Способ дозирования растворимого вещества в среду

 

Изобретение может быть использовано в системах водоснабжения, подготовки питьевой воды, системах подготовки технологической воды в пищевой, медицинской промышленности, в сельском хозяйстве, системах обработки сточных вод, особенно в мобильных и компактных системах подготовки питьевой воды, получения апирогенной воды и в других устройствах, работающих с частыми и длительными остановками. Применение в качестве полупроницаемой мембраны микро- или ультрафильтрационной мембраны со средним размером пор от 0,15 до 0,45 мкм при времени контактирования среды с раствором дозируемого вещества через полупроницаемую мембрану в смесительной камере от 1,0 до 0,2 с позволяет обеспечить инерционность системы дозирования в пределах ≅ 25 с, что удовлетворяет требованиям к системам дозирования, используемым в мобильных и контактных системах подготовки питьевой и апирогенной воды. Регулирование количества дозируемого вещества осуществляют, направляя в смесительную камеру весь поток или его часть. Точность дозирования в течение длительного времени обеспечивается при использовании насыщенного раствора дозируемого вещества, содержащего твердую фазу. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способам дозирования вещества и может быть использовано в системах водоснабжения, подготовки питьевой воды, системах подготовки технологической воды в пищевой, медицинской промышленности, сельском хозяйстве, системах обработки сточных вод и т.п.

Известен способ дозирования вещества в среду, реализуемый в устройстве для дозирования [1] в котором раствор дозируемого вещества, получаемый в раствором баке, через полупроницаемую мембрану контактирует с растворителем, в массу которого дозируется вещество. Регулирование подачи дозируемого вещества осуществляют, изменяя концентрацию раствора, подводимого к полупроницаемой мембране.

Однако предлагаемое устройство может быть использовано главным образом, в стационарном исполнении, применение его в мобильных и компактных системах подготовки питьевой воды, в установках получения апирогенной воды и других устройствах, работающих с частыми и длительными остановками, технически сложно.

Наиболее близким к изобретению является способ дозирования растворимого вещества в среду, включающий контактирование растворителя с раствором дозируемого вещества через полупроницаемую мембрану [2] где управление процессом дозирования осуществляют, изменяя расстояние точки отбора раствора от поверхности твердого вещества, причем перемещение точки отбора происходит вдоль плоскости полупроницаемой мембраны.

Этот способ, как и ранее описанный, при реализации в компактных и мобильных установках (например, для подготовки питьевой или апирогенной воды) имеет один основной недостаток: значительная инерционность системы, что проявляется при пусках и остановках или изменениях режима работы установок. Инерционность системы обусловлена инерционностью собственно контура регулирования, включающего датчик концентрации, преобразователь его сигнала и исполнительный механизм для изменения положения точки отбора раствора. Кроме того система медленно выходит на заданный режим работы при пусках, так как в качестве полупроницаемой используют осмотическую (обратноосмотическую) мембраны, перенос растворителя через которую осуществляется только путем диффузии. Процесс создания необходимого давления, соответствующего определенной концентрации раствора над твердой фазой, идет медленно, в течение нескольких часов, поэтому в установках, работа которых отличается частыми пусками и длительными остановками, такой способ не может быть использован. Большие объемы камер для смешения и растворения приводят к значительному перерасходу реагента.

Цель изобретения снижение инерционности системы дозирования растворимого вещества в среду при контактировании среды с раствором вещества через полупроницаемую мембрану для использования его в условиях работы компактных мобильных установок и установок, работающих с частыми и длительными перерывами.

Цель достигается тем, что в известном способе дозирования растворимого вещества в среду, включающем подачу среды в смесительную камеру с полупроницаемой мембраной, контактирование среды через полупроницаемую мембрану с раствором дозируемого вещества, содержащим твердую фазу, отвод среды из смесительной камеры, в смесительную камеру направляют весь или часть потока среды, обеспечивая время контактирования среды в смесительной камере с раствором, содержащим твердую фазу, от 1,0 до 0,2 с, причем в качестве полупроницаемой мембраны используют микро- или ультрафильтрационную мембрану со средним размером пор от 0,15 до 0,45 мкм и концентрацию раствора, содержащего твердую фазу, поддерживают постоянной и равной концентрации насыщения для дозируемого вещества при рабочей температуре.

Инерционностью системы дозирования непосредственно определяется то количество обрабатываемой среды, качество которой не соответствует требуемому из-за избытка или недостатка дозируемого вещества. Проявляется инерционность при изменении режима работы установки: пусках или остановках потока среды, в который дозируется реагент. Очевидно, что время выхода на режим не должно быть больше среднего времени пребывания среды в объеме аппаратов и коммуникаций, составляющих установку. Поскольку система дозирования может быть установлена внутри перед какими-либо ее узлами или непосредственно у выхода, то время выхода ее на режим должно быть существенно меньшим (соответственно доле объема установки между точкой дозирования и точкой, в которой важно иметь нужную концентрацию дозируемого вещества). Так, если система дозирования используется для ввода дехлорирующего реагента, то время выхода на стационарный режим дозирования должно оцениваться по объему коммуникаций между точкой дозирования и мембранным модулем. Если же система дозирования предназначена для минерализации очищенной воды и расположена непосредственно у выхода из установки, то допустимое время выхода системы на режим также должно быть достаточно малым. Учитывая условия работы мобильных и компактных установок для обработки и очистки воды, следует считать допустимым для систем дозирования вводимых в воду реагентов в пределах ≅ 25 с.

