Турлыбаев К.А., Сатаев М.И.

Южно-Казахстанский Государственный Университет им. М. Ауезова

Гидродинамика и массоперенос мембранной очистки нефтесодержащих сточных вод

Ультрафильтрация является процессом разделения систем на пористой перегородке с использованием тех же приемов, что и в случае микрофильтрации. Однако между этими процессами есть существенное различие, которое заключается в гидравлических сопротивлениях собственно фильтров, обусловленное существенно меньшими диаметрами капилляров. Проницаемость мембран по отношению к нефтесодержащему водному потоку представляет собой зависимость количества фильтрата, проходящего через единицу поверхности мембраны в единицу времени, от перепада давления на фильтре. Проницаемость определяет срок службы мембраны, зависящий от времени до достижения предельно допустимого перепада давлений или объема отфильтрованного водного потока. Увеличение давления в процессе разделения нефтесодержащего водного потока происходит либо вследствие повышения сопротивления движения фильтрата, либо образования осадка нефтепродуктов, либо закупоривания пор.

      Общее сопротивление движения нефтесодержащего водного потока будет зависеть от следующих факторов: структуры ультра мембраны, т. е. его толщины и длины капилляров, гладкости стенок капилляров и местных сопротивлений, зависящих от внезапного расширения или сужения канала, формы входа, формы и угла поворотов канала; физических характеристик нефтепродукта; поверхностных взаимодействий материала мембраны и нефтепродукта; структуры осадка и скорости роста его толщины.

      Выбранные нами мембраны отличаются лабиринтной взаимосвязанной сеткой каналов неправильной формы и переменного сечения. Для повышения эффективности работы ультрафильтров по мембранной очистке нефтесодержащих вод можно идти двумя направлениями. Первый заключается в создании над поверхностью мембраны слоя искусственного осадка, который сам начинает играть роль глубинного фильтра и одновременно защищает устья капилляров от быстрого забивания. Другой путь сводится к созданию над поверхностью ультрамембраны гидродинамических условий, препятствующих образованию осадка.

      С целью снижения концентрационной поляризации или образования осадка при ультрафильтрационной очистке вод от нефтепродуктов нами используется  создание турбулизированного слоя над поверхностью мембраны [1]. По значениям рисунка 1 видно, что проницаемость ультрамембран при интенсификации процесса методом создания турбулизированного слоя (3×10-5 м3/м2×с) выше, чем без турбулизации (6×10-6 м3/м2×с).

      Проницаемость при ультрафильтрационной очистке водного потока во времени,  связана с формой каналов. Если сравнить две правильные формы каналов - цилиндрическую и прямоугольную (щелевидную), то можно ожидать, что при близкой первоначальной проницаемости и при прямоугольной форме канала мембрана способна задерживать частицы более мелкие, а ресурс работы такого материала будет больше. Это связано с тем, что отделяемая частица нефтепродукта не полностью перекрывает сечение канала, а лишь уменьшает его живое сечение. Механическое воздействие на пористую мембрану приводит не только к трансформации поры, но и к дополнительному развитию трещин в мембране.

 

 

 

 

 

 

 

     

   Проницаемость G, м3/м2×с

               Концентрация С,  кг/м3

 

      Обозначения кривых: 1 – при турбулизированном движении потока; 2 – при ламинарном движении потока.

 

Рисунок 1 – Зависимость проницаемости от концентрации нефтепродуктов

при различных режимах движения потока

 

      Для гидродинамической оценки проницаемости мембраны по нефтепродукту необходима гидравлическая характеристика процесса, зависящая от количества жидкой фазы, проходящей при постоянной температуре через единицу поверхности материала в единицу времени, от перепада давления на фильтре, т. е. Q=f(DР). Гидравлическая характеристика процесса ультрафильтрации зависит не только от показателей мембраны, но и от свойств нефтепродукта. На рисунке 2 приведена гидравлическая характеристика ультрафильтра при мембранной очистке нефтесодержащих вод.

      Из рисунка видна линейная зависимость проницаемости от давления. Срок работы, определяется количеством жидкой фазы, прошедшей через мембрану до достижения предельно допустимого перепада давлений или продолжительностью работы фильтра до заданного предельного перепада давления. Эффективность фильтрования нефтесодержащего водного потока за период работы мембраны не должна ухудшаться. Ресурс работы во многом зависит от исходной степени загрязнения воды или концентрации нефтепродукта.

      Для повышения эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод были исследованы влияние давления и концентрации на процесс ультрафильтрации.

