МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ В АППАРАТАХ С ОТВОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО СЛОЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Предложена математическая модель мембранного концентрирования с использованием теории автоматического управления (передаточных функциях). Модель может быть использована для описания мембранных процессов в аппаратах с отводом поляризационного слоя различных конструкций. Модель учитывает технологические, конструктивные и режимные параметры как самого мембранного аппарата, так и отводящего устройства. Приведена информационная схема описанной модели, состоящая из двух условных элементов - мембранного модуля и отводящего устройства, что представляет собой базовую конструкцию мембранных аппаратов с отводом поляризационного слоя. Кроме того, в состав информационной схемы входят информационные связи. Дополнительно для связи между мембранным модулем и отводящим устройством в схему введены промежуточные параметры, являющиеся выходными для мембранного модуля и входными для отводящего устройства. Описана методика расчета передаточной функции системы. Проведена сравнительная оценка данных, полученных с использованием предложенной модели, с экспериментальными результатами исследования опытно-промышленной конструкции мембранного аппарата. Расхождение показателей концентрации сухих веществ в отводимом слое, полученных теоретическим путем по предложенной математической модели, и экспериментальных данных во всем диапазоне изменения технологических параметров процесса не превышает 10 %. По результатам оценки сделаны выводы, что предложенная математическая модель описывает объект моделирования адекватно и обладает достаточной прогностической способностью для применения при расчете промышленных установок. Данные экспериментальных исследований опытно-промышленной конструкции обработаны и представлены в виде уравнения регрессии, связывающего концентрацию отводимого поляризационного слоя от технологических параметров, получены их рациональные значения.

