Интеллектуальная система управления фильтрацией текучей среды

Изобретение предназначено для фильтрации. Предложена система фильтрации, которая содержит нагнетающий насос, выполненный с возможностью приложения давления к текучей среде, протекающей между первой камерой и второй камерой, датчик потока, выполненный с возможностью определения по меньшей мере одного параметра, связанного с протеканием текучей среды через мембрану, установленную между первой камерой и второй камерой, датчик давления, выполненный с возможностью определения показаний давления текучей среды, протекающей из первой камеры во вторую камеру, систему управления фильтрацией, выполненную с возможностью инициирования приложения нагнетающим насосом постоянного давления к текучей среде, протекающей через мембрану в течение первого заданного периода времени на основании показаний давления. Система управления фильтрацией может быть выполнена с возможностью инициирования изменения с помощью нагнетающего насоса направления протекания текучей среды через мембрану на основании по меньшей мере одного параметра в течение второго заданного периода времени. В способе фильтрации текучей среды контролируют для текущего цикла фильтрации по меньшей мере одно из: изменения пропускной способности обработки фильтрата текучей среды при работе под постоянным давлением или изменения давления при работе с постоянной пропускной способностью при обработке фильтрата; определяют механизм засорения на основе одного или более из определения того, что изменение пропускной способности для текущего цикла фильтрации больше, чем изменение пропускной способности обработки фильтрата для предыдущего цикла фильтрации, или определения того, что и изменение давления для текущего цикла фильтрации больше, чем изменение давления для предыдущего цикла фильтрации; выбирают протокол очистки на основании определенного механизма засорения и выполняют процедуру очистки в соответствии с выбранным протоколом очистки. Технический результат: повышение производительности установки. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 17 ил., 2 табл.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США с серийным № 62/036,344, поданной 12 августа 2014 года, озаглавленной «Intelligent Flux Management System for Crossflow Membrane Systems» (Интеллектуальная система управления потоком для мембранных систем с поперечным потоком), и предварительной заявке на патент США с серийным № 62/145,793, поданной 10 апреля 2015 года, озаглавленной «Intelligent Fluid Filtration Management System» (Интеллектуальная система управления фильтрацией текучей среды), причем содержание каждой заявки включено в настоящее описание посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

На практике фильтрацию можно обобщенно подразделить на шесть категорий разделения: твердые вещества - газы, твердые вещества - жидкости, твердые вещества - твердые вещества, жидкости - жидкости, газы - жидкости и газы - газы. Способы фильтрации используют для отделения загрязняющих веществ и ценных материалов в широком спектре вариантов технологического применения, например, для фильтрации автомобильного и авиационно-космического топлива и воздуха, фильтрации бытового и промышленного воздуха, концентрирования и стерилизации пищевых продуктов и напитков, выделения и очистки фармацевтических молекул, лечебной терапии, такой как диализ почек и оксигенация крови, очистки питьевой воды, очистки технологической воды промышленных предприятий, а также обработки отходов и восстановления окружающей среды. Например, фильтрация является важнейшим и широко распространенным способом очистки воды благодаря тому, что она позволяет полностью и непрерывно отфильтровывать большое количество примесей путем отделения по размеру, избирательной адсорбции и диффузии (Howe and G. Tchobanoglous, Water Treatment: Principles and Design (Обработка воды: принципы и конструкция), John Wiley & Sons, Inc., Хобокен, штат Нью-Джерси, 2ое изд., 2005 г.). Практически во всех муниципальных и промышленных сооружениях для очистки воды и сточных вод, в большинстве сооружений для очистки подземных вод, а также в больших и малых опреснительных установках некоторые формы фильтрации используют для удаления трудноизвлекаемых материалов, таких как микроорганизмы, глина, осадочное вещество, нефтепродукты и другие органические и неорганические растворенные вещества (Crittenden J., et al. (2012) Water Treatment: Principles and Design (Обработка воды: принципы и конструкция), MWH, Хобокен, штат Нью-Джерси, США).

Как правило, фильтрация текучей среды представляет собой выделение и удаление из воды целевых взвешенных и растворенных твердых частиц за счет разных относительных скоростей прохождения через разделительную среду. В системах фильтрации текучей среды обычно реализуют следующие способы обработки: фильтрацию гранулированными средами (например, с использованием песка, антрацита, граната, ореховой скорлупы, нетканых материалов и другой нереакционноспособной сбросовой биомассы), фильтрацию ионообменной средой, фильтрацию адсорбционной средой (например, гранулированным активированным углем (GAC), цеолитами, полимером и органоглинами), фильтрацию реактивной средой (например, окислительную фильтрацию глауконитовым песком, био-песчаную фильтрацию, фильтрацию био-активированным углем), мембранную фильтрацию под низким давлением (например, микрофильтрацию и ультрафильтрацию) мембранную фильтрацию под высоким давлением (например, нанофильтрацию и обратный осмос).

Большинство способов фильтрации ограничено накоплением удаленного материала на фильтровальной среде или в ней. Например, если для фильтрации примесей из порции воды используют мембрану, поток будет постепенно уменьшаться по мере того, как мембрана засоряется или «забивается» неорганическими частицами, органическими примесями и/или биологическими микроорганизмами. Засорение мембраны часто приводит к значительному ослаблению потока или снижению пропускной способности, что влияет на производительность обработки и качество получаемой воды. Кроме того, минимизация засорения фильтра остается основной эксплуатационной задачей, касающейся способов фильтрации, из-за его существенного влияния на качество фильтрата, поддержание целевой пропускной способности при фильтрации, эффективность использования энергии и повреждение фильтра.

Засорение фильтра является неизбежным процессом, который происходит во время фильтрации, но может быть минимизирован с помощью стратегий периодического обслуживания, пока не возникнет необходимость в полной замене фильтра. В частности, способы обслуживания потока могут быть определены как системные процессы, осуществляемые для восстановления потока фильтрата путем удаления извлекаемых загрязняющих веществ и отложений с фильтра или внутри него и/или препятствования их последующему осаждению. Общие стратегии обслуживания включают различные виды механической и химической очистки, такие как промывка обратным потоком фильтрата и химическая очистка по месту эксплуатации (например, с использованием каустических средств, окисляющих/дезинфицирующих средств, кислот, хелатообразующих веществ и поверхностно-активных веществ) (Liu C., et al. (2006) Membrane Chemical Cleaning: From Art to Science (Химическая очистка мембраны: от искусства к науке), Корпорация Pall, Порт Вашингтон, штат Нью-Йорк, 11050, США). Однако любая реакция при обслуживании может отрицательно влиять на эффективность обработки из-за увеличения времени простоя системы, расходования фильтрата как товарного продукта, расходования дорогостоящих очищающих химических веществ и повреждения фильтра в случае использования способов жесткой очистки. В настоящее время эти способы обслуживания фильтров реализуют с использованием заданных критериев проектирования (частоты, интенсивности и длительности) и они не могут быть адаптированы в реальном масштабе времени к пространственным и временным изменениям в рамках заданного процесса фильтрации. Поэтому существует потребность в разработке адаптивных способов управления процессом для рабочих процессов на основе фильтрации с целью оптимизации реакции при обслуживании и минимизации влияния загрязнения фильтра на эксплуатационные требования по энергопотреблению и на срок службы.

Действия по удалению и замене фильтров с истекшим сроком годности связаны со значительными трудозатратами и могут обуславливать значительное увеличение времени простоя и стоимости системы. Срок полезного использования фильтрующего модуля, фильтрующего материала, ионообменной смолы или гранулированного активированного угля является специфическим для объекта эксплуатации и основан на уникальных условиях окружающей среды и качестве воды для заданной цели обработки. Поэтому для максимизации производительности установки необходимо предсказывать срок полезного использования модуля (-ей) на основании информации, непосредственно связанной с удельной производительностью указанного модуля (-ей) для данного варианта применения. Эти и другие недостатки рассматриваются в настоящем описании.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следует понимать, что как нижеследующее общее описание, так и нижеследующее подробное описание являются лишь иллюстративными и пояснительными, но не ограничивающими. Предложены способы и системы для интеллектуального управления фильтрацией текучей среды. Эти способы и системы могут позволять контролировать один или большее количество параметров, связанных с одной или большим количеством мембран системы фильтрации. Состояние одного или большего количества фильтров может быть определено на основе одного или большего количества контролируемых параметров системы фильтрации. Это состояние может включать одно или большее количество из следующих условий: приближающееся срабатывание фильтра или состояние готовности к фильтрации, обнаруженное срабатывание фильтра или состояние готовности к фильтрации, приближающееся нарушение целостности, обнаруженное нарушение целостности, приближающееся снижение проницаемости, обнаруженное снижение проницаемости, их комбинации и т. п. Одну или большее количество процедур обслуживания могут выполнять на основе определенного состояния. Одна или более процедур обслуживания могут включать одну или более процедур очистки фильтра, процедуру изолирования фильтра, процедуру ремонта фильтра, процедуру замены фильтра и процедуру уплотнения фильтра.

Согласно одному аспекту система управления фильтрацией может контролировать по меньшей мере одно из: изменения пропускной способности при обработке фильтрата текучей среды при работе под постоянным давлением и изменения давления при работе с постоянной пропускной способностью при обработке фильтрата. Механизм процесса засорения может определяться на основе по меньшей мере одного из: изменения пропускной способности при обработке фильтрата и изменения давления. Механизм процесса засорения может быть определен путем выполнения математического анализа изменения потока фильтрата или изменения давления в соответствии с одной или большим количеством заданных моделей засорения. Одна или большее количество заданных моделей засорения могут включать одну или несколько из: модели Гермия (Hermia), модифицированной модели Гермия (Hermia) и модели последовательного сопротивления. Прокол очистки может быть выбран на основе определенного механизма процесса засорения. Протокол очистки может включать выбор способа очистки и одного или большего количества параметров, связанных со способом очистки.

Согласно одному аспекту система фильтрации может содержать нагнетающий насос, выполненный с возможностью приложения давления к текучей среде, протекающей между первой камерой и второй камерой. Система фильтрации также может содержать датчик потока, выполненный с возможностью определения по меньшей мере одного параметра, связанного с протеканием текучей среды через мембрану, установленную между первой камерой и второй камерой. Система фильтрации может содержать датчик давления, выполненный с возможностью определения показаний давления текучей среды, протекающей из первой камеры во вторую камеру. Кроме того, система фильтрации может содержать систему управления фильтрацией, выполненную с возможностью инициирования приложения нагнетающим насосом постоянного давления к текучей среде, протекающей через мембрану из первой камеры во вторую камеру, в течение первого заданного периода времени на основании показаний давления. Кроме того, система управления фильтрацией может быть выполнена с возможностью инициирования изменения с помощью нагнетающего насоса направления протекания текучей среды через мембрану на основании по меньшей мере одного параметра в течение второго заданного периода времени.

Дополнительные преимущества будут частично изложены в нижеследующем описании или могут быть выявлены при практическом осуществлении изобретения. Преимущества настоящего изобретения будут реализованы и получены при помощи элементов и комбинаций, явным образом указанных в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что вышеприведенное общее описание и нижеследующее подробное описание являются лишь примерными и пояснительными и не предназначены для ограничения настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящий документ и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления и вместе с описанием служат для объяснения принципов способов и систем:

На ФИГ. 1 представлено репрезентативное схематическое изображение операции мембранного процесса с изменяемым давлением подачи и постоянной пропускной способностью;

На ФИГ. 2 представлено репрезентативное схематическое изображение операции мембранного процесса с постоянным давлением и изменяемым потоком;

На ФИГ. 3 показана репрезентативная схема системы управления фильтрацией;

На ФИГ. 4 показаны репрезентативные профили потока при осуществлении прямой фильтрации с последующим промыванием обратным потоком;

На ФИГ. 5 приведена блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ применения системы управления фильтрацией в режиме обучения;

На ФИГ. 6 показана репрезентативная блок-схема системы управления фильтрацией;

На ФИГ. 7 приведена блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ применения системы управления фильтрацией в режиме управления;

На ФИГ. 8 показана репрезентативная блок-схема применения режима управления системы управления фильтрацией;

На ФИГ. 9 приведена блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ применения системы управления фильтрацией в качестве реакции на ступенчатое изменение потока;

На ФИГ. 10 приведена блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ применения системы управления фильтрацией в качестве реакции на импульсное изменение потока;

На ФИГ. 11 представлено репрезентативное схематическое изображение реакции системы управления фильтрацией на событие возникновения импульса продолжительностью tp;

На ФИГ. 12 приведена блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ применения системы управления фильтрацией;

На ФИГ. 13 показаны способы решения для различных механизмов засорения и кривая зависимости потока от времени, которые были проверены на пригодность для определения конкретного наблюдаемого механизма засорения твердыми частицами;

На ФИГ. 14 приведена другая блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ применения системы управления фильтрацией;

На ФИГ. 15 показаны экспериментальные результаты применения системы управления фильтрацией;

На ФИГ. 16 показаны экспериментальные результаты применения системы управления фильтрацией; и

На ФИГ. 17 показано приведенное в качестве примера вычислительное устройство, в котором могут работать описанные способы и системы.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут частично изложены в нижеследующем описании и, кроме того, станут понятными из настоящего описания или могут быть выявлены при практической реализации настоящего изобретения. Преимущества настоящего изобретения будут реализованы и получены при помощи элементов и комбинаций, явным образом указанных в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что и вышеприведенное общее описание, и нижеследующее подробное описание являются лишь иллюстративными и пояснительными и не предназначены для ограничения заявленных способов и систем.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение может быть лучше понято со ссылкой на нижеследующее подробное описание способов и систем, а также включенных в него примеров.

Перед раскрытием и описанием представленных соединений, композиций, изделий, систем, устройств и/или способов следует отметить, что они не ограничены конкретными синтетическими способами, если не указано иное, или конкретными реагентами, если не указано иное, и, таким образом, конечно, могут изменяться. Кроме того, следует понимать, что терминология, используемая в настоящем документе, предназначена лишь для описания конкретных аспектов, а не для ограничения. Хотя при практическом осуществлении или испытании настоящего изобретения могут быть использованы любые способы и материалы, аналогичные или эквивалентные описанным в настоящем документе, далее будут описаны иллюстративные способы и материалы.

Все публикации, упомянутые в настоящем документе, включены в него посредством ссылки для раскрытия и описания способов и/или материалов, в связи с которыми цитируются указанные публикации. Публикации, обсуждаемые в настоящем документе, приведены исключительно для их описания до даты подачи настоящей заявки. Никакую информацию в настоящем документе не следует толковать как признание того, что настоящее изобретение не имеет права датировать подобную публикацию более ранним числом в силу действия предыдущего изобретения. Кроме того, даты публикаций, представленных в настоящем документе, могут отличаться от фактических дат публикаций, что может потребовать независимого подтверждения.