 

Производительность Q, м3/с

 


Давление  Р, МПа

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 –  Гидравлическая характеристика ультрафильтра

при мембранном мембранной очистке нефтесодержащих сточных вод

 

      Выбор рабочего давления зависит от вида процесса, природы и концентрации разделяемого раствора, типа используемой мембраны, конструкции аппарата, гидравлического сопротивления мембранного канала [2]. Для ультрафильтрации рабочее давление находится в пределах 0,3 - 1 МПа. Воздействие высокого давления на  мембраны приводит к остаточным деформациям. Усадка структуры мембраны, особенно заметная в первые часы работы мембраны, снижает проницаемость и повышает селективность.

       Для нефтесодержащего водного потока были получены экспериментальные значения зависимости производительности от значения рабочего давления. Полученные экспериментальные значения зависимости проницаемости от рабочего давления показывают следующие характерные моменты  (рисунок 3).

Проницаемость в зависимости от давления в начале увеличивается до 9,7×10-6 м3/м2×с, но эта зависимость нелинейна и затем практически становится постоянной (9,9×10-6 м3/м2×с). Ход кривой зависимости проницаемости от давления всегда носит нелинейный характер ввиду явления концентрационной поляризации и как следствие на поверхности мембраны образуется гель, в результате чего концентрация нефтепродукта у мембранной поверхности становится постоянной и не зависит от рабочего давления. Вследствие данного явления, которое, естественно ухудшает работу, мембрану нужно периодически очищать.

      При высоких концентрациях, в результате концентрационной поляризации, в процессе ультрафильтрации, образуется гелевый слой, что приводит к снижению эффективности работы аппарата.

 

 

Проницаемость  G,  м3/м2×с

 

Давление Р, МПа

 

      Обозначения кривых: вязкость системы: 1 – 4,10×10-3 Па×с; 2 –  3,5×10-3 Па× с;  3 – 2,2×10-3 Па×с; 4 – 1,1×10-3 Па×с.

 

Рисунок 3 –  Влияние давления на проницаемость

 

      Зависимость проницаемости и селективности от концентрации приведены на рисунках 4 и 5.

Проницаемость G, м3/м2×с

                                                  Концентрация С, кг/м3

 

Рисунок 4 – Зависимость проницаемости от концентрации

 

      Массообмен у поверхности ультрафильтрационной мембраны обычно рассматривают с позиций пленочной теории, согласно которой на границе раздела фаз возникают ламинарные пограничные слои, в пределах которых существуют градиенты концентрации. Основное сопротивление массообмену сосредоточено в этих слоях. В процессе ультрафильтрации через мембрану преимущественно проходит растворитель и низкомолекулярные растворенные вещества. Повышение концентрации задерживаемого вещества в пограничном слое у поверхности мембраны известно под названием концентрационной поляризации.

      Концентрационная поляризация  обусловливает следующие отрицательные эффекты: снижается движущая сила процесса вследствие увеличения концентрации у поверхности мембраны; при превышении точки гелеобразования или произведения растворимости на поверхности мембран могут формироваться осадки или гели; при повышении концентрации веществ у мембраны она может модифицироваться, что приводит к ее химической деградации.

 

 

Селективность j,%

 

 

                                               Концентрация С, кг/м3

 

Рисунок 5 –  Зависимость селективности от концентрации

 

      Имеются два основных направления решения проблемы снижения влияния концентрационной поляризации.

      Поддерживание малых потоков жидкости через мембрану. Оно возможно только при достаточной производительности ультрафильтрационного модуля, т.е. при очень большой рабочей площади мембран, умещающихся в компактный модуль. В качестве примера можно привести половолоконные аппараты.

      Поддерживание низкой разницы концентраций между примембранным слоем и основным объемом жидкости. Для достижения этого условия используют различным способом организованное, с переводом концентрированного слоя перемешивание с поверхности мембраны в ядро потока. Перемешивание, формирующее перпендикулярные мембране потоки, часто используются для уменьшения концентрационной поляризации в небольших лабораторных модулях с помощью лопастной мешалки. В промышленных масштабах этот способ практически невозможен. Практически во всех промышленных мембранных аппаратах увеличение конвективного массопереноса растворенных веществ с поверхности мембраны в основной объем жидкости достигается за счет высоких градиентов скорости вдоль мембраны.

      Высокие скорости потоков вдоль мембраны получают путем прокачивания  жидкости через мембранный модуль. В промышленной ультрафильтрации процесс разделения обычно интенсифицируют за счет циркуляции раствора по замкнутому контуру гидравлической системы установки. Использование турбулентного режима движения жидкости (обычно линейная скорость раствора 3–5 м/с) приводит к большим энергозатратам.

      Повышение скорости часто сочетают с использованием турбулизирующих вставок. Вставки могут быть самых различных конструкций: спиральные (для мембран трубчатого типа), перфорированные и гофрированные устройства (для плоских мембран), металлические и пластмассовые сетки (для рулонных элементов).

