Определение основных параметров мембранного аппарата

 

Определяем расход пермеата W_п в первом приближении[5,6]:

 

W_п=W₀-W_k=W₀[(C_k/C₀^)-1/R]=0,0565[(0,15/0,015)^-1/0,98]=5,39*10^-3 кг/с, (23)

 

где W₀- расход раствора на разеление, W₀= 200 л/ч= 0,2 м/ч= 0,0565кг/с;

W_k- расход концентрата; R= R_u=0,98- селективность мембраны.

 

Определяем потребную площадь мембран по формуле:

 

F= W_п/G=5,39*10^-3/2,7*10^-3=1,99м² (24)

 

По производительности по пермеату производим выбор мембранного модуля, W_п=5,39*10^-3 кг/с= 0,019 м³/ч. Принимаем мембранный модуль на основе полых волокон Syn+100.

 

Таблица №2. Технические характеристики мембранного модуля Syn+100.

 

Производительность по фильрату, м3/ч	0,012-0,05
Внутреннний диаметр,мм
Площадь поверхности мембран, м2	1,8
Производитель	фирма «HELBIO»

 

Определим количество мембранных модулей n_мод:

 

n_мод=F/F_мод=1,99/1,8≈1, (25)

 

где F_мод площадь поверхности мембран одного модуля, принимается по паспортным характеристикам модуля, F_мод=1,8 м².

 

Количество мембранных модулей в одном аппарате принимаем равным n_апп , тогда количество мембранных аппаратов в установке:

 

N_апп= n_мод/ n_апп=1/1=1 (26)

Для создания высоких скоростей потока в схему установки включается циркуляционный насос, обладающий высокой подачей, но сравнительно небольшим напором, требуемым лишь для преодоления гидравлического сопротивления напорного канала.

На рисунке 2 показана установка с циркуляционным контуром

Принимаем величину кратности циркуляции r равной 70. Система имеет один циркуляционный контур. Схема работает следующим образом: исходный раствор с объёмным расходом W₀ и концентрацией С₀ подаётся насосом высокого давления на вход мембранного аппарат. Перед входом в аппарат к исходному раствору добавляется циркулирующий поток с расходом rW₀.

 

 

Рисунок 4. Схема установки с циркуляционным контуром

 

После смешения образуется раствор с расходом W_вx и концентрацией C_вx, который поступает в аппарат, где происходит его концентрирование до концентрации C_x.При этом образуется пермеат с расходом W_п и концентрацией _п .Из аппарата раствор выходит с расходом W_вых и концентрацией C_x. Часть его выводится из установки в виде концентрата с расходом W_k,другая часть направляется циркуляционным насосом на смешение с исходным раствором.

 

Выход пермеата и концентрата в такой установке определяем по уравнению:

 

W_k= (27)

 

W_п= (28)

 

Потребная площадь мембраны F составляет:

 

F= (29)

 

Окончательно принимаем выбранный ранее мембранный модуль и определяем их требуемое число:

 

n_мод=F/F_мод=2/1,8=1

 

Подбор вспомогательного оборудования

Подбор насоса.

Определяем потребный напор насоса

 

Н= Δр_н /ρg=0,108*10⁶/685,5*9,81= 30,25 м.вод.ст (30)

 

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Учитывая широкое распространение этих насосов в промышленности ввиду достаточно высокого КПД, компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для последующего рассмотрения именно эти насосы.

 

Определяем полезную мощность насоса N_п :

N_п= ρgWН= 685,5*9,81*5,6*10^-5*30,25=160,4Вт≈0,16кВт (31)

 

Принимая КПД предачи η_пер=0,8и КПД насоса η_н=0,6 , найдем мощность на валу двигателя:

N= N_п / η_пер* η_н= 0,16/0,8*0,6=0,333кВТ (32)

 

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 16/25, для которого при оптимальных условиях работы Q=5,5*10^-3 м³/с, Н=44 вод.ст , частота вращения п=1200с^-1, тип электродвигателя АИР 112МВ6/950, мощность двигателя N_н=4кВт, габаритные размеры насоса 1165*294*410мм.Определим предельную высоту всасывания для выбранного насоса. Рассчитаем запас напора на кавитацию:

h₃= 0,3(W п²)^2/3= 0,3(5,6*10^-5*1200²)^2/3=5,6м (33)

 

По таблицам давлений насыщенного водяного пара найдем, сто при 20̊С давление насыщенного водяного пара р_t= 3,05*10³ Па. Примем, что атмосферное давление равно р₁=10⁵ Па, а диаметр всасывающего патрубка равен диаметру трубопровода. Тогда предельная высота всасывания равна:

 

H_BC ≤ (34)

 

где -потеря напора во всасывающей линии

 

(35)

здесь - длина всасывающей линии; - сумма коэффициентов сопротивления на линии всасывания:

 

= ξ1+ ξ2+ ξ3+ ξ4=0,5+2,1+9+1=12,6 (36)

 

Таким образом, расположение насоса на высоте 1м над уровнем воды в емкости вполне возможно.

 

Определяем потребный напор насоса Н:

 

Н= Δр_н /ρg=0,0097*10⁶/685,5*9,81=1,45м.вод.ст.

Подбор циркуляционного насоса

Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений Ʃξ. На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:

- вход в трубу с острыми краями ξ1=0,5

- три колена с углом 90̊, при d= 15мм ξ2=2,1

- вентиль нормальный при полном открытии, при d= 15мм ξ3=9

- выход из трубы ξ4=1

На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений:

- вход в трубу с острыми краями ξ5=0,5

- четыре колена с углом 90̊, при d= 15мм ξ6=2,1

- выход из трубы ξ7=1

Тогда

 

Ʃξ= ξ1+ ξ2+ ξ3+ ξ4+ ξ5+ ξ6+ ξ7= 0,5+3*2,1+9+1+0,5+2,1*4+1=26,7

 

Принимаем длину трубопровода l=3м

Тогда потери давления определяем по формуле:

Δр_П = (λ l/d+ Ʃξ)pv²/2= (0,040*3/0,015+26,7)685,5*0,3²/2=1076,6Па=

=0,0011Мпа. (37)

 

Принимаем геометрическую высоту подъема жидкости равной _z=0,79м. Тогда потери давления, связанные с подъемом жидкости на геометрическую высоту равны:

Δр_r=pgh_z=685,5*9,81*0,79=5312,56 Па= 0,005 Мпа (38)

 

Тогда давление, развиваемое насосом, будет равно

Δр_н=0,0011+0,005= 0,0061 МПа

 

Требуемая производительность насоса циркуляции определяется кратности циркуляции. Для разрабатываемой установки кратность циркуляции составляет 0,7, тогда требуемая производительность насоса равна:

W_ц=0,7W=0,7*5,6*10^-5= 3,92*10^-5м³/с (39)

 

Определяем полезную мощность насоса N_п :

N_п= ρgWН= 685,5*9,81*3,92*10^-5*1=26,3Вт≈0,03кВт (40)

 

Принимая КПД предачи η_пер=0,8и КПД насоса η_н=0,6 , найдем мощность на валу двигателя:

N= N_п / η_пер* η_н= 0,03/0,8*0,6=0,0625кВТ (41)

 

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 16/10б, для которого при оптимальных условиях работы Q=5,5*10^-3 м³/с, Н=44 вод.ст , частота вращения п=1500 об/мин, тип электродвигателя АИР80А4, мощность двигателя N_н=1,1кВт, габаритные размеры насоса 1165*294*410мм.