Массоперенос через полупроницаемую мембрану при прочих постоянных параметрах (средний размер пор, концентрация раствора, дозируемого через мембрану) определяется скоростью смывания мембраны потоком среды, проходящей через смесительную камеру, поэтому для оперативного регулирования количества насыщенного раствора, вводимого в среду, предложено направлять в смесительную камеру весь поток среды или его часть. При этом объемную скорость потока среды в смесительной камере изменят в пределах, обеспечивающих время пребывания в объеме смесительной камеры от 1,0 до 0,2 с, а долю потока среды, направляемого в смесительную камеру, определяют исходя из обеспечения требуемой линейной скорости потока у поверхности мембраны. Для удобства регулирования может быть построена и использована в качестве опорной кривая зависимости количества дозируемого вещества через мембрану от величины линейной скорости потока среды через смесительную камеру. В известном способе [2] объем смесительной камеры геометрически неограничен и время пребывания среды в зоне смешения может быть слишком большим, что непосредственно влияет на инерционность всей системы дозирования при выходе ее на режим во время пуска или изменения количества дозируемого вещества. Для сокращения времени выхода на стационарный режим и длительности перехода с одного режима на другой (при изменении расхода среды или количества вводимого вещества) сокращают время пребывания среды в камере смешения. Уменьшение времени пребывания ведет к снижению инерционности системы, но, вместе с тем, вырастает гидравлическое сопротивление камеры смешения. Экспериментально определено, что удовлетворительная инерционность системы дозирования при хорошем качестве смешения достигается при обеспечении времени пребывания среды в смесительной камере от 1,0 до 0,2 с.

В известном способе используют полупроницаемую мембрану, массоперенос через которую происходит, главным образом, путем диффузии через материал мембраны (используют явление осмоса). Достижения равновесного состояния при этом возможно через довольно большой промежуток времени, что также влияет на инерционность системы дозирования. Скорость массопереноса существенно выше при использовании в качестве полупроницаемой мембраны микро- или ультрафильтрационной мембраны, массоперенос через которые происходит, главным образом, за счет диффузии через раствор в ее порах. Средняя величина пор в полупроницаемой мембране должна быть такой, чтобы обеспечить определенную скорость перехода раствора в среду при их контактировании через полупроницаемую мембрану. Экспериментально определено, что для обеспечения оптимальной скорости массопереноса через полупроницаемую мембрану средний размер пор в ней должен быть от 0,15 до 0,45 мкм. Более узкие поры обладают значительным сопротивлением и скорость дозирования раствора в среду недостаточна для введения нужного количества раствора в среду за указанное выше время пребывания среды в смесительной камере. Наличие в мембране более широких пор приводит к передозировке раствора и быстрому расходованию дозируемого вещества, особенно при случайных изменениях перепада давления на мембране.

Стабильность дозирования в течение длительного времени обеспечивается постоянством концентрации раствора, поступающего в среду через полупроницаемую мембрану. Минимальная инерционность системы дозирования может быть достигнута при концентрации раствора, близкой к концентрации насыщения для конкретного растворимого вещества при рабочей температуре. При перерывах в работе и прекращении потока среды через смесительную камеру последняя заполняется раствором, проникающим через мембрану, концентрация которого все равно может достичь концентрации насыщения к моменту повторного пуска. При повторном пуске насыщенный раствор выносится из смесительной камеры потоком среды в течение определенного времени, зависящего от объема смесительной камеры и величины потока среды, а также скорости снижения концентрации раствора, содержащего твердую фазу, от концентрации насыщения до расчетной рабочей концентрации. Время переходного периода при пуске может быть значительно снижено, если расчетная рабочая концентрация будет pавна или близка к концентрации насыщения при рабочей температуре, время пребывания среды в смесительной камере составляет 1,0 0,2 с и средний размер пор в полупроницаемой мембране 0,15 0,45 мкм. Сочетание этих параметров позволяет использовать полупроницаемую мембрану значительно меньшей площади, чем в известном способе, что особенно важно при применении предлагаемого способа дозирования в мобильных и компактных системах подготовки, например, питьевой воды.

