Кинетика электрохимического мембранного выделения анилина и морфолина из промышленных стоков органического синтеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальности:

05.17.03 - Технология электрохимических процессов и защита от коррозии

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Кинетика электрохимического мембранного выделения анилина и морфолина из промышленных стоков органического синтеза

Рябинский Михаил Андреевич

Тамбов 2010

Работа выполнена на кафедре "Прикладная геометрия и компьютерная графика" ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцентКормильцин Геннадий Сергеевич

Научный консультант доктор технических наук, профессор Лазарев Сергей Иванович

Официальные оппоненты заслуженный деятель науки РФ,доктор химических наук, профессор Шапошник Владимир Алексеевич старший научный сотрудник, кандидат технических наукКлиот Михаил Беньяминович

Ведущая организация - ФГУП "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" г. Москва

Защита состоится "____"__________2010 г. в____часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.06 в ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» по адресу: 392000 г. Тамбов, ул. Ленинградская 1а, ауд. 160/Л.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».

Автореферат разослан "____" ___________2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.260.06, кандидат химических наук: И.В. Зарапина

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Современные химические производства сопровождаются большим объёмом отходов, из которых можно извлекать ценные продукты и их использование может быть в несколько раз рентабельней, чем применение исходного сырья. При обработке жидких отходов производств используют процесс мембранного разделения. Для интенсификации этого процесса необходимы исследования его кинетики, математическое описание, разработка промышленных аппаратов и технологических схем концентрирования растворов. Актуальным является изучение влияния различных физических полей на мембранный процесс массопереноса и разработка новых методов обработки отходов производств с учётом этого влияния. Одним из таких методов является электробаромембранный процесс, реализуемый при одновременном воздействии электрического потенциала и градиента давления.

Электробаромембранная технология является новым, интенсивно развивающимся направлением химической промышленности. Преимущества электробаромембранной технологии заключаются в её малой энергоёмкости, экологичности, безреагентности, простоте аппаратурного оформления и возможности выделения из растворов веществ малой концентрации. Однако применение в химической промышленности электробаромембранных методов сдерживается малоизученностью кинетики процесса, отсутствием его математического описания, аппаратов и схем для его реализации. В химической промышленности, например, в процессе органического синтеза в сточных водах, могут присутствовать анилин и морфолин, которые следует извлечь и использовать как сырьё, способствуя при этом экологичности производства.

Работа выполнена при поддержке гранта по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2008 гг.», по теме «Теоретические и прикладные аспекты электробаромембранного выделения и целевого получения веществ из промышленных стоков» (регистрационный номер РНП.2.1.2.1188), а также гранта по Федеральной целевой программе «Научные и научно - педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» по теме «Теоретико-экспериментальные исследования влияния поверхностных явлений на сорбционные и проницаемые коэффициенты пористых тел» (Государственный контракт № 02.740.11.0272).

Цель данной работы: изучение кинетических закономерностей процесса электробаромембранного выделения веществ из промышленных стоков, разработка математической модели и аппаратурно-технологическое оформление процесса.

Задачи работы:

1. Разработать методики и конструкции экспериментальных установок для исследования кинетических коэффициентов электробаромембранного концентрирования растворов анилина и морфолина из промышленных стоков.

2. Получить экспериментальные данные по электродиффузионному и электроосмотическому потокам растворённого вещества и растворителя, в зависимости от концентрации раствора, плотности тока, типа мембраны и температуры.

3. Получить экспериментальные данные по зависимостям коэффициента выделения и удельного потока растворителя от градиента давления и плотности тока.

4. Усовершенствовать математическую модель кинетики электробаромембранного процесса концентрирования веществ из промышленных стоков, позволяющую рассчитывать концентрацию растворённого вещества в пермеате и ретентате и величину потока растворителя, с учётом электродиффузионного переноса.

5. Разработать методику расчёта электробаромембранных аппаратов.

6. Разработать и запатентовать конструкции электробаромембранных аппаратов рулонного и плоскокамерного типов.

7. Разработать технологическую схему концентрирования растворов анилина и морфолина из промышленных стоков с применением электробаромембранных аппаратов.

Научная новизна.

