cells // J. Membr. Sci. 2013. V. 447. P. 190.
6. Алексеева, Н.В. Распределение концентраций в диффузионном слое при электродиализе в условиях запредельного режима / Н. В. Алексеева, В. А. Набатов, О. С. Татаринцева // Вестник ТГТУ. - 2012, Т 18, №1 - С.136-141.
7. Levich, V.G. Physicochemical hydrodynamics. - Prentice-Hall, New York, 1962. - P.134.
8. Мареев С. А. Гетерогенность поверхности и концентрационная зависимость коэффициента диффузии в хронопотенцио - и импедансометрии ионообменных мембран: Дис. канд. хим. наук. - Воронеж, 2013. -135с.
9. Nikonenko, V. V. Desalination at overlimiting currents: State-of-the-art and perspectives / V. V. Nikonenko, A. V. Kovalenko, M. K. Urtenov, N. D. Pismenskaya, J. Han, P. Sistat, G. Pourcelly // Desalination. - 2014. - Vol. 342. -P. 85-106.
10. Концентрационная поляризация [электронный ресурс], - http:// www.gmpua.com/Biotechnology/UA/Ref/Sterilasa/4Raschot.html (02.06.2019)
11. Васильева В. И. Концентрационная поляризация в растворах электролитов при электродиализе с ионообменными мембранами: Дис. канд. хим. наук. -Воронеж, 1992.-206с.
12.Strathmann, H. Ion-exchange membrane separation processes/ H. Strathmann // Membrane Science and Technology. Ser. 9. Amsterdam: Elsevier. -2004. - P. 348. 13. Концентрационная поляризация [электронный ресурс], -http ://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/10_pro tsessy_i_apparaty_khimicheskikh_tekhnologiy_chast_II/7124 (02.06.2019)
14.Urtenov M. A-K., Kirilova E. V., Seidova N. M., Nikonenko V. V. // J Phys Chem. 2007. V.111. P. 1420S.
15.Nikonenko, V. V. Competition between diffusion and electroconvection at ion-selective surface in intensive current regimes / V. V. Nikonenko, V. I. Vasil'eva, E. M. Akberova, A. M. Uzdenova, M. K. Urtenov, A. V. Kovalenko, N. D. Pismenskaya, S. A. Mareev, G. Pourcelly // Advances Colloid and Interface Sci. -2016. - Vol. 235. - P. 233-246.
16.Manzanares J., Kontturi K. Diffusion and migration. In: Encyclopedia of Electrochemistry. V. 2. Interfacial Kinetics and Mass Transport. / A. J. Bard, M. Stratmann, E. J. Calvo Eds. VCH: Wiley.Weinheim. 2003. P.S1.
17.Radu A.I. Spacer geometry and particle deposition in spiral wound membrane feed channels // A.I. Radu, M.S.H. van Steen, J.S. Vrouwenvelder, M.C.M. van Loosdrecht, C. Picioreanu // Water Research. - 2014. - Vol.64. - P. 160-176.
1S. Письменская, Н. Д. Сопряженные эффекты концентрационной поляризации в электродиализе разбавленных растворов: Дис. д -ра хим. Наук. - Краснодар, 2004. -405с.
19.Nageswara, V. Mass transfer in circular conduit with coaxially placed twisted tape - disc assembly as turbulence promoter / V. Nageswara, M. Naga // Chemical Engineering and Processing. - 2016. - Vol. 105. - P. 64-72.
20.Pawlowski S. Improved fluid mixing and power density in reverse electrodialysis stacks with chevron-profiled membranes / Sylwin Pawlowski, Timon Rijnaarts, Michel Saakes, Kitty Nijmeijer, Joäo G. Crespo, Svetlozar Velizarov // Journal of Membrane Science - 2017. - Vol. 531. - P. 111-121.
21.Pawlowski S. Computational fluid dynamics (CFD) assisted analysis of profiled membranes performance in reverse electrodialysis / Sylwin Pawlowski, Vítor Geraldes, Joäo G. Crespo, Svetlozar Velizarov // Journal of Membrane Science -2016. - Vol. 502. - P. 179-190.
22.Mariagiorgia La Cerva. On some issues in the computational modelling of spacer-filled channels for membrane distillation // Mariagiorgia La Cerva, Michele Ciofalo, Luigi Gurreri, Alessandro Tamburini, Andrea Cipollina, Giorgio Micale // Desalination. - 2017. - Vol. 411. - P. 101-111.
23.Zabolotskii V. I. // Physicochemical Properties of Profiled Heterogeneous // Zabolotskii V. I., Loza S.A., Sharafan M. V. // Ion-Exchange Membranes Russian Journal of Electrochemistry. - 2005. - Vol. 41. - P. 11S5-1192.
