CN117797645B - 一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双极膜电渗析膜堆技术领域，具体的，涉及一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法。该方法包括以下步骤：S1、计算酸室泄露电流差分算子，S2、计算料室泄露电流差分算子，S3、计算碱室泄露电流差分算子，S4、计算流经第1单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流，S5、计算流经第2单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流，S6、计算流经第K单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流，S7、计算流经第K单元处各隔室布/集水孔部位泄露电流，S8、计算流经第K单元处各隔室有效面积部位有效电流。利用本方法可以准确可靠的预测泄露电流及有效电流，进一步优化膜堆装置构型设计以提高过程效率。
Description
技术领域
本发明涉及双极膜电渗析膜堆技术领域，具体的，涉及一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法。
背景技术
双极膜电渗析是一种新型电渗析技术，可原位将低价值的无机/有机盐转化为对应的酸碱。同时，双极膜电渗析技术具有工艺简单、能耗低及环境友好等特点，因此该技术广泛应用于化工、食品、医药及环境等众多领域。双极膜电渗析系统核心部件是膜堆装置，其包含大量非金属材料如膜片、隔板等。膜堆装置中非金属组件不仅可构成各自相对独立工作的液路，而且随外部电流的输入形成对应的欧姆电路。流经膜堆装置有效面积部位的电流可称为有效电流，流经布/集水槽及布/集水孔部位电流称为泄露电流。流经上述部位的电流不可避免地转化为焦耳热，从而降低装置能效比，严重时损害设备安全。据调研发现，工业规模的双极膜电渗析膜堆装置内部热效应显著，严重影响设备安全稳定运行。然而，至今还未建立双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题提供一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法，预测准确可靠，可以用于后续指标预测。
为达到上述目的，本发明公开了一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法，该方法包括以下步骤：
S1、采集酸室布/集水孔电阻，Ω、酸室布/集水槽电阻/>，Ω及膜堆单元电阻，Ω，膜堆单元电阻/>包含酸室电阻、料室电阻、碱室电阻、阴离子交换膜电阻、阳离子交换膜电阻及双极膜电阻，确定酸室泄露电流差分算子/>、/>；
S2、采集料室布/集水孔电阻，Ω、料室布/集水槽电阻/>，Ω，确定料室泄露电流差分算子/>、/>；
S3、采集碱室布/集水孔电阻，Ω；碱室布/集水槽电阻/>，Ω；确定碱室泄露电流差分算子/>、/>；
S4、采集膜堆单元数N；酸室电阻与阴离子交换膜电阻之和，Ω；料室电阻与阳离子交换膜电阻之和/>，Ω；碱室电阻与双极膜电阻之和/>，Ω；输入电流I，A；膜堆单元膜电势之和/>，膜堆单元膜电势之和/>包含阴离子交换膜膜电势、阳离子交换膜膜电势及双极膜膜电势，V，确定流经第1单元处酸室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第1单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第1单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S5、确定流经第2单元处酸室布/集水槽部位泄露电流，A；流经第2单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第2单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S6、确定流经第K单元处酸室布/集水槽部位泄露电流，A；流经第K单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第K单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S7、确定流经第K单元处酸室布/集水孔部位泄露电流，A；流经第K单元处料室布/集水孔部位泄露电流/>，A；流经第K单元处碱室布/集水孔部位泄露电流/>，A；
S8、确定流经第K单元处酸室有效面积部位有效电流，A；流经第K单元处料室有效面积部位有效电流/>，A；流经第K单元处碱室有效面积部位有效电流/>，A。
优选的，在步骤S1中，酸室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（1）；
其中，、/>为公式（1）的根。
优选的，在步骤S2中，料室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（2）；
