ОПЕРАТИВНЫЙ/ПОЛЕВОЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСТВОРА В ПРОЦЕССЕ БАЙЕРА
RAPID/FIELD ANALYSIS OF PROCESS SOLUTION IN BAYER PROCESS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к оперативному анализу многокомпонентных жидкостей и, в частности, к оперативному анализу многокомпонентных жидкостей, содержащих примеси. В частности, настоящее изобретение относится к устройству и способу для быстрого выполнения этих определений в оперативном режиме и/или непосредственно на месте нахождения объекта без необходимости в перемещении периодически отбираемых образцов для анализа в лабораторию. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения предусматривается определение концентрации окиси алюминия, общего содержания каустической соды и общей щелочности в потоке технологического раствора в процессе Байера.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Контроль состава технологического раствора в процессе Байера является ключевым моментом, необходимым для достижения стабильного контроля хода процесса Байера, позволяющего добиться максимального выхода окиси алюминия и максимальной производительности процесса. В состав компонентов технологического раствора в процессе Байера входят гидроксид натрия, алюминат натрия и окись алюминия, карбонат натрия и ряд примесей. Вообще, у примесей сохраняется постоянное относительное содержание по отношению друг к другу, и в терминах физико-химических свойств их можно рассматривать как некую одиночную примесь. Точность существующих оперативных анализаторов ограничивается их неспособностью выделять эффекты, создаваемые карбонатом и примесями.
Устройства, разработанные в прошлом для проведения анализа технологических растворов в процессе Байера, в частности, используют для определения состава раствора некоторые параметры, содержащие плотность, коэффициент преломления, скорость распространения звука, электропроводность, максимальную электропроводность и вязкость, взятые в различных комбинациях.
Для определения соотношения окись алюминия/суммарное содержание каустической соды измеряют удельную электропроводность. Для определения соотношения окись алюминия/суммарное содержание каустической соды используют максимальное значение удельной электропроводности, наблюдаемое при изотермическом разбавлении.
-
2-
3
Для определения общей щелочности (общее содержание ОН и СО ) измеряют плотность. В некоторых случаях применительно к концентрированным растворам для измерения плотности может быть использован рефрактометр. В качестве альтернативы измерениям плотности, в общем, считаются приемлемыми измерение коэффициента преломления и скорости распространения звука.
Можно измерять скорость распространения звука и использовать полученные значения для определения суммарного содержания каустической соды или общей щелочности. Для оценки величин концентрации окиси алюминия и общего содержания каустической соды, а иногда и общей щелочности использовались измерения комбинации электропроводности и плотности. Рефрактометр может быть заменен прибором для измерения плотности. Все эти методы требуют измерения температуры для введения соответствующей компенсации. Современные методы в типичном случае также используют лабораторную обратную связь, вводимую в уравнения в попытке учесть изменения, вносимые карбонатами и примесями.
Одним из примеров попытки осуществления оперативного анализа технологического раствора был аппарат, разработанный в Венгрии фирмой Aluteru FKI. Венгерский анализатор производит измерения технологического раствора в процессе Байера на предмет определения общего содержания каустической соды, общей щелочности и общего содержания окиси алюминия. Этот прибор использует уникальное соотношение между компонентным составом раствора и его плотностью, электропроводностью и максимальной проводимостью во время изотермического разбавления. Для достижения высокой точности этот прибор основывается на низкой изменяемости показаний за счет примесей, присутствующих в технологическом растворе. Таким образом, серьезным недостатком венгерского анализатора является то, что отклонение концентрации примесей в растворе от тех их концентраций, при которых проводилась калибровка анализатора, приводит к неточности определяемых анализатором параметров.
По всему тексту описания изобретения, если только контекстом не предусмотрено иное, слово «содержит» или его вариации, такие как «содержать» или «содержащий», следует понимать как необходимо предполагающее включение указанного целого или группы целых, но не исключение какого-либо другого целого или группы целых.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Скорость распространения звука и плотность прежде считались непосредственно связанными между собой и не независимыми и поэтому они не использовались в сочетании в известных до сего времени устройствах и способах. Благодаря такому убеждению, при анализе раствора не ставилась цель измерять оба эти параметра, т.е. скорость распространения звука и плотность.
