Передвижной исследовательский автоматизированный комплекс для проектирования технологических схем

 

Изобретение относится к передвижным исследовательским автоматизированным комплексам для проектирования технологических схем и может быть использовано для разработки сложных технологических гибридных схем. Данный комплекс предназначен для обработки основных баромембранных процессов (микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса) с получением оптимальных данных для проектирования сложных технологических схем на основе мембранных процессов. Комплекс состоит из трех технологических модулей: модуля предподготовки, модуля ультрафильтрационного, вспомогательного модуля, при этом комплекс имеет три уровня управления и оснащен автоматизированной информационно-расчетной системой. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является создание такого оборудования и автоматизированной системы, которая обеспечивает выбор оптимального решения при проектировании и создании комплексных технологических процессов, включая обработку технологических параметров, разработку математических моделей, инженерных алгоритмов и программирование вплоть до промышленного масштабирования с учетом качества очистки и экономических показателей. 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к устройствам, состоящим из отдельных модулей и предназначенным для отработки параметров процессов химической технологии, получения оптимальных показателей и последующего проектирования технологических схем, связанных с мембранными процессами, такими, как разделение и/или концентрирование жидких сред.

В настоящее время в различных областях техники возникают аналогичные задачи, связанные с водоподготовкой (опреснение, доочистка, обессоливание воды в пищевой, энергетической промышленности), очисткой сточных вод (пищевая, текстильная, химическая, машиностроительная, металлообрабатывающая промышленность) с разделением фаз.

Известно устройство, содержащее набор модулей для очистки сточных вод после гальванических установок, заменяемых в зависимости от состава воды (никелирование, хромирование, цинкование и др.) (Galvanotechnik, 1991, т. 82, N 4, с. 1254-1260).

Недостатком известного устройства является возможность его использования в узкой области техники.

Известна система для контроля и оптимизации ультрафильтрационного разделения жидких сред, включающая датчики контроля параметров жидких сред и параметров процесса и датчики состояния мембран, устройства (контроллеры) для преобразования поступающих от датчиков сигналов в электрические сигналы и их передачи в микропроцессор, связанный с компьютером (EP 0464321, кл. B 01 D 61/22, 1992 г.).

Недостатком известной системы является неполный охват процесса датчиками.

Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату является устройство, представляющее собой передвижной исследовательский автоматизированный комплекс для проектирования оптимальных технологических схем разделения жидких сред, содержащий аппараты для проведения процессов очистки и мембранного разделения, выполненный с возможностью соединения аппаратов в комплексные технологические схемы (Galvanotechnik, 1997, т. 88, N 4, с. 125).

Недостатком известного комплекса является невозможность подготовки данных для проектирования с целью создания оптимальных гибридных технологических процессов для очистки жидких сред.

Техническим результатом, на который направлено данное изобретение, является создание такого оборудования и автоматизированной системы, которая обеспечивает выбор оптимального решения при проектировании и создании комплексных технологических процессов, включая обработку технологических параметров, разработку математических моделей, инженерных алгоритмов и программирование вплоть до промышленного маcштабирования с учетом качества очистки и экономических показателей.

Данный технический результат достигается за счет того, что в передвижном исследовательском комплексе для проектирования оптимальных технологических схем разделения жидких сред, содержащем аппараты для проведения процессов очистки и мембранного разделения, выполненном с возможностью соединения аппаратов в комплексные технологические схемы, согласно изобретению аппараты смонтированы по назначению в автономные модули предподготовки, обратноосмотический ультрафильтрации, вспомогательный, причем на каждом из модулей установлены датчики контроля параметров жидких сред, соединенные с входом контроллера первого уровня каждого модуля, выход которого подсоединен к входу соответствующего контроллера второго уровня, в состав которого входит графический дисплей, выход контроллера второго уровня каждого технологического уровня отдельной линией связи соединен с компьютером аналитического центра, при этом вспомогательный модуль выполнен с возможностью подсоединения к технологическим модулям, а его схема управления связана с технологическими модулями через их контроллеры первого уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана технологическая схема; на фиг. 2 - система управления исследовательским комплексом; на фиг. 3 - технологическая схема разработанного процесса.

