Автоматическая система контроля физико-химических параметров жидкой фазы пульпы
AUTOMATIC SYSTEM FOR MONITORING THE PHYSICO-CHEMICAL PARAMETERS OF THE LIQUID PHASE OF PULP

Настоящее изобретение относится к средствам автоматического контроля физико-химических компонентов пульп, растворов и может быть использована в области обогащения руд полезных ископаемых, химической и других отраслях промышленности.
На настоящий момент времени известен ряд, отличающихся разной степенью эффективности, технических решений данной проблемы.
Известны системы контроля, основанные на применении потенциометрических датчиков ионного состава пульп, реализующих принцип измерения ЭДС гальванических элементов, образуемых индикаторными ионоселективными электродами и электродами сравнения (И.Н. Дмитриевич и др. Физико-химические методы анализа. Учебное пособие, СПб, 2014 г., стр. 16-29. http://www.nizrp.narod.ru/metod/kafobshineorgh/8.pdn.
Недостатками данного типа систем является невысока точность измерений из-за влияния на величину ЭДС присутствующих в пульпе ионов неконтролируемых веществ, абразивный износ и зарастание поверхностей электродов нерастворимыми отложениями.
Известны системы контроля ионного состава пульп, использующие кондуктометрические методы анализа, основанные на измерении удельной электропроводности жидкостей. Системы данного типа содержат кондуктометрические датчики различных конструкций, погружную арматуру и электронные преобразователи (И.Н. Дмитриевич и др. Физико-химические методы анализа. Учебное пособие. СПб, 2014 г., стр. 42-55. http://wvvw.nizrp.narod.ru/metod/kafobshineorgh/8.pdf).
Данному типу датчиков так же присущи недостатки, аналогичные перечисленным выше, так как на величину удельной проводимости наряду с контролируемым веществом влияют и другие химические элементы, содержащиеся в пульпе или растворе.
Более совершенной является система автоматического контроля физико-химических компонентов пульпы- концентратомер КФП-5 (http://www.uralautomatica.ru/cgi-bin/catalog/viewpos.cgi?in_id=60&made=).
Концентратомер обеспечивает автоматический отбор фильтрата пульпы, подачу его в измерительную кювету и последующий анализ содержания ионов СаО и величины рН с помощью, соответственно, кондуктометрического и потенциометрического датчиков. Данная система повышает защиту поверхностей измерительных электродов от зарастания, но не полностью устраняет недостатки, присущие применяемым методам контроля, включая ограничения по применению их в области высоких концентраций (И.Н. Дмитриевич и др. Физико-химические методы анализа. Учебное пособие. СПб, 2014 г., стр. 47. www.nizrp.narod.ru/metod/kafobshineorgh/8.pdf.)
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является «Устройство автоматического контроля физико-химических компонентов пульпы» (RU, патент на полезную модель №158442, кл. G01N 27/26, 2015 г.)
Устройство содержит управляющий контроллер с панелью визуализации, пробозаборник, накопительную емкость с датчиком уровня материала, переключающие клапаны, клапаны подачи сжатого воздуха и воды, измерительную кювету, выполненную из абразивоустойчивого прозрачного материала, датчики концентрации компонентов жидкой фазы пульпы, выполненных в виде кондуктометрического и потенциометрического датчиков, рефрактометра, микродозатора титранта и оптического индикатора точки эквивалентности.
Недостатками известного устройства являются:
1. Нерациональное конструктивное решение по применению перекачивающего насоса для доставки фильтрата от приемной воронки до измерительной кюветы. Учитывая цикличность подачи контролируемой пробы в измерительную кювету, обусловленную необходимостью обеспечения выдержки времени для формирования осветленного слоя, дорогостоящий перекачивающий насос, функционально предназначенный для непрерывной подачи материала, большую часть цикла измерения будет находиться в нерабочем состоянии.