Неожиданно, исследования скорости распространения звука, проведенные во время разработки настоящего изобретения, выявили тот факт, что скорость звука является достаточно независимой от плотности технологического раствора, чтобы представлять собой еще одну полезную переменную. Лабораторные исследования, проведенные автором к настоящему моменту, показали достаточно существенные различия между характеристиками плотности и скорости распространения звука, которые позволяют для получения дополнительных данных использовать обе эти характеристики одновременно. Скорость распространения звука является функцией плотности и объемного модуля упругости (величина, обратная сжимаемости). Эти экспериментальные исследования показали, что изменения общего содержания каустической соды и окиси алюминия совершенно различным образом влияют на скорость распространения звука и плотность. То есть объемный модуль упругости вносит существенный вклад в значения скорости распространения звука.
Эксперименты также показывают, что для получения более подробной информации, чем просто отношение содержания окиси алюминия к суммарному содержанию каустической соды, подразумевающееся при измерении максимальной электропроводности, может быть использована методика разбавления. Она может быть использована для получения множественных уравнений для всех измерений, поскольку вклады различных компонентов в каждую измеряемую переменную во время разбавления меняются различным образом.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается анализатор технологического раствора в процессе Байера, включающий:
средства для измерения электропроводности;
средства для измерения скорости распространения звука;
средства для измерения плотности;
причем указанный анализатор имеет канал для ввода образца,
предназначенный для приема образца раствора, и канал для ввода воды, которые по выбору могут быть гидравлическим соединением соединены с упомянутыми средствами для измерения электропроводности, упомянутыми средствами для измерения скорости распространения звука и упомянутыми средствами для измерения плотности, при этом
указанные средства для измерения электропроводности, средства для измерения скорости распространения звука и средства для измерения плотности размещены внутри одного или нескольких сосудов;
а указанный анализатор выполнен с возможностью принимать образец технологического раствора из указанного канала для ввода образца и перемещать образец технологического раствора к указанным одному или нескольким сосудам для проведения измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности соответствующего образца,
и с возможностью сливать названный образец раствора, промывать названные один или несколько сосудов водой, поступающей от канала для ввода воды, и сливать воду из упомянутых одного или нескольких сосудов до того, как поступит следующий образец технологического раствора,
и содержит процессорные средства, предназначенные для определения концентрации окиси алюминия, суммарного содержания каустика и общей щелочности и, дополнительно, суммарного содержания примесей по результатам проведенных измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности.
При анализе технологического раствора, используемого в процессе Байера, по данным проведенных измерений могут быть определены концентрация окиси алюминия, суммарное содержание каустика и общая щелочность (и, дополнительно, суммарное содержание примесей). Это определение может проводиться методом регрессии (например, линейным анализом) с составлением системы уравнений для вычисления концентрации компонентов технологического раствора. В альтернативном варианте могут быть изготовлены эталонные образцы (стандарты) так, чтобы образцы, взятые на объекте, или проводимые оперативные измерения можно было оценить в сравнении со стандартами. В электронном устройстве данные, относящиеся к стандартам, могут быть включены в сравнительную таблицу, помещенную в запоминающее устройство (временное или постоянное, например ПЗУ, ЗУПВ, жесткий диск и т.д.).
Предпочтительно, чтобы регрессия проводилась в виде линейного анализа.
В альтернативном варианте названные процессорные средства устроены так, чтобы они могли определять концентрацию окиси алюминия, суммарное содержание каустика и общую щелочность (и, дополнительно, суммарное содержание примесей) путем сравнения результатов измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности с результатами измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности, проведенных на эталонных образцах, представляющих собой стандартные образцы, результаты измерений которых включены в сравнительную таблицу, помещенную в память или другое устройство для хранения данных.