Решение поставленной задачи реализуется путем создания в едином комплексе четырех мобильных модулей, отражающих главные технологические процессы, микро-, ультра-, нанофильтрации, обратного осмоса, сорбции, ионного обмена, электролиза и т. д., выполненных с возможностью их объединения в отдельные технологические схемы. Каждый аппарат модуля снабжен датчиками давления, температуры, расхода, pH и т.д. Схема управления комплексом является трехуровневой, включая компьютер аналитического центра, где с помощью автоматизированной информационно-расчетной системы (АИРС), представляющей собой многоуровневую систему, состоящую из четырех основных блоков: базы данных, экспертно-аналитического блока, блока алгоритмов расчета с пакетом программ, блока расчета процесса в целом, происходит выбор оптимальной комплексной технологической схемы (фиг. 1).

Исследовательский комплекс включает четыре автономных модуля: предподготовки, ультрафильтрации, обратноосмотический, вспомогательный.

Модуль предподготовки предназначен для работ по отработке параметров процессов коагуляции, фильтрации, выпарки, электрофлотации, электролиза - стадий, определяющих подготовку рабочих растворов для дальнейшей их переработки с помощью баромембранной технологии. В зависимости от типа исследуемой жидкой среды (например, сточная вода) модуль работает при различной последовательности операций.

В состав модуля входит емкость-флотатор, предназначенная для отстаивания, фильтрации, которая работает при температуре 7-55^oC, pH среды 1,0-13,0 и может обрабатывать жидкости с содержанием взвешенных веществ до 10,0 г/л, фильтр, который работает при давлении до 0,46 МПа или вакууме до 200 мм рт. ст. , расходе фильтрующей среды 60-150 л/ч и мутности фильтрата 1,0-50,0 мг/л.

Для осуществления напорной флотации указанное оборудование дополняют емкостью-ресивером, которая может пропускать до 15 л жидкости/опер., ручной мешалкой, компрессором, который подключают от вспомогательного модуля. Количество вводимых на флотацию реагентов составляет 0,1-1,0 мг/л, время хлопьеобразования 5-10 мин. Расход сжатого воздуха при флотации составляет 5-50 л/мин, время барботажа - 15-20 мин, флотации - 15-30 мин. Давление передавливания паровоздушной смеси поддерживают до 0,6 МПа.

Коагуляцию и отстаивание осуществляют при расходе коагулянта 0,1-1 мг/л, время коагуляции составляет 10 мин, а отстаивание 3-15 ч.

Вакуум-фильтрацию для отделения осадка осуществляют при глубине вакуума до 0,75 мм рт.ст, при подключении вакуум-насоса со вспомогательного модуля, что обеспечивает получение фильтрата в количестве 5-50 л/ч.

Электрофлотацию проводят в электрофлотаторе вместимостью 20 л при токе 50-100 А и напряжении 20-40 В, которые обеспечиваются тиристорным выпрямителем. Время процесса 0,5-1,5 ч.

Операцию выпаривания проводят в выпарном аппарате, снабженном теплообменником. Аппарат обеспечивает производительность по исходному раствору 10-12 кг/опер. , по вторичному пару 4-9 кг/опер. Работу можно проводить при давлении 1 кгс/см² и температуре рабочей среды 120^oC, паров 100^oC, а также при вакууме 0,75 кгс/cм², температуре рабочей среды 105^oC, паров 80-90^oC. Время выпарки составляет 3-7 ч. Теплообменник работает при расходе охлаждаемой воды до 0,15 м³/ч, температуре воды на входе не более 20^oC, в целом модуль потребляет 4 кBт.

Модуль ультрафильтрации предназначен для отработки режимов сверхтонкой фильтрации и подбора различных типов мембран для процессов тонкой очистки воды в пищевой промышленности, осветления жидкостей от коллоидных и взвешенных веществ.