Ключевые слова:
Мембраны, моделирование, поляризационный слой, передаточные функции
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Мембранные процессы получили достаточно широкое распространение в различных отраслях промышленности [1-7]. При этом актуальной зада- чей является совершенствование существующего оборудования и разработка нового. Мембранное оборудование с отводом поляризационного слоя является одним из перспективных направлений мембранной техники. Отвод поляризационного слоя позволяет сократить время, необходимое для пере- работки раствора, а одновременная очистка внут- ренней поверхности мембраны без остановки про- цесса мембранного разделения, применяемая в по- следних разработанных конструкциях аппаратов, позволяет сократить время вспомогательных опера- ций на производстве и уменьшить финансовые затраты. Таким образом, использование мембранных аппаратов с отводом поляризационного слоя позво- ляет получать продукты высокого качества при со- кращении их себестоимости по сравнению с исполь- зованием классических методов переработки. Один из важнейших аспектов модернизации промышленного оборудования - максимальное сокращение времени между разработкой конструк- ции и промышленным внедрением готового техни- ческого решения. При этом необходимо, чтобы подбор необходимых параметров работы оборудо- вания, конструктивных особенностей и ожидаемых результатов модернизации был максимально эко- номичен и проходил в сжатые сроки. Для реализации описанных потребностей ис- пользуется математическое моделирование. Доста- точно широкое распространение получило модели- рование с использованием теории автоматического управления (передаточных функций), в частности, при описании мембранных процессов [7]. Однако при всем многообразии математических моделей нет единого подхода при описании этих процессов, происходящих в аппаратах, отличающихся различ- ным конструктивным решением. В связи с этим достаточно актуальной задачей является разработка унифицированной модели, которая при необходи- мости могла быть использована с минимальными трудозатратами при описании мембранных процес- сов в различных конструкциях аппаратов. Предложенная в данной статье модель соот- ветствует описанным требованиям, является уни- версальной для различных конструкций мембран- ных аппаратов и использует типовой аппарат ки- бернетического моделирования, что делает воз- можным ее широкое применение при проектирова- нии промышленного оборудования. Объекты и методы исследования Объектом исследования являются конструкции мембранных аппаратов с отводом поляризационно- го слоя. Предметом исследования является уста- новление закономерностей процесса концентриро- вания с использованием математического модели- рования на основе передаточных функций. При разработке математической модели пред- почтительно, чтобы она была универсальной и учи- тывала бы многообразие возможных конструкций. Поэтому ее целесообразно представлять в виде от- дельных элементов, которые влияют на производи- тельность процесса и качество получаемой продук- ции. В мембранных процессах это будут собствен- но мембрана (стандартные мембранные модули), производящие отвод фильтрата и являющиеся об- щим элементом всех аппаратов, а также способы и устройства, оказывающие существенное влияние на производительность и являющиеся частным эле- ментом конструкций. Структурная схема аппаратов с отводом поляризационного слоя в общем виде представляет собой мембранный модуль и отводя- щее устройство (рис. 1) [8, 9]. Рис. 1. Структурная схема мембранного аппарата с отводом поляризационного слоя: элементы системы: I - мембранный блок; II - отводящее устройство; входные параметры системы: X1 - концентрация сухих веществ в исходном растворе (Свх); возмущающие воздействия системы: α - технологические параметры работы; f(α) - закономерности изменения технологических параметров (изменяются в зависимости от конкретного параметра и протекания процесса в аппарате); β1 - конструктивные параметры мембранного блока; β2 - конструктивные параметры отводящего устройства; γ1 - режимные параметры работы мембранного модуля, γ2 - режимные параметры работы отводящего устройства; входные параметры отводящего устройства: Z1 - концентрация сухих веществ в концентрате (Ск); Z2 - расход концентрата (Fк); выходные параметры системы: Y1 - концентрация сухих веществ в отведенном поляризационном слое (Спс); Y2 - расход отводимого поляризационного слоя (Fпс); Y3 - расход фильтрата (Fф), Y4 - расход обедненного потока (Fоб.