Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств автоматизации производства реагентов для обеззараживания воды и стоков 8
1.1. Требования к качеству обеззараживания питьевой воды и стоков 8
1.2. Современные методы промышленного обеззараживания воды и стоков, их достоинства и недостатки 9
1.3. Анализ отечественных и зарубежных технологий и автоматизированного оборудования производства хлора и ферратов 17
1.4. Управляемый мембранный электролиз – перспективный метод производства анолита и ферратов 30
1.5. Концепция комплексного производства анолита и ферратов и создания экономически эффективного единого автоматизированного электролизного агрегата для их производства 38
1.6. Постановка задач исследования и ОКР 41
1.7. Выводы по главе 1 44
Глава 2. Моделирование мембранного электролизера для производства феррата натрия 45
2.1. Цели и основные аспекты моделирования 45
2.2. Анализ научных исследований, отечественного и зарубежного опыта электролизного производства анолита в оценке исходных данных для моделирования процесса производства анолита и феррата 45
2.3. Математическая модель электролизной ячейки с катионообменной мембраной для регулируемого производства феррата натрия, принятые ограничения 52
2.4. Исследование влияния регулируемых параметров на производительность, энергоэффективность и требуемое качество получения ферратов 58
2.5. Формирование требований к созданию системы управления процессом электролиза 65
2.6. Оценка возможности изменения номинальной производительности агрегата 69
2.7. Экспериментальная проверка результатов математического моделирования на макетах 70
2.8. Выводы по главе 2 77
Глава 3. Разработка модулей КЭА, их сопряжение и повышение эффективности 79
3.1. Обоснование исходных требований к построению экспериментального образца КЭА, выбор его регулируемых параметров 79
3.2. Модуль производства анолита: задачи, структура, алгоритмы управления 83
3.3. Модуль производства феррата: задачи, структура, алгоритмы управления 88
3.4. Обоснование модульного принципа построения КЭА и совместной работы модулей 94
3.5. Способ повышения производительности ферратного модуля 99
3.6. Выводы по главе 3 103
Глава 4. Разработка и исследование экспериментального образца КЭА 105
4.1. Компоновочные решения модулей КЭА 105
4.2. Конструктивные решения электролизеров, рациональный выбор материалов и покупных функциональных модулей 108
4.3. Построение САУ КЭА, обоснование требуемого уровня автоматизации 114
4.4. Разработка датчиков концентрации феррата 115
4.5. Цели, методика и результаты испытаний КЭА 118
4.6. Рекомендации по совершенствованию и применению КЭА 124
4.7. Выводы по главе 4 126
Выводы по работе 127
Библиографический список 129
- Анализ отечественных и зарубежных технологий и автоматизированного оборудования производства хлора и ферратов
- Формирование требований к созданию системы управления процессом электролиза
- Модуль производства феррата: задачи, структура, алгоритмы управления
- Конструктивные решения электролизеров, рациональный выбор материалов и покупных функциональных модулей
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. На данный момент разработано множество различных способов очистки и обеззараживания вод. Они делятся на три группы по видам воздействия: биологическое, физическое и химическое воздействие. Каждая из групп имеет свои преимущества и недостатки. С широким внедрением методов мембранного электролиза для целей водоподготовки стал применяться анолит (смесь хлорсодержащих реагентов), вырабатываемый непосредственно на очистных сооружениях перед применением, что исключает перевозку и хранение хлора. Это значительно повышает безопасность его применения. При этом исходным сырьем для производства анолита являются вода и поваренная соль.
Ввиду широкого, но не универсального спектра применения
хлорсодержащих реагентов, постоянно ведутся поиски новых реагентов для очистки и обеззараживания различных вод и технологии их получения. Одним из таких перспективных реагентов являются ферраты щелочных металлов, имеющие самый высокий окислительный потенциал в кислой среде. Ферраты исследуются с конца ХХ века, однако до внедрения методов мембранного электролиза производство ферратов осуществлялось химическим и термическим методами, имеющими ряд серьезных недостатков. Этим обуславливается практически полное отсутствие на рынке установок для производства ферратов щелочных металлов.
Побочным продуктом производства анолита является раствор щелочи, который может быть исходным сырьем для производства феррата натрия, что позволяет увязать их совместное производство в единый автоматизированный технологический процесс, обладающий синергетическим эффектом.