В состав модуля входят емкость для исследуемого раствора, аппарат рулонный с фильтрующим элементом типа ЭРУ-100-1016 и площадью фильтрации 6,5 м², а также аппарат трубчатый типа БТУ или УДМ с площадью фильтрации 0,5 м². Аппараты работают при рабочем давлении 0,2-0,4 МПа, подаче разделяемой жидкости с температурой 5-60^oC, pH 4-13, в количестве 0,4-2,5 м³/ч.

Обратноосмотический модуль предназначен для отработки режимов нанофильтрации, низконапорного обратного осмоса, применяемых при разделении сточных вод различных производств и может работать совместно с другими модулями.

В состав модуля входят емкость для исследуемого раствора, трехплунжерный насос, аппарат рулонный обратноосмотический с элементами типа ЭРО-100-1016 или ЭРН-1001-1016, имеющими площадь фильтрации 6,5-7,5 м². Аппараты работают при рабочем давлении 0,6-1,6 МПа в режиме нанофильтрации и 1,6-2,5 МПа в режиме обратного осмоса при подаче 0,4-1,5 м³/ч разделяемой жидкости, температуре 5-60^oC и pH 1-13.

Мощность, потребляемая модулем, составляет 4,0 кВт.

Каждый из описанных выше модулей снабжен шкафом управления с программируемым контроллером СРЦ-L (4153) первого уровня и системой КИПиА блоком визуального контроля с контроллером второго уровня.

Каждый модуль может эксплуатироваться в условиях действующего производства на реальных жидкостях и позволяет отрабатывать оптимальные режимы отдельных технологических операций, подвергать полученные данные компьютерной обработке и с помощью программного контроллера первого и второго уровня и системы расширения базы данных АИРС.

Вспомогательный модуль предназначен для обеспечения необходимых технологических параметров процессов, осуществляемых в других модулях исследовательского комплекса. Элементы модуля, их параметры и назначение приведены в табл. 1. Общая потребляемая мощность модуля составляет 5,5 кВт.

Каждый модуль комплекса представляет собой самостоятельный агрегат, состоящий из рамы, установленной на колесах, на которой размещено оборудование КИПиА, контрольно-аналитический блок. Модули соединены отдельно линией связи с компьютером аналитического центра. Вспомогательный модуль подсоединяют к технологическим модулям конструктивно, а его схема управления связана с технологическими модулями. Работа отдельных модулей осуществляется как автономно, так и в различной последовательности в зависимости от состава исходной жидкости.

Система управления исследовательским комплексом представлена на фиг. 2 и функционирует следующим образом.

На первом (низшем) уровне сигналы от датчиков давления, расхода, pH, температуры и других показателей поступают через блоки согласования на входы контроллеров первого уровня.

Контроллеры первого уровня в соответствии с заложенным алгоритмом работы осуществляют управление исполнительными устройствами (насосами, клапанами, нагревателями, охладителями и т.п.). Они также накапливают текущую информацию о процессах и служат для переналадки системы в соответствии с требованиями изменения архитектуры комплекса.

На второй (среднем) уровне происходит обработка сигналов с контроллеров первого уровня, отображается и запоминается текущая информация, осуществляются функции задания режимов работы и рабочих параметров, а также запоминаются и сортируются массивы данных для передачи их на персональный компьютер третьего уровня управления.

На третьем (высшем) уровне в соответствии с принятым протоколом обмена данные в режиме реального времени размещают в выделенных файлах, откуда программа обработки берет информацию для расчета параметров проектируемой либо анализируемой технологической схемы.

Затем в соответствии с разработанными в рамках автоматизированной информационно-расчетной системы (АИРС) программами компьютер обрабатывает экспериментальные данные с получением оптимальных параметров процесса. С учетом последних на втором этапе проводится расчет единиц оборудования с выдачей технико-экономических показателей. Вывод на печать осуществляется с любого этапа расчета.

Порядок работы устройства можно проиллюстрировать на примере выбора оптимальной технологической схемы очистки сточных вод гальванического производства.

Исходные данные для проектирования.

а) Состав исходной сточной воды: pH - 8,9; Cl^- - 62 мг/л; SO^2-₄ - 110 мг/л; Cr⁶⁺ - 3,9 мг/л; Cr³⁺ - 5,4 мг/л; Cu²⁺ - 3,2 мг/л; взвешенные вещества - 0,32 г/л; сухой остаток - 0,35 г/л; жесткость - 3,7 г/л.

