Оптимизация и управление мембранными системами

• Автор: Лесков, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 253 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Мембранные системы и задачи управления

1.1 Мембранные системы.

1.2 Мембранные разделительные системы .

1.3 Мембраны.

1.4 Применение мембранных систем.

1.5 Конструкции мембранных модулей.

1.5.1 Нутчфильтр

1.5.2 Трубчатый мембранный модуль .

1.5.3 Мембранный модуль на полых волонах.

1.5.4 Рулонный модуль
1.5.5 Плоскокамерный модуль
1.6 Минимизация затрат работы и мощности на разделение в мембранных модулях.
1.6.1 Нутчфильтр
1.6.2 Трубчатый модуль и модуль на полых волокнах
1.6.3 Рулонный модуль
1.6.4 Плоскокамерный модуль
1.7 Установки мембранного разделения.
1.7.1 Выделение водорода из продувочных газов
1.7.2 Очистка сточных вод .
1.8 Общая методология оптимизационной термодинамики
1.8.1 Эксперимент ВантГоффа.
1.8.2 Химический потенциал
1.8.3 Осмос. Уравнение ВантГоффа.
1.8.4 Особенности термодинамики при конечном времени.
Решаемые задачи.
1.8.5 Методология термодинамики при конечном времени . .
1.9 Задачи работы.
2 Мембранные системы разделения
2.1 Оценка снизу для работы разделения в необратимом резерву
арном процессе.
2.2 Периодическая система мембранного разделения
2.2.1 Описание системы.
2.2.2 Условия оптимальности
2.2.3 Алгоритм решения.
2.2.4 Пример 1
2.2.5 Пример 2
2.2.6 Обсуждение результатов.
2.3 Непрерывная система мембранного разделения
2.3.1 Описание системы.
2.3.2 Постановка и формализация задачи.
2.3.3 Условия оптимальности
2.3.4 Алгоритм решения.
2.3.5 Приме 1
2.3.6 Пример 2.
2.3.7 Обсуждение результатов
2.4 Управление периодическими мембранными модулями.
2.5 Управление мембранными модулями непрерывного действия .
2.5.1 Трубчатый модуль и модуль на полых волокнах
2.5.2 Рулонный модуль.
2.5.3 Плоскокамерный модуль.
2.6 Вывод
3 Оптимизация и предельные возможности диффузионных машин
3.1 Диффузионномеханический цикл максимальной мощности .
3.1.1 Поочередный контакт рабочего тела с источниками . .
3.1.2 Непрерывный контакт рабочего тела с источниками . .
3.2 Диффузионная машина с непрерывным контактом рабочего тела с источниками.
3.2.1 Описание машины
3.2.2 Постановка и формализация задачи.
3.2.3 Решение задачи оптимизации без учета ограничений . .
3.2.4 Решение задачи условной оптимизации.
3.2.5 Пример.
3.2.6 Обсуждение результатов расчета.
3.3 Диффузионная машина с поочередным контактом рабочего тела с источниками.
3.3.1 Описание машины
3.3.2 Постановка и формализация задачи.
3.3.3 Решение задачи о предельной мощности без учета
ограничений.
3.3.4 Решение задачи о предельной мощности с учетом
ограничений.
3.3.5 Пример.
3.3.6 Обсуждение результатов расчета.
3.4 Сравнение предельных возможностей двух типов диффузионных машин
3.5 Вывод
4 Управление непрерывной системой мембранного разделения
4.1 Использование условий оптимальности для системы управления в реальном времени.
4.2 Использование условия оптимальности .
4.3 Коэффициенты усиления кр и
4.4 Структурная схема и передаточные функции первой камеры .
4.5 Передаточная функция иодкамеры.
4.6 Структурная схема первой камеры при делении второй камеры
на иодкамеры.
4.7 Передаточная функция клапана.
4.8 Система автоматического управления, использующая найденные условия оптимальности.
4.9 Система взаимосвязанного регулирования.
4. Автоматическая система управления, поддерживающая производительность системы на заданном значении.
4. Вывод
5 Основные результаты
Литература