Предпочтительно, если названный анализатор работает так, чтобы он мог контролируемым образом принимать воду из указанного канала для ввода воды с целью разбавления указанного образца технологического раствора внутри указанного одного или нескольких сосудов, чтобы позволить названным средствам для измерения электропроводности измерять электропроводность в том случае, когда образец разбавлен и, дополнительно, измерять максимальную электропроводность разбавленного раствора.
В предпочтительном варианте названный анализатор приспособлен для анализа технологического раствора в процессе Байера и содержит процессорные средства для определения концентрации окиси алюминия, суммарного содержания каустика и общей щелочности (и, дополнительно, общего содержания примесей) по данным проведенных измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности, а также электропроводности во время разбавления.
Предпочтительно, если названные процессорные средства устроены так, что они имеют возможность определять концентрацию окиси алюминия, суммарное содержание каустика и общую щелочность (и, дополнительно, общее содержание примесей) с использованием системы уравнений, выведенных регрессией результатов проведенных измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности, а также электропроводности при разбавлении. Предпочтительно, если регрессия осуществляется методом линейного анализа.
В альтернативном варианте названные процессорные средства устроены так, что они могут определять концентрацию окиси алюминия, суммарное содержание каустика и общую щелочность (и, дополнительно, общее содержание примесей) посредством сравнения результатов натурных измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности, а также электропроводности при разбавлении с результатами измерений электропроводности, скорости распространения звука и плотности, а также электропроводности при разбавлении, полученными на эталонных образцах, действующих в качестве стандартов, результаты измерения которых включены в сравнительную таблицу, помещенную в память или иное устройство для хранения данных.
Предпочтительно, если названный сосуд содержит водослив, предназначенный для слива избытка жидкости по мере разбавления названного образца технологического раствора.
В других альтернативных вариантах устройства по мере разбавления образца технологического раствора могут измеряться также параметры скорости распространения звука и плотности, причем измеренный(е) упомянутый(е) параметр(ы) может быть введен неким коэффициентом в определение концентрации окиси алюминия, суммарного содержания каустика и общей щелочности (и, дополнительно, общего содержания примесей).
Предпочтительно, если названный анализатор действует так, что он промывает указанный канал для ввода образца водой, поступающей из указанного канала для ввода воды, до того, как будет принят следующий образец технологического раствора. Таким образом, предыдущий образец может быть смыт до поступления следующего образца.
Предпочтительно, если названный анализатор действует так, что он способен промывать названные один или несколько сосудов раствором, поступающим из указанного канала для ввода раствора, и производить слив из одного или нескольких сосудов до того, как поступит образец технологического раствора для проведения измерений. Таким образом, вода, используемая для промывки предыдущего образца, может быть удалена так, что она не будет разбавлять образец, на котором будет проведено измерение.
Предпочтительно, если названные средства для измерения электропроводности, средства для измерения скорости распространения звука и средства для измерения плотности содержатся внутри отдельных сосудов, гидравлически соединенных между собой последовательным образом.
Предпочтительно, если названные средства для измерения электропроводности, средства для измерения скорости распространения звука и средства для измерения плотности соединены в схему, содержащую резервуар и насос, осуществляющую циркуляцию названного технологического раствора при проведении измерений.
Предпочтительно, если средства для измерения плотности выбраны из плотномера и рефрактометра. Плотномерами, подходящими для этого аппарата, являются такие, которые работают на основе принципа Кориолиса (например, изготавливаемые компанией Micromotion), такие, которые работают на основе принципа колебательного контура (например, изготавливаемые компанией Anton Paar) и такие, которые работают на основе принципа временной вибрации (например, изготавливаемые компанией Solartron). Наиболее подходящими рефрактометрами являются те, которые измеряют полное внутреннее отражение. Другие типы не так хорошо подходят для проведения измерений на технологических растворах, используемых в процессе Байера, но могут быть подходящими для других случаев применения.
