Способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод в непрерывном режиме
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF THE PROCESS OF ION-EXCHANGE SORPTION OF AMINO ACIDS FROM WASTE WATER IN CONTINUOUS MODE

Предлагаемое изобретение относится к способам и системам автоматического управления процессом ионообменной сорбции целевых компонентов из сточных вод и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен способ автоматического контроля и регулирования содержания поверхностно-активных веществ в водных технологических растворах (Заявка на патент РФ 2000127702 Кл. G 01 N 33/18, 35/00, Опубл. 01.27.2003) включающий контроль и регулирование содержания поверхностно-активных веществ в водном растворе очищающего средства.
Недостатком известного способа является использование не автоматических методов контроля целевых компонентов, что не обеспечивает оперативного регулирования процессом.
Известен способ автоматического управления процессом очистки сточных вод в устройстве (Патент РФ 94015544, МКИ С 02 F 3/02 Заявл. 27.04.1994, опубл. 10.04.1996 г.) включающем контроль концентраций ингредиентов сточных вод, измерение расхода жидких растворов и их уровня в резервуарах.
Недостатком способа является невысокая точность управления т.к. она не предусматривает контроля целевого компонента в сточных водах на входе и в отработанном регенерирующем растворе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предполагаемому является способ управления ионообменной очисткой воды в установке (А.с. 1389838, МКИ B 01 J 47/02 Заявл. 12.06.1986, опубл. в Б.И., 1988 № 15) включающий контроль и регулирование потоков регенерационного раствора и обрабатываемой воды.
Недостатком способа является недостаточно полное использование сорбента и невысокая точность управления т.к. не предусматривает контроля вспомогательных режимов и изменения параметров работы оборудования в зависимости от рациональных параметров проведения процесса.
Технической задачей изобретения является повышение точности управления и регулирование параметров работы оборудования в зависимости от рациональных параметров проведения процесса.
Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод в непрерывном режиме, включающем контроль концентраций ингредиентов сточных вод, измерение расхода жидких растворов и их уровня в резервуарах, новым является то, что сначала заполняют до определенного уровня катионитом ионообменную колонну, а затем в нее подают исходную воду в ионообменную колонну, в которой предварительно измеряют уровень кислотности и поддерживают его на необходимом уровне, осуществляют контроль за ее расходом, который регулируют до оптимальной скорости фильтрации при сорбции и при достижении определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты, соответствующей точке «проскока», осуществляют дозаполнение ионообменной колонны катионитом до предельно-допустимого уровня, обеспечивающего отсутствие на выходе из колоны в растворе содержания целевого компонента в виде аминокислоты на выходе из колонны, после чего процесс сорбции ведут до появления в отработанном растворе остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты, соответствующей точке «проскока» и в этот момент осуществляют перемещение части катионита на регенерацию в камеру десорбции, а камеру сорбции дозаполняют из сепаратора, подвергнутым регенерации, катионитом до уровня, при котором в процессе сорбции отсутствует в отработанном растворе целевой компонент в виде аминокислоты, при этом подвергнутый регенерации катионит из камеры сорбции подается в сепаратор потоками воздуха с помощью воздуходувки из холодильника, при этом в сепараторе обеспечивают допустимый перепад давлений, а в холодильнике необходимую скорость воздуха, причем регенерацию ведут в две стадии, сначала осуществляют вытеснение кислых сточных вод из катионита путем пропускания через него с рациональной скоростью предварительно подогретого до необходимой температуры дистиллята, в котором на выходе из ионообменной колонны измеряют кислотность, по уровню которой судят об окончании стадии вытеснения, а затем проводят десорбцию путем фильтрования через слой катионита, предварительно нагретого до заданного уровня температуры десорбирующего раствора с осуществлением контроля и регулирования его расхода до оптимальной скорости фильтрации при десорбции, причем после прохождения раствора через ионообменную колонну его отбирают в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности и прекращают стадию десорбции при достижении кислотности исходного значения, при этом информация о протекании процессов ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод и десорбции катионита передается с датчиков контроля процесса ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод через вторичные приборы в микропроцессор, который выдает корректирующие сигналы через цифроаналоговые преобразователи исполнительным механизмам для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных рациональных параметров проведения процесса.
Технический результат заключается в увеличении полноты использования сорбента и повышении точности управления и регулировании параметров работы оборудования в зависимости от рациональных параметров проведения процесса.
На фиг. 1 представлена схема способа автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод в непрерывном режиме.