Разработаны методики и на их основе экспериментальные установки для исследования электродиффузионного и электроосмотического потока растворённого вещества, растворителя и коэффициента выделения при электробаромембранном разделении.

Впервые получены экспериментальные данные по коэффициенту электродиффузионного переноса анилина и морфолина из промышленных стоков через мембрану и электроосмотического переноса растворителя.

Получены экспериментальные зависимости коэффициента выделения и удельного потока растворителя от плотности тока, температуры, рабочего давления.

Разработана усовершенствованная математическая модель кинетики электробаромембранного концентрирования, учитывающая электродиффу-зионный перенос и позволяющая рассчитывать концентрацию растворенного вещества в пермеате, ретентате и величину потока растворителя.

Практическая значимость.

Разработана инженерная методика расчёта электробаромембранных аппаратов плоскокамерного и рулонного типов, которая позволяет определять рабочую площадь мембран и проводить секционирование этих аппаратов.

Запатентованы конструкции электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа (патент № 2324529 РФ), позволяющая интенсифицировать процесс выделения веществ за счёт применения ионообменных спейсеров и конструкция рулонного аппарата, позволяющая дифференцированно отводить прианодный и прикатодный ретентаты (патент № 2326721 РФ).

Предложена технологическая схема концентрирования анилин- и морфолинсодержащих растворов с применением разработанных и запатентованных конструкций электробаромембранных аппаратов.

Практические результаты исследований приняты к реализации на Тамбовском ОАО «Пигмент» с эколого-экономическим эффектом 180 тыс.р. в год в ценах 2008 года.

На защиту выносятся:

1. Методики и экспериментальные установки для исследования кинетических коэффициентов при электробаромембранном разделении.

2. Результаты экспериментальных исследований по электробаро-мембранному концентрированию веществ (анилина и морфолина).

3.Усовершенствованная математическая модель кинетики электро-баромембранного процесса концентрирования анилина и морфолина из сточных вод.

4. Методика расчёта электробаромембранного аппарата.

5. Технологическая схема процесса концентрирования анилин- и морфолинсодержащих растворов из промышленных стоков органического синтеза с использованием разработанных и запатентованных электробаро-мембранных аппаратов.

Апробация работы. Основные результаты и выводы по диссертационной работе докладывались на: Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», (г. Казань 2005 г.); Российской конференции с международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах», (г. Туапсе 2008 г.); XXI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21», (г. Саратов 2008г); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и преподавателей, аспирантов, студентов и менеджеров малых предприятий «Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий», (г. Тамбов 2008 г.); а также на научных конференциях аспирантов и молодых ученых, ТГТУ 2006-2009 гг.

Публикации.

Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в 14 публикациях, три из которых в журналах рекомендуемых ВАК и двух патентах РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, 9 приложений, списка литературы из 130 источников. Работа изложена на 176 страницах, содержит 49 рисунков и 25 таблиц.

2. Основное содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, её научная новизна и практическая значимость, сформулированы задачи, цель исследований и положения, выносимые на защиту.

Первая глава обобщает результаты опубликованных к настоящему времени литературных данных по характеристикам различных видов мембран и мембранных аппаратов. В ней проведён их сравнительный анализ, проанализированы явления переноса в мембранах, наблюдаемые в процессах концентрирования веществ из промышленных стоков. Изучены

факторы, влияющие на электробаромембранные процессы. Рассмотрены существующие математические модели электробаромембранных процессов и инженерные методики расчётов мембранных аппаратов.

Вторая глава посвящена описанию разработанных методик проведения экспериментов по выявлению параметров процесса при электробаромембранном концентрировании веществ из растворов. Суть разработанных методик заключается в определении кинетических коэффициентов процесса электробаромембранного разделения растворов, содержащих анилин и морфолин. В качестве объектов исследования использовались реальные промышленные стоки, содержащие анилин и морфолин. Представлены результаты проведённых исследований и их анализ.

