Дипломная работа на тему "ТЮМГУ | Математическое моделирование разделения воздуха с помощью трубчатых селективных мембран"

Работа на тему: Математическое моделирование разделения воздуха с помощью трубчатых селективных мембран
Оценка: отлично.
Оригинальность работы на момент публикации 50+% на антиплагиат.ру.
Ниже прилагаю все данные для покупки.
https://studentu24.ru/list/suppliers/Anastasiya1---1326

Описание работы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра моделирования физических процессов и систем

РЕКОМЕНДОВАНО К ЗАЩИТЕ В ГЭК

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
бакалаврская работа
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ТРУБЧАТЫХ СЕЛЕКТИВНЫХ МЕМБРАН

03.03.02 Физика
Профиль «Фундаментальная физика»

Тюмень 2022 год

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ В ПОВОЛОКОННОЙ МЕМБРАНЕ 6
1.1. ОДНОВОЛОКОННАЯ МОДЕЛЬ 6
1.2. МНОГОВОЛОКОННАЯ МОДЕЛЬ 15
1.3. АППРОКСИМАЦИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ СХЕМЫ 17
ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ И ИХ АНАЛИЗ 19
2.1. ОДНОВОЛОКОННАЯ МОДЕЛЬ 19
2.2. МНОГОВОЛОКОННАЯ МОДЕЛЬ 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 36

ВВЕДЕНИЕ
Чистый кислород, как и другие чистые газы, является востребованным сырьем для промышленности. По данным журнала “GasWorld”, в период с 1996- 2006гг. мировое потребление кислорода выросло в 1,6 раза [1]. Обогащенный кислородом воздух используется в медицинских и промышленных сферах. Обычно его получают за счет криогенной дистилляции или адсорбцией при переменном давлении [2,3,4]. Эти методы используются в промышленности [1] уже около 70 лет, но до сих пор имеют недостатки, а именно большие вложения и огромное потребление энергии. Для России чистый газ так же является немаловажным сырьем, потому что нефтегазовая и аэрокосмическая промышленность – одни из основополагающих отраслей, в которой применяются газовые методы. А их эффективность зависит от дешевизны и простоты добычи необходимого сырья, что в свою очередь создает актуальный вопрос, которому нужно соответствующее решение.
Этим решением может стать мембранная технология, которая считается относительно новым способом разделения газов в промышленности. Она интересна за счет более низкой стоимости, как начального капитала, так и потребления энергии по сравнению с конкурентами. Однозначными преимуществами мембранной установки являются ее простота в использовании и ремонтопригодность. Считается, что с развитием этого направления объёмы производимого очищенного газа смогут обеспечить достаточное количество качественного сырья. У данных установок присутствуют так же и недостатки, такие как деградация мембран, низкая чистота получаемого продукта. Проблемы данной технологии не являются критичными, картриджи легко заменить, а нужной чистоты можно добиться с помощью дополнительной прогонки газа через установку.
Первое зарегистрированное описание мембран датируется 1748 годом, когда Жан Антуан заметил необычные свойства мочевого пузыря свиньи. Естественная мембрана была плохо проницаема для этанола, но спокойно пропускала воду. В 1831 году Джоном Кирсли Митчеллом было так же замечены
свойства селективности естественной мембраны. Он приметил, что шар из каучука спускался вниз, вследствие прохождения водорода через стенки резины. Это стало началом исследований, благодаря которым уже в семидесятые годы прошлого века мембранная индустрия получила свое развитие, появились полимерные газоразделители [5].
На данный момент существуют три различных конфигурации [6] мембранного модуля: лист, спиралевидная намотка и половолоконная мембрана. Из-за большого давления, при разделении газов, конфигурация-лист не является желательной. Более желательными являются спиралевидная и половолоконная.
Рассмотрим мембранный модуль половолоконной конфигурации. Он использует эффективное расположение мембран в картридже, благодаря которому установка работает продуктивнее, за счет многочисленного перехода газа через волокна. Суть метода непористых мембран состоит в том, что воздух всасывается из окружающей среды в модуль, и газы разделяются на основе разницы в коэффициенте диффузии. В случае пористой мембраны механизм разделения газов основан на различной проницаемости, большей для одного компонента и меньшей для другого. Кислород, отделяясь от окружающего воздуха, будет отбираться из патрубка, а азот на выходе модуля.
Целью работы является моделирование и анализ разделения газов в трубчатое мембране на наличие изменений в качестве отбора при изменении различных параметров. Задачи:
1) Составление модели.
2) Оценка влияния расположения отбирающего патрубка и его размеров.
3) Анализ выходных данных при различных давлениях на границах модели.
4) Анализ влияния расхода поступающей смеси газов на характеристики работы мембранной установки.
В работе впервые для поволоконной конфигурации установки (Рисунок 1) была использована подробная модель описания системы, которая включает в себя описание внутренних и наружных потоков [6]. Система будет описываться за счет уравнений сохранения масс, а также поступающих и отбирающих
расходов. В методе будут использованы следующие допущения: начальное давление распределено линейно по всей длине системы, внутри мембраны во всех направлениях одна и та же проницаемость, газ идеальный, трение не учитывается. Полученный оптимизированный процесс по переработке воздуха должен отвечать соответствующим диапазонам условий эксплуатации и основным требованиям, таким как чистота, производительность, энергоемкость конкретных промышленных процессов, с возможностью интегрирования в текущие производственные циклы для использования преимуществ их специфических характеристик.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ПРОСТУДЕНТА.
2. A.R. Smith, J. Klosek. A review of air separation technologies and their inte- gration with energy conversion processes. Fuel Processing Technology, Else- vier Ltd. 2001.
3. Armin Ebrahimi, Mousa Meratizaman, Hamed Akbarpour Reyhani, Omid Pourali,Majid Amidpour. Energetic, exergetic and economic assessment of ox- ygen production from two columns cryogenic air separation unit. Energy, Else- vier Ltd. 2015.
4. Anshu Singh-Ghosal1, W.J. Koros. Air separation properties of flat sheet ho- mogeneous pyrolytic carbon membranes. Journal of membrane science, Else- vier Ltd. 2000.
5. David F. Sandersa, Zachary P. Smitha, Ruilan Guob, Lloyd M. Robesonc, James E. McGrathd,Donald R. Paula, Benny D. Freemana,.Energy-efficient polymeric gas separation membranes for asustainable future: A review. Poly- mer, Elsevier Ltd. 2013
6. Гильманов А.Я., Деменчук М.А., Шевелев А.П. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ С СЕЛЕКТИВНЫМИ МЕМБРАНАМИ. Вестник Тюменского государственного университета. Физико- математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2021. T. 7. №3 (27). C. 71-88.
7. Нигматулин Р.И. ДИНАМИКА МНОГОФАЗНЫХ СРЕД ЧАСТЬ 1. МОСКВА: «НАУКА», 1987г. 18-20 с.
8. Губайдулин А.А. Механика сплошных сред. ЧАСТЬ 1. 56 c.
9. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжк В.М. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ В ПРИРОДНЫХ ПЛАСТАХ. МОКВА:“Недра”, 1984г. 11c.
10. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. ПОДЗЕМНАЯ ГИДРОМЕХАНИКА. МОСКВА:“НЕДРА”, 1993г. 13-28 с.
11. Седов Л.И. МЕХАНИКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ. ТОМ 1. М.: Наука, 1970г. 160 с.
12. Neftegaz.RU.
13. Кольцова Э. М., Скичко А.С., Женса А.В. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ.