Установка для опреснения

 Установка для опреснения Область: Химия Сложность: Базовый компонент Вам предстоит разработать установку, которая перерабатывает морскую воду в пресную воду с определенным химическим составом. Процесс переработки состоит из трех этапов : ● предварительная оптимизация pH воды (разбавление); ● непосредственно опреснение; ● добавление в полученный дистиллят требуемых солевых концентратов. Принцип разрабатываемой установки по опреснению воды основан на эффекте обратного осмоса: при приложении к очищаемой воде внешнего давления, которое выше осмотического давления раствора, молекулы воды проходят через мембрану с избирательной пропускной способностью. Остальные компоненты раствора через мембрану не проходят из­за того, что их молекулы/ионы больше размера пор мембраны. Анализ требования: Вам необходимо подобрать необходимые компоненты на этапах подготовки и добавления солей, рассчитать их количество; минимизировать удельную стоимость максимизировать качество получаемой воды. Известны объем , pH и соленость воды на входе и требуемый химический состав на выходе. Соленость воды на входе ­ 35‰, pH =9. Подбор материала мембран и расчет их количества Доступны мембраны из поликарбоната и оксида алюминия; диаметр пор: 0,1 нм, 0,3 нм, 0,5 нм, 1 нм, 2 нм. Производительность мембраны – это объем воды, который мембрана способна отфильтровать до выхода из строя. Этот параметр постоянен для мембран из поликарбоната во всех диапазонах pH. Для мембран из оксида алюминия производительность постоянна в диапазоне pH от 5 до 8. За пределами этого диапазона производительность снижается из­за постепенного растворения. Зависимость производительности мембраны от pH раствора описывается функциями: VpH = V0e8­pH – для воды с pH>8, VpH = V0*epH­5 – для воды с pH<5, где e – число е равное 2,72, VpH – производительность в литрах одной мембраны при заданном значении pH, V0 = 40 л – оптимальная производительность мембран, Оптимизировать расходы и повысить удельную производительность мембраны можно путем изменения pH. Для этого у вас есть растворы NaOH и HCl определенной концентрации. Расчет объема раствора для оптимизации pH выполняется с помощью формул: Vр­р = Vсол.воды*10pH­14/0,001 для воды с pH> 8, Vр­р = Vсол.воды*10­pH/0,001 для воды с pH< 5, где Vсол.воды ­ объем соленой воды. Удельное энергопотребление установки 6 Вт*ч/л Добавление солей При работе опреснителя на выходе получается чистая вода с практически нулевым содержанием солей. Для последующего использования воды в ряде случаев нужны растворы соответствующего состава. Для их получения в чистую воду вносят солевые концентраты с известной концентрацией соли. Формула для расчета объема солевого концентрата: Vконц. = Спр.в.Vч.в./(Сконц.­Спр.в.), где Спр.в. – требуемая концентрация соли воде в моль на л; Сконц. – концентрация соли в концентрате; Vч.в. – объем чистой воды. Оптимизация процесса обратного осмоса Дополнительно вы можете подобрать оптимальные по соотношению цена/качество давление и мембраны для обратного осмоса. Процесс обратного осмоса характеризуется двумя параметрами: производительностью мембран Vp и удельным энергопотреблением насоса W. Vp. = Vmax*ln((pр./π)+0,9) W = k*pр./ π, где k — это константа равная 2,5 Вт*ч/л, Vmax = 50 л ­ максимальная производительность, π – осмотическое давление в мПа, pp.­ рабочее давление, создаваемое насосом в в мПа. π = iCRT – осмотическое давление, где i – изотонический коэффициент, С – концентрация соли, моль/м3, R – универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/К*кг, T – температура в кельвинах. Соленость морской воды 35‰. Считайте, что вся соль в воде для опреснения находится в виде хлорида натрия. При выборе мембран также стоит учесть то, что существует следующая зависимость хлорид ионов в воде после опреснения от диаметра пор мембраны: Cкон.(Cl­) = Сисх.(Cl­)*k*d4, где d ­ диаметр пор мембраны в нм, k ­ константа, равная 0,016 нм­4 Диаметр молекул и ионов некоторых соединений: Компонент Диаметр, нм раствора Cl­ 0,4 Na+ 0,3 H2O 0,15 NO3­ 0,5 Экономика Стоимость создания опытного образца: PE = 5 МР Стоимость создания производственной линии: где nm – число мембран, pm – стоимость одной мембраны (см. таблицу 1), VHCl, VNaOH и VNaNO3 – объемы используемых реагентов в литрах, VNaNO3, pNaOH и pNaNO3 ­ их стоимости (см. таблицу 2), V R ­ требуемый заказчиком объем чистой воды в литрах, EF­ энергоэффективность установки (в Вт*ч/л), pe=7 руб.­ стоимость одного Вт*ч. Свойства мембран (таблица 1) Тип мембраны Диаметр пор, нм Максимальное P, мПа Цена за шт., руб. Поликарбонат 0,1 5,0 2400 Поликарбонат 0,3 5,0 2200 Поликарбонат 0,5 5,0 2000 Поликарбонат 1,0 5,0 1800 Поликарбонат 2,0 5,0 1600 Оксид алюминия 0,1 4,0 1200 Оксид алюминия 0,3 4,0 1100 Оксид алюминия 0,5 4,0 1000 Оксид алюминия 1,0 4,0 900 Оксид алюминия 2,0 4,0 800 Таблица 2 Цены на реактивы, руб./л
Стоимость HCl
Стоимость NaOH
Стоимость NaNO3
40
55
70