От самых тонких - концентрирование изотопов урана методом газовой диффузии, до относительно “грубых” - микрофильтрационная очистка жидкостей высокой степени чистоты от взвешенных частиц субмикронных размеров []. Мембранные процессы разделения газов и жидкостей в настоящее время являются признанной альтернативой энергоемким, отрицательно влияющим на окружающую среду технологиям - экстракции, дистилляции, абсорбции, адсорбции, химической обработке и седиментации. Дальнейшая широкая реализация мембранных процессов связана с необходимостью разработки методов расчета систем для их осуществления, руководящих материалов по выбору и проектированию мембранных систем и систем для решения конкретных технологических задач, а так же создания методов оптимизации мембранных систем с применением электронно-вычислительной техники. Мембранные процессы имеют ряд существенных преимуществ перед традиционными технологиями разделения веществ. Потребление энергии, а в некоторых случаях также капиталовложения являются более низкими для многих важных промышленных применений. Кроме этого оборудование является модульным и может быть легко масштабированным или работать эффективно при частичном использовании проектной мощности. Современные мембранные процессы отличаются высокой селективностью, низкими энергозатратами, простотой аппаратурного оформления, служат основой создания безотходных технологий. Приведенный далеко не полный перечень примеров показывает, что на современном этапе практически все области человеческой деятельности не мыслимы без использования мембранных процессов. Мембранное разделение газов и жидкостей вступает в следующий этап своего развития - в эру направленного дизайна новых высокопроницаемых полимерных и керамических материалов, а так же сверхтонких мембран на их основе, отличающихся химической и биостойкостью, стабильностью при повышенных температурах, новыми функциями. Разрабатываются активные мембранные системы с подвижными и фиксированными переносчиками, отличающиеся высоким уровнем избирательности газоразделения и возможностью одностадийного разделения многокомпонентных смесей. Нутч представляют собой простейший фильтр периодического действия, работающий под вакуумом или под избыточным давлением [|. Направления силы тяжести и движения пермеата в нем совпадают. На рис. Он представляет собой открытый резервуар 1, над дном которого расположена пористая подложка (ложное дно) 4, поддерживающам мембранную перегородку 3. Рис. По окончанию процесса разделения концентрат удаляют из фильтра сверху вручную. Основными достоинствами вакуумных нутч-фильтров является простота и надежность в работе. К недостаткам относятся громоздкость, ручное удаление концентрата, негерметичность. Кроме того, для них, как и для другого вакуум-фильтра (который будут рассмотрен ниже), характерна невысокая движущая сила (на практике АР не более кПа). На рис. МПа). Нутч состоит из корпуса 1 с рубашкой 2, съемной крышки 7 и перемещающегося дна 4. На опорной решетке 6 располагается мембранная перегородка 5. Иногда в качестве перегородки применяют слой волокон. Над мембранной перегородкой располагают кольцевую перегородку 3. В которой находится концентрат по окончанию процесса разделения. Его удаляют вручную. При этом дно 4 опускается и поварачивастся на такой угол, чтобы концентрат было удобно удалять с мембранной перегородки. Нутч снабжен штуцерами 8, 9 и соответственно для исходной смеси и сжатого воздуха и для удаления пермеата. Для того чтобы давление в аппарате не превысило допустимого, он снабжен предохранительным клапаном . Рис. Цикл работы на нутче обычно состоит из следующих стадий: заполнение путча исходной смесью, собственно фильтрование под давлением сжатого газа, удаление концентрата с мембранной перегородки. К достоинствам конструкции, помимо перечисленных выше для открытого нутча, добавляются большая движущая сила. К недостаткам относятся ручное удаление концентрата, громоздкость. По этим причинам нутчи используют в основном в производствах малой мощности. Путч небольшого размера применяют в лабораторных исследованиях.