п) Подобная схема применима для мембранных аппаратов вне зависимости от метода отвода поля- ризационного слоя, используемого типа мембраны и перерабатываемого сырья, что позволяет приме- нять ее в различных областях промышленности и для различных конструктивных решений. Для простоты построения общего вида переда- точной функции приведенной информационной схемы необходимо разделить ее на более мелкие части, состоящие из возмущающего воздействия, входного и выходного параметров (пример на рис. 2). Для построения передаточной функции та- кого элемента необходимо произвести воздействие по входному параметру и возмущающему воз- действия. После обработки всех частей системы получен- ные передаточные функции должны быть последо- вательно собраны воедино, в соответствии с их взаимосвязями, отраженными на информационной схеме (рис. 1). В результате будет получена переда- точная функция всей исследуемой системы, отра- жающая влияние возмущающих воздействий и входных параметров системы на ее выходные па- раметры. На основе полученной модели для конкретного оборудования могут быть рассчитаны оптимальные параметры работы, позволяющие получить продукт с необходимыми характеристиками при минималь- ной себестоимости. Начнем построение передаточных функций с разделения схемы на основные части (мембранный модуль и отводящее устройство). В каждой части определим изучаемые возмущающие воздействия и выходные параметры. После чего для всех возмож- ных пар определенных воздействий и параметров составим передаточные функции. Например, для построения передаточной функции по мембранному модулю по каналам воз- действия технологических параметров и параметру Z1 необходимо нанести воздействие на систему по каналам X1 и α (рис. 2). Рис. 2. Схема нанесения двух воздействий на систему (технологический параметр и концентрация сухих веществ в исходном растворе) В результате получим передаточную функцию в общем виде (1): Wαi-Z1(S)=(Z1(S)-X1(S)*WX1-Z1(S))/αi(S). (1) Подобным образом строятся передаточные функции каждого исследуемого канала воздействия и каждого выходного параметра. Далее построен- ные функции объединяются для описания переда- точной функции всей системы в целом, что позво- ляет математически описать воздействие всех ана- лизируемых возмущающих воздействий и входных параметров на выходы системы. Например, построим передаточную функцию в общем виде через параметр Z1 для выходного па- раметра Y1 по каналу воздействия технологических параметров (рис. 3). Рис. 3. Схема нанесения последовательных воздействий на систему Для построения передаточной функции в общем виде по схеме (рис. 4) выразим Z1 через (1). В ре- зультате получим (2) WY1(S)=X1(S)*WX1-Z1(S)*WZ1-Y1(S)+αi(S)* *Wαi-Z1(S)*WZ1-Y1(S)+f(αi)(S)*Wf(αi)-Y1(S). (2) Аналогично получены передаточные функции всех выходных параметров по каналам воздействия всех учтенных параметров. Общий вид передаточной функции по каналам воздействия технологиче- ских параметров можно записать в следующем виде (3). WYi(S)= X1(S)*WX1-Z1(S)*WZ1-Yi(S)*WX1- -Z2(S)*WZ2-Yi(S)+Σni=1 αi(S)*Wαi-Z1(S)*WZ1- (3) -Yi(S)* Wαi-Z2(S)*WZ2-Yi(S)+Σni=1 f(αi)(S)* *Wf(αi)-Yi(S). Аналогично построим общие виды передаточ- ных функций по каналам воздействия конструктив- ных (4) и режимных (5) параметров, из формулы (3-5) может быть построена передаточная функция всей системы в общем виде (6) WYi(S)=X1(S)*WX1-Z1(S) WZ1-Yi(S)*WX1-Z2(S)* *WZ2-Yi(S)+ Σmi=1 β1i(S)*Wβ1i-Z1(S)* (4) *WZ1-Yi(S)*Wβ1i-Z2(S)*WZ2-Yi(S) + Σmi=1 β2i(S)*Wβ2i-Yi(S); WYi(S)=X1(S)*WX1-Z1(S)*WZ1-Yi(S)*WX1- -Z2(S)*WZ2-Yi(S) + Σli=1 γ1i(S)*Wγ1i-Z1(S)* (5) *WZ1-Yi(S)*Wγ1i-Z2(S)*WZ2-Yi(S)* + Σli=1 γ2i(S)*Wγ2i-Yi(S); WYi(S)= X1(S)*WX1-Z1(S)*WZ1-Yi(S)* *WX1-Z2(S)*WZ2-Yi(S)+Σni=1 αi(S)* *Wαi-Z1(S)*WZ1-Yi(S)* Wαi-Z2(S)*WZ2- -Yi(S)+Σni=1 f(αi)(S)*Wf(αi)-Yi(S)+Σmi=1 β1i(S)*Wβ1i-Z1(S)*WZ1-Yi(S)*Wβ1i-Z2(S)* (6) *WZ2-Yi(S)+Σmi=1 β2i(S)*Wβ2i-Yi(S)+Σli=1 γ1i(S)*Wγ1i-Z1(S)*WZ1-Yi(S)*Wγ1i-Z2(S)* *WZ2-Yi(S)+Σli=1 γ2i(S)*Wγ2i-Yi(S). Далее для получения частного вида передаточ- ной функции конкретной исследуемой системы необходимо на основе экспериментальных иссле- дований построить передаточные функции по всем этого же параметра в мембранном модуле. Напри- мер, давление среды в мембранном модуле и отво- дящем устройстве будет отличаться, однако воз- действовать на давление в отводящем устройстве без изменений давления в мембранном модуле не- возможно в связи с конструкцией аппаратов с отво- дом поляризационного слоя. В то же время давле- ние среды в отводящем устройстве неразрывно свя- зано с давлением в мембранном модуле. Однако конкретные закономерности изменения технологи- ческих параметров могут быть построены только для каждого конкретного исследуемого аппарата отдельно. При незначительном различии