Экспериментальные исследования коэффициентов электродиффузионного и электроосмотического переноса растворённых веществ проводились на лабораторной установке, схема которой изображена

Установка для исследования электродиффузионного и электроосмотического переноса растворенного вещества: 1-4 - ёмкости; 5 - электромагнитная мешалка;

6 - амперметр; 7 - вольтметр; 8 - источник постоянного тока; 9 - пористый электрод (анод); 10 - пористый электрод (катод); 11 - прикатодная мембрана;

12 - перфорированные решетки; 13 - насос.

Для исследуемых мембран МГА-100, ОПМ-К и водных растворов анилина и морфолина в диапазоне изменения концентраций (0,4 ….13 кг/м3), полученные экспериментальные и расчётные данные представлены на рис. 2.

Значение коэффициента электродиффузионной проницаемости растворённого вещества определяли по формуле

 ,

где М - масса перенесенного вещества, кг; Fм - площадь мембраны, м2;

ф - время эксперимента, с; i - плотность тока, А/м2.

Коэффициенты электродиффузионной проницаемости с увеличением концентрации уменьшаются. Это, вероятно, связано с уменьшением порозности мембран (за счёт сорбции) и повышением вязкости раствора. По результатам аппроксимации экспериментальных данных была получена эмпирическая формула для теоретического расчёта коэффициента электродиффузионной проницаемости Рэд:

,

где С - концентрация, кг/м3; a, m, n, k, g - эмпирические коэффициенты;

i - плотность тока, А/м2; Т - температура, оС.

Таблица 1. Значения эмпирических коэффициентов для расчета коэффициентов электродиффузионной проницаемости

Раствор	Мембрана	а	n	m	k·10-7	g
анилина	ОПМ-К	-1180	-0,23	-3,04	58	0,02
	МГА-100	-1456	-0,517	-1,72	0,8	0,0714
морфолина	ОПМ-К	-410,29	-0,0533	-0,074	36	-0,0175
	МГА-100	-450	-0,065	-0,08	36	-0,015

Коэффициент электроосмотической проницаемости является одной из кинетических характеристик процессов электробаромембранного разделения. Данная величина характеризует перенос растворителя через мембрану под действием электрического потенциала:



где V - объем растворителя прошедшего через мембрану, м3.

Объяснить ход зависимостей коэффициента электроосмотической проницаемости от концентрации можно, базируясь на классической формуле электроосмотического течения Гельмгольца - Смолуховского, которая имеет вид:

,

где - объемный поток жидкости, электроосмотически протекающий в единицу времени через мембрану, м3/м2с; - соответственно, диэлектрическая проницаемость, динамическая вязкость и электропроводность раствора; - потенциал; - пористость мембраны; FМ - площадь мембраны, м2.

С увеличением концентрации растворов увеличиваются их вязкость и электропроводность. Кроме того, в результате сорбции мембранами растворённых веществ может снизиться их (мембран) пористость. Исходя из этих соображений, следует ожидать снижения коэффициента электроосмотической проницаемости с увеличением концентрации растворов.

При обработке экспериментальных данных по коэффициентам электроосмотической проницаемости была получена для расчёта следующая эмпирическая формула:

где С - концентрация раствора; Т - температура; a, B, n - эмпирические коэффициенты.

Таблица 2. Значения эмпирических коэффициентов для расчета коэффициентов электроосмотической проницаемости

Раствор	Мембрана	B·10-9	n	a
анилина	ОПМ-К	0,236989	0,021037	868,4974
	МГА-100	0,49669	-0,00387	687,721
морфолина	ОПМ-К	0,515769	0,009526	646,5391
	МГА-100	0,754702	0,171194	407,7748

Для исследуемых мембран МГА-100, ОПМ-К и водных растворов анилина в диапазоне изменения концентраций (0,4 …. 13 кг/м3), полученные экспериментальные и расчётные данные представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента электроосмотической проницаемости мембран от концентрации водного раствора анилина

Зависимости аналогичного характера по коэффициенту электроосмотической проницаемости были получены на водном растворе морфолина для обратноосмотических мембран ОПМ-К и МГА-100.

Исследования коэффициента выделения и удельного потока растворителя проводились на установке, схема которой представлена на рис. 4.

Коэффициент выделения растворённого вещества рассчитывали по формуле:

,

где Сисх, Спер - концентрации растворённых веществ в исходном растворе и пермеате, кг/м3.

Значение удельного потока растворителя рассчитывали по зависимости:

G = V/Fм ф,

где V - объем пермеата, м3; Fм - площадь мембраны, м2; ф - время проведения эксперимента, с.

Рис. 4. Схема электробаромембранной установки для исследования коэффициента выделения и удельного потока растворителя:

1 - емкость; 2 - плунжерный насос; 3- рабочая ячейка; 4 - дроссели; 5 - поплавковые ротаметры; 6 - ресивер; 7 - манометр; 8 - образцовый манометр; 9 - компрессор высокого давления; 10 - термостат; 11 - потенциометр; 12 - регуляторы температуры; 13 - емкости для пермеата; 14 - электроконтактный манометр; 15 - источник постоянного тока.

Для теоретического расчёта коэффициента выделения (Кв) использовалась модифицированная формула Б.В. Дерягина, Н.В. Чураева, Г.А. Мартынова, В.М. Старова, которая для наших исследований имеет следующий вид: концентрация пермеат растворитель электродиффузионный

где: - эмпирические коэффициенты, характеризующие эту систему мембрана-раствор; - коэффициент распределения, (определяется при исследовании сорбционных свойств мембран); - удельная производительность, м3 / м2с.

Таблица 3. Значения эмпирических коэффициентов k1, k2,k3 для расчёта коэффициента выделения.

Мембрана	Водный раствор	k1	k2	k3
МГА-100	анилина	-7,06	3,12•106	6,96•104
ОПМ-К		1,15•10-7	0,0035	0,0864
МГА-100	морфолина	-3845	3,82•106	1,09•104
ОПМ-К		4,97	3,29•1013	74396

Для теоретического расчёта удельного потока растворителя через мембрану было получено выражение следующего вида:

где k1, k2, k3, n, m, а - числовые коэффициенты, С - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3; P - перепад давления на мембране, МПа; k - коэффициент водопроницаемости мембраны, м/с·МПа;

i - плотность тока (А/м2); Т - температура, о С.

Таблица 4. Эмпирические коэффициенты для расчета удельной производительности мембран

Мембрана	Раствор	k1	k2	n	a
ОПМ-К	анилин	7,98·10-3	-0,312	0,344	-3,48·10-4
	морфолин	3,85	7,68·10-3	-0,00656	1,67
МГА-100	анилин	0,178	9,8	-6,8·10-2	-3020
	морфолин	1,2	4,23·10-4	6,511	-3220

Результаты экспериментальных исследования по влиянию плотности тока на коэффициент выделения и удельный поток растворителя при электробаромембранном разделении водных растворов, содержащих анилин и морфолин, приведены на рис. 5 - 8.

В процессе электробаромембранного разделения коэффициент выделения и удельный поток растворителя находятся в определённой зависимости от плотности тока. И чем выше плотность тока, тем выше значения этих двух параметров. Объяснить данное явление можно тем, что с увеличением плотности тока увеличивается количество анилина или морфолина, проходящих через прикатодную мембрану, следовательно, уменьшается коэффициент задержания и увеличивается коэффициент выделения. Зависимости аналогичного характера наблюдались при разделении водного раствора анилина на мембране ОПМ-К, а также при разделении водных растворов морфолина на мембранах МГА-100 и ОПМ-К.

Во второй главе представлены результаты исследований зависимости сорбционной способности мембран и коэффициента распределения от температуры. Была разработана методика и проведён ряд экспериментов. В результате было выяснено ещё раз, что для анилина при повышении температуры возрастает растворимость в воде, и как следствие, снижается коэффициент распределения. Повышение температуры при исследовании сорбции мембранами морфолина не выявило значительного изменения коэффициентов распределения. При адсорбции полярных органических веществ из водных растворов атомы углеводородных радикалов располагаются на поверхности пор мембраны, а группы способные образовывать водородные связи с молекулами воды и ионогенные функциональные группы втягиваются вглубь примембранного слоя воды, то есть молекулы анилина и морфолина могут располагаться перпендикулярно поверхности сорбции.

Третья глава посвящена усовершенствованию математической модели, позволяющей рассчитывать зависимости объемных потоков растворителя и концентрацию раствора от времени проведения процесса, а также, концентрацию и удельный поток растворителя на выходе из электробаромембранных аппаратов путём введения в неё ранее не учитывавшегося коэффициента электродиффузионной проницаемости.

При разработке математической модели кинетики процесса электробаромембранного концентрирования приняты следующие допущения: 1) скорость электродных реакций намного выше скорости массопереноса; 2) рабочая плотность тока намного ниже критической; 3) на границе раствор-мембрана имеет место равновесие фаз; 4) в рабочих камерах раствор идеально перемешивается; 5) насос обеспечивает постоянство подачи; 6) в емкости раствора обеспечивается режим идеального смешения; 7) все неучтенные свойства мембран (микропотоки растворителя и растворенного вещества) учитываются через коэффициент выделения и водопроницаемость.

Составляющие переноса рассчитываются по следующим зависимостям:

1. Электродиффузионный перенос вещества

2. Диффузионный перенос вещества

3. Конвективный перенос растворенного вещества

4. Электрокинетический перенос растворённого вещества

5. Конвективный перенос растворителя



6. Осмотический перенос растворителя

7. Электроосмотический перенос растворителя

8. Электрокинетический перенос растворителя

Запишем суммарный поток массы через коэффициент задержания мембраны:

+ +

В этих формулах: Pэд - коэффициент электродиффузионной проницаемости мембраны по растворенному веществу, кг•А-1с-1; i - плотность тока, А/м2; Pд - коэффициент диффузионной проницаемости мембраны по растворённому веществу, м2с-1; Pос - коэффициент осмотической проницаемости мембраны по растворителю, м5•с-1кг-экв-; Pэoс - коэффициент электроосмотической проницаемости по растворителю, м3•с-1•А-1; - коэффициент водопроницаемости растворителя, м3м-2с-1Па-1; - толщина мембраны, м; - средняя концентрация растворенного вещества в пермеате и ретентате, соответственно, кг-эквм-1; - средняя концентрация растворённого вещества в конвекционном потоке кг-эквм-1; - средняя концентрация растворённого вещества при электрокинетическом переносе кг•эквм-1; - степень использования тока; - разность (градиент) давления по обе стороны мембраны, Па; kкон - коэффициент конвективной проницаемости растворенного вещества из ретентата в пермеат; - коэффициент электрокинетической проницаемости растворенного вещества из ретентата в пермеат;

е - коэффициент, характеризующий объем раствора в разделительной камере;

ч - электропроводность, Ом/м; о - электрокинетический коэффициент; Кk - коэффициент задержания.

Запишем уравнения материального баланса для любой j-ой камеры аппарата в виде:

а) для растворённого вещества:

;

б) для растворителя:

,

где: Fм - площадь мембраны, м2; - концентрация растворенного вещества в i-ой камере на входе и выходе, соответственно; - объёмные расходы раствора на входе и выходе из камеры; - суммарные потоки растворенного вещества и растворителя через мембрану; - концентрации прикатодного и прианодного пермеата, соответственно; - объёмные расходы прикатодного и прианодного пермеата;

- объём и средняя концентрация растворённого вещества в ячейке;

ф - время, с.

Если принять концентрацию в ячейке и Vя = const, тогда:

и уравнение можно записать в следующем виде:

,

Для замыкания систем уравнений получено уравнение для емкости раствора из балансных соотношений:

,

где: .

Для определения зависимости объемных потоков растворителя и концентрации исходного раствора от времени проведения процесса, а также, концентрации и удельного потока растворителя на выходе из электробаромембранных аппаратов, получена замкнутая система уравнений:

j = 1, 2, 3, … n; ;



++;; ;

,

,

где Uj - коэффициент, характеризующий электродиффузионный перенос растворённого вещества; Н - коэффициент изменения концентрации растворённого вещества в пермеате; z - коэффициент расхода раствора в емкости; R - коэффициент, характеризующий изменение концентрации растворённого вещества в пермеате; е - коэффициент, характеризующий объем раствора в разделительной камере; X - толщина камеры, м.