Предпочтительно, если названные средства для измерения электропроводности используют в измерениях метод тороидальной проводимости. Этот способ лучше всего подходит для применения в случае технологического раствора, отбираемого для анализа в процессе Байера. Устройства для измерения электропроводности контактными методами не так хорошо подходят для технологических растворов в процессе Байера, но могут быть подходящими для других случаев применения. Подходящие тороидальные типы измерителей могут включать в себя такие, которые выпускаются Rosemount, Foxboro и Yokogawa.
Предпочтительно, если названный анализатор содержит средства для измерения температуры, связанные с упомянутой схемой.
Предпочтительно, если названные средства для измерения температуры связаны с упомянутыми одним или несколькими сосудами.
Предпочтительно, если названные средства для измерения температуры соединены с упомянутым сосудом, содержащим названные средства для измерения электропроводности.
В альтернативном варианте названные средства для измерения температуры содержатся внутри всех трех сосудов.
Предпочтительно, если по меньшей мере часть упомянутой схемы связана со средствами, осуществляющими стабилизирующее регулирование температуры названного образца технологического раствора.
Предпочтительно, если названные средства, осуществляющие стабилизирующее регулирование температуры, содержат водяную рубашку, которая, по мере необходимости, может нагреваться или охлаждаться. Водяная рубашка обладает преимуществами, которые придает ей высокая тепловая движущая сила. Регулирование температуры с обратным воздействием на температурные изменения образца может осуществляться известными средствами, такими как устройства, основанные на эффекте Пелтье, или известными холодильными устройствами, действующими по реверсивному циклу, либо простыми нагревателями. Эти средства могут находиться в непосредственном контакте с сосудом(ами), в котором должна регулироваться температура образца, либо могут иметь гидравлический контакт с водяной рубашкой, окружающей сосуд(ы).
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ осуществления оперативного/полевого анализа технологического раствора в процессе Байера прямо в технологическом потоке, причем названный способ содержит стадии проведения измерений соответственно электропроводности, скорости распространения звука и плотности раствора прямо в упомянутом технологическом потоке, и по данным упомянутых измерений определяются концентрация окиси алюминия, суммарное содержание каустика, общая щелочность и, дополнительно, общее содержание примесей.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ осуществления оперативного/полевого анализа технологического раствора в процессе Байера, отобранного из технологического потока, причем названный способ содержит стадии измерений соответственно электропроводности, скорости распространения звука и плотности образца, взятого из названного технологического потока, и по данным упомянутых измерений определяются концентрация окиси алюминия, суммарное содержание каустика, общая щелочность и, дополнительно, общее содержание примесей.
Предпочтительно, если для выведения уравнений, необходимых для расчета концентраций компонентов раствора, используется регрессия. Для получения достоверной регрессии производятся измерения плотности, электропроводности, скорости распространения звука и температуры на нескольких жидкостях различного состава. Регрессия дает совокупность уравнений, представленных в виде:
1
2
3
4
s
ТС=A+Аρ+Ak+AV
1
2
3
4
s
ТА=B+Вρ+ВК+BV
1
2
3
4
s
Al=C+Сρ+Ck+CV,
где ТС = суммарное содержание каустика
ТА = общая щелочность
Al = окись алюминия
ρ = плотность
k = электропроводность
s
V = скорость распространения звука
В отдельные измерения может быть введена температурная поправка в виде:
исправленное
измеренное
стандартная
измеренная
ρ=ρ[1+(t-t)]
В альтернативном варианте, когда приходится работать в широком диапазоне температур, температурная поправка может быть введена с использованием закона Аррениуса.
В альтернативном варианте по результатам экспериментов могут быть выведены модели, описывающие плотность, электропроводность и т.д. (или могут быть использованы уже известные модели), и подстроены под интересующий нас раствор, давая совокупность уравнений,
где ρ=fn(ТС, ТА, А1, t)
k=fn(ТС, ТА, А1, t)
s
V=fn(TC, ТА, А1, t)
Могут быть использованы известные общедоступные модели, или по данным экспериментальной работы можно разработать собственные эмпирические модели. Когда диапазон изменений невелик, можно использовать следующую простую линейную эмпирическую модель:
1
2
3
4
ρ=D+DTC+DTA+DAl
1
2
3
4
k=E+ЕТС+ЕТА+EAl
s
1
2
3
4
V=F+FTC+FTA+FAl
Температурная поправка может вводиться в экспериментальные данные или же ее можно включить в уравнения.
