5.3 Оптимизация процесса электродиализного обессоливания  

При осуществлении электродиализного процесса обессоливания УФ-концентратов трудность заключается в выборе такого критериального параметра, который мог бы в достаточно полной мере характеризовать весь

145

процесс в целом. Таким критерием могла бы быть производительность ЭД-процесса, характеризуемая количеством удаленных минеральных веществ за фиксированное время. Однако этот параметр носит интегральный характер, зависящий от всей совокупности факторов, некоторые из которых трудно поддаются контролю и регулированию, а также сложным образом изменяются при проведении ЭД-процесса. Учет этих факторов значительно усложняет проведение исследований по оптимизации ЭД-процесса.

Анализ возможностей построения необходимого критерия показал, что для электродиализного процесса в качестве такового целесообразно выбрать электрическое сопротивление совокупности камер обессоливания электродиализатора. Этот параметр отражает существенную функциональную характеристику ЭД-процесса, то есть возможность обессоливания. Ясно, например, что в двух любых экспериментах по обессоливанию при условии равенства значений всех неконтролируемых параметров ЭД-процесс протекает тем эффективней, чем меньше электрическое сопротивление камер обессоливания.

На первый взгляд, проведенный анализ дает основание утверждать, что выбранный критерий по существу эквивалентен электропроводности

146

УФ-концентрата. Однако, как известно, электродиализный процесс обессо-ливания лимитирован специфичной концентрационной поляризацией, обуславливающей, с одной стороны неоднородность электрического поля в камерах обессоливания, с другой, возможность частичной блокировки поверхности мембран белковыми отложениями, что приводит к резкому увеличению их электросопротивления. Следовательно, значения критерия отражают и степень концентрационной поляризации.

Учитывая вышеизложенное, оптимизационный эксперимент осуществлен по следующей схеме: используя априорную информацию, выделено два главных фактора, в основном, определяющих течение процесса, и определены пределы их варьирования:

• температура ЭД-процесса -Xj, пределы изменения от 30 до56°С.
• величина рН УФ-концентрата - Хг, пределы изменения от 4,6 до 6,4. Выбранные факторы отвечают всем требованиям активного полного

факторного эксперимента. Они управляемы и численно определены, то есть их уровни выражаются в эксперименте числом и могут быть установлены с достаточной точностью.

Л=у,              (5.3.1)

где    Uk- суммарное падение напряжения на камерах обессоливания, В; / - ток на мембранном пакете, А. В свою очередь:

Ur-^r-KU,(5.3.2)

где    U- напряжение на электродиализаторе, В; dp- электропроводность рассола, Мс/м; (7k- электропроводность УФ-концентрата, в См/м

147

U- напряжение на электродиализаторе при вхождении в рабочий режим, колеблется от 160-200 В.

Коэффициент К характеризует долю падения напряжения, приходящуюся на камеры обессоливания и концентрирования. Учитывая относительно высокую электропроводность электродного раствора и незначительную толщину камер по сравнению с толщиной пакета, можно с приближением принять/0=1. Преобразуя 5.3.2 в 5.3.1, получим:

Значения параметров, не попавших в группу выделенных факторов, поддерживались примерно на постоянном уровне, а именно:

С0- начальная концентрация рассола, Со=0,3%;

V- объем УФ-концентрата К=(60-80)-10"3 м3;

Ссв- массовая доля сухих веществ в УФ-концентрате, Ссв=9,8-20,2%.

Особенность математической конструкции критерия оптимизации R, выражаемого формулой (5.3.3), заключается в том, что умеренные колебания значений вышеперечисленных параметров не оказывают на него существенного влияния. Значения критерия вычислялись в момент стабилизации режима, то есть через 15 мин после подачи токовой нагрузки. Матрица планирования и результаты экспериментов (значения критерия оптимизации) представлены в таблице 5.3.1.