Результаты сравнения экспериментальных данных и расчётных по математической модели показали хорошую сходимость. Ошибка расхождения составляет 10 %, что приемлемо для многопараметрической математической усовершенствованной модели (рис. 9).

Методика проверки адекватности математической модели основана на сравнении экспериментальных и расчетных временных концентрационных зависимостей, концентраций растворенного вещества в пермеате и ретентате. Экспериментальные данные получены на семикамерном электробаромембранном аппарате плоскокамерного типа с прикатодными мембранами.



Методика расчета электробаромембранного аппарата.

В наших расчётах вместо коэффициента задержания оперируем коэффициентом выделения, тогда расчетное выражение примет вид:

,

Далее определяем рабочую площадь мембраны в аппарате:

,

где V+- пер - поток прианодного или прикатодного пермеата, м3/с; G - удельная производительность мембраны, м3/м2с.

При расчёте в качестве электробаромембранного плоскокамерного аппарата примем аппарат типа фильтр-пресс. Переменными величинами могут быть толщина сепарируемой сетки и дренажного слоя, (состоящего из собственно дренажного материала и двух подложек), а также число секций.

Рабочая площадь одного электробаромембранного элемента,

включающего две мембраны, равна:



где FМ - общая площадь мембранного элемента (м2); - диаметр переточного отверстия, м.

Затем проверяем число камер по следующему соотношению:

Определяем напряжение на мембранах в аппарате

.

Далее принимаем электродное напряжение и напряжение питающего источника: и .

Определяем внутреннее сопротивление электробаромембранного аппарата:

,

где д - толщина мембраны, м (индексы: п.э. - пористый электрод, м - мембрана, п - подложка); Х - толщина камеры, м; ч - электропроводность, Ом/м; FЭ - площадь элемента, м2.

Определяем число камер разделения в аппарате по формуле:

где i - плотность тока, А/м2.

Далее приступаем к секционированию аппарата, исходя из необходимости обеспечения примерно одинаковой скорости течения разделяемого раствора во всех секциях аппарата.

Таблица 5. Секционирование аппарата исходя из обеспечения постоянной скорости потока по секциям.

Секция	1	2	3	4	5	6	7
Число элементов в секции	72	52	37	27	19	14	10

Окончательным расчетом является определение энергозатрат на процесс концентрирования водного раствора в электробаромембранном аппарате:

,

где G - удельная производительность, м3/м2c; з - выход по току; Кв - коэффициент выделения; Срет, Сисх - концентрации в ретентате и в исходном растворе соответственно, кг/м3; Vпер - объём пермеата, м3.

В четвертой главе изложены вопросы разработки конструкций аппаратов практического применения для разделения водных растворов, содержащих органические вещества и разработаны схемы выделения вещества из производственных стоков. Для реализации процесса электробаромембранного разделения растворов содержащих органические вещества разработаны и запатентованы новые конструкции электробаромембранных аппаратов плоскокамерного (патент РФ № 2324529) и рулонного типа (№ 2326721 РФ).

Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами является одной из самых удобных конструкций для разделения растворов электролитов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации и электроосмофильтрации. Применение ионообменных спейсеров позволяет интенсифицировать процесс выделения веществ. Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами может с успехом применяться и для проведения обратноосмотических, ультрафильтрационных и микрофильтрационных процессов. Схематически процесс электрохимического выделения, например, анилина из производственных стоков с использованием разработанного и запатентованного мембранного аппарата, представлен на рис. 10.

Рис. 10. Схема плоскокамерного электробаромембранного аппарата.

Разработана и запатентована (патент № 2326721 РФ) конструкция рулонного электробаромембранного аппарата (рис. 11). Его преимущества заключаются в большей полезной площади мембраны на единицу объема и соответственно большей производительности.

Рис. 11. Схема рулонного электробаромембранного аппарата.

Запатентованные конструкции электробаромембранных аппаратов могут быть использованы для разработки технологических схем выделения растворов на химических производствах. На рисунке 12 представлена для примера схема выделения анилина из промышленных стоков.

Включение стадии электробаромембранного разделения в схему очистки органосодержащих растворов позволяет выделить большее количество целевого продукта, повысить качество очистки промышленных стоков и повысить экономические показатели производства.