Разработав подходящую модель для данной жидкости, для решения системы уравнений можно использовать любые подходящие математические методы, применяя их к неизвестным значениям для компонентов раствора.
Предпочтительно, если упомянутый способ будет содержать проведение измерений электропроводности при разбавлении упомянутого образца.
Предпочтительно, если температура, при которой проводятся измерения, остается в заданном диапазоне. Температура, фактически выбираемая для проведения измерений, должна быть удобной для работы температурой. Некоторым устройствам для измерения плотности требуется стабильность температуры, однако, если выбрано устройство для измерения плотности, которое не является чувствительным по отношению к температуре, тогда регулирование температуры не будет столь критичным, поскольку измерение скорости распространения звука и электропроводности можно легко скорректировать на измерение температуры.
Предпочтительно, если названный способ предусматривает стабилизацию температуры упомянутого образца в узком температурном диапазоне ±2°С.
Предпочтительно, если названный способ предусматривает стабилизацию температуры упомянутого образца в узком температурном диапазоне ±1°С.
Предпочтительно, если названный способ предусматривает стабилизацию температуры упомянутого образца в узком температурном диапазоне ±0,5°С.
Предлагаемый настоящим изобретением анализатор раствора использует четыре уникальные зависимости, которые существуют между концентрацией каждого из компонентов раствора Байера и плотностью раствора, характеристической скоростью распространения звука, электропроводностью и максимальной электропроводностью при изотермическом разбавлении. По этим четырем зависимостям можно определить индивидуальные концентрации четырех компонентов раствора Байера, причем этими четырьмя компонентами являются суммарное содержание каустика, общая щелочность, суммарное содержание окиси алюминия и примеси.
Согласно настоящему изобретению имеются два возможных метода анализа. Оба эти метода включают измерение электропроводности, плотности (и/или коэффициента преломления) и скорости распространения звука, причем второй метод дополнительно включает измерение электропроводности, плотности (и/или коэффициента преломления) и скорости распространения звука во время изотермического разбавления.
Измерение электропроводности, плотности (и/или коэффициента преломления) и скорости распространения звука может осуществляться в непрерывном оперативном режиме, не требуя отбора образцов или физической обработки. Преимущество этого способа заключается в простоте проведения измерений и в том, что он дает более высокую точность по сравнению с существующими непрерывными оперативными способами.
Измерение этих параметров во время изотермического разбавления требует физических манипуляций и может потребовать отбора проб или наличия обводного потока.
Включение наряду с измерением плотности измерения коэффициента преломления обычно дает небольшую дополнительную выгоду за исключением случаев, когда это оказывает помощь при диагностике и подтверждении результатов. Однако теоретически возможно применить эти методы к анализу растворов, содержащих некоторое количество твердой фазы, и использовать измерения плотности и коэффициента преломления для определения содержания твердой фазы, а также для введения поправки в другие измерения на эффекты, оказываемые наличием твердой фазы. Измерения коэффициента преломления могут производиться такими методами, на которые не оказывает влияние присутствие в растворе взвешенных твердых веществ.
Способ, предлагаемый настоящим изобретением, сочетает в себе достаточно много параметров, чтобы вывести достаточное число уравнений для математического вычисления многих неизвестных.
