Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы очистки ПВ 12
1.1 Состав ПВ металлургических предприятий, характеристика основных загрязнений и методы очистки 13
1.2 Механические методы очистки 15
1.2.1 Тонкослойное отстаивание 16
1.2.2 Фильтрация в зернистом,фильтре 19
1.2.3 Фильтрация в фильтре тонкой очистки 24
1.3 Химические методы очистки 26
1.3.1 Нейтрализация 26
1.3.2 Реагентное осаждение 27
1.4 Физико-химические методы очистки 31
1.4.1 Флокуляция 31
1.4.2 Ионный обмен 32
1.4.3 Мембранная очистка 37
1.5 Обработка осадка 44
1.5.1 Уплотнение осадка 44
1.5.2 Обезвоживание осадка 45
1.6 Схемы водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий 47
1.7 Выводы по главе 49
Глава 2. Экспериментальные исследования по очистке оборотных ПВ металлургических предприятий с повышенным содержанием фосфатов 50
2.1 Обследование ЗАО «Метахим» 50
2.1.1 Анализ состава ПВ иПДС 51
2.1.2 Расчет необходимой производительности ОС 53
2.2 Экспериментальные исследования по очистке оборотных ПВ ЗАО
«Метахим» 55
2.2.1 Предварительная очистка 55
2.2.2 Глубокая очистка 60
2.3 Многоступенчатая технология очистки ПВ 64
2.4 Выводы по главе 66
Глава 3. Разработка модели ОУ 67
3.1 Общие принципы построения моделей 67
3.2 Среда моделирования Matlab 72
3.3 Разработка ММ комплекса технологических процессов 73
3.3.1 Взаимодействие исходной ПВ с Са(ОН)г 75
3.3.2 Взаимодействие ПВ с NaOH 89
3.3.3 Взаимодействие ПВ с флокулянтом 95
3.3.4 Отстаивание обработанной ПВ 96
3.3.5 Фильтрация ПВ в зернистом фильтре 97
3.3.6 Фильтрации ПВ в ионообменном фильтре 106
3.3.7 Результаты моделирования узла предварительной очистки 113
3.3.8 Смешение ПВ с фильтратом 2-й ступени ОО 114
3.3.9 Нейтрализация ПВ добавлением H2SO4 115
3.3.10 Фильтрация ПВ в фильтре тонкой очистки 116
3.3.11 Фильтрация ПВ в 1-й и 2-й ступенях ОО 117
3.3.12 Результаты моделирования узла глубокой очистки 126
3.4 Анализ и исследование разработанной ММ 126
3.5 Выводы по главе 128
Глава 4. Разработка системы управления 129
4.1 Постановка задач управления 129
4.2 Структура системы управления 130
4.2.1 Общая структура управления ОС 130
4.2.2 Структура системы управления мембранной установкой 132
4.3 Синтез системы управления многоступенчатой мембранной установкой 135
4.3.1 Принцип работы регулятора с прогнозирующей моделью 135
4.3.2 Прогнозирующая модель 137
4.3.3 Оценка состояния 139
4.3.4 Задача оптимизации 140
4.3.5 Квадратичное программирование 141
4.3.6 Решение алгоритма управления по прогнозирующей модели 144
4.4 Построение системы управления в MATLAB 145
4.5 Выводы по главе 149
Заключение 150
Список литературы
- Тонкослойное отстаивание
- Расчет необходимой производительности ОС
- Разработка ММ комплекса технологических процессов
- Синтез системы управления многоступенчатой мембранной установкой
Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является уменьшение потребления воды и выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением замкнутого водооборота. При этом наиболее трудоемкой задачей является очистка общесплавных промышленных вод, характеризующихся сложным набором загрязняющих веществ.
На большинстве предприятий системы очистки позволяют извлекать лишь взвешенные вещества методом отстаивания и часть растворенных компонентов методом реагентного осаждения, в некоторых системах очистки дополнительно используются сорбционные и ионообменные методы, позволяющие селективно извлекать определенные компоненты из раствора. Однако весь спектр растворенных веществ можно выделить только с использованием выпарки или мембранных методов. При этом выпарка является очень дорогостоящей операцией и применяется довольно редко. Большей универсальностью в отношении растворенных примесей обладают мембранные методы, эффективность работы которых значительным образом обеспечивается выбранной системой предварительной водоочистки и системой управления.
Огромный вклад в развитие и совершенствование мембранных технологий очистки внесли такие крупные специалисты как В. П. Дубяга, Ю. И. Дытнерский, С. Ф. Тимашев, Т. Брок и др. Хорошо известны работы С. И. Лазарева, Л. Л. Муравьева в области математического моделирования и алгоритмов управления процессами мембранного разделения.
Однако традиционные системы управления мембранными установками не учитывают ряд важных особенностей мембранного разделения: концентрационную поляризацию, изменение концентраций компонентов в промышленной воде и значительное время запаздывания. В большинстве случаев эти факторы не получают должной оценки, поэтому система управления нуждается в дальнейшем развитии.
Цель диссертационной работы – разработка технологических решений и синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой при многостадийной очистке промышленных вод сложного ионного состава.
Задачи исследований:
Научно-технический анализ известных способов и технологий очистки промышленных вод сложного ионного состава металлургических предприятий;
Исследование показателей промышленных вод ЗАО «Метахим» и выбор методов управления по рабочим характеристикам очистных сооружений;
Проведение экспериментальных исследований по разработке многостадийной очистки с использованием мембранных методов;
Разработка математической модели процессов многостадийной очистки промышленных вод, ее идентификация и проверка на адекватность;
Синтез системы автоматического управления мембранной установкой с использованием алгоритма управления по прогнозирующей модели.
Научная новизна работы.
1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.
2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. При построении системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой рекомендуется использовать усовершенствованную математическую модель, позволяющую прогнозировать параметры мембранного разделения.
При этом модель должна описывать распределение полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве с учетом конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации.
2. Для реализации оптимальных режимов проведения процессов многоступенчатого мембранного разделения целесообразно использовать систему автоматического управления, основанную на алгоритме, который включает блок прогнозирования, рассчитывающий по линеаризованной модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие управляющие воздействия в соответствии с критерием оптимальности в области планирования, что позволяет улучшить качество управления по сравнению с классическим ПИД регулированием.
Практическое значение работы.
1. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).
2. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».
3. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.
Методика исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающих системный анализ задачи; патентно-информационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные методы изучения процессов очистки оборотных промышленных вод и управления этими процессами с применением стандартного и специального программного обеспечения.
В работе также использованы методы математического моделирования и статистического анализа.
Достоверность научных результатов обосновывается значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики очистки растворов химико-металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3-х международных научных специализированных конференциях: в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2008-2009 г.г. и в Германии в г. Фрайберг в 2009 г.; на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (УТ) им. Г. В. Плеханова в 2007-2010 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.
По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил:
Постановку задач и разработку общей методики исследований;
Анализ современных методов очистки промышленных вод и существующих систем управления очистными сооружениями;
Лабораторные экспериментальные исследования по очистке промышленных вод ЗАО «Метахим»;
Математическое моделирование многостадийной очистки промышленных вод ЗАО «Метахим»;
Синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 181 страницу машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 124 наименований и приложения на 15 страницах.
Тонкослойное отстаивание
ПВ металлургических производств, кроме растворенных органических и неорганических веществ, могут содержать коллоидные примеси, а также взвешенные (грубо- и мелкодисперсные) вещества, плотность которых может быть больше или меньше плотности воды. В ряде случаев ПВ содержат растворенные газы (сероводород и др.). Чаще всего ПВ представляют собой сложные системы, содержащие смеси различных веществ [8].
Многообразие продуктов, применяемых и получаемых в металлургических процессах, обуславливают образование различных ПВ, загрязненных всевозможными неорганическими веществами.