Статистический анализ экспериментальных данных показал, что среднеквадратичное отклонение значений критериального параметра Rсоставляет 0,28 и не превышает 1,4% от среднего значения. Возможность подсчета S2(r) по формуле обусловлена предположением об однородности дисперсий в опытах.

Используя данные таблицы, на основе применения метода наименьших квадратов на ЭВМ получена регрессионная модель. После отсеивания незначимых эффектов (при уровне надежности 0,85) уравнение регрессии

148

имеет следующий вид:

R=95,115-4,194XI+0,048XI2+6)407X2-0,101X1X2(5.3.4)

Таблица 5.3.1 - Матрица планирования и результаты измерений

Уравнение (5.3.4) проверено на адекватность экспериментальным данным. Проверка осуществлялась по F-критерию Фишера.

Анализ линий уровней показывает, что наиболее значимым фактором воздействия на параметр оптимизации является температура. Взаимодействие между температурой и рН характеризуется тем, что уменьшение рН оказывает то же воздействие на параметр оптимизации (минимизирует его), что и повышение температуры. Однако при относительно высоких температурах (на уровне 49-56°С) снижение рН приводит к увеличению параметра оптимизации, то есть ухудшает ЭД-процесс. Этот факт можно объяснить тем, что при относительно высоких температурах и низких значениях рН, близких к изоэлектрической точке белков, частично начинает протекать

149

процесс их коагуляции. Блокирование рабочих поверхностей мембран белковыми осадками резко увеличивает электросопротивление камер обессо-ливания, а, следовательно, и значения параметра оптимизации.

Xа.

jfн о о

X

н о

5

6,22 6,04 5,86 5,68 5,5 5,32 5,14 4,96 4,78

53,4

32,6       37,8        43        48,2 Температура, Хі

область оптимизации

Рисунок 5.3.1 - Уровни фиксированных значений параметра оптимизации

Анализ семейства уравнений, соответствующих линиям уровня, представленных на рисунке, позволяет выделить область значений факторов Xjи Х2, соответствующих наиболее интенсивному протеканию ЭД-процесса обессоливания УФ-концентратов (минимальное значение параметра оптимизации), а именно температура 48-50°С; рЫ 4,8-5,3.

150

желательностью введения реагентов.

Таким образом, в результате проведения оптимизационного эксперимента получено уравнение регрессии и область значений температуры и рН УФ-концентрата, соответствующих оптимальному протеканию процесса его электродиализного обессоливания: 48lt;tlt;50, 4,8lt;рНlt;5,3.

Следует отметить, что проведение деминерализации УФ-концентратов с использованием прокладок с турбулизирующими элементами при температуре 50°С придется вести при пониженных плотностях тока. Это обусловлено тем, что повышение температуры наряду со сдвигом рН в примембранных слоях усиливает опасность коагуляции сывороточных белков и блокирования ими мембран. В этом случае целесообразным, вероятно, окажется повышение температуры лишь до определенного значения. В противном случае блокирование мембран приведет к необходимости остановки процесса для промывки электродиализных модулей и, как следствие, к снижению производительности установки. При работе в высокоскоростном режиме в установке с гладкоканальными прокладками, как уже отмечалось, практически отсутствует угроза блокирования мембран. Это позволяет работать с околопредельными плотностями тока при повышенных температурах, ограничиваемых тепловой стойкостью мембран и денатурацией сывороточных белков.

Следующим значимым фактором является рН УФ-концентрата. Снижение рН усиливает диссоциацию комплексов, что обеспечивает интенсивный перенос ионов в электрическом поле. Низкое значение рН способствует высвобождению кальция и переходу его свободное состояние. Вместе с тем, снижение рН УФ-концентрата при одновременном повышении температуры процесса усиливает нестабильность сывороточных белков. Поэтому, даже при деминерализации молочной сыворотки стремятся работать с высокими значениями рН, предпочитая некоторому выигрышу в производительности более высокую надежность технологического режима обессоливания.

151