величины технологического параметра в мембранном модуле и отводящем устройстве закономерностями f(α) можно пренебречь и использовать для расчетов единые значения параметров α как для мембранно- го модуля, так и для отводящего устройства. Воз- действия, влияние которых на систему незначи- тельно либо не поддается экспериментальному ис- следованию, могут быть приравнены к нулю и, тем самым, удалены из расчета. Использование операционного исчисления Операционное исчисление широко применяется в различных отраслях науки и техники благодаря универсальности, простоте использования и сокра- щению затрат времени на математическую обра- ботку. С его помощью можно простые дифферен- циальные и интегральные уравнения свести к ал- гебраическим. После получения решения алгебраи- ческого уравнения его восстанавливают по изобра- жению. Установим связь между ПФ W(S) звена (систе- мы) и типовыми выходными характеристиками - переходной h(t) функциями. Операционный метод (метод операционного ис- числения) позволяет описывать и анализировать системы в форме передаточных функций. [2] В ос- нове метода лежит преобразование Лапласа (7) [9].  анализируемым каналам и найти закономерности изменения технологических параметров f(α), опи- сывающие каким образом изменяются технологи- W (S )  L{x(t)}  S   h(t)  eSt dt 0 . (7) ческие параметры при протекании процесса в отво- дящем устройстве по сравнению с заданными в мембранном модуле параметрами. Предложенная математическая модель на осно- ве кибернетического моделирования может быть применена к любым конструкциям мембранных аппаратов, общая схема функционирования кото- Известно, что концентрация поляризационного слоя циклически изменяется от продолжитель- ности. В этом случае параметры определяются гра- фически по формулам (8-10) k  h() , (8) рых соответствует приведенной информационной ln(a1 a2 ) схеме (рис. 1). Для получения частного случая предложенной модели для конкретного аппарата необходимо по-   t2  t1 , (9) строить все учитываемые передаточные функции W, найти закономерности изменения технологи-   2  t  t . (10) ческих параметров f(αi). Закономерности f(α) отражают изменение технологического параметра при протекании процесса в отводящем устройстве от 2 1 С учетом этого (11)   W(S) S   h(t) e S tdt  S   h(t) e S tdt  S  dt  0 0  n  k  S (1( cosωt  msin ωt) e )  e dt  = lim      α t   S t    n   0  n α t   S t   lim k  S   (1( cosωt  m sin ωt) e ) e dt  n    0    n     S t    (  α  S)t     (  α  S)t dt lim k S  e cosω t e m sin ω t e    n    0 n S t  n ( α S) t    = k  S   lim  e    dt   k  S   lim  cosωt  e     dt    n   0 n  n   0   - lim  (  α  S)t   1 lim S t  k  m  S    sin ωt  e n   0 dt   k  S     e   n   S    α  S   α  S)t  ω   α  S)t         - k  S lim  2 2  e cos(ωt)  2 2  e sin(ωt)  n   (  α  S)  ω    (  α  S)  ω     k  m  S   ω  e  α  S)  t   cos (ω  t)  α  S  e   α  S)  t   sin (ω  t)  lim    (  α  S)2  ω2   (  α  S)2  ω2  n     k  S  1  k  S S α  S (  α  S)2  ω2 k  m  S   ω  (  α  S)2  ω2 k  (  α  S)2  ω2   k  S    S  =    k  m  S  ω  (11) (  α  S)2  ω2 (  α  S)2  ω2 k  (  α  S)2  ω2   k  S    S  k  m  S  ω      2  2    S  S 2  ω2  k   2  2    S  S 2  ω2   k  S    S  k  m  S  ω =     2  2    S  S 2  ω2  k  S 2  2    S  k  k   2  ω2   k  S 2  k  S    k  m  S  ω      2  2    S  S 2  ω2  2    S  k  k   2  ω2   k  S    k  m  S  ω    S  k  k   2  ω2   k  m  S  ω       =  2  2    S  S 2  ω2    k  k  m  ω S  k   2  ω2   2  2    S  S 2  ω2 k   2  ω2        .  2  2    S  S 2  ω2 Параметры переходной функции определяются S 2  2    S   2  ω2 k  2  ω2    графически. Передаточная функция данного звена имеет вид (12). W (S)    , (12) S 2  2  S  2  ω2 где α - параметр затухания; k - коэффициент уси- ления объекта; ω - частота собственных колебаний с учетом демпфирования. Также могут быть рассчитаны экспоненциаль- ные воздействия на систему. Убывающее единичное экспоненциальное воздействие (13). x(t) = e-t/T ∞ 1+s)t ной математической модели. Использование избы- точного количества исследуемых факторов систе- мы позволяет при необходимости быстро адапти- ровать ее к более широкому кругу лабораторных установок и аппаратов. В качестве исходной среды было использовано обезжиренное молоко с концентрацией сухих ве- ществ 5,15 % масс. Для определения численных значений выход- ных параметров мембранного модуля были исполь- F(s)= e-t/T ∙e-stdt= lim e-(T β→∞ dt= зованы аналитические методы по причине слож- ности их инструментального измерения. Аналити- 0 1 1-s)t ческие зависимости представлены ниже (15, 16). = lim e(-T = T β→∞ (- 1 -s) T Ts+1 Z1=(Y1*Y2+Cоб.р.*Y4)/Z2 , (15) где Соб.