При использовании в данном описании и прилагаемой формуле изобретения форм единственного числа, они включают ссылки на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Так, например, ссылка на «мембрану», «клапан» или «датчик» включает комбинации двух или большего количества таких мембран, клапанов или датчиков и т. п.

Диапазоны в настоящем документе могут быть выражены как от «приблизительно» одного конкретного значения и/или до «приблизительно» другого конкретного значения. При таком выражении диапазона дополнительный аспект включает от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения. Аналогично, если значения выражены в виде приближений с помощью антецедента «приблизительно», следует понимать, что конкретное значение образует дополнительный аспект. Кроме того, следует понимать, что конечные точки каждого диапазона являются значимыми как в отношении другой конечной точки, так и независимо от другой конечной точки. Кроме того, следует понимать, что существует множество значений, описанных в настоящем документе, и что каждое значение в настоящем документе описано также как «приблизительно» равное этому конкретному значению, помимо самого указанного значения. Например, при описании значения «10» описано также значение «приблизительно 10». Кроме того, следует понимать, что описаны также все единицы между двумя конкретными единицами. Например, если описаны 10 и 15, то описаны также 11, 12, 13 и 14.

Используемые в настоящем документе термины «необязательный» или «необязательно» означают, что описанное далее событие или обстоятельство не обязательно должно иметь место, и что описание включает случаи, когда указанное событие или обстоятельство имеет место, и случаи, в которых оно отсутствует.

Используемый в настоящем документе термин «текучая среда» относится к любому веществу, которое непрерывно деформируется или протекает при приложении напряжения сдвига. Текучие среды включают, среди прочих, жидкости, газы и плазмы.

Используемый в настоящем документе термин «фильтр» относится к любому полупроницаемому барьерному или пористому устройству для удаления примесей из текучей среды. Фильтр для текучей среды может включать, среди прочих, мембрану или сито, слой с уплотненной фильтрующей средой, слой с псевдоожиженной фильтрующей средой, мембранный биореактор и ионообменную систему. Механизмы процесса разделения при фильтрации включают, среди прочих, отделение по размеру, адсорбцию, избирательное растворение/избирательную диффузию, электромагнитное притяжение/отталкивание, электростатическое притяжение/отталкивание, химическую реакцию или их комбинацию.

Используемый в настоящем документе термин «засорение» обозначает осаждение органического и неорганического вещества на поверхности фильтра или внутри пор фильтра и свободного пространства. Засорение включает, среди прочего, осаждение или адсорбцию неорганических частиц (например, глин, минералов, металлов и т. д.), несмешиваемых углеводородов (например, нефтепродуктов и смазочных веществ), растворенных и осажденных органических молекул, а также бактерий или водорослей на описанном в данном документе фильтре системы фильтрации текучей среды.

Используемый в настоящем документе термин «подаваемый поток» относится к любой водной или неводной текучей среде, содержащей фильтруемые растворенные вещества и/или твердые частицы.

Используемый в настоящем документе термин «поток пермеата» относится к любой фракции потока поступающего материала, которая была пропущена через фильтр с помощью управляемой давлением или гравиметрической фильтровальной установки.

Используемый в настоящем документе термин «поток» обозначает поток текучей среды через единицу площади фильтра. Поток может представлять собой, среди прочих, поток пермеата или выводимый поток.

Если явно не указано иное, то никоим образом не подразумевается, что какой-либо из способов, изложенных в настоящем документе, следует толковать как требующий выполнения его этапов в определенном порядке. Соответственно, если пункт формулы изобретения на способ фактически не указывает порядок, которого следует придерживаться при выполнении его этапов, или в формуле изобретения или в тексте описания иным образом конкретно не указано, что этапы ограничены конкретным порядком, то никоим образом не подразумевается, что этот порядок так или иначе является предполагаемым. Это относится к любым возможным невыраженным обоснованиям интерпретации, включая: логические основания в отношении расположения этапов или технологической последовательности; общеупотребительное значение, вытекающее из грамматической организации или пунктуации; и количество или тип вариантов осуществления, приведенных в настоящем описании.

Следует понимать, что композиции, описанные в настоящем документе, обладают определенными функциями. В настоящем документе приведены некоторые конструктивные требования для осуществления описанных функций и следует понимать, что существует множество конструкций, которые могут выполнять такие же функции, что и описанные конструкции, и что использование этих конструкций, как правило, приводит к достижению того же результата.

Полупроницаемые мембраны

Согласно одному аспекту способы и системы по настоящему изобретению относятся к способам фильтрации под давлением с использованием мембраны в качестве разделительного барьера для удаления растворенных веществ и взвешенных частиц из раствора или жидкой суспензии. Согласно одному аспекту мембрана может быть полупроницаемой мембраной.

Полупроницаемые мембраны могут использовать для отделения растворенных или диспергированных материалов от потоков поступающего материала. Этот процесс разделения может включать приведение подаваемого раствора в соприкосновение с одной поверхностью полупроницаемой мембраны под давлением таким образом, чтобы влиять на проникновение растворимой фазы через полупроницаемую мембрану с одновременным препятствованием проникновению растворенных или диспергированных материалов.

Полупроницаемые мембраны могут быть изготовлены из полимеров, керамики или металлов. Эти полимерные, керамические или металлические мембраны могут быть собраны в элементы и модули, которые выполняют в множестве возможных комбинаций (форм-факторов), например, в виде плоского листового модуля, плиточно-рамного модуля, рулонного модуля, трубчатого модуля, половолоконного модуля, их комбинаций и т. п. Кроме того, все эти полупроницаемые мембраны могут быть синтезированы с возможностью проявления широкого диапазона избирательности и проницаемости, которые главным образом ранжируют от микрофильтрации (MF) и ультрафильтрации (UF) до нанофильтрации (NF) и обратного осмоса (RO).

Как мембраны для обратного осмоса (RO), так и мембраны для нанофильтрации (NF) могут содержать тонкопленочный избирательный слой, прикрепленный к пористой подложке, обобщенно именуемый «композитной мембраной». Мембраны для микрофильтрации и ультрафильтрации также могут иметь композитную структуру. Пористая подложка может обеспечивать физическую прочность, но из-за своей пористости она способна оказывать слабое сопротивление потоку. С другой стороны, тонкопленочный избирательный слой может быть менее пористым и может служить основным средством для отделения растворенных или диспергированных материалов. Таким образом, тонкопленочный избирательный слой может главным образом обеспечивать «коэффициент задержания» данной мембраны - процент задержанного конкретного растворенного или диспергированного материала (например, растворенного вещества) и «поток» - скорость потока на единицу площади, с которой растворитель проходит через мембрану.

Полупроницаемые мембраны различаются по степени их проницаемости для разных ионов, а также органических и неорганических соединений. Например, «диффузионные мембраны» (например, для нанофильтрации и для обратного осмоса) являются относительно непроницаемыми практически для всех ионов, включая натрий и хлорид, а также нейтральных растворенных веществ с молекулярными массами выше приблизительно 200 дальтонов. Поэтому мембраны для обратного осмоса широко используют для обессоливания солоноватой воды или морской воды для получения воды с высокой степенью очистки для промышленного, коммерческого или бытового использования, поскольку коэффициент задержания ионов натрия и хлора мембранами для обратного осмоса, как правило, превышает приблизительно 90 процентов. И наоборот, «мембраны низкого давления» (например, для микрофильтрации и ультрафильтрации) могут быть относительно пористыми и, следовательно, могут быть использованы для удаления коллоидных и твердых частиц (например, от приблизительно 0,1 мкм до приблизительно 10 мкм для микрофильтрации и от 0,01 мкм до 0,1 мкм для ультрафильтрации). Микрофильтрацию и ультрафильтрацию могут использовать как для муниципальной, так и для промышленной обработки, для удаления твердых частиц и патогенов, предварительной обработки для нанофильтрации/обратного осмоса, очистки для химического синтеза и т. п.

Мембраны для микрофильтрации и ультрафильтрации могут состоять из неорганических или полимерных материалов, имеющих различную геометрию. Мембраны могут быть выполнены в виде модулей с различными конфигурациями, такими как, например, трубчатая конфигурация, плиточно-рамная конфигурация, рулонная конфигурация, половолоконная конфигурация, их комбинации и т. п. Полимерные мембраны для микрофильтрации и ультрафильтрации могут быть выполнены из различных полимеров, таких как, например, ацетат целлюлозы, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил, полипропилен, полисульфон и полиэфирсульфон. Изготовление полимерных мембран с различными форм-факторами может быть относительно недорогим, но они могут иметь ограничения в виде узкого рабочего диапазона, в частности, незначительные допуски по величине pH, температуре и хемотолерантности. Керамические мембраны, выполненные из таких материалов, как оксид алюминия, оксид циркония и оксид титана, могут быть использованы в тех случаях, когда необходимо выполнять работы при высокой температуре или могут потребоваться агрессивные химикаты для очистки.

Мембраны для микрофильтрации и ультрафильтрации могут быть выполнены с симметричной пористой структурой, позволяющей управлять засорением по месту эксплуатации с помощью промывки обратным потоком или продувки обратным потоком. Используемый в настоящем документе термин «промывка обратным потоком» или «продувка обратным потоком» относится к изменению направления потока пермеата путем приложения перепада давления, превышающего трансмембранное давление прямой фильтрации, которым могут управлять механическим и/или осмотическим способом. Промывка обратным потоком включает, среди прочих, использование пермеатной жидкости, очищенной воды или пермеатной жидкости, химически улучшенной за счет добавления дополнительных химических веществ, таких как кислоты, каустические средства и/или окислители.

Согласно еще одному аспекту способ интеллектуального управления фильтрацией текучей среды может быть реализован с использованием мембраны для микрофильтрации, мембраны для ультрафильтрации, мембраны для нанофильтрации, мембраны для обратного осмоса, мембраны для прямого осмоса и мембраны для осмоса с ограничением давления без тонкопленочного покрытия. Кроме того, способ интеллектуального управления фильтрацией текучей среды может быть реализован с использованием керамической или полимерной мембраны. Согласно еще одному аспекту полупроницаемую мембрану реализуют в трубчатой конфигурации, плиточно-рамной конфигурации, рулонной конфигурации, половолоконной конфигурации или конфигурации мембранного биореактора.

Согласно еще одному аспекту способ интеллектуального управления фильтрацией текучей среды может быть реализован с использованием систем безмембранной фильтрации, систем ионного обмена и систем с активированным углем, например, систем фильтрации со смешанной загрузкой с фильтрацией через песок, систем фильтрации с ионным обменом, систем фильтрации с гранулированным активированным углем, а также систем фильтрации с нормируемыми картриджами и рулонных систем фильтрации, благодаря механизмам фильтрации и обслуживания фильтра, отражающим описанные в настоящем документе аспекты, связанные с мембраной.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

На ФИГ. 1 показан пример системы 100 фильтрации, которой управляет система 105 управления фильтрацией. Согласно одному аспекту изобретение относится к системе 100 фильтрации, содержащей нагнетающий насос 110, выполненный с возможностью приложения давления к текучей среде, протекающей между первой камерой 115 и второй камерой 120. Система 100 фильтрации может дополнительно содержать датчик 125 потока, выполненный с возможностью определения по меньшей мере одного параметра, связанного с протеканием текучей среды через мембрану 130, установленную между первой камерой 115 и второй камерой 120. Система 100 фильтрации может дополнительно содержать датчик 135 давления, соединенный с нагнетающим насосом 110 и датчиком 125 потока и выполненный с возможностью определения показания давления текучей среды, протекающей из первой камеры 115 во вторую камеру 120. Кроме того, система 100 фильтрации может содержать систему 105 управления фильтрацией, которая сообщается с нагнетающим насосом 110, датчиком 125 потока и датчиком 135 давления. Система 105 управления фильтрацией может быть выполнена с возможностью инициирования приложения нагнетающим насосом постоянного давления к текучей среде, протекающей из первой камеры 115 во вторую камеру 120, в течение первого заданного периода времени на основании показания давления от датчика 135 давления. Система 105 управления фильтрацией может инициировать изменение с помощью нагнетающего насоса 110 направления протекания текучей среды через мембрану 130 при постоянном давлении в течение второго заданного периода времени на основании по меньшей мере одного параметра.

В способах мембранной фильтрации под давлением, таких как микрофильтрация (MF), ультрафильтрация (UF), нанофильтрация (NF) и обратный осмос (RO), в качестве разделительного барьера для удаления растворенных веществ и взвешенных частиц из раствора или жидкой суспензии применяют полупроницаемую мембрану. Приложение перепада трансмембранного давления (TMP) обуславливает протекание растворителя через мембрану, при этом растворенные вещества или твердые частицы, которые содержатся в подаче, задерживаются.

Скорость потока чистого растворителя (или поток) через мембрану может определяться уравнением Дарси, согласно которому поток (объемная скорость потока на единицу площади поперечного сечения мембраны) прямо пропорционален приложенному перепаду давлений:

.

Растворенные вещества и твердые частицы, которые в процессе фильтрации задерживаются мембраной, могут накапливаться на поверхности мембраны. Механизм наращивания концентрации растворенного вещества на поверхности мембраны можно назвать концентрационной поляризацией. Увеличение концентрации растворенного вещества на поверхности мембраны может приводить к возникновению дополнительных сопротивлений в направлении протекания растворителя через мембрану. Эти сопротивления могут уменьшать поток фильтрата или пермеата. Несколько соответствующих механизмов повышения сопротивления и последующего ослабления потока обобщены в Таблице 1.