Схема способа автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод в непрерывном режиме включает ионообменную колонну (адсорбер) вертикального типа 1, включающую камеры сорбции 2 и десорбции 3, холодильник 4, сепаратор 5, емкость исходной воды 6, регенерирующего раствора 7 и емкости для дистиллята 8 с нагревательными элементами соответственно 9 и 10, двигатели 11,12, вентиляторы 13,14, регулирующие вентили 15 – 29.
Схема способа автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод включает также линию 30 подачи исходной воды в ионообменную колонну 1,  линию 31 удаления отработанной воды, линию 32 подачи дистиллята в ионообменную колонну 1, линию 33 отвода дистиллята из ионообменной колонны 1, линию 34 подачи регенерирующего раствора в ионообменную колонну 1, линию 35 отработанного регенерирующего раствора из ионообменной колонны 1, линии подачи воздуха 36, 37 в холодильник 4, линию 38 сброса избыточного воздуха из сепаратора, датчики 39-43 расхода, датчики концентрации целевого компонента 44, 45 соответственно в исходной воде и обработанной воде на выходе из ионообменной колонны,  датчики уровня 46, 47, 48, 49, 50, 51 соответственно в емкостях исходной воды 6, регенерирующего раствора  и 7 дистиллята 8, датчики температуры 52, 53, соответственно регенерирующего раствора в емкости 7 и дистиллята в емкости 8, датчики кислотности 54,55,56, соответственно в исходной воде при ее подаче в ионообменную колонну 1, в отработанном регенерирующем растворе из ионообменной колонны 1 и в кислых водах на выходе из ионообменной колонны 1, датчики скорости 57,58,59,  датчики давления 60,61, вторичные приборы 62-82, микропроцессор 83, цифроаналоговые преобразователи 84-102, исполнительные механизмы 103-121.
Способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод в непрерывном режиме осуществляется следующим образом.
Сточные воды, содержащие в своем составе целевой компонент в виде аминокислоты (например, 20 г/л лизина), различные соли (например, 200 г/л сульфата натрия) и другие компоненты, подаются в емкость 6, в которой, передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 120 регулирующего вентиля 15, поддерживается допустимый уровень исходной воды, контролируемый датчиком 46. Также в емкости 6 контролируется с помощью датчика 54 и поддерживается путем добавления соответствующих реагентов (кислоты) необходимый уровень кислотности (например, pH 1÷2).
Из емкости 4 по линии 27 исходная вода, передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 74 исполнительному механизму 108 регулирующего вентиля 14, подается в ионообменную колонну 1, заполненную до минимально-допустимого уровня (например, 1,6 м) сульфокатионитом, обладающим наибольшей избирательностью, кинетической проницаемостью и динамической активностью по отношению к целевому компоненту в виде аминокислоты (например, катионит КУ-2 поликонденсационного типа который обладает при сорбции из водных солевых растворов производственных сточных вод, наибольшей избирательной способностью по отношению к лизину).
2
При этом с помощью датчика расхода 39 в линии 30 производится контроль за расходом исходной воды, которая регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 119 регулирующего вентиля 16, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при сорбции (например, 3000 л/часм), контролируемой в аппарате с помощью датчика скорости 58. В ионообменной колонне 1 происходит фильтрация воды. Удаление отработанной воды при этом производится по линии 31 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 121 для переключения регулирующего вентиля 17.
При достижении определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию лизина 0,5 г/л),, соответствующей точке «проскока» и контролируется датчиком концентрации целевого компонента 45, осуществляют дозаполнение ионообменной колонны катионитом до предельно-допустимого уровня (например, 4 м), обеспечивающего отсутствие содержания в растворе целевого компонента в виде аминокислоты на выходе из колоны, после чего процесс сорбции ведут до появления в отработанном растворе остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию лизина 0,5 г/л), соответствующей точке «проскока» и в этот момент осуществляют передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 107 регулирующего вентиля 28, для перемещение части катионита из камеры сорбции 2 на регенерацию в камеру десорбции 3 до ее полного заполнения до уровня (например, 1,6 м) контролируемого датчиком 51, а камеру сорбции дозаполняют до предельно-допустимого уровня (например, 4 м) из сепаратора 5, подвергнутым регенерации, катионитом
Подвергнутый регенерации катионит в сепаратор 5 нагнетается потоками воздуха воздуходувками 13 и 14 из холодильника 4 со скоростью обеспечивающей его перемещение (например, 0,069 м/с), путем передачи корректирующих сигналов с микропроцессора 83 исполнительным механизмам 115, 116 для включения соответственно двигателей 11, 12.
