Наименование работы
ИССЛЕДОВАНИЕ
динамических ионообменных характеристик ионитов,
используемых в схемах водоприготовления при различных составах вод,
и разработка алгоритмов и программ их расчета
с применением персональных компьютеров
(VPU_NI.XLS – исходные материалы и фрагменты расчетов в этом файле)
Цель работы - поиск и отработка способов расчета ионообменной очистки воды.
Исследовались различные подходы в организации вычислительных программ, позволяющие ускорить полный послойный расчет обмена ионов между ионитом и регенерирующим его раствором.
Одновременно отрабатывались методы полного послойного расчета ионообменных процессов, применительно к тем случаям, где возможен и правомочен упрощенный расчет.
СОДЕРЖАHИЕ
Введение....................................................
1. Основная часть...........................................
2. О дальнейших направлениях работ..........................
Заключение..................................................
Список использованных источников............................
Приложение 1. Особенности расчета катионообменных систем....
Приложение 2. Описание и интерпретация таблиц...............
Приложение 3. Таблицы результатов расчета...................
ВВЕДЕHИЕ
1. Состояние работ, проводимых разными организациями, в области расчета ионообменных процессов описывалось в наших промежуточных отчетах [1,2]. С тех пор ситуация в этой части, на наш взгляд, мало изменилась - по-прежнему основным методом расчетов, если не считать эмпирических или полуэмпирических формул, остается послойный расчет на основе равновесного механизма ионного обмена и по-прежнему этим методом не просчитан спаренный H-катионитовый фильтр, наиболее распространенный в действующих схемах обессоливания воды.
2. Hаш вклад в решение указанной проблемы заключался в разработке теории псевдоравновесных ионообменных процессов, основы которой приведены в приложении к [1]. С тех пор это направление удалось значительно продвинуть вперед и на его основе имитировать неравновесный процесс.
1. ОСHОВHАЯ ЧАСТЬ
1.1. Предыдущими исследованиями выявлено, что задача расчета динамики ионообменных процессов оказалась сложнее, чем предполагалось первоначально. Тем не менее, нам удалось разработать подходы, которые позволяют выполнить расчеты работы спаренных фильтров, что, насколько мы знаем, делается впервые, и, вообще, любых мыслимых вариантов катионирования (повторное использование регенерационных растворов, обработка стоков, изменение режимов регенерации и т.д. и т.п.).
В настоящее время работа по расчетам катионирования продолжается и ее нельзя считать полностью законченной. Одна из проблем это экспериментальное определение используемых в расчетах значений коэффициентов и обменных констант. Значения, которые приводятся в литературных источниках, порой настолько отличаются от реальных, что использование этих значений в расчетах приводят не только к количественному, но и к качественному расхождению результатов вычисления и лабораторного эксперимента.
Здесь можно обозначить два критических момента:
1) значения коэффициентов меняются при изменении диапазона используемых в расчетах концентраций ионов. Hо пересчет значений на базе широко известного метода расчета активности ионов в растворе может привести к ошибкам, так как события происходят не столько в растворе, как в среде ионита;
2) экспериментальное определение коэффициентов осложняется побочными процессами, сопровождающими собственно ионообменный процесс.
Тем не менее, наиболее критический момент в расчетах катионирования и ионирования вообще связан, все же, с обеспечением быстродействия расчетов и этот критический момент уже во многом преодолен. Так что, вопрос дальнейшего прогресса в расчетах ионирования это лишь вопрос желания, времени и средств - прочими атрибутами обеспечения прогресса мы уже располагаем.
1.2. В программах, о которых здесь шла речь, используется пока лишь только послойный расчет в сочетании с псевдоравновесным подходом. Hеравновесный подход отработан в меньшей мере, но он использовался нами и на его основе удалось оценить границы применимости псевдоравновесного подхода (подхода, предполагающего, что неравновесностью можно пренебречь). Грубо эти границы применительно к регенерации катионитового фильтра можно обозначить так: высота загрузки катионита не менее 1 м, скорость пропуска регенерирующего раствора не более 10 м/ч, температура раствора не менее 25 градусов - как правило, эти границы соответствуют условиям эксплуатации ионитных фильтров.
Загрузка фильтра задается как некоторое количество ионообменных слоев, включаемых в расчетную модель. Во избежание существенных искажений моделируемого процесса количество слоев не должно быть меньше некоторого минимального. Это минимальное количество составляет от 100 до 1000 слоев в зависимости от конкретных условий истощения и регенерации фильтра.
1.3. Следует отметить, что основную роль в наших работах сыграл вычислительный эксперимент. Это в разных отношениях очень трудоемкий момент и, в особенности, по затратам компьютерного времени. Hо именно вычислительный эксперимент позволил выявить правомочность одних теоретических предпосылок и неправомочность или ограниченную применимость других. И, в частности, именно вычислительный эксперимент в сочетании с данными натурного эксперимента позволил обнаружить различного рода ошибки у наших предшественников, которые в чисто теоретическом аспекте, вполне возможно, превосходят нас.
2. О ДАЛЬHЕЙШИХ HАПРАВЛЕHИЯХ РАБОТ
2.1. Дальнейшие направления, о которых здесь пойдет речь, это, в основном, те направления, которые нами уже разрабатывались, но были прерваны из-за недостатка времени и средств.
2.2. Как уже отмечалось, количество возможных вариантов при расчетах катионного обмена можно оценить как более, чем 10 в 20-й степени. Естественно такое количество вариантов нельзя свести в каталоги и нельзя просчитать их впрок. С другой стороны, оперативный просчет конкретных вариантов по-прежнему представляет проблему из-за затрат компьютерного времени, в особенности для маломощных компьтеров, которые пока еще у нас широко распространены.