р - концентрация обедненного раствора W(s) = s ∙ F(s) = s ∙ T = Ts . (13) (С =3,87). Ts+1 Ts+1 об.р Возрастающее единичное экспоненциальное воздействие (14). x(t) = 1 - e-t/T ∞ β 1-s)t Z2=Y2+Y4. (16) Для используемых входных параметров и воз- мущающих воздействий были определены следу- ющие допустимые диапазоны изменений: - температура исходного сырья 20-60 °С, (20 °С F(s)= (1-e-t/T) ∙e-stdt= lim [e-st-e(-T n→∞ ] dt= - средняя температура производственных помеще- 0 1 Ts = s Ts+1 0 Ts+1-T = Ts2+s ний, 60 °С - температура денатурации белков коровьего молока); - концентрация сухих веществ в сырье 5,15 % W(s) = s ∙ F(s) = s ∙ Ts+1-T = Ts-T+1. (14) (используется обезжиренное молоко с такой кон- Tsz+s Ts+1 центрацией сухих веществ); - критерий Рейнольдса для потока внутри Применение операционного исчисления в кибернетическом моделировании позволяет сократить время, необходимое для расчета, и повысить его точность. Результаты и их обсуждение Экспериментальные исследования осуществля- лись на опытно-промышленной конструкции мем- бранного аппарата, аналогом которой служил па- тент [11]. Экспериментальные исследования прово- дились с использованием полного факторного экс- перимента. На исследуемой лабораторной установке не проводился анализ конструктивных параметров, однако в информационной схема (рис. 1) они при- сутствуют, т.к. схема является универсальной для широкого круга аппаратов, в то время как приве- денное экспериментальное исследование является лишь частным случаем использования предложенмембраны - до 2300 (при таких значениях обеспечивается ламинарный режим течения среды, что благоприятно для сохранения концентрации поля- ризационного слоя). В результате исследования и обработки резуль- татов были получены передаточные функции, опи- сывающие взаимосвязи системы. После подстановки полученных значений в об- щий вид математической модели с помощью мате- матического программного обеспечения получена частная математическая модель, описывающая ра- боту опытно-промышленного аппарата. Обработка экспериментальных данных позво- лила получить уравнение регрессии, описывающее зависимость содержания сухих веществ от техно- логических параметров. Выборочное уравнение регрессии в безразмер- ном масштабе имеет вид (17).  y  b0  b1 x1  b2 x2  b3 x3  b12 x1 x2  b13 x1 x3  b23 x2 x3  b123 x1 x2 x3 , (17) где x1 - давление среды; х2 - режим течения среды; х3 - время обработки. Исключаем из уравнения путем приравнивания ле этого уравнение регрессии в безразмерном мас- штабе имеет вид (18). Уравнение регрессии в натуральном масштак нулю незначимые коэффициенты b13  и b123 . Посбе (19). y  6,41  0.035  x1  0183. x2  0.042  x3  0.058  x1  x2  0.039  x2  x3 . (18) y  6.3273  0.0091  P  5.63 10 5  Re 9.110 4  t  4 10 4  P  Re 3 10 6  Re t . (19) После анализа и обработки полученных экспе- риментальных данных были получены следующие рациональные значения параметров переработки: t = 20 мин , P = 3 МПа, Re = 1500, С(3; 1500; 40) = = 6,4 % масс. Увеличение концентрации сухих веществ в от- водимом слое по сравнению с концентрацией в ис- ходном растворе составляет от 8,5 до 17 % для обезжиренного молока. Данная конструкция позволяет повысить кон- центрацию поляризационного слоя в среднем на 17-20 % по сравнению с концентрацией раствора в канале аппарата. Полученные данные говорят о перспективности предложенной конструкции для промышленного применения. Оценка прогностической способности Оценка прогностической способности модели была проведена по полученным эксперименталь- ным данным путем подстановки исходных пара- метров экспериментов в модель. Расхождение по- казателей концентрации сухих веществ в отводи- мом слое, полученных теоретически, путем расчета по предложенной математической модели и полученных экспериментально во всем диапазоне изме- нения технологических параметров процесса не превышает 10 %, что свидетельствует о достаточ- ной адекватности модели и делает ее применимой для расчета и проектирования промышленного оборудования. Выводы Предложена математическая модель, которая может быть использована для различных конструк- ций мембранных аппаратов. Ее сравнительная оценка с данными, полученными эксперименталь- ным путем, проведенная на опытно-промышленной конструкции, показала ее адекватность и достаточ- ную прогностическую способность для ее приме- нения в проектировании промышленного оборудо- вания. Предложенная модель может быть использована для широкого круга мембранных аппаратов. Ее применение сократит продолжительность матема- тического моделирования и позволит уменьшить время, необходимое от разработки новой модели, до внедрения ее в производство.
Список литературы