Сегодня проблема эффективной и экономичной обработки и дезинфекции питьевой воды и стоков становится особо актуальной. В данной области возникает потребность в разработке новых технологий, объединяющих преимущества известных методов и оборудования обработки вод и качественно новых мехатронных систем для реализации этих технологий.
Такой новой технологией, несомненно, является комплексное производство
анолита и феррата на месте их использования с регулируемой
производительностью. Создание такого автоматизированного оборудования является актуальной задачей.
Целью диссертации является разработка и исследование
автоматизированного технологического процесса комплексного производства
анолита и феррата натрия с регулируемой производительностью и
экспериментального мембранного электролизного агрегата для его реализации.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Анализ известных методов и оборудования водоподготовки и обоснование выбора метода химического воздействия с применением анолита и феррата натрия, синтезируемых мембранным электролизом. Разработка концепции построения комплексного электролизного агрегата (КЭА) для их безопасного производства.
-
Численное моделирование электролиза анолита и феррата натрия. Экспериментальная проверка результатов моделирования на макете.
-
Разработка раздельных автоматизированных технологических процессов производства анолита и феррата натрия с регулируемой производительностью, их сопряжение.
-
Обоснование модульного принципа построения КЭА, разработка системы автоматического управления (САУ) и реализуемых ею алгоритмов регулирования производительности модулей и КЭА. Повышения эффективности функционирования системы и безопасности ее эксплуатации, в том числе в недетерминированных условиях.
-
Разработка компоновки ферратного электролизера, модулей КЭА и его САУ. Изготовление и проведение натурных испытаний экспериментального образца КЭА, анализ их результатов и формирование рекомендаций по его совершенствованию и применению.
Методы исследований: аналитический обзор, макетирование,
экспериментальное исследование, аппарат электрохимии, теория автоматического управления линейными системами, синтез мехатронных систем, моделирование с использованием программного обеспечения AutoCAD, SolidWorks и MATLAB.
Научная новизна работы:
предложена и исследована концепция построения нового автоматизированного технологического процесса мембранного электролиза совместного производства и использования анолита и феррата натрия;
разработаны автоматизированные технологические процессы раздельного и совместного получения анолита и феррата натрия и определены и экспериментально подтверждены их основные параметры;
синтез нового мехатронного оборудования для производства феррата с автоматическим регулированием производительности по предложенным алгоритмам. Практическая ценность работы заключается в разработке
автоматизированной технологии КЭА, которая может быть применена комплексно и по-модульно в составе действующих установок обработки вод, и в создании экспериментального образца КЭА, эффективно и безопасно реализующего разработанную технологию.
Обоснованность научных положений и выводов работы обеспечивается
тем, что они базируются на известных физико-химических законах, не
противоречат данным научно-технической информации, согласуются с
результатами проведенного теоретического анализа параметров процессов производства анолита и феррата и подтверждаются экспериментальными исследованиями и производственными испытаниями.
Экспериментальные исследования и испытания оборудования для
обеззараживания воды и стоков проводились на установках, оснащенных
необходимыми аттестованными измерительными приборами, контроль процесса
синтеза осуществлялся с использованием современного аналитического
оборудования, что позволило соискателю получить достоверные результаты.
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, обсуждались на международных научно-практических конференциях.
Положения, выносимые на защиту:
- синергетический эффект при объединении производства перспективных
реагентов (анолита и феррата натрия) с регулируемой производительностью;
концепция и принципы построения автоматизированного технологического процесса и комплексного мехатронного агрегата для производства реагентов;
аналитическое и экспериментальное обоснование структуры, схемных решений и параметров автоматизированного технологического процесса производства реагентов в едином комплексном электролизном агрегате с системой автоматического управления;
создание и исследование экспериментального образца комплексного электролизного агрегата с системой автоматического управления, обеспечивающего реализацию требуемых параметров производства. Научная новизна, практическая ценность работы и основные положения,
выносимые на защиту, соответствуют пунктам 6 и 7 области исследования паспорта специальности 05.02.05 – «Роботы, мехатроника, робототехнические системы».
Апробация работы и публикации. Результаты данной работы
опубликованы в десяти статьях в регулярных изданиях и сборниках докладов на конференциях по теме работы, индексируемых в РИНЦ и ведущих международных реферативных базах данных и системах цитирования [А1 – А10]. 5 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК. Автором также получены (в соавторстве) четыре патента РФ по теме работы. Кроме того, автором сделано два доклада на конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-2015, Севастополь, 7-11 сентября 2015 г.) и «Современное машиностроение: наука и образование» (MMESE-2016, Санкт-Петербург, СПбПУ, 30 июня – 1 июля 2016 г.).