б) Производительность по очищенной воде - 0,5 м³/ч.

в) Требования к очищенной воде в соответствии с ГОСТ 9314-90.

В соответствии с типом и составом перерабатываемых вод оператор обращается к базе данных АИРС ПЭВМ, с помощью которой выбирается базовая схема очистки сточных вод аналогичного производства.

Схема включает следующие стадии:
- фильтрация исходной сточной воды,
- обратноосмотическое обессоливание,
- реагентная обработка концентрата,
- фильтрация суспензии фильтрата,
- выпаривание.

Далее оператор сравнивает состав исходной сточной воды с составом воды базового варианта: исходная сточная вода отличается по количеству взвешенных веществ - 0,325 г/л против 0,2 г/л, сухому остатку - 0,35 г/л против 0,2 г/л и наличию Cr⁶⁺. Оператор обращается к блоку алгоритмов АИРС для расчета каждой стадии технологического процесса. С учетом базы данных и необходимых исходных параметров производится типовой расчет с выбором типа аппарата и его характеристик.

Так как состав перерабатываемых вод отличается от базового, оператор принимает решение о проведении экспериментальной проверки стадий фильтрации и обратного осмоса для получения недостающей информации и уточнения расчета.

Экспериментальную проверку оператор осуществляет с помощью следующего оборудования:
а) модуль предподготовки и емкость E1, насос Н, фильтр Ф1,
- тип фильтрующего материала; бельтинг,
- удельная скорость фильтрации - 100 м³/м²•с,
- пропускная способность - 6 м³/м,
б) модуль обратноосмотический
- используется рулонный элемент типа ЭРО-100-1016.

Диапазон изменяющихся параметров:
- рабочее давление 2,0-3,5 МПа,
- тип мембраны - композитная ОФАМ, ОПАМ,
- подача на pулон - 0,5-2,0 м³/ч,
- температура - 15-20^oC.

В результате экспериментальной проверки оператор получаeт оптимальные параметры процесса:
- рабочее давление - 2,5 ± 0,2 МПа,
- температура - 20 ± 2^oC,
- скорость потока - 1,5 м³/ч,
- тип мембраны - ОФАМ.

При этом селективность (степень очистки) составляет:
- по тяжелым металлам - 99,5%,
- по обобщенному солесодержанию - 99,0%,
- производительность - 125 л/ч.

Полученные оптимальные параметры поступают на обработку первичной информации с контроллеров I и II уровней в базу данных ПЭВМ и параллельно как исходные данные в алгоритмы расчета соответствующих стадий блока расчета АИРС.

Произведя расчет с помощью ПЭВМ, оператор получает материальный баланс (потоки) каждой стадии, выбирает тип аппарата и его характеристики (габаритные размеры, занимаемая площадь, потребляемая мощность, стоимость).

Полученная информация по определенным стадиям и аппаратам с выдачей технико-экономических показателей установки в целом приводится в табл. 2, a технологической схемы разработанного процесса - на фиг. 3.

Формула изобретения

Передвижной исследовательский комплекс для проектирования оптимальных технологических схем разделения жидких сред, содержащий аппараты для проведения процессов очистки и мембранного разделения, выполненный с возможностью соединения аппаратов в комплексные технологические схемы, отличающийся тем, что аппараты смонтированы по назначению в автономные модули предподготовки, обратноосмотический ультрафильтрации, вспомогательный, причем на каждом из модулей установлены датчики контроля параметров жидких сред, соединенные с входом контроллера первого уровня каждого модуля, выход которого подсоединен к входу соответствующего контроллера второго уровня, в состав которого входит графический дисплей, выход контроллера второго уровня каждого технологического уровня отдельной линией связи соединен с компьютером аналитического центра, при этом вспомогательный модуль выполнен с возможностью подсоединения к технологическим модулям, а его схема управления связана с технологическими модулями через их контроллеры первого уровня.

РИСУНКИ

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