Таблица 1

Механизм Описание
Концентрационная поляризация Более высокая концентрация задерживаемого растворенного вещества со стороны подачи на мембране снижает активность растворителя по сравнению с его активностью со стороны выхода пермеата. Это проявляется в виде перепада давления (перепада осмотического давления), из-за которого растворитель стремится перейти со стороны пермеата на сторону подачи. Этот перепад осмотического давления приводит к снижению эффективного трансмембранного перепада давления для прохождения потока растворителя через мембрану. Этот механизм является основным для частиц растворенных веществ небольшого размера, таких как ионы соли, и, как правило, является основным механизмом ослабления потока при обратном осмосе.
Образование гелеобразного слоя Если концентрация задерживаемого растворенного вещества на поверхности мембраны со стороны подачи достигает критического значения, называемого концентрацией геля, на мембране начинает формироваться концентрированный гелеобразный осадок. Этот гелеобразный слой создает дополнительное сопротивление проникновению через него растворителя. Этот механизм является обычным явлением при ультрафильтрации (UF) и нанофильтрации (NF) белков, сыворотки, соков и напитков и является обычным явлением при выполнении операций фильтрации пищевых продуктов, напитков и лекарственных веществ.
Образование осадка Взвешенные частицы или конгломераты, образуемые при коагуляции частиц растворенных веществ небольшого размера, могут задерживаться на поверхности мембраны из-за гидродинамического сопротивления проникающего растворителя. По мере того как эти частицы осаждаются на мембране, они начинают формировать слой осадка, который дополнительно препятствует проникновению растворителя. Сопротивление слоя осадка аналогично сопротивлению гелеобразного слоя с той лишь разницей, что гелеобразный слой является более плотным, по существу тонким и имеет очень высокое удельное сопротивление по сравнению со слоем осадка. Часто толщина слоя осадка ограничивается при фильтрации с применением тангенциального потока, поскольку поток размывает поверхность осадка выше минимальной высоты, предотвращая его дальнейший рост.
Адсорбция Растворенные вещества могут адсорбироваться на поверхности мембраны, тем самым частично или полностью блокируя поры мембраны. Адсорбция может обуславливать действие различных механизмов потери проницаемости мембран, большинство из которых имеют постоянный (необратимый) характер. Адсорбция может приводить к частичному блокированию пор или уменьшению радиуса пор.
Усиленная осадком концентрационная поляризация Этот механизм проявляется при фильтрации коллоидных частиц с помощью мембран для нанофильтрации или обратного осмоса, т. е. мембран, отфильтровывающих соли. В этом случае заряженная частица, которая первой осаждается на мембране, образует слой осадка. По мере формирования слоя осадка заряженные частицы ослабляют перенос ионов через слой осадка из-за электрокинетических явлений, а также замедленной диффузии в стесненной пористой среде. Эти механизмы обуславливают возникновение повышенного перепада осмотического давления на слое осадка, в результате чего уменьшается общий поток пермеата.

Это множество механизмов ослабления потока может обуславливать возникновение пространственно-временных изменений потока пермеата различных типов для различных типов мембранных элементов, модулей и систем мембранной фильтрации. Каждый механизм, описанный в Таблице 1, может обуславливать различный тип в зависимости от характера ослабления потока. Со временем на мембране может накапливаться все больше растворенных веществ. С течением времени накопление растворенных веществ может увеличивать общее сопротивление потоку растворителя через мембрану и вызывать ослабление потока фильтрата. Во многих типах промышленных мембранных элементов и модулей с тангенциальным потоком, таких как трубчатый модуль, плиточно-рамный модуль, рулонный модуль, половолоконный модуль или мембранный биореакторный модуль, степень осаждения растворенного вещества на мембране также может изменяться пространственно. Таким образом, наряду с зависящим от времени изменением потока также может иметь место локализованное пространственное изменение потока для каждого типа мембранного модуля или элемента. Например, профиль ослабления потока в мембранах для нанофильтрации и обратного осмоса может иллюстрировать загрязнение основного элемента органическими веществами. Загрязнение основного элемента органическими веществами может характеризоваться постепенным ослаблением потока при образовании осадка. Кроме того, профиль ослабления потока в мембранах для нанофильтрации и обратного осмоса может иллюстрировать образование отложений неорганических веществ на конечном элементе, которое может характеризоваться резким и внезапным ослаблением потока из-за осаждения неорганических веществ и полного блокирования пор.

Многообразие механизмов ослабления потока, типов геометрии модулей и элементов, а также сложных подаваемых химических структур и композиций при промышленном применении мембранных процессов может затруднять разработку общей механистической модели ослабления потока и засорения мембраны, которая может быть реализована в виде алгоритма оперативного управления и алгоритма управления процессом. Управление процессом функционирования систем мембранной фильтрации может включать поддержание постоянной объемной пропускной способности системы мембранной фильтрации. Другими словами, средний поток пермеата из мембранного модуля можно контролировать во время осуществления процесса. Если происходит любое снижение пропускной способности, алгоритм управления может увеличивать движущую силу (например, прикладываемый трансмембранный перепад давления (TMP)) для поддержания требуемого заданного значения потока. Этот оперативный подход полностью игнорирует любые механизмы ослабления потока и применяется для всех типов способов мембранного сепарирования под давлением, от микрофильтрации до обратного осмоса, и типов мембран (керамической или полимерной).

На ФИГ. 2 схематически показано изменение прилагаемого давления со стороны подачи на мембранном элементе с течением времени. Прилагаемое давление повышают для поддержания постоянного потока пермеата через мембранный элемент. Прилагаемое давление постоянно увеличивают, поскольку различные механизмы засорения во время фильтрации обуславливают снижение общей проницаемости мембраны. Когда прилагаемое давление достигает максимального порогового значения Pmax на протяжении цикла фильтрации tf, фильтрацию останавливают и запускают механизм очистки мембраны. В некоторых вариантах применения цикл фильтрации используют с фиксированным таймером, причем значение tf является постоянным в последовательных циклах. В таких случаях максимальное прилагаемое давление Pmax может изменяться между циклами фильтрации. Механизм очистки может различаться в зависимости от типа мембранного элемента, а также мембранного процесса и может представлять собой промывку обратным потоком (BW), химически улучшенную промывку обратным потоком (CEB), релаксацию пермеата (PR), импульс давления (PP), продувку воздухом (AS), химический импульс (CP), реверсирование подаваемого потока (FFR), очистку на месте (CIP), их комбинации и т. п. После осуществления механизма процесса очистки проницаемость мембранного элемента частично восстанавливается. Частичное восстановление проницаемости объясняется потенциально обратимым характером засорения мембранного элемента во время выполнения цикла фильтрации, а частичное невосстановление проницаемости обусловлено необратимым засорением. В режиме функционирования с постоянной пропускной способностью частично необратимое уменьшение проницаемости мембранного элемента также может быть вызвано уплотнением мембранного элемента из-за действия высокого давления во время его эксплуатации. Кроме того, энергопотребление в процессе фильтрации зависит от времени, поскольку увеличение давления требует увеличения потребляемой мощности системой фильтрации.

В режиме работы с изменяемой пропускной способностью и постоянным давлением может быть первоначально установлен трансмембранный перепад давления (TMP), а поток пермеата может уменьшаться с течением времени в течение цикла фильтрации из-за действия различных механизмов ослабления потока. Возможны два режима работы: (i) режим фиксированного времени фильтрации, в котором время прямой фильтрации, tf, является постоянным, и (ii) режим фиксированного ослабления потока, при котором поток может достигать минимального значения Jf, прежде, чем будет запущен механизм очистки. После очистки восстановление потока часто является неполным из-за необратимого засорения мембраны.

На ФИГ. 3 приведена типовая схема, изображающая мембранный процесс при постоянном давлении и изменяемом потоке. Вертикальная ось сопоставлена потоку. Заштрихованная область отражает необратимое ослабление проницаемости. Режим работы фильтрующих систем может представлять собой режим с постоянной пропускной способностью (СТ) и с изменяемым трансмембранным давлением (ТМР), в котором давление постепенно повышают для поддержания постоянной пропускной способности прохождения фильтрата через мембрану. Для реализации этого управления процессом может потребоваться устройство измерения скорости потока для регистрации пропускной способности и механизм управления давлением для регулирования давления подачи. Этот тип управления процессом может обуславливать проблемы, связанные с контуром пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления; которые заключаются в том, что управление процессом может быть реактивным (механизм управления с помощью обратной связи), может основываться на постоянных параметрах, не основываться на реальных механизмах ослабления потока на мембране и не обеспечивать оптимального или адаптивного управления.

С точки зрения мембранного процесса проблема, связанная с вышеуказанным контуром ПИД-управления, заключается в определении заданного значения потока. Если заданное значение потока представляет собой начальный поток, J0, давление может слишком резко увеличиваться на начальных стадиях фильтрации, поскольку на этих стадиях ослабление потока может быть довольно быстрым. При таком повышении давления мембрана может очень сильно уплотняться.

Вторая проблема, связанная с контуром ПИД-управления в режиме работы с постоянной пропускной способностью, связана с резким повышением концентрации загрязняющих веществ в подаче. Когда такой выброс достигает мембраны, поток быстро ослабевает. В ответ на такое внезапное ослабевание потока контур ПИД-управления может попытаться повысить давление для поддержания потока на постоянном уровне. В мембранных процессах, работающих в управляемом режиме массопереноса, поток может нелинейно зависеть от приложенного давления. Таким образом, давление могут значительно повышать для достижения относительно небольшого усиления потока. Кроме того, такое усиление потока может сопровождаться снижением проницаемости мембраны, поскольку из-за сильного сопротивления проникновению еще большее количество растворенных веществ оказывается на поверхности мембраны или внедряется в поры мембраны, значительно быстрее засоряя мембрану. В некоторых случаях повышенное давление подачи может усиливать массоперенос в мембране за счет увеличения перепада осевого давления, что приводит к усилению поперечного потока. Таким образом, повышение давления в ответ на резкое повышение концентрации растворенного вещества в подаче не является разумным подходом к управлению потоком в мембранных процессах.

Ослабление потока в мембранном элементе может указывать на засорение, которое происходит во время осуществления процесса фильтрации. Ослабление потока можно рассматривать как прямой и однозначный показатель засорения мембраны и потери производительности. Если при выполнении операции фильтрации промышленного масштаба существует возможность отслеживания ослабления потока, эту информацию можно применять для разработки управляющей и эксплуатационной архитектуры мембранных процессов, которая позволяет: а) определять основные механизмы засорения в процессе фильтрации; b) изучать способы автоматического запуска механизмов очистки при определении критического уровня засорения и ослабления потока; c) адаптировать систему для достижения наиболее экономичного рабочего режима для заданного качества очищаемой воды и заданной конфигурации процесса; d) динамично реагировать на внезапные колебания качества очищаемой воды, даже останавливая процесс в случае непредусмотренного и критического повышения уровней засорения очищаемой воды; e) снижать энергопотребление; f) автоматически выполнять цикл между различными режимами обслуживания системы, такими как промывка обратным потоком и очистка на месте; g) увеличивать срок службы мембран и оптимизировать затраты на очистку воды; их комбинации; и т. п.

Поток пермеата создают с помощью давления (движущей силой), прикладываемого при осуществлении мембранной фильтрации. Другими словами, приложенное давление является причиной, а поток представляет собой следствие. В режиме работы с постоянным давлением (СР) движущая сила остается постоянной и последующие изменения потока лишь указывают на то, что происходит сопротивление загрязнению, нарастающему с течением времени, что приводит к такому ослаблению потока при приложении фиксированной движущей силы. Однако в режиме работы с постоянной пропускной способностью (CT) сама движущая сила изменяется в качестве реакции на изменения потока. Изменение движущей силы может приводить к изменению динамики процесса с переходом в режимы, в которых при другом рабочем давлении могут быть задействованы дополнительные механизмы. Типовым примером такого изменения механизма загрязнения является переход между управлением осмотическим давлением и управлением гелеобразным слоем при превышении критического перепада трансмембранного давления для некоторых типов фильтрации белка и полимера. Ниже порогового значения давления раствор полимера не образует гель и основным механизмом концентрационной поляризация является нарастание осмотического давления. Однако, если достигается критическое давление для концентрирования геля, основным механизмом ослабления потока становится нарастание гелеобразного слоя.

Режим работы с постоянным давлением (CP) может быть использован в архитектуре управления процессом, которая основана на ослаблении потока в качестве ключевого сигнала. Режим постоянного давления может позволять предотвращать изменение зависимости между давлением и потоком.

В настоящем документе описан аспект предлагаемой интеллектуальной системы управления фильтрацией, которая запускает промывку обратным потоком в системе фильтрации, содержащей мембрану, в режиме работы с постоянным давлением. Описанное в настоящем документе изобретение наглядно демонстрирует, как на основании модели ослабления потока можно собирать соответствующую информацию о поведении системы фильтрации при заданной движущей силе (TMP) и условиях подачи, как эта информация может быть использована для регулирования производительности системы фильтрации путем запуска промывки обратным потоком или очистки на месте в качестве реакции на внезапные изменения пропускной способности и в чем состоит различие режима работы с постоянным давлением (CP) и режима работы с постоянной пропускной способностью (СТ). Однако предполагается возможность применения и других систем фильтрации.

Предположим, что система мембранной фильтрации начинает работать с начальным потоком J0, который соответствует начальному трансмембранному давлению ΔP0. При осуществлении цикла прямой фильтрации с течением времени поток изменяется и это изменение регистрируют с постоянными временными интервалами Δt. По прошествии периода tf прямой фильтрации запускают цикл промывки обратным потоком. При промывке обратным потоком часть пермеата, накопленную во время цикла фильтрации, возвращают через мембрану со стороны пермеата на сторону подачи. Поток обратной промывки, JBW, может быть большим, чем поток прямой фильтрации, но продолжительность промывки обратным потоком, tBW, может быть значительно меньшей, чем время прямой фильтрации. Это условие позволяет привести в движение осажденные твердые частицы, которые находятся на поверхности мембраны, и увлечь их в рециркуляционную подачу. Этот тип промывки обратным потоком может быть использован для осуществления операций фильтрации с помощью керамической мембраны.

На ФИГ. 4 схематически изображен профиль изменения потока с течением времени на протяжении двух последовательных циклов фильтрации с промежуточной промывкой обратным потоком. Поток уменьшается со временем, а суммарная выработка пермеата (или фильтрата) в течение цикла фильтрации составляет

(1)

где Am представляет собой площадь мембраны, а окончательное выражение основано на дискретизированных измерениях потока в постоянных временных интервалах (с N интервалов), проинтегрированных с использованием правила трапеции.

Общий объем пермеата, расходуемого во время промывки обратным потоком, составляет

(2)

Тогда коэффициент промывки обратным потоком определяют как

(3)

Для операции фильтрации с промывкой обратным потоком желательно обеспечить минимальное значение коэффициента промывки обратным потоком, причем типовую цель можно выразить следующим образом: rBW < 0,2. Конечная производительность мембранной установки по выработке очищенной воды составляет

(4)

Скорость ослабления потока в течение цикла фильтрации определяют по формуле

(5)

Если устройство измерения расхода регистрирует поток с постоянными интервалами, то скорость ослабления потока может быть представлена в каждый момент времени, ti (ослабление в определенный момент времени), как

(6)

Уравнения (1) и (6) представляют собой, соответственно, интеграл и производные одной и той же последовательности зависящего от времени потока пермеата.