Настоящим изобретением предлагаются устройство и способ, способные дать концентрации окиси алюминия, суммарное содержание каустика и общую щелочность в промышленном процессе Байера путем проведения оперативных и непрерывных измерений без необходимости в проведении лабораторных анализов для определения параметров, необходимых для расчетов по формулам. Датчики измеряют температуру раствора, плотность, электропроводность, скорость прохождения звука через раствор и, дополнительно, электропроводность раствора при различном разбавлении и выдают выходные сигналы на компьютер или аналогичное вычислительное устройство, где эти сигналы используются для решения системы уравнений с получением на выходе параметров, относящихся к компонентам анализируемого раствора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительный вариант реализации изобретения будет описан со ссылкой на прилагаемый схематический чертеж, представляющий собой схему анализатора технологического раствора, соответствующего настоящему изобретению.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ(Ы) РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данный прибор-анализатор раствора и способ его реализации предназначены для использования в режиме реального времени или в близком к нему режиме при оперативном/полевом анализе растворов, используемых в процессе Байера, для определения суммарного содержания окиси алюминия, суммарного содержания каустика и общей щелочности раствора. Реализация изобретения позволяет отказаться от необходимости использовать анализы, проводимые в лаборатории (помимо каких-либо калибровочных анализов). Кроме того, может быть определено общее содержание примесей.
Прибор дает концентрации окиси алюминия, суммарное содержание каустика и общую щелочность при помощи точного определения температуры раствора, плотности, скорости распространения звука, электропроводности и максимальной электропроводности раствора при изотермическом разбавлении. Автоматизация работы аппарата осуществляется за счет использования программируемого логического контроллера.
Аппарат состоит из сосуда 1, содержащего средства для измерения плотности, сосуда 2, содержащего средства для измерения скорости распространения звука, и сосуда 3, содержащего средства для измерения электропроводности. Сосуды 1, 2 и 3 гидравлически соединены последовательно, причем слив из сосуда 3 осуществляется в резервуар 4. Имеется циркуляционный насос 5, при всех закрытых клапанах обеспечивающий циркуляцию жидкости в замкнутом контуре из резервуара 4 в сосуды 1, 2 и 3, как это будет описано далее. Сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4 заключены внутри камеры 6, снабженной водяной рубашкой, которая поддерживается при подходящей постоянной температуре. Температурой камеры может быть любая подходящая температура, близкая, например, к температуре образца. В технологических растворах процесса Байера температура воды может поддерживаться в интервале температур от 50° до 60°С. Регулирование температуры водяной рубашки камеры 6 осуществляется посредством электронного регулятора температуры и электрического нагревателя.
Аппарат имеет канал для ввода образца 7 и канал для ввода воды 8, а также слив 27. Во время анализа, проводимого при разбавлении жидкости, перелив 10 из резервуара 4 соединяет этот резервуар со сливным отверстием. Потоки образца раствора регулируются автоматическим управлением шаровыми клапанами MV1, MV2, MV3 и MV4, приводимыми в действие двигателем. Управление потоком воды осуществляется посредством электромагнитных клапанов SV1, SV2, SV3 и SV4. Система имеет возможность промывки каустической содой, если в наличии имеется подходящая мойка. При желании могут быть использованы альтернативные методы промывки/удаления загрязнений.
Как будет описано более подробно в дальнейшем изложении, работая под управлением процессорных средств, выполненных в форме программируемого контроллера, аппарат автоматически отбирает образец раствора из технологического потока и пропускает образец в сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4. Следует отметить, что в альтернативных вариантах реализации процессорными средствами может быть микропроцессор, либо они могут быть включены в компьютерное программное обеспечение, обрабатываемое на автономном или сетевом компьютере.
Программируемый логический контроллер записывает значение каждой из четырех измеряемых переменных, а именно температуру, плотность, скорость звука и электропроводность, когда температура образца стабилизируется в пределах ±2°С. Сразу же после этого определяется максимальная электропроводность при изотермическом разбавлении. В контроллере осуществляются алгоритмы определения концентрации окиси алюминия, суммарного содержания каустика, общей щелочности и концентрации примесей.
Теперь опишем работу оперативного анализатора раствора. Программируемый логический контроллер запрограммирован на отбор образца из технологического потока раствора с заданными интервалами времени. Длительность интервала времени можно регулировать с основного контроллера.