Все примеси ПВ, независимо от их происхождения, разделяют на четыре фазово-дисперсные группы в соответствии с размером частиц [5, 9 - 11].
К первой группе примесей относят нерастворимые в воде грубодисперс-ные примеси с размером частиц 10"" - 1(Г см. Значительная часть загрязнений этой группы может быть выделена из воды в результате гравитационного осаждения.
Вторую группу примесей составляют вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц 10"5 - 10"6 см. Гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси этой группы образуют с водой системы с особыми мо-лекулярно-кинетическими свойствами. В зависимости от физических условий, примеси этой группы способны изменять свое агрегативное состояние. Малый размер частиц затрудняет их осаждение под действием силы тяжести. При разрушении агрегативной устойчивости примеси выпадают в осадок.
К третьей группе относят примеси с размером частиц 10"6 - 10"7 см. Они имеют молекулярную степень дисперсности. При их взаимодействии с водой образуются растворы. Для очистки ПВ от примесей третьей группы применяют физико-химические методы.
Примеси четвертой группы имеют размер частиц 10"7 - 10"8 см, что соответствует ионной степени дисперсности. Это растворы кислот, солей и осно 14 ваний. В большинстве случаев технология очистки ПВ не позволяет изменить солесодержание воды. Для снижения концентрации солей применяют методы ионного обмена и мембранной фильтрации.
Сложность состава ПВ и невозможность определения каждого из загрязняющих веществ приводит к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Основными показателями являются следующие: температура, прозрачность, рН, сухой остаток, ВВ, химическая потребность в кислороде (ХПК), биологическая потребность в кислороде (БГЖ). А также содержание фосфатов, хлоридов, сульфатов, тяжелых металлов, поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов и др. [12].
На современных ОС осуществляются последовательные многостадийные технологические процессы удаления загрязняющих веществ из ПВ и обработки осадка.
Методы, применяемые для очистки ПВ, могут быть разделены на три основные группы [13, 14]: Механические методы очистки предназначены для задержания нерас-творенных примесей. К ОС этого метода относятся решетки, песколовки, отстойники и зернистые фильтры. Преимуществом этих методов являются возможность применения при нормальной температуре и без добавления химических реагентов. Эта очистка является, как правило, предварительной; Химические методы очистки способствуют очищению ПВ от растворенных и ВВ, и включают в себя реагентное осаждение, нейтрализацию, окисление, восстановление и т. п. Физико-химические методы очистки включают в себя сорбцию, экстракцию, ионный обмен, флотацию, выпарку, диализ, ОО и др. Перечисленные методы очистки ПВ в большинстве случаев предусматривают извлечение из них ценных веществ, и поэтому относятся к т.н. регенерационным методам. Эти методы применяются для наиболее концентрированных ПВ. 1.2 Механические методы очистки
Механическую очистку ПВ применяют преимущественно как предварительную, поэтому ее задача заключается в подготовке воды к последующей более сложной очистке. Механическая очистка обеспечивает удаление ВВ из ПВ до 90-95% и является в известной степени самым дешевым методом очистки, потому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка ПВ механическими методами, т.к. это удешевляет последующее разделение гетерогенной смеси более сложными способами [14, 15, 16].
В настоящее время к очистке предъявляют большие требования. Это приводит к созданию высокоэффективных методов очистки, интенсификации процессов очистки, разработке технологических схем с сочетанием механических и физико-химических способов очистки и повторным использованием очищенной воды в технологических процессах.
Высокий эффект механической очистки ПВ достигается различными способами интенсификации гравитационного отстаивания, осветления во взвешенном слое (отстойники-осветлители) и в тонком слое (тонкослойные отстойники).
Фильтрацию применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде сеток, слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении ПВ через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из ПВ взвесь. В качестве зернистого материала используют кварцевый песок, гранитный щебень, дробленый антрацит, керамзит, горелые породы, чугунолитейный шлак и др. Преимущество указанных процессов заключается в возможности их применения без использования химических реагентов [17].
Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть повторно использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния.
Расчет необходимой производительности ОС
При добавлении реагентов вода перемешивается и далее поступает в тонкослойный отстойник, где происходит осаждение хлопьев в течение 5-6 мин. Объем осадка после отстаивания составляет 10 - 12%. Потом осадок уплотняют и высушивают. Количество высушенного до постоянного веса сухого осадка - 2,03 г с 1л исходной воды, содержание фосфатов в сухом осадке составляет 51,2%, т.е. сухой осадок соответствует п. 2 технического задания на очистку ПВ ЗАО «Метахим» (приложение 3) и может использоваться в производстве фосфорной кислоты.
Фильтрация в зернистом фильтре
После отстаивания в осветленной воде содержится еще довольно много ВВ, которые необходимо удалить до мембранной очистки. Для этого используют зернистые фильтры, при этом наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, которые состоят из материалов с различной плотностью и крупностью частиц. Сверху фильтра более крупные и легкие частицы, а снизу - мелкие и тяжелые. В этом случае крупные загрязнения воды задерживаются в верхнем слое, а оставшиеся мелкие — в нижнем слое, т.е. работает весь объем загрузки.
Использование кварцевого песка и гидроантрацита позволяет создать двухслойный зернистый фильтр. Гидроантрацит механически прочный и химический стойкий материал, имеющий меньшую плотность, чем у кварцевого песка, поэтому размещается в верхнем слое фильтра. Неоднородность гранул гидроантрацита по размеру и форме позволяет ВВ проникать в слой фильтрующего материала на большую глубину, что приводит к увеличению грязеемкости фильтрующего слоя, продолжительности фильтроцикла и уменьшению сопротивления слоя. Кварцевый песок также является механически прочным и химически стойким материалом, но более плотным, чем гидроантрацит, поэтому он задерживает более мелкие ВВ и расположен в нижнем слое фильтра. Фильтрация осветленной воды на фильтре с двухслойной загрузкой (кварцевый песок, гидроантрацит) идет со скоростью 5-6 м/час.
По мере работы фильтра увеличивается количество задержанных веществ и в определенный момент фильтрующий слой загрязняется настолько, что загрязнения начинают проскакивать в фильтрат, при этом сопротивление фильтрации резко возрастает, а производительность падает. Работу фильтра прекращают и проводят регенерацию обратным током. Для регенерации фильтра химические реагенты не требуются, она проводится водой, подаваемой на очистку.
Продолжительность фильтроцикла зависит от скорости загрязнения фильтра и определяется по мере изменения потери напора на фильтре. Изменение длительности фильтроцикла приводит либо к чрезмерному загрязнению фильтра, затруднению его промывки, ухудшению качества фильтрата и последующих проблем при забивании пор обратноосмотических мембран, либо нецелесообразно из-за увеличения продолжительности простоя фильтра. Изменение длительности промывки приводит либо к неполной очистке фильтрующего материала, либо нецелесообразно из-за увеличения продолжительности простоя фильтра.
Ионный обмен
После механической и реагентной очистки в воде остается некоторое количество избыточного кальция, который необходимо удалить, поскольку кальций является нежелательным компонентом для обратноосмотических мембран, он способствует отложению солей жесткости на их поверхности. Для умягчения воды используют ионообменный фильтр, заполненный слабокислотной катионообменной смолой в Na-форме, целью которого в первую очередь является извлечение кальция, который замещается более активным Na.
Ионообменная смола представляет собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Для извлечения катионов кальция (умягчения) необходима слабокислотная смола в Na-форме, поскольку она обладает более высокой обменной емкостью, чем сильнокислотная и лучше регенерируется, реагирует только в щелочной среде, и действует селективно, не снижая общего солесодержания, что также значительно увеличивает интервалы между регенерациями.