      Общим недостатком применения турбулизаторов является резкое повышение гидравлического сопротивления межмембранного канала [3], что связано со значительным увеличением энергетических затрат на разделение раствора.

      К экзотическим решениям относятся: введение в исходный поток тонкоизмельченных твердых частиц; нарушение гидродинамической устойчивости потока вихрями Тейлора (в электродиализном опреснителе) [4]; генерация микровихрей размещением на пути потока жидкости извилистых ребер.

      Несмотря на многообразие методов борьбы с концентрационной поляризации, ни один из них не приводит к полной нейтрализации ее влияния. Поэтому оправдан поиск таких условий работы мембранных аппаратов, которые обеспечивали бы максимальный эффект при минимальных затратах.

      В нашей работе влияние концентрационной поляризации при адсорбции нефтепродуктов устранялось за счет применения мембранных элементов состоящих из ребристых пластин, где ребра обеих поверхностей пластины расположены крестообразно относительно друг друга под углом  140-150о. На рисунке 6 показано изменение концентрационной поляризации по длине межмембранного канала. Из рисунка видно, что концентрационная  поляризация  незначительно возрастает по мере удаления от входа в канал. Это ведет к небольшому снижению селективности и проницаемости.     

      На рисунках 7 и 8  представлены зависимости изменения селективности и проницаемости мембранного аппарата по длине межмембранного канала при различных скоростях потока.

 

 

 

Концентрационная

поляризация

 

 

                         Длина межмембранного канал l, м

 

Рисунок 6 –  Изменение концентрационной поляризации

по длине межмембранного канала

 

 

 

 

 

Селективность j, %

 

 

                     Длина межмембранного канала l, м

 

      Обозначения кривых: скорость потока: 1 – 0,1 м/с; 2 – 0,08 м/с; 3 – 0,03 м/с.

 

Рисунок 7 – Изменение селективности мембранного аппарата

по длине межмембранного канала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проницаемость G, м3/м2×с

 

 

                                             Длина межмембранного канал l, м

 

      Обозначения кривых: скорость потока: 1 – 0,1 м/с; 2 – 0,08 м/с; 3 – 0,03 м/с.

 

Рисунок 8 –  Изменение проницаемости мембранного аппарата

по длине межмембранного канала

 

Из рисунков видно, что предлагаемая конструкция мембранного аппарата позволяет значительно уменьшить образование концентрационной поляризации и повысить эффективность селективности и проницаемости аппарата при небольших скоростях потока.

Наилучшей с точки зрения снижения влияния концентрационной поляризации является использование предлагаемой конструкции. Идея конструирования заключалась в том, что максимально энергия должна тратиться на локальную турбулизацию жидкости, а не на ее объемное перемещение.

 

 Вывод

Установлены закономерности гидродинамики мембранной очистки и получены уравнения для коэффициентов просачивания и диффузионной проницаемости. Выведены выражения для потока растворенного вещества проходящего через мембрану, в зависимости от ее полной и диффузионной проницаемости и даны оценки градиента скорости на характерном масштабе деформации макромолекулы. Предложены уравнение для определения концентрации растворенного вещества в пермеате и дифференциальное уравнение распределения растворенного компонента в слое растворителя перед мембранной, решение которых приводит к выражению для расчета концентрации растворенного вещества в зоне концентрационной поляризации. Выведены уравнения для коэффициента концентрационной поляризации, а также для селективности ультрафильтрации.

Изучена гидродинамика и найдена зависимость концентрационной поляризации от турбулентного движения и динамической скорости потока, а также  зависимость проницаемости от времени и формы каналов. В результате исследований массопереноса определены оптимальные параметры процесса, влияющие на эффективность очистки, проницаемость и селективность мембранного разделения. Установлено влияние конструкций мембранных элементов состоящих из ребристых пластин на образование концентрационной поляризации.

 

 

Литература:

1. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы разделения жидких смесей. - М.:Химия, 1975. - 229 с.

2. Сатаев М.И. Интенсификация гидродинамических характеристик и массопереноса при ультрафильтрации с целью снижения концентрационной поляризации //Вестник евразийского университета. - 2004, № 3. - С.186-193.

3. Тарасова Т.А., Ханхунов Ю.М., Орлов Н.С. Технико-экономический расчет процесса ультрафильтрации //Мембранные процессы разделения жидких и газовых смесей. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. - М., 1982. - вып. 122. -  С. 138–146.

4. Лебедь Н.Г., Шаповалов С.В. Результаты исследования влияния макровихрей на процесс опреснения//Труды НКИ, Николаев, 1977. - вып. 146. - С. 10.