Рис. 12. Схема выделения анилина из промышленных стоков органического синтеза: 1 - ректификационная колонна; 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор;

4 - холодильник; 5 - многокамерный электробаромембранный аппарат;

6 - емкости; 7 - промежуточная емкость; 8,9 - насосы; 10 - подогреватель.

Схема работает следующим образом: слабоконцентрированный раствор анилина из ёмкости 6 насосом 8 через подогреватель 10 подаётся в ректификационную колонну 1, работающую под атмосферным давлением, где он разделяется на обогащенный анилином дистиллят и обедненный анилином кубовый остаток. Дистиллят, содержащий 50 кг/м3 анилина, поступает в сепаратор на расслоение, а далее выделенный анилин направляется по назначению. Кубовый остаток из колонны, содержащей 1 кг/м3 анилина и небольшое количество нитробензола, проходит через холодильник 4, где он охлаждается до температуры 15… 20 оС и затем сливается в промежуточную ёмкость 7, откуда насосом 9 под давлением 1 …. 1,5 МПа подаётся в электроосмотический аппарат 5. К электродам аппарата 5 прикладывается постоянное электрическое напряжение, которое обеспечивает плотность тока в элементах аппарата 30….40 А/м2.

Под действием перепада давления и сил электрического поля анилин и нитробензол, который может находиться в растворе в ионной и молекулярной формах, вместе с водой транспортируются через прикатодную мембрану (нитробензол при этом восстанавливается на катоде до анилина). Пермеат, обогащенный анилином выводится из аппарата. Нитробензол восстанавливается до анилина в три стадии:

С2H5NO2 + 2e + 2H+ C6H5NO + H2O;

C6H5NO +2e + 2H+ C6H5HOH;

C6H5HOH + 2e + 2H+ C6H5NH2 + H2O.

Раствор перемещается по всем камерам аппарата, что позволяет выделить оставшийся в нём ценный продукт. Очищенный раствор направляется в производственный цикл, а пермеат обогащённый анилином направляется в емкость 6. По аналогичной схеме можно концентрировать морфолин.

Основные выводы

1. Аналитический обзор научно-технической литературы позволил обосновать разработку методик и конструкций экспериментальных установок для исследования кинетических коэффициентов электродиффузионного и электроосмотического переноса, коэффициента выделения и удельного потока растворителя через мембраны МГА-100 и ОПМ-К.

2. Теоретически объяснены экспериментальные данные по коэффициентам электродиффузионного и электроосмотического переноса растворенного вещества через мембрану, в зависимости от концентрации анилина и морфолина (0,4 …13 кг/м3), плотности тока (7,5 … 51,2 А/м2), температуры (293 … 317 0К) и типа мембраны.

3. Экспериментальные данные по коэффициенту выделения и удельному потоку растворителя получены в зависимости от градиента давления

(1 … 5 МПа) и плотности тока (7,5 … 51,2 А/м2). Отмечено повышение коэффициента выделения с увеличением плотности тока и возрастание удельного потока растворителя с повышением градиента давления.

4. Усовершенствованная математическая модель электробаромембранного концентрирования, позволяющая рассчитывать изменения концентраций и объёмов растворителя пермеата и ретентата в зависимости от времени с учётом коэффициента электродиффузионного переноса вещества, объясняет поточно-диффузионный механизм выделения веществ.

5. Разработанная методика расчета электробаромембранных аппаратов, позволяет определить рабочую площадь мембран и секционировать количество элементов в аппарате. Адекватность разработанной математической модели проверена путём сравнения расчётных и экспериментальных концентрационных зависимостей.

6. На конструкции семикамерного электробаромембранного плоскокамерного аппарата проведены экспериментальные исследования по концентрированию промышленных анилин- и морфолинсодержащих растворов. Результаты экспериментальных исследований позволили получить патенты на плоскокамерный (патент № 2324529 РФ) и рулонный (патент № 2326721 РФ) электробаромембранные аппараты.