При достижении предельного значения рабочей обменной емкости фильтрующего материала (смолы) необходима регенерация катионитов. Процесс регенерации состоит из следующих последовательных операций: взрыхление слоя катионита восходящим потоком исходной воды, спуск водяной подушки, регенерация катионита посредством фильтрации 15% раствором хлористого натрия (NaCl) через ионообменный слой. Отработанные регенерирующие растворы - элюаты, направляются на утилизацию.
Ниже приведена схема предварительной очистки ПВ ЗАО «Метахим», которая была составлена в соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями (рис. 2.6).
Разработка ММ комплекса технологических процессов
После химического взаимодействия с известковым молоком и едким натром образуются твердые частицы молекулярной степени дисперсности, которые при определенной концентрации со временем образуют коллоиды и далее взвеси. Процесс флокуляции позволяет ускорить образование грубо-дисперсных частиц и увеличить их размеры, что повышает эффективность процессов осаждения ВВ и их дальнейшей фильтрации. Флокулянты - растворимые полимеры. Большинство флокулянтов (анионных) в присутствии сильного основания (например, NaOH) становятся более ионизированными, т.е. повышается их эффективность. Действие полимерных флокулянтов объясняется адсорбцией нитевидных макромолекул на различных частицах. Флокулянты создают длинные мостиковые связи между небольшими флокулами, увеличивая размер частиц.
Процесс флокуляции влияет только на эффективность процессов осаждения и фильтрации ВВ и не влияет на концентрации растворенных в ПВ компонентов. ММ этого процесса в рамках данной работы не рассматривается, т.к. основной задачей является моделирование процессов извлечения из ПВ растворенных компонентов, использование флокулянта учитывается на стадиях отстаивания и фильтрации.
Тип флокулянта и его оптимальная доза, зависящие от состава ПВ, были выбраны в результате экспериментальных исследований: флокулянт Праэ-стол, оптимальная доза — 2 мг на один литр ПВ рассматриваемого состава.
Частицы (флокулы), образовавшиеся в результате процессов химического взаимодействия с известковым молоком, едким натром и флокулянтом, находятся во взвешенном состоянии в потоке воды. Для их удаления применяются процессы гравитационной седиментации (отстаивания). При седи-ментацииизменение концентраций растворенных в ПВ компонентов не происходит, поэтому ММ отстаивания сводится к расчету баланса ВВ.
Осаждение в ограниченном объеме при высокой концентрации ВВ является стесненным,- что обусловлено сопротивлением среды, трением и, столкновениями частиц. В результате скорость стесненного осаждения всегда меньше скорости свободного осаждения и зависит от объемной доли є жидкости в среде (пористости):
При движении частицы сверху вниз пористость уменьшается, т.е. сначала для вычисления скорости осаждения используется поправка в виде (3.59), ближе к основанию - (3.60), а через некоторое время частица перестает двигаться и считается осевшей.
Примем допущение, что диаметр и плотность частиц, кинематическая вязкость и плотность жидкости являются постоянными величинами, т.е. отстойник обеспечивает постоянную величину коэффициента извлечения ВВ. При этом может изменяться входная концентрация ВВ и расход ПВ, которая зависит от концентрации веществ в исходной воде и полноты протекания химических взаимодействий.
Тонкослойные отстойники удаляют 40-60% ВВ, однако добавление флокулянта позволяет увеличить количество извлекаемых ВВ (коэффициент извлечения) до 85-95% [18]. Запишем уравнение для расчета коэффициента извлечения ВВ: Кизвл = вх. вых./ вх. (3.61) где ктвл - коэффициент извлечения, примем постоянным для различных значений входных концентраций ВВ и равным 0,85; Свх - входная концентрация ВВ; Свых - выходная концентрация ВВ.
Взвешенные тонко дисперсные частицы размером менее 40-50 мкм плохо осаждаются в отстойнике и для очистки воды от них используют фильтрацию. Одной из наиболее эффективных и экономически целесообразных является фильтрация в зернистом фильтре, который позволяет удалить из воды частицы размером 20 мкм и более. При фильтрации в зернистом фильтре, аналогично отстаиванию, изменение состава растворенных в ПВ компонен 98 тов не происходит, однако ММ должна рассчитывать концентрацию ВВ в фильтрате и описывать все стадии движения частиц взвеси внутри зернистого слоя для определения периода фильтрации и необходимости регенерации фильтра.