Работа выполнялась при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения № 14.575.21.0080 от 16 июля 2014 г. «Разработка конструкции и общих принципов управления комплексным электролизным агрегатом для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков», 2014-2016 гг., в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», уникальный идентификатор проекта RFMEFI157514X0080.
Личное участие автора. Все результаты исследований, изложенные в диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Он участвовал в постановке и решении исследовательских задач, разработке технических и технологических решений, их реализации, разработке методик исследований и проведении экспериментов, обработке и анализе результатов, написании статей и заявок на патенты, формулировке основных выводов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Общий объем диссертации 135 страниц, в том числе 49 рисунков и 8 таблиц.
Анализ отечественных и зарубежных технологий и автоматизированного оборудования производства хлора и ферратов
Применение хлора и хлор-содержащих соединений в промышленных масштабах началось в конце XIX – начале XX века в виде хлорной извести. Однако применение хлорной извести ко второй половине ХХ века было вытеснено использованием хлора, растворенного в жидкости. Основной технологией его получения является электролиз водных растворов хлоридов щелочных металлов, предложенный в конце XIX века [12]. Применяемая повсеместно, эта технология претерпела ряд существенных улучшений и более подробно описана в разделе 1.4.
Анализ отечественного и зарубежного рынка показал наличие широкого спектра установок производства различных хлор-содержащих реагентов для водоподготовки. Далее рассматриваются генераторы диоксида хлора, достаточно часто применяемого для водоподготовки.
Итальянская компания «ЕМЕС» [13] предлагает линейку генераторов диоксида хлора LOTUS. В качестве исходных реагентов применяются 9 %-ный раствор соляной кислоты и 7,5 %-ный раствор хлорита натрия, реакция происходит по формуле: 4 HCl+ 5 NaClO2= 4 ClO2+ 5 NaCl + 2 H2O
Концентрация вырабатываемого диоксида хлора в продукте – до 20 г/л, после разбавления перед подачей в обрабатываемые воды – до 2 г/л. Здесь и далее под концентрацией подразумевается массовая концентрация, если не указано иного.
Производительность генераторов этой линейки лежит в диапазоне от 8 до 1000 г/ч диоксида хлора. Для генератора с производительностью 20 г/ч (рисунок 1.3) указана мощностью 50 Вт. При рекомендуемой для дезинфекции концентрации диоксида хлора в 0,5 г/м.куб обрабатываемой воды производительность установки на основе этого генератора составит 40 м.куб/ч обработанной воды. Затраты электроэнергии на дезинфекцию составят 1,25 Вт-ч/м.куб обработанной воды. При этом расход реагентов составит 0,5 л/ч.
В состав генератора входит камера для смешения реагентов, насосы-дозаторы, набор датчиков для измерения уровня реагентов в баках, объемов подачи реагентов, а также потока обрабатываемой воды. Данные с датчиков собираются специализированным контроллером LOTUS, который осуществляет управление всеми насосами исходя из потока очищаемой воды. Также он осуществляет сохранение данных и предоставляет интерфейс пользователя, отображаемый на дисплее и позволяющий осуществлять общие настройки работы генератора.
Генератор LOTUS 20 производительностью 20 г/ч занимает площадь около 0,1 м.кв. при высоте 1,08 м. Однако в данные габариты не входят емкости с сырьем, которые при недельном объеме реагентов с запасом в 10% при максимальной производительности составят 84 л при количестве 2 шт. Ближайший номинал емкости составляет 100 л при занимаемой площади бака 0,3 м.кв. Итоговая площадь установки составит не менее 0,7 м.кв.
Известная в мире компания по производству изделий для различных водных технологий «Grundfos» [14] изготавливает генераторы диоксида хлора серии Oxiperm 164 D, производительностью от 30 до 2000 г/ч. Генератор мощности, соразмерной с предыдущим рассматриваемым образцом, Oxiperm 164-030D (рисунок 1.4), потребляет 300 Вт при производительности 30 г/ч. При объеме дезинфицируемых вод до 60 м.куб/ч затраты электроэнергии составят 5 Вт-ч/м.куб.
Исходные реагенты подаются в той же концентрации, что и в предыдущем образце, но в объеме 0,7 л/ч каждый.
Площадь, занимаемая генератором без учета баков, составляет 0,3 м.кв. При расчете на использование таких же двух баков на 100 л суммарная площадь составит 0,9 м.кв.