2. Стабилизация объема фильтрата в измерительной кювете путем организации перелива и расположение всех датчиков концентрации в одном объеме измерительной камеры искусственно увеличивает необходимый для анализа объем материала, что приводит к увеличенному расходу применяемых для титрования реагентов.
3. Наличие в контролируемых продуктах ионов СаО приводит к появлению известковых налетов на стенках измерительной камеры, что может привести к отказу работы оптического датчика точки концентрации.
Принцип работы оптических датчиков предусматривает формирование на выходе приборов дискретных сигналов «да/нет», что не позволяет использовать их для визуального анализа процессов, происходящих в измерительной камере, и оптимизации режима подачи реагентов.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении точности контроля физико-химических параметров жидкой фазы пульпы, растворов и улучшении эксплуатационных характеристик системы.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматическая система контроля физико-химических параметров жидкой фазы пульпы, содержащая управляющий контроллер с панелью визуализации, пробозаборник, накопительную емкость с датчиком уровня материала, переключающие клапаны, клапаны подачи сжатого воздуха и воды, измерительную ячейку, выполненную из абразивоустойчивого прозрачного материала, датчики концентрации компонентов жидкой фазы пульпы, выполненные в виде кондуктометрического и потенциометрических датчиков, рефрактометра, микродозатора титранта и оптического индикатора точки эквивалентности, отличающаяся тем, что согласно изобретению дополнительно содержит станцию приема и отправки пробы, трубопровод пневмодоставки, станцию приема и деаэрации с датчиком уровня материала, первую измерительную ячейку, содержащую кондуктометрический, потенциометрический датчики и рефрактометр, вторую измерительную ячейку, содержащую датчик уровня материала, мешалку с электроприводом и датчик точки эквивалентности, выполненный в виде видеокамеры с источником внешней подсветки материала ячейки, емкость с раствором кислоты, оснащенную разгрузочным клапаном, емкость, содержащую раствор вещества-индикатора с микродозатором, емкость, содержащую раствор титранта с микродозатором, при этом, вход станции приема и отправки пробы соединен со сливным выходом накопительной емкости, а ее выход подключен ко входу трубопровода пневмодоставки, выход которого соединен со входом станции приема и деаэрации, первый выход которой соединен со входом первой измерительной ячейки, второй выход соединен с первым входом второй измерительной ячейки, второй, третий и четвертый входы второй измерительной ячейки соединены с соответствующими выходами разгрузочного клапана емкости с раствором кислоты и микродозаторов растворов индикатора и титранта, причем измерительные входы контроллера соединены с выходами датчиков уровня, концентрации, рефрактометра и видеокамеры, а выходы контроллера соединены с управляющими входами переключающих клапанов, микродозаторов, электропривода мешалки, видеокамеры и источника внешней подсветки.
Принцип работы системы автоматического контроля физико-химических компонентов жидкой фазы пульпы поясняется схемой на прилагаемом рисунке.
Система содержит технологическую емкость 1, пробозаборник 2 пульпы, пульпоприемную емкость 3 с зоной 4 осветления, датчиком 5 уровня материала, клапанами 6 сброса пульпы в дренаж и 7 подачи воды на промывку, эжектор 8 системы вакуумирования с клапаном 9 подачи сжатого воздуха, станцию 10 приема и отправки пробы с заборным устройством 11 фильтрата из зоны 4 осветления, клапанами 12 подачи фильтрата, 13 подключения входа в трубопровод 14 пневмодоставки пробы, 15 подачи сжатого воздуха и 16 выхода в атмосферу, станцию 17 приема и деаэрации пробы с датчиком 18 уровня материала, с клапанами 19 подачи воды на промывку, первую измерительную ячейку 20 с кондуктометрическим 21, потенциометрическим 22 датчиками концентрации и рефрактометром 23, клапанами 24 подачи питания со станции 17 и 25 сброса материала в дренаж, вторую измерительную ячейку 26 с мешалкой 27 с электроприводом, датчиком 28 уровня материала, датчик точки эквивалентности, выполненный в виде видеокамеры 29 с источником 30 внешней подсветки материала, клапанами 31 подачи материала из станции 17 приема и деаэрации и 32 сброса материала в дренаж, микродозаторы 33, 34 подачи, соответственно, индикатора и титранта в измерительную ячейку 26, клапан 35 подачи раствора кислоты на промывку измерительной ячейки 26 и управляющий контроллер 36 с панелью 37 визуализации.