其中，、/>为公式（2）的根。
优选的，在步骤S3中，碱室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（3）；
其中，、/>为公式（3）的根。
优选的，在步骤S4中，流经第1单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（4）；
；（5）；
；（6）；
其中，A-1为矩阵A的逆矩阵；为/>；/>为/>；/>为/>；/>为；/>为/>；/>为/>；/>为/>；为/>；/>为/>。
优选的，在步骤S5中，流经第2单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（7）。
优选的，在步骤S6中，流经第K单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（8）；
；（9）；
；（10）。
优选的，在步骤S7中，流经第K单元处各隔室布/集水孔部位泄露电流计算公式如下：
；（11）；
；（12）；
；（13）。
优选的，在步骤S8中，流经第K单元处各隔室有效面积部位有效电流计算公式如下：
；（14）；
；（15）；
。（16）。
综上所述，本发明的有益效果在于：利用本方法可以准确可靠的预测各隔室布/集水孔部位泄露电流及各隔室有效面积部位有效电流，可以用于后续指标预测，进一步优化膜堆装置构型设计以提高过程效率。
附图说明
图1是采用1单元BP-A-C三隔室双极膜电渗析系统的原理示意图；
图2是采用N单元BP-A-C三隔室双极膜电渗析系统的结构示意图；
图3是采用N单元BP-A-C三隔室双极膜电渗析系统中膜堆的结构示意图；
图4是采用N单元BP-A-C三隔室双极膜电渗析系统中隔板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1到4所示，一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法，该方法包括以下步骤：
S1、采集酸室布/集水孔电阻，Ω、酸室布/集水槽电阻/>，Ω及膜堆单元电阻，Ω，膜堆单元电阻/>包含酸室电阻、料室电阻、碱室电阻、阴离子交换膜电阻、阳离子交换膜电阻及双极膜电阻，确定酸室泄露电流差分算子/>、/>；
S2、采集料室布/集水孔电阻，Ω、料室布/集水槽电阻/>，Ω，确定料室泄露电流差分算子/>、/>；
S3、采集碱室布/集水孔电阻，Ω；碱室布/集水槽电阻/>，Ω；确定碱室泄露电流差分算子/>、/>；
S4、采集膜堆单元数N；酸室电阻与阴离子交换膜电阻之和，Ω；料室电阻与阳离子交换膜电阻之和/>，Ω；碱室电阻与双极膜电阻之和/>，Ω；输入电流I，A；膜堆单元膜电势之和/>，膜堆单元膜电势之和/>包含阴离子交换膜膜电势、阳离子交换膜膜电势及双极膜膜电势，V，确定流经第1单元处酸室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第1单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第1单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S5、确定流经第2单元处酸室布/集水槽部位泄露电流，A；流经第2单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第2单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
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S8、确定流经第K单元处酸室有效面积部位有效电流为，A；流经第K单元处料室有效面积部位有效电流/>，A；流经第K单元处碱室有效面积部位有效电流/>，A。
在步骤S1中，酸室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（1）；
其中，、/>为公式（1）的根。
在步骤S2中，料室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（2）；
其中，、/>为公式（2）的根。
在步骤S3中，碱室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（3）；
其中，、/>为公式（3）的根。
在步骤S4中，流经第1单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（4）；
；（5）；
；（6）；
其中，A-1为矩阵A的逆矩阵；为/>；/>为/>；/>为/>；/>为；/>为/>；/>为/>；/>为/>；为/>；/>为/>。
在步骤S5中，流经第2单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（7）。
在步骤S6中，流经第K单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（8）；
；（9）；
；（10）。