Материальный баланс Распределение частиц в зернистом слое определяется, прежде всего, эффективностью адгезии на поверхности зерен. При однородной и неизменной во времени структуре слоя фильтрующего материала и однотипной по адгезионному взаимодействию частиц взвеси на всем протяжении работы фильтра наблюдается одинаковая эффективность адгезионного взаимодействия, обеспечивающая одинаковый темп роста конгломератов и их предельный размер. В результате этого на разных высотах слоя, отвечающих одинаковым режимам движения концентрационного фронта, должны наблюдаться одинаковые концентрации задержанной твердой фазы в зернистом слое [21].
Верхний слой фильтрующего материала через некоторое время после начала работы фильтра из-за образования «сводиков» будет иметь большее количество застойных зон по сравнению с нижними слоями. Следовательно, поступающая на верхний слой взвесь имеет больше возможностей задержаться. Это появляющееся со временем различие в однородности верхнего и нижнего слоев равносильно условному разделению улавливаемой однородной взвеси на различные по адгезионным свойствам частицы. Одни из них, обладающие «большей» адгезионной способностью, откладываются в верхней части фильтрующего слоя, где образуют «крупные» не срывающиеся со стенок конгломераты, другие - в нижней части слоя, а образующиеся из этой части взвеси конгломераты обычным порядком порождают движение фронта концентраций вдоль слоя зернистого материала. Рассмотрим распределение частиц, взвешенных в водном потоке, между водой и фильтрующим материалом. Выберем слой фильтрующего материала на некотором расстоянии от верхней границы загрузки (рис. 3.8). Пусть на этот слой с поверхностью S поступает взвесь с постоянной скоростью со и некоторой концентрацией С", рассчитанной на объем слоя. Количество твердой фазы взвеси, поступающей на фильтрующий слой в единицу времени через единицу поверхности, будет определяться вектором і = С й). Общее количество твердой фазы, проходящей через всю поверхность S в единицу времени, будет равно полному вектору потока 7, определяемому с учетом направления нормали п к поверхности интегралом - Г \in dS. В результате поступления в рассматриваемый слой взвеси в нем будет происходить увеличение массы. Если обозначить общую массу поглощаемого вещества, приходящуюся на единицу объема слоя, через М = O+q (где q — масса твердой фазы взвеси, находящейся на поверхности фильтрующего материала и отнесенной к объему слоя), то изменение массы во всем объеме слоя со временем t определится интегралом:
Синтез системы управления многоступенчатой мембранной установкой
В v настоящее время системы управления мембранными установками, несмотря на наличие современных технических средств, базируются на алгоритмах стабилизации отдельных параметров процесса- (давление, расход). При этом в процессе управления алгоритмы не учитывают ряд важных особенностей мембранного разделения: концентрационную поляризацию, изменение концентраций компонентов в ПВ и значительное время запаздывания, т.к. эти параметры, нельзя измерить или вычислить непосредственно: Для учета этих особенностей: используется детальная математическая- модель многоступенчатой мембранной установки, разработанная в разделе 3.3:11...:
Основная: задача системы управления-многоступенчатой мембраннойус-тановкой - поддержание определенного» соотношения расходов фильтрата и концентрата при? минимально»возможном значении;рабочего давления, что позволяет снизить энергопотребление насоса, ИІ продлить срок: службы МЭ: Для! поддержания; давления; система: управления? изменяет частоту вращениям электродвигателя насоса;,подающего промышленную воду в;МЭ15