Может возникнуть желание построить алгоритм управления пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) типа, используя эти измерения потока без их дальнейшего исследования. Такой подход может потребовать определения заданного значения, которое может представлять собой требуемый поток, и на основании отклонения установленного измерения потока от заданного значения будет происходить регулирование управляющей переменной (как правило, прилагаемое давление), которая минимизирует отклонение значения потока от заданного значения. Этот подход ранее называли моделью изменяемого давления при постоянной пропускной способности (CT).

Как обсуждалось выше в настоящем документе, применение механизма ПИД-управления предполагает наличие двух основных проблем. Во-первых, определение заданного значения потока. Если заданное значение равно начальному потоку, J0, давление будет увеличиваться слишком резко на начальных стадиях фильтрации, поскольку на этих стадиях ослабление потока будет довольно быстрым. При таком повышении давления мембрана может очень сильно уплотняться. Вторая проблема связана с внезапным повышением концентрации загрязняющих веществ в подаче, в результате чего поток быстро ослабевает. В системах ПИД-управления фильтрацией необходимо значительно повышать давление для достижения относительно небольшого усиления потока. Это, в свою очередь, может привести к ухудшению проницаемости из-за повышенного засорения, вызываемого сильным сопротивлением проникновению, из-за действия которого все большее количество растворенного вещества осаждается на поверхности мембраны.

РЕЖИМ РАБОТЫ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ И ПОСТОЯННЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Режим работы с изменяемой пропускной способностью и постоянным давлением несколько отличается по параметрам от режима работы с изменяемым давлением и постоянной пропускной способностью с точки зрения энергопотребления для способа при осуществлении операций этих двух типов. Энергопотребление для данного способа можно привязать к гидравлической мощности с помощью следующей формулы:

При работе с постоянным давлением, J=J(t), при постоянной пропускной способности перепад трансмембранного давления является функцией времени. Ключевое различие в выходной мощности системы фильтрации, работающей в этих двух режимах, заключается в том, что при работе с постоянным давлением энергопотребление не увеличивается (оно либо остается постоянным, либо уменьшается), поскольку во время цикла фильтрации поток уменьшается; тогда как при работе с постоянной пропускной способностью в течение цикла фильтрации энергопотребление возрастает. Увеличение энергопотребления во время работы с постоянной пропускной способностью связано с созданием дополнительной движущей силы для проталкивания пермеата с постоянной скоростью через менее проницаемый фильтрационный барьер.

В большинстве промышленных мембранных элементов и модулей степень концентрационной поляризации, засорения и осаждения частиц изменяется в осевом направлении вдоль длины модуля. Такие изменения обуславливают различную степень ослабления потока в разных местах модуля или элемента. Пропускная способность модуля представляет собой пространственно усредненный поток пермеата вдоль модуля, умноженный на площадь мембраны. Локальный поток пермеата в модуле изменяется в зависимости от механизма засорения. В большинстве вариантов применения засорение является более существенным на участках модуля, расположенных ниже по потоку, что приводит к ослаблению потока в этих местах. Во многих из этих модулей для ограничения степени засорения используют тангенциальный поток. В некоторых случаях изменение направления подачи потока (FFR) может быть использовано для предотвращения чрезмерной асимметричности засорения одного конца модуля.

Независимо от механизма засорения мембран промышленных модулей большинство модулей и элементов засоряются асимметрично и часто требуется замена элемента, когда лишь его часть становится сильно и необратимо засоренной. Асимметричность засорения мембранных элементов связана с характеристиками массопереноса систем фильтрации с применением тангенциального потока. Представляет интерес исследование того, как при эксплуатации промышленного мембранного элемента применение режима с изменяемой пропускной способностью и постоянным давлением и режима с измененяемым давлением и постоянной пропускной способностью может приводить к различной степени асимметричного засорения элемента.

Засорение начинается у нижнего по потоку конца мембраны, вызывая ухудшение проницаемости на этих участках мембраны. На этих участках ухудшается улавливание фильтрата. При работе с постоянным давлением более низкое проникновение обуславливает увеличение объемного тангенциального потока при установившемся процессе. По мере увеличения скорости поперечного потока увеличивается и осевое гидравлическое сопротивление. Хотя усиление поперечного потока является благоприятным для массопереноса и приводит к удалению слоев загрязнения в мембранных процессах некоторых типов, более сильный поперечный поток, как правило, связан с более сильным падением осевого давления в модуле. Этот процесс усугубляется в режиме работы с постоянной пропускной способностью, поскольку повышение общего давления подачи, в то время на участках мембраны ухудшается проницаемость, более интенсивно усиливает компонент осевого потока. Таким образом, хотя выработка фильтрата или пермеата модулем остается постоянной для этого типа операции, эта выработка в значительной степени обусловлена повышенным проникновением из незасоренных участков мембраны на передней кромке элементов. Более сильное проникновение из этих мест увеличивает сопротивление проникновению и, таким образом, накопление загрязняющих веществ на этих участках мембраны. И наконец, поскольку мембрана засорена, но подачу осуществляют с повышенным управляющим давлением, осевой поток увеличивается, увеличивая потери давления на трение в модуле. Результатом этого является более высокая эксплуатационная стоимость мембранного процесса при работе в режиме изменяемого давления и постоянной пропускной способности.

Согласно еще одному аспекту осуществление нагнетающим насосом изменения направления приложения постоянного давления на основании по меньшей мере одного параметра включает сравнение определяемого по меньшей мере одного параметра по меньшей мере с одним пороговым значением. Согласно еще одному аспекту по меньшей мере один параметр представляет собой один или большее количество параметров из: скорости потока текучей среды, скорости изменения скорости потока текучей среды, объема текучей среды, проходящей через мембрану в течение заданного периода времени.

Согласно еще одному аспекту система фильтрации может дополнительно содержать таймер, выполненный с возможностью по меньшей мере одного из: настройки времени приложения постоянного давления и настройки времени изменения направления приложения постоянного давления.

Согласно еще одному аспекту одно или большее количество из первого заданного времени и второго заданного времени является постоянным значением. Согласно еще одному аспекту одно или большее количество из первого заданного времени и второго заданного времени определяют с помощью заданной формулы.

Согласно еще одному аспекту обратное давление представляет собой постоянное давление.

НАГНЕТАЮЩИЙ НАСОС

В различных аспектах система фильтрации содержит нагнетающий насос, выполненный с возможностью приложения давления к текучей среде, протекающей между первой камерой и второй камерой. Нагнетающий насос обеспечивает давление, необходимое для проталкивания текучей среды через мембрану, даже если мембрана препятствует прохождению через нее примесей. Микрофильтрацию и ультрафильтрацию можно осуществлять при давлении от приблизительно 3 фунт/кв. дюйм до приблизительно 50 фунт/кв. дюйм, которое является значительно меньшим, чем рабочее давление мембран для нанофильтрации и обратного осмоса (от приблизительно 200 фунт/кв. дюйм до приблизительно 1200 фунт/кв. дюйм).

ДАТЧИК ПОТОКА

В различных аспектах система фильтрации содержит датчик потока, выполненный с возможностью определения по меньшей мере одного параметра, связанного с протеканием текучей среды через мембрану, установленную между первой камерой и второй камерой. Датчик потока текучей среды может быть выполнен с возможностью указания мгновенных и усредненных значений потока, регистрируемых системой фильтрации. Временные измерения потока могут затем использовать для вычисления интегральной и дифференциальной составляющих потока, необходимых для осуществления процесса управления.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

В различных аспектах система фильтрации содержит датчик давления. Датчик давления может быть выполнен с возможностью определения показаний давления потока текучей среды через мембрану, отделяющую первую камеру от второй камеры. Датчик давления может быть выполнен таким образом, чтобы он не задерживал текучую среду, подвергаемую измерению. Согласно еще одному аспекту датчик давления содержит мембрану и секцию измерения давления, которая реагирует на давление текучей среды, которая протекает внутри мембраны. Согласно еще одному аспекту датчик давления обособлен и/или отделен от мембраны.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ

Согласно одному аспекту система фильтрации может содержать систему управления фильтрацией. Согласно одному аспекту система управления фильтрацией сообщается с нагнетающим насосом, датчиком потока и датчиком давления. Система управления фильтрацией может быть выполнена с возможностью инициирования приложения нагнетающим насосом постоянного давления к текучей среде, протекающей через мембрану из первой камеры во вторую камеру, в течение первого заданного периода времени на основании показания давления. Кроме того, система управления фильтрацией может инициировать изменение направления приложения с помощью нагнетающего насоса постоянного давления в течение второго заданного периода времени на основании по меньшей мере одного параметра. Обратное давление может вызывать перемещение текучей среды в обратном направлении через мембрану между первой камерой и второй камерой. Кроме того, обратное давление может быть постоянным давлением.

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В РЕЖИМЕ ОБУЧЕНИЯ

На ФИГ. 5 приведен способ 500, связанный с системой управления фильтрацией. На этапе 501 постоянное давление может быть приложено к текучей среде, протекающей из первой камеры во вторую камеру. Согласно одному аспекту постоянное давление может быть приложено нагнетающим насосом. Согласно одному аспекту мембрана может быть установлена между первой камерой и второй камерой для обеспечения прохождения текучей среды через мембрану из первой камеры во вторую камеру.

На этапе 502 может быть определен по меньшей мере один параметр, который связан с протеканием текучей среды через мембрану из первой камеры во вторую камеру. Согласно одному аспекту датчик потока может определять по меньшей мере один параметр. Согласно одному аспекту по меньшей мере один параметр может представлять собой один или большее количество параметров из: скорости потока текучей среды, скорости изменения скорости потока текучей среды, объема текучей среды, проходящей через мембрану в течение заданного периода времени, образования осадка на мембране. Согласно одному аспекту образование осадка на мембране может быть определено путем измерения электропроводности мембраны. В другом аспекте образование осадка на мембране может быть определено путем визуального осмотра поверхности мембраны по месту ее эксплуатации.

На этапе 503 может быть изменено направление приложения постоянного давления на основании результата сравнения определенного по меньшей мере одного параметра по меньшей мере с одним пороговым значением. Согласно одному аспекту система управления фильтрацией может инициировать изменение направления приложения постоянного давления нагнетающим насосом, если достигнуто пороговое значение. Согласно одному аспекту прилагаемое обратное давление может иметь постоянный уровень и может быть определяемым на основании заданной формулы. Согласно одному аспекту обратное давление могут прилагать в течение заданного периода времени. Заданный период времени может быть основан на по меньшей мере одном измеренном коэффициенте. Измеренный коэффициент может представлять собой количество осадка, образующегося на мембране за каждый цикл. После приложения обратного давления к текучей среде в течение заданного периода времени постоянное давление может быть снова приложено в первоначальном направлении протекания текучей среды из первой камеры во вторую камеру.

Интеллектуальное управление процессом с помощью системы управления фильтрацией может включать первоначальное изучение реакции системы фильтрации на заданное управляющее воздействие (движущую силу). В мембранных процессах этого можно легко достичь в течение первых нескольких циклов фильтрации, запустив работу системы фильтрации с фиксированным трансмембранным давлением и наблюдая за характером последующего ослабления потока. При вводе системы фильтрации в эксплуатацию первые несколько взаимодействий очищаемой воды с системой фильтрации могут позволять получить отличные показатели того, как очищаемая вода может засорять мембрану и как циклы фильтрации и промывки обратным потоком следует адаптировать для конкретной очищаемой воды. Приложение трансмембранного давления с заданным значением будет приводить к определенному ослаблению потока в системе фильтрации, которое могут регистрировать в течение заданного времени фильтрации перед запуском промывки обратным потоком.

Рассмотрим реализацию системы управления фильтрацией с четырьмя заданными условиями: первоначальным трансмембранным давлением (ТМР), которое задает первоначальный поток, J0; временем прямой фильтрации, tf,ini; максимально допустимым соотношением потоков, JN/Jf; и коэффициентом промывки обратным потоком, rBW. Если ослабление потока в течение этого первоначального заданного значения времени прямой фильтрации обеспечивает соотношение потоков, которое превышает заданное соотношение потоков, и после последующего этапа промывки обратным потоком поток снова полностью восстанавливается с достижением первоначального потока J0, заданные условия сохраняются как приемлемые для текущей операции. Однако, если соотношение потоков равно более низкому значению, чем заданное значение соотношения JN/Jf до завершения tf,ini, то цикл прямой фильтрации останавливают раньше, а для следующего цикла фильтрации выбирают новое время фильтрации tf < tf,ini.

Если время фильтрации сокращается, выработка фильтрата за время цикла фильтрации будет меньшей. Таким образом, коэффициент промывки обратным потоком примет большее значение. Если коэффициент промывки обратным потоком превышает заданное предельное значение, этот способ будет менее экономичным, поскольку он позволяет вырабатывать меньшее количество воды в течение цикла. Существует несколько вариантов установки коэффициента обратной промывки, которые могут включать изменение времени промывки обратным потоком и значения потока промывки обратным потоком. Затем может быть изменено значение потока промывки обратным потоком и запущен второй цикл, состоящий из этапа прямой фильтрации и промывки обратным потоком с использованием измененных параметров из первого цикла.

На ФИГ. 6 изображена блок-схема способа обучения. Модуль обучения представляет собой модуль сбора данных и устройство сравнения, которое измеряет поток в режиме реального времени и сравнивает его с заданными значениями (или значениями, полученными на предыдущих этапах обучения). Заданные значения, хранимые в течение заданного цикла фильтрации, представляют собой начальный поток (J0,ini, который зависит от заданного значения трансмембранного давления), время фильтрации (tf,ini) и соотношение потоков в предыдущем цикле фильтрации (rflux=JN/J0). Заданные значения проработки представляют собой параметры промывки обратным потоком, а именно: время промывки обратным потоком, значение потока промывки обратным потоком и коэффициент промывки обратным потоком. Модуль обучения регистрирует значения потока с течением времени и выполняет внутри модуля следующие вычисления в режиме реального времени:

Интеграла потока согласно уравнению (1)

Производной потока согласно уравнению (6)

Оценку ошибки производят следующим образом:

(7)

где Kp, Ki и Kd представляют собой, соответственно, пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления. Оценку ошибки используют для управления временем фильтрации и настройки трансмембранного давления (ТМР) для следующего прогона фильтрации. Следует отметить, что каждая составляющая в уравнении (7) обеспечивает более реалистичное представление механизмов ослабления потока в способе мембранной фильтрации. Пропорциональная составляющая показывает, как локальный поток сравнивают с усредненным потоком предыдущих циклов, интегральная составляющая показывает, как суммарную выработку в текущем цикле фильтрации до момента времени ti сравнивают с общей выработкой в предыдущем цикле, а дифференциальная составляющая показывает, как мгновенную скорость ослабления потока в текущем цикле фильтрации сравнивают с общей скоростью ослабления потока в предыдущем цикле фильтрации.