在步骤S7中，流经第K单元处各隔室布/集水孔部位泄露电流计算公式如下：
；（11）；
；（12）；
；（13）。
在步骤S8中，流经第K单元处各隔室有效面积部位有效电流计算公式如下：
；（14）；
；（15）；
；（16）。
采用5单元BP-A-C三隔室双极膜电渗析系统。采用0.5mol/L NaCl溶液作为酸、碱、料室循环溶液，膜堆中溶液的膜面流速为5cm/s，对膜堆施加电流密度为30mA/cm2。在膜堆集水槽1、3、5位置处插入铂丝探针测定集水槽两端电压，然后根据欧姆定理换算成流经集水槽的泄露电流。实验测得集水槽泄露电流与模型预测泄露电流结果见表1，结果显示集水槽泄露电流的实验值与模型基本一致，表明该模型准确可靠，可以用于后续指标预测。
表1，BP-A-C三隔室双极膜电渗析膜堆装置集水槽泄露电流实验与模型预测结果对比。
采用5单元BP-A-C三隔室双极膜电渗析系统。采用1.0mol/L NaCl溶液作为料室循环溶液，去离子水作为酸、碱室初始循环溶液，膜堆中溶液的膜面流速为5cm/s，对膜堆施加电流密度为50mA/cm2。在线采集双极膜电渗析运行15min时实时数据，根据本发明的预测方法预测BP-A-C三隔室双极膜电渗析膜堆装置内部电流结果见表2。
表2，BP-A-C三隔室双极膜电渗析膜堆装置内部电流的预测结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种双极膜电渗析膜堆装置内部电流预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集酸室布/集水孔电阻，Ω、酸室布/集水槽电阻/>，Ω及膜堆单元电阻/>，Ω，膜堆单元电阻/>包含酸室电阻、料室电阻、碱室电阻、阴离子交换膜电阻、阳离子交换膜电阻及双极膜电阻，确定酸室泄露电流差分算子/>、/>；
S2、采集料室布/集水孔电阻，Ω、料室布/集水槽电阻/>，Ω，确定料室泄露电流差分算子/>、/>；
S3、采集碱室布/集水孔电阻，Ω；碱室布/集水槽电阻/>，Ω；确定碱室泄露电流差分算子/>、/>；
S4、采集膜堆单元数N；酸室电阻与阴离子交换膜电阻之和，Ω；料室电阻与阳离子交换膜电阻之和/>，Ω；碱室电阻与双极膜电阻之和/>，Ω；输入电流I，A；膜堆单元膜电势之和/>，膜堆单元膜电势之和/>包含阴离子交换膜膜电势、阳离子交换膜膜电势及双极膜膜电势，V，确定流经第1单元处酸室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第1单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第1单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S5、确定流经第2单元处酸室布/集水槽部位泄露电流，A；流经第2单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第2单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S6、确定流经第K单元处酸室布/集水槽部位泄露电流，A；流经第K单元处料室布/集水槽部位泄露电流/>，A；流经第K单元处碱室布/集水槽部位泄露电流/>，A；
S7、确定流经第K单元处酸室布/集水孔部位泄露电流，A；流经第K单元处料室布/集水孔部位泄露电流/>，A；流经第K单元处碱室布/集水孔部位泄露电流/>，A；
S8、确定流经第K单元处酸室有效面积部位有效电流，A；流经第K单元处料室有效面积部位有效电流/>，A；流经第K单元处碱室有效面积部位有效电流/>，A；
在步骤S1中，酸室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（1）；
其中，、/>为公式（1）的根；
在步骤S2中，料室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（2）；
其中，、/>为公式（2）的根；
在步骤S3中，碱室泄露电流差分算子、/>的计算公式如下：
；（3）；
其中，、/>为公式（3）的根；
在步骤S4中，流经第1单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（4）；
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在步骤S5中，流经第2单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（7）；
在步骤S6中，流经第K单元处各隔室布/集水槽部位泄露电流计算公式如下：
；（8）；
；（9）；
；（10）；
在步骤S8中，流经第K单元处各隔室有效面积部位有效电流计算公式如下：
；（14）；
；（15）；
；（16）。
2.如权利要求1所述的电流预测方法，其特征在于，在步骤S7中，流经第K单元处各隔室布/集水孔部位泄露电流计算公式如下：
；（11）；
；（12）；
；（13）。
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