Необходимость,стабилизации соотношения:расходов? фильтрата и концентрата обусловлена переменным характером-поступления ПВІ на ОЄ и изменяющимся составом ПВ- Переменный, характер поступлениям ИВ связан с, периодичностью работы некоторых производств. Влияние состава ПВ на процесс мембранного разделения? объясняется? зависимостью осмотического давления ИВ от концентрации вших растворенных компонентов. Состав ПВ" изменяется, постоянно;, т.к. ПВІ являются общесплавнымщт.е: в разные промежутки времени: изменяется как-..объем:-поступающих ИШ от различных производств, так и их состав. В каждом случае эти факторы зависят от специфики конкретного производства. Также состав ПВ; поступающих на мембранную установку, зависит от качества работы предшествующих сооружений, некоторые из них имеют периодический: режим работы, и качество очистки ПВ со .временем снижается (зернистые фильтры, ионообменные: фильтры, фильтры тонкой» очистки). На других стадиях качество очистки зависит от объема подаваемых реагентов: при отклонении пропорции дозирования от оптимальной увеличивается либо расход реагента, либо содержание примесей в очищаемой ПВ (флокуляция, нейтрализация, реагентное осаждение). Однако измерять концентрации всех компонентов не представляется возможным и целесообразным. Т.о. расход поступающих ПВ на мембранную установку является измеряемым возмущающим воздействием, а состав ПВ — не измеряемым возмущающим воздействием.
При эксплуатации МЭ существует ряд параметров, связанных с техническими возможностями: максимальное рабочее давление, скорость изменения рабочего давления и максимальная скорость движения потока внутри МЭ. Эти параметры являются ограничениями на управляющее воздействие - частоту вращения электродвигателя насоса.
Также имеются косвенные параметры качества очистки мембранной установки - кислотность и удельная электропроводность, позволяющие оценить содержание растворенных ионов металлов и солей в фильтрате. По значениям этих параметров определяется необходимость проведения мероприятий по восстановлению исходных характеристик мембранной установки. При отклонении кислотности от нормальной и повышение удельной электропроводности свидетельствуют о повышении концентрации ионов металлов и солей в очищенной воде, что говорит об изменении условий протекания мембранного разделения: изменение состава исходной воды, изменение параметров разделения, засорение мембраны, выход мембраны из строя. При продолжительных незначительных отклонениях этих параметров от допустимых значений, предусмотренных эксплуатацией установки, должна быть назначена гидродинамическая очистка, описанная в разделе 1.4.3.
При продолжительном значительном отклонении косвенных параметров мембранного разделения от допустимых значений и при значительном падении (15% и более) производительности требуются более серьезные меры по восстановлению характеристик мембранной установки. Для этого используются методы химической очистки, описанные в разделе 1.4.3. значения кислотности и удельной электропроводности (фильтрата) изменяются.
К тому же измеряемые технологические параметры (давление, расход, кислотность, удельная электропроводность) зашумлены, что оказывает нежелательное влияние на процесс управления особенно в установившемся режиме. Поэтому необходимо учитывать это влияние для улучшения качества управления.
Синтез системы управления многоступенчатой мембранной установкой
Под синтезом АСУ понимают процедуру создания системы управления объектом, обладающей требуемыми свойствами. Задача синтеза обычно решается исходя из следующих посылок: в любой АСУ можно выделить неизменяемую и изменяемую части, например, объект управления (ОУ) и устройство управления (УУ). Следовательно, для получения системы с заданными свойствами необходимо определить структуру и параметры изменяемой части системы, иными словами, определить зависимость, связывающую входные и выходные сигналы изменяемой части системы. Эти зависимости называются законами управления или регулирования [107-113].
Использование управляющего устройства, реализующего алгоритм управления по прогнозирующей модели, позволяет прогнозировать поведение объекта управления в будущем с учетом всех особенностей: запаздывания, измеряемых и не измеряемых возмущающих воздействий, зашумленности измеряемых параметров, входных и выходных ограничений и т. д. [114-115].
Похожие диссертации на Система управления процессом мембранной очистки оборотных промышленных вод металлургических предприятий : на примере ЗАО "Метахим"