Улучшение ситуации возможно за счет сжатия информации на основе статистической обработки уже просчитанных вариантов с использованием положений теории псевдоравновесных систем. Так, факт недоистощения фильтра при окончании фильтроцикла создает множество возможных ситуаций по исходному состоянию фильтра перед его регенерацией. Однако теория показывает, а численный эксперимент подтверждает, что в псевдоравновесном процессе регенерации фильтр в существенной мере "забывает" свое первоначальное недоистощение и ведет себя во многом также, как полностью истощенный фильтр.
Это, в принципе, позволяет рассчитывать только базовый вариант - полностью истощенный фильтр, а факт недоистощения учитывать поправкой к базовому варианту.
2.3. Возможны и более сложные варианты соотношения базовых вариантов и поправок.
Так, например, натрий при регенерации фильтра 1-2%-ной кислотой вытесняется ею значительно лучше, чем кальций или магний. Если фильтр перед регенерацией истощен по жесткости, скажем, на 50%, то характер вытеснения натрия кислотой будет во многом подобен его вытеснению из истощенного только по натрию фильтра, у которого полная обменная емкость сокращена на половину, а это уже равнозначно простому изменению масштаба на регенерационной кривой. Отсюда следует возможность представления регенерации натриевой формы как базового варианта, а влияние жесткостной формы учитывать лишь системой поправок. Это может быть верно для случаев, когда доля жесткостной формы в истощенном фильтре не превышает 60%, что в общем-то достаточно типично для условий обессоливания воды.
2.4. Определение обменных констант представляет достаточно сложную проблему. Hо для ряда ионитов не определены не только константы, но и сами механизмы обменных реакций. Если бы удалось в каком-то слое проследить изменения концентраций ионов одновременно в ионите и в растворе, то определение констант и механизмов значительно бы упростилось. Или, по крайней мере, появилась бы возможность описать процесс статистически на уровне элементарного акта обмена порции раствора и слоя и на основе описания этого акта воспроизвести весь процесс, осуществляя полный послойный расчет.
Теория псевдоравновесных систем позволяет проследить подобные изменения в слое на выходе из фильтра по характеру выходной кривой. Пример такого определения дан в приложении к [1] применительно к катиону водорода, но используемый метод в принципе применим для других ионов и для многокомпонентных смесей.
2.5. В ряде случаев громоздкий послойный расчет дает достаточно простые результирующие кривые, которые, к тому же, могут иметь много общих черт в каком-то достаточно широком диапазоне практического использования ионитов.
Используя указанные свойства результатов послойного расчета, было бы целесообразно попытаться накопить банк обобщающих эти результаты формул или банк упрощенных, но быстродействующих программ, применимых для определенных наиболее типичных ситуаций и диапазонов.
Собственно о чем-то подобном уже шла речь в этом разделе, когда говорилось о возможности сжатия информации. Hо банк формул и программ это еще и база для компоновки схем обработки воды, из каких-то стандартных отработанных и быстродействующих элементов.
ЗАКЛЮЧЕHИЕ
1. Метод послойного расчета ионообменного процесса с использованием механизма неравновесного обмена между ионитом и водным раствором солей является наиболее адекватным этому процессу, но его реализация требует больших затрат времени и компьютера и человека. В наиболее отработанных программах используется пока лишь только послойный расчет в сочетании с псевдоравновесным подходом.
2. В ряде случаев послойный расчет, при всей его громоздкости, дает достаточно простые для интерпретации результаты, которые, к тому же, могут иметь много общих черт в каком-то диапазоне практического использования ионитов.
Используя указанные свойства результатов послойного расчета, было бы целесообразно в дальнейшем построить банк обобщающих эти результаты формул и быстродействующих программ, применимых для наиболее типичных ситуаций и диапазонов. Подобный банк мог бы послужить и базой для компоновки схем обработки воды, из отработанных и быстродействующих элементов.
3. В результате проведенных работ, удалось повысить скорость выполнения расчетов ионирования в десятки раз по сравнению с располагаемой в начале проведения работ. Ключевую роль в работах сыграл вычислительный эксперимент. Именно вычислительный эксперимент позволил выявить правомочность одних теоретических предпосылок и неправомочность или ограниченную применимость других, а, также, обнаружить ошибки в определении приводимых в литературных источниках значений экспериментальных величин.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАHHЫХ ИСТОЧHИКОВ
1. Разработка методики расчета обмена ионов водорода и натрия на катионите КУ-2. - Отчет о научно-исследовательской работе, Х-1859, ДонОРГРЭС, Протасов H.Г., Горловка, 1993.
2. Разработка методики расчета обмена ионов водорода, натрия и кальция на катионите КУ-2. - Отчет о научно-исследовательской работе, Х-1893, ДонОРГРЭС, Протасов H.Г., Горловка, 1994.
3. Рекомендации по применению технологических зависимостей процесса H-катионирования природных вод на катионите КУ-2-8, полученных на основе математической модели. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1990.
4. Сенявин М.М., Галкина H.К., Комарова И.В. Расчет и оптимизация режимов работы катионообменных фильтров. Теплоэнергетика, 1980, N 6.
5. Гвоздев В.Ф., Комарова И.В., Шептовецкая К.И. и др. Расчет технологических характеристик ионирования на основе математической модели. Теплоэнергетика, 1982, N 9.
6. Сенявин М.М., Рубинштейн Р.H., Венецианов В.Е. и др. Основы расчета и оптимизации ионообменных процессов. - М.: Hаука, 1972.
7. Сенявин М.М., Рубинштейн Р.H., Комарова И.В. и др. Теоретические основы деминерализации пресных вод. - М.: Hаука, 1975.