7. Предлагаемая технологическая схема разделения позволяет концентрировать в электробаромембранном аппарате вещества из кубового остатка после ректификации. Предлагаемый метод повышает количество получаемого из отходов продукта, снижает энергозатраты и даёт возможность создания малоотходной технологии. Результаты по концентрированию растворов приняты к реализации на ОАО «Пигмент» с эколого-экономическим эффектом 180 тыс. р. в год в ценах 2008 г.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

В периодических изданиях рекомендуемых ВАК:

1. Модель расчета массопереноса в электробаромембранных аппаратах рулонного типа./ С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов., М.А. Рябинский., А.С. Горбачев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - Иваново. 2008 - Т. 51, - Вып. 5. - С. 109-111.

2. С.И. Лазарев. Исследование диффузионной проницаемости ОПМ-К и МК-40 в водном растворе белофора ОБ жидкого./ С.И. Лазарев, С.А. Вязовов, М.А. Рябинский // Известия вузов. Химия и химическая технология. - Иваново. 2006. - Т. 49, - Вып. 6. - С. 99-102

3. К вопросу математического моделирования массопереноса в обратноосмотических аппаратах рулонного типа / С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов., М.А. Рябинский., С.В. Ковалев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2007. - Т. 50, - Вып. 8.- С.64-66.

В других изданиях:

4. Проточная установка для исследования диффузионной и осмотической проницаемости мембран. / С.В. Ковалев, С.И. Лазарев, Г.С. Кормильцин, М.А. Рябинский // Вестник Тамбовского университета им. Г.Р.Державина. - 2009. - Т. 14, - Вып. 2. - С. 478-481.

5. Исследование кинетических характеристик обратноосмотического концентрирования водных белофорсодержащих растворов. / С.А. Вязовов, С.И. Лазарев, М.А. Рябинский, Г.С. Кормильцин // Вестник Тамбовского университета им Г.Р.Державина. - 2009. - Т. 14, - Вып. 2. - С. 470-472.

6. К вопросу о методике расчета электробаромембранных аппаратов.

/ О.А. Абоносимов, С.И. Лазарев, М.А. Рябинский, Г.С. Кормильцин // Вестник Тамбовского университета им Г.Р.Державина. - 2009. - Т. 14. Вып. 2 - С. 468-469.

7. С.И. Лазарев. Исследование переноса морфолина через прикатодную мембрану / С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов, М.А. Рябинский, // Ионный перенос в органических и неорганических мембранах; Материалы конференции - Туапсе - 2008. - С. 217-218

8. М.А. Рябинский Температурные особенности электродиализа. / М.А. Рябинский, Н.В. Алексеева, С.И. Лазарев // Материалы конференции Казань; 2005. - С. 357.

9. С.И. Лазарев Некоторые особенности расчета и проектирования электробаромембранных аппаратов плоскокамерного типа / С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов., М.А. Рябинский. // Вестник физико-математического факультета Елецкого государственного университета им. Бунина; Елец, - 2007. - Вып. 3 - С.125-132.

10. С.И. Лазарев. Применение мембранных методов для очистки промышленных сточных вод / С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов., М.А. Рябинский., // Вестник Тамбовского университета им. Г.Р.Державина. - 2007. - С.95-96

11. Баромембранные и электромембранные методы разделения промышленных стоков/ С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов, М.А. Рябинский,

П.А. Чепеняк. // Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий: Сб. науч. трудов Всерос. школа-семинар молодых ученых. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - С.22-27

12. О некоторых особенностях теплопереноса в электробаромембранных процессах/ С.И. Лазарев, М.А. Рябинский, Ю.А. Ворожейкин // Вестник Тамбовского университета им. Г.Р. Державина. - 2008. - Т. 3. - С. 98-99.

13. С.И. Лазарев. Патент № 2326721 РФ “Электробаромембранный аппарат рулонного типа” / С.И. Лазарев, О.А. Абоносимов., М.А. Рябинский - Опубл. 20.06.2008, - Бюл. № 17.

14. С.И. Лазарев. Патент № 2324529 “Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа” / С.И. Лазарев, С.А. Вязовов, М.А. Рябинский - Опубл - 20.05.2008. - Бюл. № 14.

Размещено на Allbest.ru

...