В состав установки входят дозирующие насосы, реакционная камера и управляющий контроллер с интерфейсом управления.
Ряд зарубежных производителей представляют на рынке аналогичные устройства со схожими характеристиками, однако подобных генераторов российского производство обнаружено не было.
Рассмотренные генераторы являются одномодульными мехатронными системами, осуществляющими технологический процесс производства диоксида хлора с минимальным участием оператора, что соответствует современным требованиям к промышленному оборудованию. Технологический процесс включает смешение двух исходных растворов в определенной пропорции, что реализуется с помощью мехатронных модулей точного дозирования растворов (насосов-дозаторов), управление которыми осуществляется контроллером. Это позволяет реализовать высокий уровень автоматизации производства, однако требует предварительной калибровки насосов-дозаторов, производительность которых зависит от условий их установки и подключения.
Вычисленные характеристики приведенных генераторов диоксида хлора не учитывают затраты на производство исходных реагентов (растворы соляной кислоты и хлорита натрия), которые производятся в промышленных масштабах на специализированных химических производствах и требуют регулярной поставки на место водоподготовки.
Следующим рассматриваемым реагентом является гипохлорит натрия.
Российская компания «Невский кристалл» [15] предлагает линейку генераторов гипохлорита ЭПМ (рисунок 1.5), использующих метод прямого электролиза, при котором в солевом растворе под действием электрического тока образуется хлор и щелочь, впоследствии реагирующие с образование гипохлорита с концентрацией до 8 г/л: NaCl + H2O = NaOCl + H2
Мощность генераторов заявлена в пределах от 15 до 300 кг/сут по активному хлору. Производитель приводит следующие удельные показатели производства гипохлорита: удельное потребление соли (1-ого сорта) – 3,5 кг на 1 кг активного хлора, удельное потребление электроэнергии – 4,5 кВт-ч/кг по активному хлору.
При рекомендуемой для дезинфекции концентрации активного хлора в 0,82 г/м.куб производительность установки на основе генератора ЭПМ-300 составит 15240 м.куб./ч. При этом затраты электроэнергии составят 3,7 Вт-ч/м.куб.
В состав установки входит сам электролизер, пульт управления и сигнализации, выпрямитель, резервуары, насосы-дозаторы и контрольные датчики, в том числе ротаметр. По приведенному составу оборудования установки и ее фотографии можно судить о высокой степени автоматизации генератора, являющегося мехатронной системой. Для подачи исходных растворов применяются насосы-дозаторы в исполнении для химических производств. Осуществляется автоматический сбор данных с датчиков, в том числе контроль уровня жидкости в баке. Наличие сигнализации показывает возможность САУ генератора обнаруживать аварийные ситуации, что повышает безопасность установки.
Площадь установки составляет 2,6 м.кв. при высоте 1,8 м.
Также производством генераторов гипохлорита занимается международная компания «Evoqua Water Technologies LLC» [16], имеющая более чем 100-летний опыт. Генераторы предлагаемой линейки OSEC для очистки муниципальных и промышленных вод имеют производительность по гипохлориту от 1.2 до 960 кг/сут. Данные по потребляемой мощности, габаритам и составу установки не приводятся.
Следующим этапом на пути совершенствования технологий применения хлора стало использование анолита – жидкого продукта, получаемого в анодной камере электролизера, в котором происходит разложение рассола на хлор и ионы натрия.
Анолит содержит растворенный хлор и хлорсодержащие реагенты, а жидкая форма исключает опасный выброс газообразного хлора и повышает безопасность эксплуатации подобных установок. При этом обеззараживающее действие анолита считается эффективнее гипохлорита, вследствие чего требуемая концентрация для дезинфекции составляет 0,6 г/м.куб.
Одним из российских производителей мембранных установок, вырабатывающих анолит, является компания «ГК «СПЕЦМАШ» [17], предлагающая линейку установок обеззараживания воды МБЭ производительностью от 3,2 до 75 кг/сут по активному хлору (рисунок 1.6).
Формирование требований к созданию системы управления процессом электролиза
Важной целью разрабатываемого в данной диссертации агрегата является автоматизация сложного технологического процесса совместного или раздельного регулируемого производства анолита и феррата натрия с минимальным участием обслуживающего персонала и максимальной безопасностью для него.
Работа подобных агрегатов характеризуется наличием нескольких стационарных режимов работы, наличием аварийного режима и переходами между ними.