Программируемый логический контроллер запрограммирован так, чтобы он управлял анализатором в следующей последовательности операций. Когда программируемый логический контроллер достигает конца интервала времени, когда требуется отбор пробы, управляемые двигателем клапаны MV1 и MV2 открываются, сливая промывную воду из камер для приема образца. Эта вода присутствовала в камерах со времени последней операции.
Заполнение сосудов образцом раствора начинается при закрытом управляемом клапане MV2 и открытом управляемом клапане MV4, что дает образцу возможность втекать внутрь и заполнять камеры для приема образца. Затем управляемые клапаны MV1 и MV4 закрываются. Запускается циркуляционный насос 5, и образец начинает циркулировать через сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4, захватывая в образец всю оставшуюся в системе воду. Циркуляционный насос 5 останавливается, управляемые клапаны MV1 и MV2 открываются, пропуская образец в сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4, из которого далее происходит слив. Эта последовательность заполнения, циркуляции и слива повторяется для того, чтобы удалить любые остатки воды, сохранившиеся со стадии промывки, которые иначе могли бы привести к разбавлению образца.
Измерение образца технологического раствора начинается при закрытом управляемом клапане MV2 и открытом управляемом клапане MV4, позволяющем образцу технологического раствора втекать внутрь и заполнять сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4.
Затем управляемые клапаны MV1 и MV4 закрываются. Включается циркуляционный насос 5 и прогоняет образец через сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4. Клапаны MV3, MV4 и SV3 открываются на несколько секунд, чтобы удалить образцы из канала для ввода образца 7 и заполнить его водой. Образцу дают охладиться до тех пор, пока его температура не примет значение в пределах ±2°С от выбранной постоянной температуры, а скорость изменения температуры не будет менее 0,2°С в минуту. В этот момент контроллер производит измерение и регистрацию температуры, электропроводности, скорости распространения звука и плотности.
Затем прерывистыми срабатываниями клапанов SV1, SV2 и SV3 к образцу медленно добавляется вода, чтобы определить электропроводность раствора при разбавлении и максимальную электропроводность разбавленного раствора. По мере разбавления раствора его электропроводность увеличивается до достижения максимума, а затем начинает снижаться. Это пиковое значение электропроводности регистрируется контроллером и вместе с другими данными используется в алгоритмах для определения концентрации окиси алюминия, суммарного содержания каустика, общей щелочности и концентрации примесей в образце раствора.
Для составления уравнений, необходимых для расчета концентрации компонентов раствора, наиболее часто применяют линейную регрессию. Для получения удовлетворительной регрессии проводят измерения плотности, электропроводности, скорости распространения звука и температуры на нескольких жидкостях различного состава. Регрессия дает набор уравнений, представленных в виде:
1
2
3
4
s
5
max
ТС=A+Аρ+Ak+AV+Ak
1
2
3
4
s
5
max
ТА=B+Вρ+Bk+BV+Bk
1
2
4
4
s
5
max
Al=C+Cρ+Ck+CV+Ck
1
2
3
4
s
5
max
Imp=H+Hρ+Hk+HV+Hk
где TC = суммарное содержание каустика
ТА = общая щелочность
Al = окись алюминия
ρ = плотность
k = электропроводность
s
V = скорость распространения звука
max
k = максимальная электропроводность при изотермическом разбавлении
Imp = примеси
х
х
х
х
и А, В, С и Н - константы
Температурную поправку можно ввести в отдельные измерения в виде:
исправленное
измеренное
стандартная
измеренная
ρ=ρ[1+(t-t)]
В альтернативном варианте по результатам экспериментов могут быть выведены модели, описывающие плотность, электропроводность и т.д., или могут быть использованы уже известные модели и подстроены под интересующий нас раствор, давая совокупность уравнений:
ρ=fn(ТС, ТА, Al, Imp, t)
s
V=fn(ТС, ТА, Al, Imp, t)
max
k=fn(TC, ТА, Al, Imp, t),
где t = температура.