Работа автоматической системы осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии клапаны 9, 15 подачи воздуха и 7, 19 воды, 12, 13, 24, 31 подачи и 6, 25, 32 сброса материалов в дренаж, 35 подачи раствора кислоты и 16 выхода в атмосферу находятся в закрытом положении, мешалка 27, микродозаторы 33, 34 и источник 30 внешней подсветки выключены, датчики 5, 18, 28 уровней материалов, датчики концентрации 21, 22, рефрактометр 23 видеокамера 29, управляющий контроллер 36 и операторская панель 37 работают в ждущем режиме.
В рабочем режиме с панели 37 визуализации подают команду управляющему контроллеру 36 на запуск системы. В соответствии с заложенной программой контроллер 36 формирует команду Y1 на открытие клапана 9 подачи сжатого воздуха на эжектор 8 системы вакуумирования. Вследствие разрежения, создаваемого системой вакуумирования, пульпа из технологической емкости 1 через прбозаборник 2 начнет поступать в пульпоприемную емкость 3. По достижению материалом заданного уровня с датчика 5 на вход контроллера 36 поступает сигнал X1, на основании которого контроллер 36 посылает команду Y1 на закрытие клапана 9 подачи сжатого воздуха, вследствие чего вакуум в системе пропадает, поступление пульпы в емкость 3 прекращается и включается программный таймер отсчета выдержки времени Δt1, необходимой для достижения в процессе выпадения в осадок твердых частичек заданной плотности жидкой фазы пульпы в зоне 4 осветления. По истечении выдержки времени Δt1, контроллер 36 посылает команды Y2, Y3 на открытие клапанов 12, 16 и фильтрат из зоны 4 осветления через заборное устройство 11 начнет заполнять станцию 10 приема и отправки пробы. Необходимый объем заполнения материалом станции 10 задается контроллером 36 по величине перепада уровня материала, определяемого по показаниям датчика 5 в емкости 3 по мере ее опорожнения. По достижению заданного объема материала в станции 10 формируются команды Y2, Y3 на закрытие клапанов 12, 16 и Y4, Y5 на открытие клапанов 13, 15, вследствие чего материал под давления сжатого воздуха из станции 10 по трубопроводу 14 пневмодоставки будет перемещен в станцию 17 приема и деаэрации пробы. По завершению заполнения материалом станции 17, на основании сигнала Х2 датчика 18 уровня в соответствии с командами Y4, Y5 клапаны 12, 16 закрываются и командой Y6 открывается клапан 24 подачи питания в первую измерительную ячейку 20.
Необходимость в создании двух измерительных ячеек обусловлена стремлением максимального уменьшения объема ячейки, предназначенной для выполнения процедуры титрования, так как с уменьшением объема анализируемого материала уменьшается требуемый расход реагентов, что приводит к улучшению эксплуатационных характеристик системы.
Требуемый объем заполнения материалом первой измерительной ячейки 20 задают по величине перепада уровня материала, определяемого по показаниям датчика 5. После выдержки времени Δt2, необходимой для завершения переходных процессов измерения, выходные сигналы Х3, Х4, Х5, соответственно, кондуктометрического 21, потенциометрического 22 датчиков концентрации и рефрактометра 23, поступают на измерительные входы контроллера 36. Выбор типов датчиков производят в зависимости от номенклатуры и диапазонов концентрации контролируемых элементов.