Уравнение (7) представляет собой общий алгоритм ПИД-управления для управления производительностью системы фильтрации и может быть изменено таким образом, чтобы представлять любую комбинацию пропорционального, интегрального и дифференциального режимов управления процессом. Например, установив интегральное усиление в ноль, способ можно определить как ПД-контроллер. Кроме того, следует отметить, что алгоритм управления процессом определяют таким образом, что заданные значения обновляют после каждого цикла фильтрации с тем, чтобы они отражали полученные в результате обучения признаки механизма загрязнения. Кроме того, способ обучения может включать либо регулировку прикладываемого трансмембранного давления, либо настройку времени фильтрации, либо их комбинацию для точной настройки цикла фильтрации. Во многих случаях начальное заданное значение трансмембранного давления выбирают во время проектирования системы фильтрации, содержащей мембрану, таким образом, что засорение не является существенным. В этом отношении можно использовать способ обучения для увеличения заданного значения трансмембранного давления. Когда заданное значение трансмембранного давления установлено, может быть более целесообразным рассмотреть дифференциальные входные данные, поскольку прикладываемое давление непосредственно влияет на скорость ослабления потока. Более высокое трансмембранное давление обуславливает более быстрое ослабление потока. С другой стороны, когда время фильтрации установлено, необходимо учесть все три ошибки, а именно мгновенный поток, интеграл потока (определяющий пропускную способность) и производную потока.

Общая цель способа обучения состоит в определении динамики ослабления потока для фиксированного состава очищаемой воды с сохранением всех остальных рабочих условий неизменными. Единственными параметрами, которые изменяют для настройки механизмов управления процессом, являются прилагаемое трансмембранное давление и время фильтрации. Кроме того, в некоторых случаях можно регулировать значение потока и время промывки обратным потоком.

СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В РЕЖИМЕ УПРАВЛЕНИЯ

На ФИГ. 7 приведен способ 700, связанный с системой управления фильтрацией согласно различным аспектам. На этапе 701 постоянное давление может быть приложено к текучей среде, протекающей из первой камеры во вторую камеру в течение первого заданного периода времени. Мембрана может быть установлена между первой камерой и второй камерой для обеспечения прохождения текучей среды через мембрану из первой камеры во вторую камеру. Согласно одному аспекту первый заданный период времени может иметь постоянное значение. Согласно одному аспекту первый заданный период времени может иметь значение, основанное на заданной формуле.

На этапе 702 может быть изменено направление приложения постоянного давления в течение второго заданного периода времени. Согласно одному аспекту второй заданный период времени может иметь постоянное значение. Согласно одному аспекту второй заданный период времени может быть основан на заданной формуле. На этапе 703 постоянное давление могут снова прикладывать в течение первого заданного периода времени.

Рабочий режим управления предполагает реагирование на внезапные или ожидаемые изменения потока в системе фильтрации во время работы и выполнение промывки обратным потоком или очистки на месте (CIP) с необходимыми интервалами. Режим управления задействуют после нескольких циклов обучения, как только будет установлено трансмембранное давление, время прямой фильтрации и параметры промывки обратным потоком. Определяющее уравнение ПИД-управления для этого случая можно записать в виде

(8)

где,

(9)

JAv,0 представляет собой усредненный поток в предшествующем временном интервале, Qf,0 представляет собой суммарный объем фильтрата (интеграл потока) на предшествующем этапе фильтрации,

(10)

и

(11)

представляет собой линеаризованную скорость ослабления потока между началом и концом предыдущего этапа фильтрации.

На ФИГ. 8 изображен нормальный режим работы. В рабочем режиме управления система управления фильтрацией регистрирует поток через равные временные интервалы. Кроме того, предполагается, что, как только трансмембранное давление будет установлено во время периода обучения, оно уже не будет изменяться во время нормального функционирования. Во время нормального функционирования с течением времени поток будет уменьшаться, следуя схеме, полученной в ходе обучения системы управления фильтрацией, и по истечении определенного интервала времени цикл фильтрации будет остановлен, инициирована промывка обратным потоком, а затем, после промывки обратным потоком, будет снова запущен цикл фильтрации. Способ управления временем фильтрации и последовательностью промывки обратным потоком включает сравнение мгновенного потока, дифференциального и интегрального потока (выработка), измеренного с помощью устройства контроля потока, по отношению, соответственно, к среднему потоку, зарегистрированному системой управления фильтрацией, линеаризованной скорости ослабления потока и суммарной выработке на предыдущем этапе фильтрации. Контроллер измеряет ошибки для пропорционального, дифференциального и интегрального компонентов и определяет необходимое действие. Например, когда суммарная выработка в течение текущего цикла фильтрации становится идентичной суммарной выработке в предыдущем цикле и усредненная скорость ослабления потока в текущем цикле становится такой же, как в предыдущем цикле, система управления фильтрацией запускает промывку обратным потоком. Отсутствие каких-либо изменений каких-либо других входных данных или отклонений в системе фильтрации считается нормальным режимом работы.

СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В КАЧЕСТВЕ РЕАКЦИИ НА СТУПЕНЧАТОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПОТОКА ФИЛЬТРАТА

На ФИГ. 9 приведен способ 900 применения системы управления фильтрацией текучей среды в качестве реакции на ступенчатое изменение потока фильтрата. На этапе 901 постоянное давление может быть приложено к текучей среде, протекающей из первой камеры во вторую камеру. Согласно одному аспекту мембрану устанавливают между первой камерой и второй камерой для обеспечения прохождения текучей среды через мембрану из первой камеры во вторую камеру.

На этапе 902 может быть определено пороговое значение, которое может быть превышено в системе фильтрации. Согласно одному аспекту пороговое значение может представлять собой пороговое значение, которое основано на параметре, таком как, среди прочих, одно или большее количество из: скорости потока текучей среды, скорости изменения скорости потока текучей среды, объема текучей среды, проходящей через мембрану в течение заданного периода времени, образования осадка на мембране, их комбинации и т. п.

На этапе 903 в качестве реакции на определение превышения порогового значения может быть инициирован процесс промывки обратным потоком. Согласно одному аспекту процесс промывки обратным потоком могут применять в течение заданного периода времени. Согласно одному аспекту процесс промывки обратным потоком может включать изменение направления приложения постоянного давления. Согласно одному аспекту обратное давление может иметь постоянное значение. Согласно одному аспекту обратное давление может определяемым на основании заданной формулы.

Если во время работы слизеобразная масса загрязняющего вещества прикрепляется к мембране и резко уменьшает поток через нее, это приводит к ступенчатому ослаблению потока пермеата. Измеряемый мгновенный поток и скорость ослабления потока немедленно изменятся в ответ на это ступенчатое изменение. Интегральная реакция (суммарный объем) не проявится сразу, но проявится в нескольких последующих измерениях. Теперь система управления фильтрацией будет иметь множество вариантов ответной реакции на это ступенчатое изменение, тогда как действие в конце процесса принятия решения состоит в остановке процесса фильтрации и инициировании промывки обратным потоком. В пропорциональном режиме система управления фильтрацией будет продолжать регистрировать поток и выполнять усреднение по времени и как только усредненное по времени значение опустится ниже усредненного значения потока по предыдущему циклу, начнется промывка обратным потоком.

В дифференциальном режиме система управления фильтрацией будет регистрировать мгновенную производную, а среднюю линеаризованную производную можно представить в виде уравнения (10). Следует отметить, что реакция в виде мгновенной производной (скорость ослабления потока) будет указывать на большую ошибку (бесконечную для ступенчатой функции), а управляющая реакция, основанная исключительно на ошибке мгновенной производной, будет скачкообразной. Однако линеаризованная производная, например, в уравнении (10), обеспечит меньшую ошибку производной. Если эта линеаризованная производная становится более крутой, чем линейная производная по предыдущему циклу фильтрации, способ может инициировать промывку обратным потоком.

В интегральном режиме система управления фильтрацией будет продолжать вычислять суммарную выработку, интегрируя мгновенный поток. Однако интегральная реакция не будет использоваться для запуска промывки обратным потоком. Эту реакцию используют для вычисления объемного коэффициента промывки обратным потоком и для определения эффективности промывки обратным потоком или необходимости выполнения очистки на месте (CIP).

Реакцией системы управления фильтрацией будет преждевременная остановка процесса фильтрации, более частое выполнение промывки обратным потоком, а при устойчивых неблагоприятных условиях (например, если промывка обратным потоком не может снова увеличить поток) инициирование очистки на месте эксплуатации.

Следует отметить, что в системе управления фильтрацией могут не использовать оценку ошибки ПИД-управления для изменения трансмембранного давления или любого другого параметра цикла фильтрации. Просто продолжается накопление усредненных значений потока, усредненной производной и суммарного потока и сравнивать их со значениями, полученными на предыдущем этапе фильтрации. Затем способ останавливает фильтрацию, как только усредненный поток станет равным усредненному потоку по предыдущему циклу или скорость ослабления потока станет большей, чем усредненная скорость ослабления потока на предыдущем этапе, на некоторый заданный показатель. Этот пассивный режим управления потоком позволяет восстанавливать мембрану после любого засорения путем изменения частоты выполнения цикла промывки обратным потоком. При этом засорение не усугубляется из-за увеличения трансмембранного давления для восстановления потока. Способ управления процессом реагирует на любое отклонение параметров потока, преждевременно останавливая процесс фильтрации, чаще очищая мембрану и, если неблагоприятное условие сохраняется, останавливает фильтрацию и запускает очистку по месту эксплуатации (CIP).

СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В КАЧЕСТВЕ РЕАКЦИИ НА ИМПУЛЬСНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПОТОКА ФИЛЬТРАТА

На ФИГ. 10 приведен способ 1000 применения системы управления фильтрацией в качестве реакции на импульсное изменение потока фильтрата. На этапе 1001 постоянное давление может быть приложено к текучей среде, протекающей из первой камеры во вторую камеру, причем мембрану устанавливают между первой камерой и второй камерой для обеспечения прохождения текучей среды через мембрану из первой камеры во вторую камеру.

На этапе 1002 может быть определен по меньшей мере один параметр, связанный с потоком текучей среды через мембрану из первой камеры во вторую камеру.

На этапе 1003 может быть инициировано осуществление способа очистки на основании результата сравнения определенного по меньшей мере одного параметра по меньшей мере с одним пороговым значением. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ промывки обратным потоком. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ химической очистки. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ с применением импульсов давления. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ продувки воздухом. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ с применением химических импульсов. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ изменение направления подаваемого потока. Согласно одному аспекту способ очистки включает способ очистки по месту эксплуатации.

Если поток внезапно ослабляется и затем восстанавливается через некоторое время (импульсная функция), реакция системы фильтрации должна заключаться в повышении частоты промывки обратным потоком, уменьшении времени фильтрации во время импульса и постепенном возврате к более низкой частоте выполнения промывки обратным потоком и более длительным этапам фильтрации после восстановления первоначальных рабочих условий. Это состояние может быть вызвано такими ситуациями, как повышение концентрации растворенного вещества в подаче на короткий период времени, при этом обычные механизмы управления потоком в таких ситуациях увеличивают засорение мембраны из-за увеличения трансмембранного давления в качестве реакции на ослабление потока и усугубляют процесс засорения. Согласно настоящему способу при эксплуатации с постоянным давлением не изменяется движущая сила с последующим усугублением засорения.

На ФИГ. 11 изображена типовая последовательность циклов фильтрации при возникновении импульса, которое вызывает более резкое ослабление потока. На фигуре по вертикальной оси изображена зависимость потока от времени. Чтобы более очевидно иллюстрировать эту ситуацию и объяснить концепцию интеллектуального управления в случае ослабления потока, предположим, что ослабление потока имеет линейный характер. Кроме того, поток изменяется в каждом цикле фильтрации от начального потока J0 до конечного потока JN в каждом цикле фильтрации, при этом после каждого цикла промывка обратным потоком восстанавливает поток до начального потока. Эти упрощающие предположения могут быть смягчены для различных вариантов применения. Например, восстановление потока после промывки обратным потоком может быть неполным. Кроме того, характер ослабления потока может быть нелинейным. Усредненный поток в течение каждого цикла фильтрации обозначен кружками и имеет постоянное значение JAv.

Предположим, что событие возникновения импульса изменяет скорость ослабления потока в какой-то момент осуществления третьего цикла фильтрации. Более высокая скорость ослабления потока из-за этого события возникновения импульса приводит к повышению крутизны кривой зависимости потока от времени. При этой отличной скорости ослабления потока минимальный поток JN достигается раньше во время осуществления этого цикла. Усредненный поток этого цикла по-прежнему равен JAv, хотя среднее значение достигается раньше. Это означает, что время цикла фильтрации tf,3< tf,2. В этом цикле суммарная производительность фильтрации также является более низкой. Как только будет достигнуто значение JN, начинается промывка обратным потоком, после которой достигается начальный поток четвертого цикла J0. Однако в четвертом цикле скорость ослабления потока является большей и, таким образом, среднее значение потока и JN достигается раньше, чем в предыдущем цикле. Другими словами, tf,4 меньше, чем tf,3. Кроме того, суммарная выработка фильтрата в цикле 4 фильтрации также является более низкой. Ускоренное засорение, вызванное событием возникновения импульса, обуславливает уменьшение продолжительности циклов фильтрации и увеличение частоты циклов промывки обратным потоком.

В цикле 5 импульс спадает и восстанавливается исходная скорость ослабления потока. В результате этого сразу же увеличивается время фильтрации по сравнению с циклом 4. В цикле 6 параметры восстанавливаются и становятся равными начальным параметрам первого цикла фильтрации. Таким образом, события возникновения импульсов, запускающие ускоренное ослабление потока, приводят к сокращению продолжительности циклов фильтрации и повышению частоты выполнения циклов промывки обратным потоком. Хотя при этом снижается выработка фильтрата в качестве реакции на любой тип воздействия, вызывающего засорение мембраны, этот механизм предотвращает необратимое или интенсивное загрязнение мембраны.