1. Свитцов, А.А. Введение в мембранную технологию / А.А. Свитцов. - М.: ДеЛи Принт, 2007. - 208 с.

2. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию: пер. с англ. / М. Мулдер. - М.: Мир, 1999. - 513 с.

3. Дытнерский, Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1986. - 272 с.

4. Фетисов, Е.А. Мембранные и молекулярно-ситовые методы переработки молока / Е.А. Фетисов, А.П. Чагаровский. - М., Агропромиздат, 1991. - 272 с.

5. Брок, Т.Д. Мембранная фильтрация: пер.с англ. / Т.Д. Брок. - М.: Мир, 1987. - 464 с.

6. Гаврилов, Г.Г. Технология мембранных процессов переработки молочной сыворотки и создание продуктов с функциональными свойствами: монография / Г.Б. Гаврилов. - М.: Россельхозакадемия, 2006. - 134 с.

7. Drioli, Enrico. Membrane Contactors: Fundamentals, Applications and Potentialities / Enrico Drioli, A. Criscuoli, E. Curcio// Membrane Science and Technology. - 2005. - Vol. 11. - 516 р.

8. Лобасенко, Б.А. Математическое моделирование процесса мембранного концентрирования на основе кибернетического подхода / Б.А. Лобасенко, Р.В. Котляров, Е.К. Сазонова // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 2-1. - С. 70-75.

9. Котляров, Р.В. Моделирование процесса мембранного концентрирования молочных сред и разработка аппаратурных схем установок: автореферат дисс. … канд. техн. наук: 05.18.12. - Кемерово, 2009. - 17 с.

10. Baeumer, B. Unbounded functional calculus for bounded groups with applications / B. Baeumer, M. Kovács, M. Haase // Journal of Evolution Equations. - 2009. - Vol. 9. - № 1. - P. 171-195.

11. Патент № 2181619 Российская Федерация. Аппарат для мембранного концентрирования / Лобасенко Б.А., Сафонов А.А., Лобасенко Р.Б., Черданцева А.А.; заявитель и патентообладатель Лобасенко Б.А. - Опубл. 27.04.2002 в Б.И. № 12.


Войти или Создать
* Забыли пароль?