Концентрация раствора дозируемого вещества близкая к насыщению при рабочей температуре может быть обеспечена разными путями, но во всех случаях необходимо наличие твердой фазы растворенного дозируемого вещества, что обеспечивает определенный запас этого вещества в системе. Наиболее просто концентрация, близкая к насыщению, обеспечивается, когда весь объем по другую сторону полупроницаемой мембраны заполнен интенсивно перемешиваемой суспензией из частиц твердой фазы в насыщенном растворе (например, под действием магнитной мешалки). Более сложный вариант реализации способа состоит в размещении слоя твердой фазы на подъемной площадке под мембраной так, что поверхность слоя параллельна поверхности мембраны и приводится в контакт с нею путем постоянного или эпизодического перемещения (подъема) площадки пружиной или винтом по мере растворения твердой фазы. Возможны и другие, более сложные, варианты реализации способа.

На фиг. 1 и 2 показана принципиальная технологическая схема реализации способа дозирования растворенного вещества в среду на фиг.2 кривая зависимости количества дозируемого вещества через мембрану от величины линейной скорости потока среды через смесительную камеру для одного из примеров реализации заявляемого способа. Для реализации способа использовано устройство, принципиальная схема которого показана на фиг.1. Устройство содержит смесительную камеру 1, с полупроницаемой мембраной 2, через которую среда в смесительной камере 1 контактирует с раствором дозируемого вещества, содержащим твердую фазу 3.

Твердая фаза помещена на платформе, перемещаемой пружиной 4. Не противоречит сущности предлагаемого способа нахождение твердой фазы под мембраной в виде суспензии в насыщенном растворе дозируемого вещества, частицы которой поддерживаются во взвешенном состоянии, например, магнитной мешалкой с приводом 6 (фиг. 2). В этом случае концентрация раствора, равная концентрации насыщения при рабочей температуре будет поддерживаться в течение времени полного растворения твердой фазы, как и в случае сплошного слоя твердой фазы, размещаемого на подвижной платформе. Среда, в которую дозируют растворимое вещество, подается в смесительную камеру потоком L_с, который составляет часть потока среды L_o. Остальная часть потока среды направляется по байпасу L_б. Для введения в поток среды необходимого количества дозируемого вещества L_д величину потока L_с оценивают по зависимости (фиг.2), построенной для конкретных условий: размер пор и площадь мембраны в смесительной камере, геометрические размеры смесительной камеры, диффузионные свойства раствора дозируемого вещества и его концентрация насыщения. При проведении опытов по дехлорированию водопроводной воды использовали устройство, в котором смесительная камера с полупроницаемой мембраной и полость под мембраной с раствором дозируемого вещества, содержащим твердую фазу, имеют цилиндрическую форму и ориентированы относительно вертикальной оси, как показано на фиг.1 и 2. Диаметры смесительной камеры, полупроницаемой мембраны и полости под мембраной равны и составляют 4,7 см. Вместимость полости под мембраной ≈700 см³. Объем смесительной камеры изменяли для обеспечения нужного времени пребывания потока среды, используя сильфон 5. В качестве дозируемого вещества использовали NaHSO₃, насыщенный раствор которого (38%) получали при растворении Na₂S₂O₅, присутствующего в растворе в виде твердой фазы. Через смесительную камеру пропускают весь или часть потока водопроводной воды, содержащей активный хлор. Перемещением площадки с твердой фазой (вплоть до ее контакта с нижней стороной полупроницаемой мембраны) обеспечивают концентрацию раствора NaHSO₃ у мембраны, равной или близкой к насыщению при рабочей температуре. Опыты проведены с использованием различных полупроницаемых мембран и при различной величине потока среды, направляемого по байпасу, что влияло на количество проходящего через полупроницаемую мембрану дозируемого вещества и на время пребывания среды в смесительной камере. Инерционность системы дозирования оценивали по длительности выхода ее на стационарный режим с момент пуска после остановки в течение определенного, достаточно длительного времени. Момент выхода на стационарный режим определяли как момент достижения в обработанной водопроводной воде постоянства дозируемого вещества (или концентрации активного хлора, если дозируемого вещества недостаточно для его нейтрализации). Часть опытов проведена при отсутствии активного хлора, что точнее характеризует именно инерционность системы дозирования. Условия проведения и результаты опытов представлены в табл.1, основные характеристики использованных в опытах микро- и ультрафильтрационных мембран приведены в табл.2.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что предлагаемый способ дозирования позволяет обеспечить необходимую инерционность системы дозирования и длительность выхода на режим ≅25 с при небольшом расходе дозируемого вещества.

Формула изобретения

СПОСОБ ДОЗИРОВАНИЯ РАСТВОРИМОГО ВЕЩЕСТВА В СРЕДУ, включающий подачу среды в смесительную камеру с полупроницаемой мембраной, контактирование через полупроницаемую мембрану с раствором дозируемого вещества, содержащим твердую фазу, отвод серы из смесительной камеры, отличающийся тем, что контактирование ведут с насыщенным при рабочей температуре раствором дозируемого вещества в течение 0,2 - 1,0 с, а в качестве полупроницаемой мембраны используют микро- или ультрафильтрационную мембрану со средним размером пор 0,15 - 0,45 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5