Для предотвращения забивания фильтров, стоящих в сепараторе, измеряют необходимый перепад давлений внутри и на выходе из него соответственно датчиками давления 60, 61, Необходимое давление (например, 0,8-1,5 кПа) поддерживается с помощью передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительным механизмам 108, 113 и 114 для переключения регулирующих вентилей 26, 24 и 25 которые изменяют соотношение расхода воздуха в сепараторе 5, контролируемого датчиками расхода 42,43.
С целью предотвращения загрязнения десорбируемого лизина сульфатом натрия вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 1 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее дистиллята из емкости 8 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 111 регулирующего вентиля 22. Дистиллят при этом проходит через слой катионита и на выходе из ионообменной колонны 1 в нем измеряется кислотность с помощью датчика 55, а затем он удаляется через линию 33.
о
Дистиллят подается в ионообменную колонну 1 подогретым в емкости 8, до необходимой температуры (например, 70 - 80 С), контролируемой датчиком 53 и поддерживаемой на заданном уровне, передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 109 нагревательного элемента 10. В емкости 8 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 109 регулирующего вентиля 21 также поддерживается необходимый уровень дистиллята, измеряемый датчиком 48.
о
о
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 1 фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t=70 С) 1 % раствор едкого натра, содержащий 25-30 г/л лизина), предварительно нагретый в емкости 7 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 104 нагревательного элемента 9 до заданного уровня температуры (например, 50÷60 С). В емкости 7 также поддерживается, измеряемый датчиком 47, необходимый уровень десорбирующего раствора передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 106 регулирующего вентиля 18.
2
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 1 осуществляется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 105 регулирующего вентиля 19. При этом с помощью датчика расхода 41 на входе в ионообменную колонну 1 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 105 регулирующего вентиля 19, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/часм). После прохождения раствора через ионннообменную колонну 1 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, pH=5,5÷7), контролируемого датчиком 56, и путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 117 регулирующего вентиля 23 удаляется в линию 35 из которого по охлаждении до комнатной температуры далее выделяется кристаллический целевой компонент в виде аминокислоты (например, лизина в количестве 75÷80% от сорбированного).
Вытеснение регенерирующего раствора осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 83 исполнительному механизму 111 регулирующего вентиля 22 для подачи в ионообменную колонну 1 дистиллята.
По окончании вытеснения нейтрального целевого компонента (например, лизина) рН элюата резко возрастает и быстро достигает исходного значения (например, pH=12÷12,5). Например, при этом оставшийся лизин десорбируется и вместе с маточником, полученным при фильтрации кристаллического лизина, используется при десорбции в следующем цикле. Одновременно с десорбцией осуществляется регенерация лизина (перевод в натриевую форму). Чистота выделенного кристаллического лизина характеризовалась содержанием основного продукта и сульфата натрия (согласно ТУ на лизин), а также данными, полученными при элементном анализе продукта на содержание углерода, серы и азота.
После регенерации катионит с помощью передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 83 исполнительному механизму 103 регулирующего вентиля 27, передают в холодильник для повторного его использования.
Таким образом, непрерывная схема работы ионообменной колонны 1 предусматривает, что при достижении на выходе из адсорбера 1  концентрации метионина 0,5 г/л, производят дозаполнение катионитом камеры сорбции 3, а при повторном достижении на выходе из адсорбера 1  концентрации метионина 0,5 г/л, осуществляют перемещение части катионита на регенерацию в камеру десорбции 3 для проведения последующих стадий вытеснения и десорбции, т.е. адсорбер работает по замкнутому циклу: сорбция  вытеснение кислых сточных вод  десорбция и активация катионита  вытеснение регенерирующего раствора  сорбция и т.д.
При этом информация о протекании процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод передается с датчиков через вторичные приборы 62-82 в микропроцессор 83, который выдает корректирующие сигналы через цифроаналоговые преобразователи 84-102 исполнительным механизмам 103-121 для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
Предлагаемый способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод в непрерывном режиме имеет преимущества за счет того, что дополнительное измерение режимов и изменение параметров работы оборудования в зависимости от рациональных параметров проведения процесса позволяет повысить точность управления и минимизировать энергетические и материальные издержки, а последовательное в камере сорбции размещение и дозаполнение сорбента и последующее своевременное удаление его части из камеры обеспечивает наиболее полное его использование для целей извлечения целевого компонента.