Математическое моделирование безреагентного многокомпонентного циклического ионообменного процесса опреснения природных вод

• Автор: Токмачев, Михаил Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Содержание
Глава 1. Литературный обзор математических моделей и результатов моделирования ионообменных процессов

1.1. Обзор работ по моделированию ионообменных процессов

1.2. Математическое моделирование циклического ионообменного

процесса

1.3. Определение цели и постановка задачи исследования

Глава 2. Разработка математической модели циклического самоподдерживающегося ионообменного процесса

2.1. Особенности ионообменных процессов

2.2. Моделируемая ионообменная установка

2.3. Математическая модель процесса

Глава 3. Обратные задачи, возникающие при моделировании

3.1. Обратная задача определения кинетических коэффициентов
3.1.1. Экспериментальная установка для определения кинетических коэффициентов
3.1.2. Математическая модель описания кинетики процесса сорбции на зерне сорбента
3.1.3. Результаты моделирования и их сравнение с экспериментом
3.2. Выбор функционального вида учета активностей компонентов
3.2.1. Модель учета активностей 1
3.2.2. Модель учета активностей 2
3.2.3. Модель учета активностей 3
3.2.4. Сравнение моделей учета активностей
3.2.5. Проверочные тесты модели и программного средства
Глава 4. Разработка алгоритма численного моделирования и верификация программного средства
4.1. Алгоритм численного решения модели сорбции катионов
4.2. Алгоритм численного моделирования комплексообразовання
4.3. Программная реализация модели
4.4. Алгоритм выполнения программы
4.5. Алгоритм решения задачи определения кинетических
коэффициентов процесса сорбции
4.6. Верификация программного средства
Глава 5. Результаты численного моделирования процессов обессоливапия воды
5.1. Исследование влияния эффекта комнлексообразования на
установление стационарного циклического режима
5.2. Устойчивость циклического самоподдерживающегося
процесса к разовым возмущениям
5.3. Исследование граничной области концентраций ионов Са и 3
5.4. Моделирование разделения катионов
5.5. Моделирование отделения и концентрирования калия
Основные результаты
Приложение. Список сокращений
Список литературы


Поэтому среди различных процессов умягчения отдельное место занимает циклический самоподдерживающийся ионообменный процесс, являющийся основой безреагентного метода умягчения воды. В частности, большой интерес представляет собой создание эффективных безреагентных методов концентрирования и разделения компонентов водных растворов различного состава. Разработка методов, не требующих использования дорогостоящих реагентов, важна также для создания основ экономически и экологически целесообразных технологий использования других, еще не освоенных в промышленном масштабе ценных минеральных компонентов, в частности, соединений калия [, ]. В России эта проблематика активно исследуется в институте имени Вернадского [-] и МГУ им. М.В. Ломоносова []. Проблема создания эффективного и экономически выгодного метода декапьцинирования водных растворов, не требующего применения иных химических реагентов, кроме тех, которые уже в них содержатся, активно изучалась с -х годов XX века. Впервые эти исследования начали проводиться Г. Клейном и Т. Вермейленом в США в лаборатории конверсии морской воды Калифорнийского университета [-] в рамках специальной научной программы, финансируемой НАТО. Лос-Баносе, в штате Калифорния, с использованием лишь незначительной доли равновесной обменной емкости ионитов по кальцию, что делало его малоэффективным. Несмотря на неудовлетворительные результаты реализации этой идеи для процессов переработки морской воды, оказалось, что при надлежащем подборе сорбента эффективность процесса можно существенно повысить, т. Математическое моделирование, проведенное впоследствии, показало, что задача умягчения воды ионообменным способом -многопараметрическая, а экспериментально ее пытались решить при плохом подборе параметров []. Дальнейший анализ задачи показал, что при некотором выборе параметров рассматриваемый метод становится рентабельным с показателем эффективности выше среднемирового уровня для процессов умягчения водных растворов []. Целью диссертации является исследование возможностей циклического самоподдерживающегося ионообменного процесса в многокомпонентных водных растворах, с учетом его технологических особенностей, на базе математического моделирования. Разработана математическая модель процесса, учитывающая все необходимые эффекты и технологические особенности процесса, результаты расчета по которой описывают опытные данные в рамках точности экспериментов. На базе математического моделирования исследована правомерность метода последовательного определения кинетических коэффициентов в процессе сорбции вещества на зерне сорбента и определены границы его применимости. Разработан метод учета изотермического пересыщения в модели многокомпонентного циклического ионообменного процесса. Определен диапазон изменения параметров, в границах которого возможно осуществление циклического ионообменного процесса при различных схемах его реализации, и выбраны параметры, обеспечивающую максимальную эффективность процесса. Исследование метода решения обратной задачи определения кинетических коэффициентов процесса сорбции. Создание алгоритмов расчета по математическим моделям и создание программного средства, на базе которого рассчитывался самоподдерживающийся процесс. Метод учета изотермического пересыщения при численном моделировании многокомпонентных циклических ионообменных процессов. Практическая значимость работы обусловлена доведением разработанных теоретических моделей до программного комплекса, позволяющего на количественном уровне рассчитывать и прогнозировать различные варианты реализации циклического самоподдерживающегося ионообменного процесса в широком диапазоне условий. Программный комплекс и результаты расчетов использованы в лаборатории сорбционных методов института геохимии им. Вернадского (г. Москва) для создания пилотной установки по комплексной переработке морской воды. На установке проведена совместная работа по апробации расчетной программы и уточнению модельных параметров. Верифицированная расчетная программа включена в общее программное обеспечение автоматической системы управления работой установки.