На ФИГ. 12 приведен способ 1200, связанный с системой управления фильтрацией. На этапе 1201 может быть осуществлен контроль по меньшей мере одного из: изменения пропускной способности обработки фильтрата текучей среды при работе под постоянным давлением и изменения давления при работе с постоянной пропускной способностью при обработке фильтрата. Согласно одному аспекту контроль изменения пропускной способности по обработке фильтрата текучей среды может включать измерение потока через мембрану в течение заданного периода времени. Например, изменение потока может быть измерено с помощью датчика потока. Согласно одному аспекту контроль изменения давления может включать измерение давления в течение заданного периода времени. Например, изменение давления может быть измерено с помощью датчика давления.

На этапе 1202 механизм процесса засорения может быть определен на основе по меньшей мере одного из изменения пропускной способности обработки фильтрата и изменения давления. Согласно одному аспекту определение механизма процесса засорения может включать выполнение математического анализа изменения потока и/или изменения давления в соответствии с одной или большим количеством заданных моделей засорения. Например, одна или большее количество заданных моделей засорения могут включать модель Гермия (Hermia), модифицированную модель Гермия (Hermia) и модель последовательного сопротивления. Согласно одному аспекту определение механизма процесса засорения может включать выполнение математического анализа изменения потока и/или изменения давления в соответствии с одной или большим количеством заданных моделей засорения. Например, одна или большее количество заданных моделей засорения могут включать модель Гермия (Hermia), модифицированную модель Гермия (Hermia) и модель последовательного сопротивления. Согласно одному аспекту механизм засорения может включать концентрационную поляризацию, органическую адсорбцию химически активных молекул, образование твердых отложений из-за осаждения солей и гидроксидов, образование слоя осадка и блокирование пор из-за осаждения крупных взвешенных частиц или мелких коллоидных частиц, образование гелей из-за осаждения инертных макромолекул, обрастание органическими соединениями из-за осаждения и размножения биологически активных организмов и т. п.

Уравнение 12 описывает влияние засорения мембраны на ослабление потока как суммирование сопротивлений, которые затормаживают поток при заданной движущей силе:

(12)

где J представляет собой поток пермеата через мембрану, ΔP представляет собой движущую силу трансмембранного давления, μ представляет собой вязкость текучей среды, Rtot представляет собой общее гидравлическое сопротивление, Rm представляет собой собственное удельное сопротивление мембраны, Rcp представляет собой сопротивление, обусловленное концентрационной поляризацией, Ra представляет собой сопротивление, обусловленное адсорбцией растворенного вещества, Rp представляет собой сопротивление, обусловленное блокированием пор и образованием осадка, и Rg представляет собой сопротивление, обусловленное образованием поверхностного геля.

Согласно одному аспекту кривая зависимости потока от давления может быть равномерно линейной, когда не происходит засорение, поскольку при этом в качестве фактора выступает только собственное сопротивление мембраны. Однако начало засорения может соответствовать различной степени изменения крутизны в зависимости от конкретного механизма засорения и его влияния на прирост общего сопротивления потоку пермеата. Например, конкретный механизм засорения твердыми частицами может быть определен путем подгонки кривой зависимости потока от времени к серии уже существующих моделей засорения после решения уравнений 13 и 14:

(13)

где t представляет собой время фильтрации, k и n представляют собой константы, которые характеризуют способ фильтрации, а U представляет собой либо изменяющийся объем пермеата V, либо трансмембранное давление ΔP в зависимости, соответственно, от работы с постоянным давлением или работы с постоянным потоком. Таким образом, при построении зависимости d2t/dU2 от dt/dU и определения значения индекса блокирования n из одного графика могут быть определены различные механизмы блокирования. На ФИГ. 13 показаны способы решения для различных механизмов засорения и одна кривая зависимости потока от времени, которые были проверены на пригодность для определения конкретного наблюдаемого механизма засорения твердыми частицами (Maiti,Sadrezadehetal.2012). Кроме того, может быть использовано общее уравнение для фильтрования в перекрестном потоке путем изменения эмпирической модели Гермия (Hermia):

(14)

где Jp представляет собой скорость потока пермеата (м/с), t представляет собой время фильтрации (с), KCF представляет собой феноменологический коэффициент, зависящий от конкретного механизма засорения, Jpss представляет собой установившуюся скорость потока пермеата (м/с), а n представляет собой, опять же, индекс блокирования, где n=2, 1,5, 1 и 0, для соответственно, полного блокирования пор, стандартного блокирования пор и фильтрования с образованием осадка/образованием геля. Пример оценки засорения мембраны с использованием этих моделей также приведен в (Chang, Yang et al. «Assessing the fouling mechanisms of high-pressure nanofiltration membrane using the modified Hermia model and the resistance-in-series model» (Оценка механизмов засорения нанофильтрационной мембраны высокого давления с использованием модифицированной модели Гермия и модели последовательного сопротивления) Separation and Purification Technology 79 (2011) 329-336). Таким образом, интеллектуальный способ обучения может позволять выполнять анализ данных в режиме реального времени по эмпирически создаваемым кривым зависимости потока/давления от времени для определения текущего действующего механизма засорения и определения того, какой способ очистки в данной ситуации будет наиболее эффективным и экономичным.

На этапе 1203 может быть выбран протокол очистки на основании определенного механизма засорения. Согласно одному аспекту определение протокола очистки может включать выбор способа очистки и одного или большего количества параметров, связанных со способом очистки. Например, способ очистки может включать способ продувки обратным потоком. Например, один или большее количество параметров может включать одно или большее количество из давления, продолжительности, скорости потока, температуры, конкретной химической добавки и порции конкретной химической добавки. Согласно одному аспекту конкретная химическая добавка может включать одно или большее количество из кислоты, основания, окисляющего вещества, хелатообразующего вещества и т. п.

Для борьбы с засорением могут быть использованы различные виды протоколов очистки; однако эффективность определенного протокола очистки может сильно зависеть от удаляемого засоряющего вещества. В Таблице 2 приведены различные типы мембранных загрязнений и наиболее эффективные способы их очистки:

Таблица 2

Засорение/Механизм ослабления потока Способ очистки по месту эксплуатации
Концентрационная поляризация Увеличить массовый перенос на поверхности путем увеличения скорости поперечного потока, реверсирования потока подачи и/или частого выполнения промывки обратным потоком пермеата
Органическая адсорбция химически активными молекулами Термически усиленная химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) с применением каустических, окисляющих и/или поверхностно-активных добавок
Образование твердых отложений из-за осаждения солей и гидроксидов Твердостные оксиды и оксиды металлов - химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) с кислотой и/или хелатообразующими добавками
Диоксид кремния - химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) с каустическими добавками
Образование слоя осадка и блокирование пор из-за осаждения крупных взвешенных частиц или мелких коллоидных частиц Неорганические вещества - продувка обратным потоком пермеата под высоким давлением или химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) с кислотными добавками
Органические вещества - химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) под высоким давлением с каустическими и/или окисляющими добавками
Образование геля из-за осаждения инертных макромолекул Продувка обратным потоком пермеата под высоким давлением или
термически усиленная химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) под высоким давлением с применением каустических, окисляющих и/или поверхностно-активных добавок
Обрастание органическими соединениями из-за осаждения и размножения биологически активных организмов химически улучшенная промывка обратным потоком (CEB) с химическими дезинфицирующими и/или ферментативными добавками

Согласно одному аспекту в случае выбора систем фильтрации, например, для нанофильтрации и обратного осмоса, имеет место неоднородное и пространственно-зависимое засорение, последствия которого эффективно не регистрируются при контроле полномасштабных системных данных. В этих вариантах применения вариант осуществления интеллектуальной системы управления фильтрацией будет включать связь со стратегически размещенными независимыми устройствами контроля засорения по всей полномасштабной системе фильтрации. Контроль эксплуатационных показателей этих устройств контроля засорения позволит обеспечить большую чувствительность интеллектуальной системы управления фильтрацией для реагирования на ранние признаки засорения и ослабления потока.

Согласно одному аспекту постоянный контроль и проверка характеристик и целостности фильтра могут иметь важное значение для точного определения остаточного срока эксплуатации фильтра и выяснения необходимости замены. Например, средства проверки целостности мембраны для немедленного реагирования на отказ могут включать визуальный контроль при целевом испытании на целостность. Видеозапись может быть использована для контроля одного или большего количества мембранных элементов в режиме реального времени, что позволяет обнаруживать нарушение целостности вызывающих подозрение мембранных элементов.

В одном конкретном аспекте система управления фильтрацией может непрерывно контролировать качество пермеата одного или большего количества мембранных элементов. Если есть подозрение относительно нарушения целостности конкретной мембраны, система управления фильтрацией может изолировать один или большее количество элементов для выполнения теста на образование пузырьков для проверки целостности по месту эксплуатации. Как только нарушение целостности будет обнаружено, система управления фильтрацией может отправлять соответствующее предупреждение и изолировать одну или большее количество дефектных мембран для выполнения их обслуживания, таким образом, максимизируя скорость восстановления и минимизируя влияние на общую производительность системы фильтрации. Описанные выше системы и способы также могут быть расширены таким образом, чтобы включать и другие системные показатели для диагностики системы в режиме реального времени и реакции при обслуживании в случае отказа системы фильтрации из-за неисправности оборудования, утечек и т. п.

Согласно одному аспекту способы и системы могут позволять выполнять анализ тенденций изменения одного или большего количества измеряемых показателей производительности в режиме реального времени. Эти способы и системы могут позволять контролировать заданные эксплуатационные диагностические состояния установки, например, остаточный срок эксплуатации и ожидаемую дату замены фильтра. Например, анализ тенденций в режиме реального времени может быть осуществлен путем анализа тенденций изменения качества пермеатовой воды для определения того, произошло ли и/или когда произошло нарушение целостности системы. Согласно одному аспекту анализ фильтрации и регрессии может быть использован для экстраполяции, когда достигается заданная минимальная проницаемость для данной системы фильтрации. Как только будет определено, что произошло нарушение целостности, может быть инициирована мгновенная и автоматическая реакция для сведения к минимуму времени простоя системы и предотвращения сбоя всей системы. Согласно одному аспекту описанные системы и способы могут быть применимыми для любой системы фильтрации независимо от ее работы при постоянном потоке или постоянном давлении.

На ФИГ. 14 приведен способ 1400, связанный с системой управления фильтрацией. На этапе 1401 может быть осуществлен контроль одного или большего количества параметров, связанных с одним или большим количеством фильтров системы фильтрации. Согласно одному аспекту один или большее количество параметров могут включать трансфильтровое давление, поток пермеата, мутность пермеата, показатель рН пермеата, соленость пермеата, цвет пермеата, жесткость пермеата, общую концентрацию органических веществ в пермеате, концентрацию одного или большего количества заданных ионов в пермеате, концентрацию одной или большего количества заданных органических молекул. Многие из этих параметров могут быть измерены по месту эксплуатации, например, показатель pH, соленость, цвет и мутность; однако для некоторых может потребоваться периодический отбор образцов и измерение вне места эксплуатации, например, для определения концентрации целевых неорганических и органических молекул. Например, цвет и мутность могут быть измерены спектрофотометрическим способом путем определения количества света, проходящего через пермеат или подаваемые растворы, с помощью встроенного зонда. В свою очередь целевые концентрации неорганических и органических компонентов могут быть измерены с помощью отдельных приборов, таких как оптико-эмиссионный спектрометр с индуктивно связанной плазмой, газохроматографический масс-спектрометр и т. п.

На этапе 1402 может быть определено состояние одного или большего количества фильтров на основе одного или большего количества контролируемых параметров. Согласно одному аспекту при определении состояния одного или большего количества фильтров на основании одного или большего количества контролируемых параметров может быть выполнен статистический анализ на основании этого одного или большего количества контролируемых параметров. Согласно одному аспекту статистический анализ может включать анализ фильтрации и сглаживания, анализ регрессии и тенденций. Например, анализ фильтрации и сглаживания может включать анализ Винера, анализ Калмана, анализ Баттерворта, анализ Чебышева, эллиптический анализ, анализ Бесселя, гауссовский анализ, анализ скользящего среднего и анализ Савицкого-Голея. Например, анализ регрессии и тенденций может включать линейный регрессионный анализ, множественный регрессионный анализ, факториальный регрессионный анализ, полиномиальный регрессионный анализ, регрессию поверхности отклика, поверхностную регрессию смеси, однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), анализ главного эффекта ANOVA, факторный анализ ANOVA, ковариационный анализ, анализ однородности крутизны, анализ линейного приближения, анализ аппроксимации способом наименьших квадратов, анализ результатов испытаний по Кэнделлу, анализ результатов испытаний Сена по крутизне, пошаговый анализ тенденций Уилкоксона-Манна-Уитни, генетический анализ и анализ с помощью нейронной сети, их комбинации и т. п.

Согласно одному аспекту определение состояния одного или большего количества фильтров может содержать оценку срока полезного использования одного или большего количества фильтров. Согласно одному аспекту, если расчетный срок полезного использования является меньшим, чем заданное пороговое значение (например, два дня), может быть отправлено уведомление. Например, это уведомление может включать приблизительную дату замены для одного или большего количества фильтров. Состояние фильтра можно контролировать с учетом конкретных свойств фильтра, таких как проницаемость (например, давление трансфильтра и скорость потока фильтрата), степень необратимого засорения, а также можно проверять его целостность. Состояние фильтра также можно контролировать в отношении рабочих параметров и показателей производительности, таких как прилагаемое давление, обслуживание потока (например, механическое и химическое обслуживание, безразборная очистка на месте) и качество фильтрата (например, мутность). Значения этих показателей, регистрируемые в режиме реального времени, сравнивают с заданным пороговым значением для вычисления остаточного ресурса модуля. Измерения проницаемости могут регистрировать в режиме реального времени и использовать в статистической модели для экстраполяции прогнозируемых тенденций проницаемости в зависимости от времени. Количество времени до достижения пороговой проницаемости, спрогнозированное моделью для текущего фильтра, представляет собой остаточный ресурс модуля. Когда остаточный ресурс достигает заданного порогового значения, фильтр может быть заменен.

Согласно одному аспекту определение состояния одного или большего количества фильтров может включать определение типа одного или большего количества фильтров. Например, тип одного или большего количества фильтров включает трубчатую полимерную мембрану, половолоконную мембрану, мембрану рулонного типа, трубчатую керамическую мембрану, их комбинации и т. п.

Согласно одному аспекту состояние одного или большего количества фильтров может включать: приближающееся нарушение целостности, обнаруженное нарушение целостности, приближающееся снижение проницаемости и обнаруженное снижение проницаемости.