В случае неэффективной работы датчиков концентрации из-за влияния мешающих факторов или высокой концентрации контролируемых компонентов, выходящей за рабочий диапазон измерения, анализ осуществляют на основе применения метода титрования. Для его реализации по команде Y7 открывают клапан 31 и заполняют вторую измерительную ячейку 26 до поступления на вход контроллера 36 сигнала Х6 от датчика 28, после чего клапан 31 закрывают. Далее следуют команды Y8, Y9, Y10 на включение мешалки 27, источника 30 внешней подсветки, видеокамеры 29 и Y11 на включение микродозатора 33 индикатора, подача которого производится до появления устойчивой окраски материала в ячейке 26. Подача индикатора прекращается автоматически на основе сравнения численного значения плотности (количества пикселей) цвета одной из составляющих спектра RGB сигнала Х7 видеокамеры 29, наиболее коррелированной с контролируемым цветом, с заранее заданным значением. Наличие источника 30 внешней подсветки в непосредственной близости от видеокамеры 29 позволяет исключить помехи колебаний интенсивности внешнего светового фона за счет стабилизации условий освещенности материала в ячейке 26 и, тем самым, повысить точность оценки цветовых характеристик. После выдержки времени Δt3, необходимой для завершения окраски всего объема материала, находящегося в измерительной ячейке 26, следует команда Y12 на включение микродозатора 34 титранта. Подачу титранта осуществляют до наступления момента полного обесцвечивания (достижения точки эквивалентности) материала. Фиксацию момента достижения точки эквивалентности осуществляют аналогично описанной выше процедуре на основе анализа составляющей спектра сигнала Х7, поступающего на вход контроллера 36.
Наличие возможности контроля плотности цвета материала в ячейке 26 благодаря применению видеокамеры 29 позволяет оптимизировать режим подачи титранта, заключающийся в интенсификации подачи титранта в начальный период анализа до получения заданной степени обесцвечивания материала и последующей минимизации его расхода с целью более точного определения объем израсходованного реагента на момент достижения точки эквивалентности.
Далее, с учетом объемов исследуемого материала, определяемого габаритами ячейки 26, уровнем ее заполнения и количества израсходованного титранта, в контроллере 36 по известной методике, например, приведенной в источнике https://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-18-kislotno-osnovnoe-titrovanie.html, производится расчет концентрация контролируемого компонента.
Полученные значения измеренных концентраций компонентов жидкой фазы пульпы полученные с помощью датчиков концентрации 21, 22, рефрактометра 23 или в результате титрования могут быть дополнительно обработаны и выданы на панель визуализации в удобном для восприятия виде или переданы в автоматизированную систему АСУТП более высокого уровня управления технологическими процессами.
По завершению процедуры титрования по команде Y13 открывают клапан 32, сбрасывают материал из ячейки 26 в дренаж, выключают видеокамеру 29, источник 30 дополнительного освещения и работу мешалки 27. После опорожнения ячейки 26 клапан 32 закрывают и по команде Y14 открывают клапан 35 на время Δt4, достаточное для подачи заданной порции раствора кислоты (например, 0,1% HCl), для промывки и сохранения прозрачности ее стенок за счет предотвращения образования на них нерастворимого известкового налета.
По окончании цикла измерений и промывки ячейки 26 кислотой открывают клапаны 6, 24, 25, 32 соответствующими командами Y16, Y6, Y15, Y13 для сброса в дренаж остатков материалов, сохранившихся в элементах системы и после выдержки времени Δt5, необходимой для завершения процесса удаления отработанных материалов, клапаны 6, 24, 25, 32 закрывают. Далее, путем соответствующего управления по заданной циклограмме клапанами 9, 15 подачи воздуха и 7, 19 воды, 12, 13, 24, 31 подачи и 6, 25, 32 сброса материалов в дренаж, 16 выхода в атмосферу осуществляют промывку емкостей, ячеек, соединительных магистралей и возвращают систему в исходное состояние.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность, точность измерений контролируемых компонентов жидкой фазы пульпы и улучшить эксплуатационные характеристики системы за счет применения комплекса дополнительных средств.