Для осуществления автоматизированного управления приведенным технологическим процессом агрегат должен быть оснащен системой автоматического управления (САУ), заменяющей человека-оператора большую часть времени эксплуатации установки. Это достигается разработкой САУ, управляющей состояним установки в заданном режиме.
Основными режимами работы агрегата являются:
- штатный запуск работы модулей агрегата совместно или по раздельности;
- штатная работа модулей агрегата с заданными параметрами совместно или по раздельности;
- штатная остановка работы модулей агрегата совместно или по раздельности;
- аварийная остановка работы модулей агрегата совместно или по раздельности.
Таким образом, часть требований к САУ разрабатываемого агрегата связана с ее функциями в указанных режимах.
Работа установки начинается с ее штатного пуска. После того, как обслуживающий персонал осуществил все необходимые визуальный проверки агрегата и открыл необходимые задвижки, САУ осуществляет выход параметров технологического процесса установки на заданные значения за определенное время. Необходимость в таком режиме связана с тем, что как хлорный, так и ферратный электролизер не могут быть незамедлительно переведены в рабочий режим: оба электролизера должны быть заполнены электролитом, а для хлорного модуля требуется предварительное заполнение сепараторов и проверка работы эжектора (занимает до 1 ч). Также для мембран, используемых в обоих электролизерах, требуется медленное наращивание тока, проходящего через них (наращивание с 0 до номинального значения за 0,5 ч). Кроме того, запуск циркуляций в ферратном электролизере осуществляется после выхода концентрации продукта на заданный уровень (занимает 0,5 ч в номинальном режиме). Штатный пуск осуществляется в начале эксплуатации агрегата и далее после каждой остановки.
Для работы агрегата в режиме штатного пуска САУ для каждого из модулей должна:
- осуществлять слежение за параметрами, для которых обеспечивается выход на заданные значения;
- реализовать алгоритм подготовки модулей к подаче питания;
- осуществить подачу питания на электролизеры модулей с плавным наращиванием силы тока.
В режиме штатной работы основной задачей САУ является поддержание параметров производительности модулей. Продуктами являются анолит, раствор едкого натра и ферратный продукт. Параметрами агрегата, по которым осуществляется управление объемом производства реагентов, являются: для анолита – концентрация остаточного хлора, для феррата – объем производства продукта и концентрация феррата в нем. Также должен осуществляться контроль за наличием потребляемых ресурсов в накопительных баках. В общем виде требования к САУ в этом режиме следующие:
- управление объемом производства хлора в виде анолита в хлорном модуле;
- подача в хлорный модуль определенного объема воды для получения раствора едкого натра с концентрацией 20%;
- управление объемом производства феррата натрия в виде ферратного продукта в ферратном модуле;
- согласование совместной работы двух модулей.
В режиме штатной остановки осуществляется плавное снижение силы тока через мембраны электролизеров с последующим отключением питания. При необходимости демонтажа или замены каких-либо внутренних элементов одного или обоих электролизеров осуществляются специальные процедуры, предусматривающие удаление остатков продуктов из соответствующего электролизера. Соответственно, САУ должна:
- продолжая наблюдение за параметрами продуктов на выходе из модулей, постепенно снизить силу тока через электролизеры до полного прекращения питания;
- продолжение подачи сырья в модули до вытеснения из них анолита и ферратного продукта;
В режиме аварийной остановки обоих или одного из модулей САУ должна:
- снять питание с соответствующего модуля (модулей);
- в зависимости от типа предполагаемой аварии либо продолжить, либо прекратить подачу сырья в соответствующий модуль (модули);
- осуществить оповещение обслуживающего персонала об аварии.
К САУ КЭА также предъявляется ряд общих требований:
- наличие детального мнемонически понятного интерфейса, позволяющего оператору осуществлять необходимую настройку параметров работы агрегата, переключение режимов его работы, а также предоставляющего и сохраняющего в архив данные о текущем состоянии агрегата и аварийных событиях;
- аппаратная часть УУ САУ должна иметь модульную архитектуру для возможности расширения или изменения перечня управляемых устройств.
Модуль производства феррата: задачи, структура, алгоритмы управления
Вторым модулем КЭА является модуль производства феррата натрия (ферратный модуль). Основная задача данного модуля – стабильное, эффективное, автоматизированное и безопасное производство феррата натрия из раствора щелочи определенной концентрации методом мембранного электролиза. Процесс производства феррата должен быть регулируемым и автоматизированным. Однако, как показано в п. 3.1, при регулировании производительности ферратного электролизера путем изменения величины тока через электролизер или объема подачи сырья растут удельные затраты электроэнергии и сырья, что соответствует падению эффективности производства.