На этапе 1403 на основе определенного состояния могут выполнять одну или большее количество процедур обслуживания. Одна или большее количество процедур обслуживания могут быть применены в соответствии с состоянием. Согласно одному аспекту одна или большее количество процедур обслуживания могут включать процедуру изолирования фильтра, процедуру ремонта фильтра, процедуру замены фильтра, процедуру уплотнения фильтра, их комбинации и т. п.

Согласно одному аспекту реакция на конкретное состояние фильтра, вызванная нарушением целостности или потерей проницаемости, может быть различной в зависимости от типа фильтра в используемой системе. Например, если происходит повреждение волокна половолоконной мембраны, поврежденные волоконные мембраны могут быть изолированы путем вставки небольших штифтов или нанесения эпоксидного покрытия на конец (-ы) сломанного волокна или могут быть окончательно выведены из эксплуатации. В качестве другого примера в случае отказа мембран рулонного типа для нанофильтрации или обратного осмоса они могут быть заменены. Учитывая высокую частоту и стоимость, связанные с отказами и заменами фильтров, раннее обнаружение сбоев и надлежащая подготовка могут иметь очень важное значение в экономически эффективных способах замены.

На ФИГ. 15 и ФИГ. 16 представлены экспериментальные результаты применения системы управления фильтрацией и способов, описанных в настоящем документе. Программируемый логический контроллер был запрограммирован на работу системы фильтрации при постоянном прилагаемом давлении. Поток системы фильтрации ослабевал естественным образом до достижения предварительно вычисленного минимума, в результате чего затем была запущена процедура обслуживания, например, промывка обратным потоком фильтрата, как показано на ФИГ. 15. В отличие от обычных способов фильтрации, в которых обслуживание проводят с заданной частотой, данная система управления фильтрацией может быть выполнена с возможностью адаптации к условиям окружающей среды, когда производительность системы фильтрации обуславливает соответствующую процедуру обслуживания, например, протокол очистки. На ФИГ. 16 показано, как система управления фильтрацией, таким образом, способна адаптироваться к резкому изменению условий окружающей среды, например, качества и температуры очищаемой воды. В частности, резкие колебания концентрации нефтепродуктов и температуры воды могут привести к значительному ослаблению потока во время начальной фазы запуска. В качестве реакции система управления фильтрацией может увеличивать частоту промывки обратным потоком, а также количество химических промывок, которые называют «очистками на месте эксплуатации» (CIP). В конечном итоге система управления фильтрацией стабилизирует производительность мембраны через приблизительно 24 часа работы, что приводит к минимизации ослабления потока и частоты очисток на месте эксплуатации (CIP).

В иллюстративном аспекте способы и системы могут быть реализованы на вычислительной машине 1701, показанной на ФИГ. 17 и описанной ниже. Аналогично, раскрытые способы и системы с помощью одного или большего количества вычислительных машин могут осуществлять одну или большее количество функций в одном или большем количестве местоположений. На ФИГ. 17 представлена блок-схема, иллюстрирующая приведенную в качестве примера операционную среду для выполнения раскрытых способов. Эта приведенная в качестве примера операционная среда является лишь примером операционной среды и не предназначена для указания каких-либо ограничений в отношении объема использования или функциональности архитектуры операционной среды. Кроме того, не следует интерпретировать операционную среду как имеющую какую-либо зависимость или потребность, касающуюся какого-либо одного или комбинации компонентов, проиллюстрированных в приведенной в качестве примера операционной среде.

Настоящие способы и системы могут работать с множеством других сред или конфигураций вычислительных систем общего назначения или специального назначения. Примеры известных вычислительных систем, сред и/или конфигураций, которые могут быть пригодны для использования с данными системами и способами, включают, среди прочих, персональные вычислительные машины, серверные вычислительные машины, портативные устройства и многопроцессорные системы. Дополнительные примеры включают в себя телевизионные приставки, программируемую бытовую электронную технику, сетевые персональные вычислительные машины, миниатюрные вычислительные машины, большие электронные вычислительные машины, распределенные вычислительные среды, которые содержат любое из вышеуказанных систем или устройств, и т. п.

Обработку раскрытых способов и систем могут выполнять программные компоненты. Раскрытые системы и способы могут быть описаны в общем контексте машиноисполняемых команд, таких как программные модули, исполняемые одной или большим количеством вычислительных машин или другими устройствами. Как правило, программные модули содержат машинный код, подпрограммы, программы, объекты, компоненты, структуры данных и/или т. п., которые выполняют конкретные задачи или реализуют конкретные абстрактные типы данных. Раскрытые способы также могут быть применены в основанных на сетках и распределенных вычислительных средах, в которых задачи выполняются устройствами дистанционной обработки данных, соединенными посредством сети связи. В распределенной вычислительной среде программные модули могут быть расположены на носителях данных локальных и/или удаленных вычислительных машин, которые включают устройства хранения данных.

Кроме того, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что раскрытые в настоящем документе системы и способы могут быть реализованы с помощью вычислительного устройства общего назначения в виде вычислительной машины 1701. Вычислительная машина 1701 может содержать один или большее количество компонентов, например, один или большее количество процессоров 1703, системное запоминающее устройство 1712 и шину 1713, которая соединяет различные компоненты вычислительной машины 1701, в том числе один или большее количество процессоров 1703, с системным запоминающим устройством 1712. В случае применения множества процессоров 1703 в системе могут использовать параллельную обработку данных.

Шина 1713 может содержать шинные структуры одного или нескольких возможных типов, например, шину запоминающего устройства, контроллер запоминающего устройства, периферийную шину, быстродействующий графический порт и процессорную или локальную шину, выполненные на основе любой из множества шинных архитектур. Например, такие архитектуры могут включать шину стандартной промышленной архитектуры (ISA), шину микроканальной архитектуры (MCA), расширенную шину ISA (EISA), локальную шину ассоциации по стандартам электронной видеоаппаратуры (VESA), шину быстродействующего графического порта (AGP) и шину взаимного соединения периферийных компонентов (PCI), шину PCI-Express, шину промышленной ассоциации производителей карт запоминающих устройств для персональных вычислительных машин (PCMCIA), универсальную последовательную шину (USB) и т. п. Шина 1713 и все шины, указанные в этом описании, также могут быть реализованы посредством проводного или беспроводного сетевого соединения, а один или большее количество компонентов вычислительной машины 1701, таких как один или большее количество процессоров 1703, запоминающее устройство 1704 большой емкости, операционная система 1705, программное обеспечение 1706 для обработки данных, данные 1707, касающиеся потока, сетевая плата 1708, системное запоминающее устройство 1712, интерфейс 1710 ввода/вывода, видеоадаптер 1709, устройство 1711 отображения и интерфейс 1702 «пользователь-машина», могут содержаться в одном или большем количестве удаленных вычислительных устройств 1714 a, b, c в физически разделенных местоположениях, соединенных посредством шины этого типа, по существу реализуя полностью распределенную систему.

Вычислительная машина 1701, как правило, содержит множество машиночитаемых носителей. Иллюстративный читаемый носитель может представлять собой любой доступный носитель, выполненный с возможностью осуществления доступа с помощью вычислительной машины 1701 и содержит, например, среди прочих, как энергозависимый, так и энергонезависимый носитель, съемный и несъемный носитель. Системное запоминающее устройство 1712 может содержать машиночитаемый носитель в виде энергозависимого запоминающего устройства, например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), и/или в виде энергонезависимого запоминающего устройства, например, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Системное запоминающее устройство 1712, как правило, может содержать данные, например, данные 1707, касающиеся потока, и/или программные модули, например, операционную систему 1705 и программное обеспечение 1706 обработки данных, доступ к которым и/или управление которыми способен осуществлять один или большее количество процессоров 1703.

В другом аспекте вычислительная машина 1701 также может содержать другие съемные/несъемные, энергозависимые/энергонезависимые носители данных для вычислительной машины. Запоминающее устройство 1704 большой емкости может обеспечивать энергонезависимое хранение компьютерного кода, машиночитаемых команд, структур данных, программных модулей и других данных для вычислительной машины 1701. Например, запоминающее устройство 1704 большой емкости может представлять собой накопитель на жестких дисках, съемный магнитный диск, съемный оптический диск, магнитные кассеты или другие магнитные устройства хранения данных, карты флэш-ПЗУ, CD-ROM, цифровые универсальные диски (DVD) или другие оптические устройства хранения данных, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) и т. п.

В некоторых случаях на запоминающем устройстве 1704 большой емкости может храниться любое количество программных модулей, включая, например, операционную систему 1705 и программное обеспечение 1706 обработки данных. Одна или большее количество операционных систем 1705 и программ программного обеспечения 1706 обработки данных (или некоторая их комбинация) могут содержать элементы программирования и программное обеспечение 1706 обработки данных. Данные 1707, касающиеся потока, также могут хранить на запоминающем устройстве 1704 большой емкости. Данные 1707, касающиеся потока, могут хранить в любой из одной или большего количества баз данных, известных в данной области техники. Примеры таких бах данных включают DB2®, Microsoft® Access, Microsoft® SQL Server, Oracle®, mySQL, PostgreSQL и т. п. Эти базы данных могут быть централизованными или распределенными по нескольким местоположениям в сети 1715.

Согласно одному аспекту пользователь может вводить команды и информацию в вычислительную машину 1701 посредством устройства ввода данных (не показано). Примеры таких устройств ввода данных включают, среди прочих, клавиатуру, указывающее устройство (например, мышь для вычислительной машины, пульт дистанционного управления), микрофон, джойстик, сканер, устройства тактильного ввода, например, перчатки и другие элементы одежды, датчик движения и т. п. Эти и другие устройства ввода данных могут быть подключены к одному или большему количеству процессоров 1703 через интерфейс 1702 «пользователь-машина», который соединен с шиной 1713, но могут быть подключены с помощью другого интерфейса и шинных структур, например, посредством параллельного порта, игрового порта, порта IEEE 1394 (также известного как порт Firewire), последовательного порта, сетевой платы 1708 и/или универсальной последовательной шины (USB).

Согласно еще одному аспекту устройство 1711 отображения также может быть подключено к шине 1713 посредством интерфейса, например, видеоадаптера 1709. Предполагается, что вычислительная машина 1701 может содержать более одного видеоадаптера 1709 и вычислительная машина 1701 может содержать более одного устройства 1711 отображения. Например, устройство 1711 отображения может представлять собой монитор, ЖК-монитор (жидкокристаллический дисплей), дисплей на светоизлучающих диодах (LED), телевизор, смарт-объектив, смарт-стекло и/или проектор. В дополнение к устройству 1711 отображения другие периферийные устройства вывода могут включать компоненты, например, громкоговорители (не показаны) и принтер (не показан), которые могут быть подключены к вычислительной машине 1701 через интерфейс 1710 ввода-вывода. Любой этап и/или результат осуществления способов может быть выведен в любой форме на устройство вывода. Такой вывод может иметь любую форму визуального представления, включая, среди прочих, текстовую, графическую, анимационную, звуковую, тактильную и т. п. Устройство 1711 отображения и вычислительная машина 1701 могут быть частью одного устройства или отдельными устройствами.

Вычислительная машина 1701 может работать в сетевой среде, используя логические соединения с одним или большим количеством удаленных вычислительных устройств 1714 a, b, c. Например, удаленное вычислительное устройство 1714 a, b, c может представлять собой персональную вычислительную машину, вычислительную станцию (например, рабочую станцию), портативную вычислительную машину (например, ноутбук, мобильный телефон, планшетное устройство), интеллектуальное устройство (например, смартфон, смарт-часы, устройство отслеживания активности, смарт-одежду, смарт-аксессуар), устройство системы безопасности и/или контроля, сервер, маршрутизатор, сетевую вычислительную машину, одноранговое устройство, оконечное устройство или другой общий узел сети и т. д. Логические соединения между вычислительной машиной 1701 и удаленным вычислительным устройством 1714 a, b, c могут быть установлены посредством сети 1715, например, локальной сети (LAN) и/или глобальной сети (WAN). Такие сетевые соединения могут быть осуществлены с помощью сетевой платы 1708. Сетевая плата 1708 может быть реализована как в проводной, так и в беспроводной среде. Такие сетевые среды являются обычными и широко применяемыми в жилых помещениях, офисах, вычислительных сетях предприятия, интрасетях и Интернете.

В целях иллюстрации прикладные программы и другие исполняемые программные компоненты, например, операционная система 1705, показаны в настоящем документе в виде отдельных блоков, хотя понятно, что такие программы и компоненты могут постоянно храниться в разное время в различных компонентах хранения данных вычислительного устройства 1701 и исполняются одним или большим количеством процессоров 1703 вычислительной машины 1701. Реализация программного обеспечения 1706 обработки данных может храниться на машиночитаемом носителе какого-либо вида или может быть передана с его помощью. Любой из раскрытых способов может быть выполнен с помощью машиночитаемых команд, реализованных на машиночитаемом носителе. Машиночитаемый носитель может представлять собой любой доступный носитель данных, к которому можно осуществлять доступ с помощью вычислительной машины. Например, среди прочих, машиночитаемые носители могут включать «носители данных для вычислительной машины» и «средства связи». «Носители данных для вычислительной машины» могут включать энергозависимые и энергонезависимые, съемные и несъемные носители, реализованные с применением любых способов хранения информации, например, машиночитаемых команд, структур данных, программных модулей или других данных. Иллюстративные носители данных для вычислительной машины включают, среди прочих, ОЗУ, ПЗУ, ЭСППЗУ, флэш-ПЗУ или запоминающие устройства, работающие с применением других способов хранения данных, CD-ROM, универсальные цифровые диски (DVD) или другие оптические устройства хранения данных, магнитные кассеты, магнитную ленту, магнитные дисковые накопители, другие магнитные устройства хранения данных или любой другой носитель, который может быть использован для хранения требуемой информации к которому можно осуществлять доступ с помощью вычислительной машины.

В настоящих способах и системах могут быть использованы способы искусственного интеллекта (AI), например, машинное обучение и итеративное обучение. Примеры таких способов включают, среди прочих, экспертные системы, обоснование на основе конкретных случаев, байесовские сети, искусственный интеллект с управлением на основе поведения, нейронные сети, системы на основе нечеткой логики, эволюционное моделирование (например, генетические алгоритмы), роевый интеллект (например, муравьиные алгоритмы) и гибридные интеллектуальные системы (например, правила экспертного вывода, генерируемые с помощью нейронной сети или правил вида условие-действие на основе статистического обучения).

Несмотря на то, что способы и системы были описаны применительно к предпочтительным вариантам осуществления и конкретным примерам, не предполагается, что их объем сводится к вышеизложенным конкретным вариантам осуществления, поскольку варианты осуществления, приведенные в данном документе, во всех своих аспектах предназначены для иллюстрации, а не для ограничения.