Ввиду этого автором предложен другой способ регулирования производительностью ферратного модуля. Процесс производства разделен на два этапа: непосредственно синтез ферратного продукта и его дозирование в обрабатываемые воды. Однако в случае, если потребление ферратного продукта будет ниже номинальной производительности, то будет иметь место его переизбыток. Это исключается использованием бака для накопления продукта, который устанавливается на выходе ферратного электролизера и до насоса, осуществляющего дозирование продукта. Минимальный и максимальный уровень продукта в баке контролируется датчиками, объем бака рассчитывается специальным образом, как показано далее.
Кроме того для обеспечения безопасности технологического процесса ферратный модуль решает следующие задачи:
- контроль основных параметров процесса электролиза: наличие электролита в камерах электролизера, уровень температуры электролита, отсутствие повышенного давления в цепи отвода водорода из установки, уровень жидкости в баке с раствором щелочи;
- контроль параметров помещения, где установлен модуль: отсутствие скопления водорода под потолком помещения;
- удаление утечек газа: принудительная вентиляция над установкой;
- остановка подачи воды для технологического процесса в случае возникновения серьезной аварийной ситуации: наличие управляемой задвижки с электромотором на вводе водопроводной воды в производственное помещение.
Для решения указанных задач разработана структурно-функциональная схема ферратного модуля, представленная на рисунке 3.2.
Этот параметр выбран в связи с тем, что феррат натрия разлагается тем быстрее, чем ниже концентрация щелочи в его среде [20]. При добавлении феррата в обрабатываемые воды в концентрациях порядка 0.1 .. 50 мг/л он разлагается в течение нескольких минут. Таким образом, измерение остаточной концентрации феррата в обрабатываемых водах не представляется целесообразным. В связи с этим принято решение об измерении концентрации феррата натрия в производимом продукте на выходе из ферратного модуля. Тогда, на основании заданного объема добавки феррата в обрабатываемые воды и объема протока этих вод САУ рассчитывает требуемый объем дозирования феррата. Синтез феррата производится на номинальных параметрах, соответствующих максимальной эффективности. Для этого САУ формирует на выходе управляемого источника питания ИП2 ток, линейно возрастающий от 0 до 630 А за 15 минут и далее устанавливает производительность насоса Н2.1 128 л/ч и насоса Н2.2 больше на 5%, чтобы исключить переполнение анодных камер электролизера.
Процесс синтез начинается после того, как уровень ферратного продукта в баке с продуктом (Б4) достигает нижней отметки, контролируемой датчиком уровня жидкости (Д2.6.2), и осуществляется до тех пор, пока этот уровень не достигнет верхней отметки, также контролируемой датчиком уровня жидкости (Д2.6.1). После наполнения бака с продуктом работа подающих электролит насосов (Н2.1 и Н2.2) прекращается, ток на источнике питания линейно снижается от 630 до 0 А, синтез приостанавливается. Плавная подача и отключение тока осуществляется для увеличения срока службы мембраны.
При этом в соответствии с требуемым значением объема дозирования феррата САУ осуществляет управление производительностью насоса Н2.3. Дозирование осуществляется непрерывно и не зависит от цикла синтеза феррата в электролизере. Расчет объема дозирования осуществляется на основе данных о концентрации феррата в продукте, выходящем из бака, с помощью проточного датчика (Д2.1).
Для контроля за уровнем жидкости в анодной и катодной камере (при наличии нескольких камер они соединены общим трубопроводом и являются, по сути, одной составной камерой) снаружи на стенках камер устанавливаются датчики уровня жидкости (Д2.4.1 .. Д2.5.2) для автоматизации этой функции. Такое решение позволяет гарантировать нахождение мембраны полностью в электролите.
Контроль параметров процесса осуществляется специальными датчиками. Измерение температуры внутри электролизера осуществляется датчиком температуры (Д2.2), установленным на выходе из катодной камеры, так как католит на выходе из камеры имеет температуру ячейки и не содержит феррата, который может осуществлять дополнительное разрушающее воздействие на корпус контактного датчика температуры. Контроль отсутствия избыточного давления в системе отвода водорода осуществляется датчиком избыточного давления (Д3), устанавливаемым в этой системе отвода. Слежение за уровнем жидкости в баке с раствором щелочи (Б3) также осуществляется датчиками уровня жидкости (Д2.3.1 .. Д2.3.2).