Хотя аспекты настоящего изобретения могут быть описаны и заявлены в конкретном классе патентоспособных объектов изобретения, таком как системный класс патентоспособных объектов изобретения, это сделано лишь для удобства, и для специалистов в данной области техники будет очевидно, что каждый аспект настоящего изобретения может быть описан и заявлен в любом классе патентоспособных объектов изобретения. Если явно не указано иное, то никоим образом не подразумевается, что любой способ или аспект, изложенный в настоящем документе, следует толковать как требующий выполнения его стадий в определенном порядке. Соответственно, если пункт формулы изобретения на способ специально не указывает в формуле изобретения или в тексте описания на то, что этапы ограничены до определенного порядка, то никоим образом не подразумевается, что этот порядок является предполагаемым в каком-либо отношении. Это относится к любым возможным невыраженным основаниям для интерпретации, включая логические основания в отношении расположения этапов или технологической последовательности; общеупотребительное значение, вытекающее из грамматической организации или пунктуации, или же количество или тип аспектов, приведенных в настоящем описании.

Для специалистов в данной области будет очевидно, что для настоящего изобретения могут быть предложены различные модификации и изменения без отступления от объема или сущности настоящего изобретения. Другие варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники после изучения настоящего описания и при практическом осуществлении способов и/или систем, описанных в данном документе. Предполагается, что описание и примеры будут рассматриваться лишь как иллюстративные, причем действительный объем и сущность настоящего изобретения указаны в нижеследующей формуле изобретения.

1. Способ фильтрации текучей среды, согласно которому:

контролируют во время текущего цикла фильтрации один или большее количество параметров, связанных с одной или большим количеством мембран системы фильтрации;

определяют во время текущего цикла фильтрации, что скорость ослабления потока для текущего цикла фильтрации больше, чем скорость ослабления потока для предыдущего цикла фильтрации на основе одного или большего количества контролируемых параметров; и

выполняют одну или большее количество процедур обслуживания на основе определения того, что скорость ослабления потока для текущего цикла фильтрации больше, чем скорость ослабления потока для предыдущего цикла фильтрации.

2. Способ по п. 1, согласно которому контроль осуществляют усреднением значений по всей системе фильтрации или путем контроля локальных показателей производительности в системе фильтрации для определения пространственной изменчивости при засорении отдельной мембраны.

3. Способ по п. 1, согласно которому один или большее количество параметров включают одно или большее количество из: трансфильтрового перепада давления, скорости потока фильтрата, мутности фильтрата, солености фильтрата, показателя рН фильтрата, цвета фильтрата, жесткости фильтрата, общей органической концентрации фильтрата, количества микроорганизмов в фильтрате, количества микроорганизмов в подаваемом материале, концентрации одного или большего количества заданных фильтратов, подаваемых материалов или концентрированных ионов, или концентрации одного или большего количества заданных фильтратов, подаваемых материалов или концентрированных неионных молекул.

4. Способ по п. 3, согласно которому по меньшей мере один параметр из одного или большего количества контролируемых параметров контролируют в точке входа (приток), точке выхода (концентрирование или задержание) и в точке фильтрата (или пермеате), и причем один или большее количество параметров из одного или более параметров контролируют в одной или более из точек из точки стороны входа, точки стороны выхода, точки стороны фильтрата.

5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий определение состояния одного или большего количества мембран на основании одного или большего количества контролируемых параметров посредством статистического анализа на основании этого одного или большего количества контролируемых параметров.

6. Способ по п. 1, согласно которому состояние одного или большего количества мембран включает одно или большее количество из следующих условий: приближающееся срабатывание фильтра или состояние готовности к фильтрации, обнаруженное срабатывание фильтра или состояние готовности к фильтрации, приближающееся нарушение целостности, обнаруженное нарушение целостности, приближающееся снижение проницаемости или обнаруженное снижение проницаемости.

7. Способ по п. 1, согласно которому одна или большее количество процедур обслуживания включают одну или большее количество процедур очистки фильтра, процедуру изолирования фильтра, процедуру ремонта фильтра, процедуру замены фильтра или процедуру уплотнения фильтра.

8. Способ фильтрации текучей среды, согласно которому:

контролируют для текущего цикла фильтрации по меньшей мере одно из: изменения пропускной способности обработки фильтрата текучей среды при работе под постоянным давлением или изменения давления при работе с постоянной пропускной способностью при обработке фильтрата;

определяют механизм засорения на основе одного или более из определения того, что изменение пропускной способности для текущего цикла фильтрации больше, чем изменение пропускной способности обработки фильтрата для предыдущего цикла фильтрации, или определения того, что и изменение давления для текущего цикла фильтрации больше, чем изменение давления для предыдущего цикла фильтрации;

выбирают протокол очистки на основании определенного механизма засорения, и

выполняют процедуру очистки в соответствии с выбранным протоколом очистки.

9. Способ по п. 8, который дополнительно включает:

производят видеозапись одного или более элементов мембраны.

10. Способ по п. 8, согласно которому контроль изменения пропускной способности при обработке фильтрата включает измерение потока фильтрата в течение заданного периода времени и согласно которому контроль изменения давления включает измерение давления в течение заданного периода времени.

11. Способ по п. 8, согласно которому определение механизма засорения включает выполнение математического анализа изменения потока фильтрата или изменения давления в соответствии с одной или большим количеством заданных моделей засорения.

12. Способ по п. 8, согласно которому механизм засорения включает одно или несколько из: концентрационной поляризации, органической адсорбции химически активных молекул, образования твердых отложений из-за осаждения солей и гидроксидов, образования слоя осадка и блокирования пор из-за осаждения крупных взвешенных частиц или мелких коллоидных частиц, образования гелей из-за осаждения инертных макромолекул и обрастания органическими соединениями из-за осаждения или размножения биологически активных организмов.

13. Способ по п. 11, согласно которому одна или большее количество заданных моделей засорения включают одну или несколько из: модели Гермия (Hermia), модифицированной модели Гермия (Hermia) или модели последовательного сопротивления.

14. Способ по п. 8, согласно которому выбор протокола очистки включает выбор способа очистки и одного или большего количества параметров, связанных со способом очистки.

15. Система фильтрации текучей среды, содержащая:

нагнетающий насос, выполненный с возможностью приложения во время текущего цикла фильтрации давления к текучей среде, протекающей между первой камерой и второй камерой;

датчик потока, выполненный с возможностью определения во время текущего цикла фильтрации по меньшей мере одного параметра, связанного с протеканием текучей среды через мембрану, установленную между первой камерой и второй камерой;

датчик давления, выполненный с возможностью определения во время текущего цикла фильтрации показаний давления текучей среды, протекающей из первой камеры во вторую камеру; и

систему управления фильтрацией, выполненную с возможностью:

инициирования приложения нагнетающим насосом постоянного давления к текучей среде, протекающей через мембрану из первой камеры во вторую камеру, в течение первого заданного периода времени на основании показаний давления, причем система управления фильтрацией дополнительно выполнена с возможностью:

определения во время текущего цикла фильтрации, что скорость ослабления потока для текущего цикла фильтрации больше, чем скорость ослабления потока для предыдущего цикла фильтрации на основе по меньшей мере одного параметра; и

выполняют одну или большее количество процедур обслуживания на основе определения того, что скорость ослабления потока для текущего цикла фильтрации больше, чем скорость ослабления потока для предыдущего цикла фильтрации,

инициирования на основе определения того, что скорость ослабления потока для текущего цикла фильтрации больше, чем скорость ослабления потока для предыдущего цикла фильтрации, изменения с помощью нагнетающего насоса направления протекания текучей среды через мембрану в течение второго заданного периода времени после того, как первый заданный период времени истечет.

16. Система по п. 15, в которой определение того, что скорость ослабления потока для текущего цикла фильтрации больше, чем скорость ослабления потока для предыдущего цикла фильтрации на основании по меньшей мере одного параметра, включает сравнение по меньшей мере одного параметра по меньшей мере с одним пороговым значением.

17. Система по п. 16, дополнительно содержащая таймер, выполненный с возможностью по меньшей мере одного из: настройки времени приложения постоянного давления или настройки времени изменения направления приложения постоянного давления.

18. Система по п. 16, в которой по меньшей мере один параметр представляет собой один или большее количество параметров из: скорости потока текучей среды, скорости изменения скорости потока текучей среды или объема текучей среды, проходящей через мембрану в течение заданного периода времени.

19. Система по п. 16, в которой одно или большее количество из первого заданного времени или второго заданного времени является постоянным значением.

20. Система по п. 16, в которой одно или большее количество из первого заданного времени или второго заданного времени определяют на основании заданной формулы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству для кондиционирования водосодержащей жидкости. Устройство для кондиционирования водосодержащей жидкости включает в себя по меньшей мере один впуск; по меньшей мере одно устройство обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, включающее себя катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, и являющееся эффективным для выделения водорода при обмене на катионы карбонатных минералов в обрабатываемой жидкости, таким образом, повышая количество свободного диоксида углерода; мембранное фильтрационное устройство и секцию, предназначенную для обработки фильтрата, производимого с помощью мембранного фильтрационного устройства, причем секция включает в себя устройство обработки жидкости для растворения по меньшей мере одного минерала, способствующего карбонатной жесткости в воде, в по меньшей мере части жидкости, проходящей через секцию, по меньшей мере один из по меньшей мере одного впуска соединен с впуском мембранного фильтрующего устройства через по меньшей мере одно из по меньшей мере одного устройства обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, причем устройство формирует по существу закрытую систему, так что прекращается дегазация диоксида углерода, и по меньшей мере одна мембрана в мембранном фильтрующем устройстве проницаема для диоксида углерода.

Изобретение может быть использовано при строительстве, эксплуатации и ликвидации поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, а также при очистке загрязненных вод поверхностных водоемов.

Изобретение относится к очистке и утилизации сточных вод, в частности к способу подготовки жидких отходов животноводческих комплексов для сельскохозяйственного использования.

Изобретение относится к водоподготовке и предназначено для обеззараживания и очистки воды от микроорганизмов и растворенных в ней веществ. Гидродинамическая установка содержит блок обеззараживания и очистки, состоящий из насоса и инжектора, включающего конфузор, цилиндрическую камеру и диффузор.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системе ирригатора для полости рта. Система содержит впуск для жидкости, секцию обработки жидкости ниже по потоку от впуска, которая выполнена с возможностью генерирования обработанной выходящей жидкости.

Изобретение может быть использовано на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях для доочистки вод от эмульгированных нефтепродуктов. Для осуществления способа в очищаемую воду добавляют водный раствор суперпарамагнитных наночастиц магнетита с размерами около 10 нм и средним размером агрегатов 0,8 мкм.

Средство относится к области утилизации твердых коммунальных отходов и предназначено для разделения в гидросепараторе смеси отходов на плавучие, взвешенные и тонущие фракции.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к очистке поверхностных сточных вод предприятий, специализирующихся на утилизации нефтешламов и нефтесодержащих отходов.

Изобретение относится к области очистки морской воды и грунтовых вод путем дистилляции для обеспечения питьевой водой сельского, коммунального хозяйства и на морских судах, в которых наблюдается дефицит пресной питьевой воды.

Изобретение относится к нефтедобыче, а именно к составам для предотвращения осаждения неорганических солей при добыче и транспорте нефти. Состав для предотвращения кальциевых солеотложений, включающий нитрилотриметилфосфоновую кислоту - НТФ, оксиэтилидендифосфоновую кислоту - ОЭДФ, моноэтаноламин - МЭА, метанол и воду, дополнительно содержит модификатор - неопентилполиол, содержащий в молекуле неопентильный фрагмент - 2,2-бис(гидроксиметил)пропан-1,3-диол, 2,2-диметилолпропан или триметилолпропан, причем НТФ, ОЭДФ и МЭА он содержит в виде смеси при мольном отношении НТФ/ОЭДФ=1,0-2,4 и мольном отношении МЭА/∑(НТФ+ОЭДФ)=3,7-4,4, растворитель в виде смеси метанола и воды при массовом отношении СН3ОН/Н2О=0,4-1,0 при следующем соотношении компонентов, мас.%: смесь НТФ, ОЭДФ и МЭА 30,2-33,7, модификатор 0,5-2, растворитель - остальное.

Изобретение относится к обработке воды и к мембранной фильтрации. Способ эксплуатации погружных мембран, включающий этапы фильтрации воды через мембраны при потоке в 20 л/м2/ч или менее и обратной промывки мембран водой, содержащей окислитель, с тем, чтобы подвергнуть мембраны воздействию недельной дозы в 700 мин×мг/л окислителя, такого как хлор (Cl2), или менее, при этом окислитель дозирован в количестве, эффективном для того, чтобы обеспечить более пористую биопленку или более пористый слой обрастания, по существу, без уничтожения или удаления биопленки или слоя обрастания.

Изобретение предназначено для фильтрации. Предложена система фильтрации, которая содержит нагнетающий насос, выполненный с возможностью приложения давления к текучей среде, протекающей между первой камерой и второй камерой, датчик потока, выполненный с возможностью определения по меньшей мере одного параметра, связанного с протеканием текучей среды через мембрану, установленную между первой камерой и второй камерой, датчик давления, выполненный с возможностью определения показаний давления текучей среды, протекающей из первой камеры во вторую камеру, систему управления фильтрацией, выполненную с возможностью инициирования приложения нагнетающим насосом постоянного давления к текучей среде, протекающей через мембрану в течение первого заданного периода времени на основании показаний давления. Система управления фильтрацией может быть выполнена с возможностью инициирования изменения с помощью нагнетающего насоса направления протекания текучей среды через мембрану на основании по меньшей мере одного параметра в течение второго заданного периода времени. В способе фильтрации текучей среды контролируют для текущего цикла фильтрации по меньшей мере одно из: изменения пропускной способности обработки фильтрата текучей среды при работе под постоянным давлением или изменения давления при работе с постоянной пропускной способностью при обработке фильтрата; определяют механизм засорения на основе одного или более из определения того, что изменение пропускной способности для текущего цикла фильтрации больше, чем изменение пропускной способности обработки фильтрата для предыдущего цикла фильтрации, или определения того, что и изменение давления для текущего цикла фильтрации больше, чем изменение давления для предыдущего цикла фильтрации; выбирают протокол очистки на основании определенного механизма засорения и выполняют процедуру очистки в соответствии с выбранным протоколом очистки. Технический результат: повышение производительности установки. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 17 ил., 2 табл.

Наверх