Слежение за условиями в производственном помещении осуществляется также специализированным датчиком водорода (Д4), установленным непосредственно под потолком помещения. Для удаления утечек газов и испарений в помещении над установкой размещена общая вытяжная вентиляция (В1).
Алгоритм управления производительностью дозирующего насоса основывается на измеряемой концентрации феррата в продукте и осуществляется по принципу П-регулятора, подвида ПИД-регулятора, с одной составляющей [50]. Интегральная и дифференциальная составляющие не применяются, так как объект управления, дозирующий насос, имеет минимальную инерционность, а статическая составляющая ошибки отсутствует
Конструктивные решения электролизеров, рациональный выбор материалов и покупных функциональных модулей
Хлорный электролизер построен по биполярному принципу, в соответствии с которым пары анод-катод подключают последовательно. Ток через электролизер равен току через любую из таких пар, а напряжение на электролизере равно сумме напряжений, падающих на каждой паре. Такое подключение позволяет, увеличивая напряжение на электролизере, уменьшить ток, протекающий через него, что позволяет применять провода и источники питания с меньшим сечением проводников. Применительно к хлорному электролизеру его электроды конструктивно разбиты на блоки, содержащие один анод и один катод, не являющиеся одной парой. Эти блоки разделены мембранами и располагаются между наружными камерами – анодной и катодной. Схема такого электролизера показана на рисунке 4.4. Корпус блока, как и наружных камер, – металлический, а значит токопроводящий, и дополнительное электрическое соединения анода и катода внутри блока не требуется.
Компоновка ферратного электролизера отличается от компоновки хлорного. Так как большую эффективность показало размещение анодной камеры с двумя анодами между двух катодных камер (см. п. 2.4), то принимается монополярная схема ферратного электролизера (см. рисунок 2.5). В соответствии с п. 2.4 суммарная площадь анодов электролизера составляет 1.26 м. кв. Там же показано, что расход анода составляет не менее 0,43 мм в сутки. При допущении, что замена анода должна осуществляться не чаще 1 раза в неделю, то толщина анода должна быть не менее 3 мм. При этом масса анода указанной площади и толщины (при плотности стали 7800 кг/м.куб.) составит 30 кг, что слишком много для обслуживания. При допустимой массе анода для обслуживания 3 кг количество анодов принимается равным 10. При этом площадь одного анода составит 0.125 м. кв., а сторона 0.35 м. Как указано в п. 2.4, аноды располагаются в анодных камерах попарно, следовательно, количество анодных камер – 5 шт. В соответствии с принципом построения монополярного электролизера анодные камеры чередуются с катодными, число которых получается 6 шт., число катодов равно числу анодов и равно 10 шт. при такой же площади, где в 4 камерах расположено по 2 катода, а в двух крайних камерах по одному. Зазоры между электродами и боковыми и нижним краями камер принимаются 5 мм из условия их достаточности для циркуляции электролита между объемом камеры и пространством между электродом и мембраной.
Ввиду большого числа камер (11 шт.) корпус электролизера предложен в виде единого объема, который делится на камеры мембранами. Для монтажа мембран в корпус используются пары непроводящих рамок, между которыми зажимается мембрана. Далее пара рамок с зажатой между ними мембраной вставляется в специальные вертикальные пазы в боковых стенках. Это позволяет плотно закрепить мембраны и минимизировать протечки между камерами. Для обеспечения достаточной упругости рамок их толщина принимается равной 5 мм.
Электроды размещаются в камерах в плоскостях, параллельных мембране. Для обеспечения зазора между их краями и боковыми и нижней стенками камер они крепятся в камерах специальными П-образными держателями, позволяющими вертикальное перемещение электродов для их демонтажа и монтажа. Из условия прочности держателей их толщина также принимается равной 5 мм. Таким образом, расстояние между электродом и мембраной, определяемой суммой толщин рамки и держателя, составляет 1 см, что было указано в п. 2.4.
В боковой стенке каждой камеры размещается подающий и отводящий трубопровод. Для обеспечения возможности вытекания содержимого камер без большого сопротивления внутренний диаметр трубопровода принят 12 мм – ходовой типоразмер пластиковых трубопроводов. При этом внешний диаметр штуцера для подключения трубки непосредственно к камере составляет 20 мм. В связи с этим, с учетом толщины электродов и расстояния между электродами и мембраной ширина одной камеры составляет 50 мм. Ширина камеры при указанных габаритах электродов и зазоров составляет 360 мм. Высота камер при указанных габаритах электродов, зазора и необходимости иметь над электродом минимальный зазор в 3 см для монтажа электрических присоединений составляет 395 мм.
Таким образом, внутренний объем ферратного электролизера составляет 550 х 360 х 395 мм. В объеме размещаются 10 мембран размерами 360 х 395 мм, размещенных между рамками, установленными в пазах. Между мембранами в камерах устанавливаются электроды, размещенные в П-образных держателях. Сверху к электродам крепятся кабели (электрические присоединения), идущие к источнику питания. Далее сверху объем электролизера закрывается крышкой, крепление которой осуществляется несколькими болтовыми соединениями. Между корпусом и крышкой размещается резиновая уплотнительная прокладка из вакуумной резины, толщиной 3 мм. Трехмерная модель ферратного электролизера показана на рисунке 4.5.
Одной из сложностей эксплуатации ферратного электролизера предложенной компоновки является необходимость демонтировать и монтировать электрические присоединения к анодам при их замене или очистке. Для устранения этой сложности предложена компоновка электролизера, где генерация феррата на плоскости расходуемого анода производится транзитным электрическим током, а сам расходуемый анод не имеет электрического подключения, что упрощает его замену. Источником тока при этом являются нерасходуемые анод и два катода. Схема такого электролизера показана на рисунке 4.6.
Исследование предложенной компоновки показало, что при наличии зазоров между расходуемым анодом и стенками камеры производство феррата не происходит. Это подтверждает предположение о том, что падение напряжения на слое, где образуется феррат, больше, чем сопротивление электролита в зазорах, и большая часть тока течет в обход расходуемого анода. При размещении этого анода вплотную к краям камеры, то есть без зазоров, образование феррата имеет место вдоль плоскости анода, обращенной к мембране. Однако размещение расходуемых анодов без зазора требует уплотнения и только усложнит процесс их замены. Как следствие предложенная компоновка к реализации не принимается.
Одной из возможных модификаций предложенной выше компоновки является построение ферратного электролизера, в котором в качестве расходуемого анода взят мелкодисперсный железный порошок. Потенциал на порошок передается с горизонтального нерасходуемого анода, открытая площадь которого должна быть полностью покрыта порошком, чтобы избежать токовой утечки, при которой генерация феррата не происходит. При такой компоновке замена анода не требуется, при падении производительности ячейки осуществляется досыпание порошка. Схема такого ферратного электролизера представлена на рисунке 4.7.
При экспериментальных испытаниях предложенной компоновки выяснилось, что небольшой объем газовыделения на поверхности нерасходуемого анода приводит к тому, что железный порошок всплывает и распространяется по объему анодной камеры в виде мути, открывая анод и приводя к токовым утечкам. Для удержания порошка на поверхности нерасходуемого анода был использован постоянный магнит, размещенный под корпусом ячейки. Однако частицы порошка при поднесении магнита встраиваются группами вдоль линий магнитной индукции, оголяя большую часть площади нерасходуемого анода и приводя к токовым утечкам. При этом генерация феррата не наблюдается. Одним из возможных вариантов развития предложенной компоновки может быть использования железного порошка более крупной фракции, которая не будет разноситься по камере газовыделением на нерасходуемом аноде, однако на данный момент эта компоновка не применяется.
Для изготовления и испытания электролизеров необходимо осуществить рациональный выбор материалов, из которых изготавливаются их детали. Требования к материалам устройств КЭА приведены в п. 3.1.
В хлорном электролизере электроды крепятся к корпусу камеры с помощью сварки и электрически связаны с ней. Поэтому для подведения питания к электродам корпус камер хлорного электролизера должен изготавливаться из токопроводящего листового материала, достаточно жесткого для обеспечения продолговатой формы камеры со стабильной геометрией.
Для минимизации стоимости таким материалом выбрана сталь. При этом в соответствии с требованиями п. 3.1 внутренняя поверхность камеры покрывается титановым листом. По тем же требованиям анод электролизера изготавливается из титана, а катод – из нержавеющей стали. Сепараторы изготавливаются из полиметилметакрилата, который длительно стоек к анолиту и раствору щелочи и позволяет осуществлять визуальный контроль процесса производства анолита.