Могут быть использованы известные общедоступные модели, или по данным экспериментальной работы можно разработать собственные эмпирические модели. Когда диапазон изменений невелик, можно использовать следующую простую линейную эмпирическую модель:
1
2
3
4
5
ρ=D+DTC+DTA+DAl+Dlmp
1
2
3
4
5
k=Е+ETC+ЕТА+EAl+Elmp
s
1
2
3
4
5
V=F+FTC+FTA+FAl+Flmp
max
1
2
3
4
5
k=G+GTC+GTA+GAl+Glmp,
x
где D, Ex, Fx и Gx - константы.
max
1
2
TC
x
AI
В большинстве случаев последнее уравнение сводится к k=J+J·/, где J являются константами.
Температурная поправка может вводиться в экспериментальные данные или ее можно включить в уравнения.
Перед промывкой насос 5 останавливается. Затем начинается промывка аппарата-анализатора раствора при открытых управляемых двигателем клапанах MV1 и MV2 и сливе образца из сосудов 1, 2 и 3 и резервуара 4. Управляемый двигателем клапан MV2 закрывается, а управляемый двигателем клапан MV3 и электромагнитный клапан SV3 оба должны быть открыты, давая возможность промывной воде заполнять сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4. Затем управляемый двигателем клапан MV1 закрывается, электромагнитный клапан SV3 закрывается и запускается циркуляционный насос 5, создавая турбулентный поток промывной воды, промывающий датчики и сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4. Промывка сосудов 1, 2 и 3 и резервуара 4 продолжается в течение 2 минут (на практике - любое время, достаточное для их очистки), насос 5 останавливается, управляемые двигателем клапаны MV1 и MV2 открываются, давая возможность слить жидкость из сосудов 1, 2 и 3.
Описанная выше процедура промывки и слива повторяется достаточное число раз, чтобы надлежащим образом промыть оборудование, после чего сосуды 1, 2 и 3 и резервуар 4 заполняются водой, управляемые двигателем клапаны MV1, MV3 и MV2 закрываются.
Вдобавок к этому программируемый логический контроллер с выбранными оператором интервалами времени, например с 20-минутными интервалами, кратковременно открывает управляемые двигателем клапаны MV3, MV4 и электромагнитный клапан SV3 для промывки отводной точки образца.
Если для того чтобы вычислить концентрации окиси алюминия, суммарное содержание каустика, общую щелочность и суммарное содержание примесей программируемый логический контроллер работает, решая систему уравнений, то в альтернативном варианте реализации изобретения можно использовать сравнительную таблицу, составленную из данных, полученных в результате измерений, проведенных на образцах известного состава. В общем случае такая процедура будет включать разработку физико-химической модели свойств раствора. Обычно лучше всего разрабатывать физико-химическую модель свойств раствора по данным лабораторных испытаний, проводимых с использованием лабораторных приборов высокой точности. Однако в некоторых случаях это можно сделать и на месте нахождения объекта с помощью приборов, предназначенных для измерений в полевых условиях. В каждом случае необходимо получить достаточное число результатов измерений, проведенных на растворах различного состава, чтобы адекватно описать в математических терминах соотношения между концентрациями компонентов и измеряемыми физико-химическими свойствами. Проще всего это сделать в лаборатории, где может быть изготовлена экспериментальная конструкция, и где можно изменять растворы, подгоняя их под экспериментальную установку. В полевых условиях обычно необходимо ждать до тех пор, пока в интересующем исследователя растворе не наберется достаточного разнообразия составов. Модель может быть эмпирической или теоретической - лишь бы она адекватно описывала процесс в обычном диапазоне работы. В некоторых случаях модели физико-химических свойств могут быть уже известны и тогда необходимо лишь в достаточной степени проверить или подогнать модель к конкретному виду применения.
Следует понимать, что область распространения настоящего изобретения не ограничивается описываемыми здесь конкретными примерами реализации. Приборы могут быть размещены либо в нескольких сосудах, подходящих для конкретных приборов, либо в одном сосуде, содержащем все измерительные приборы.
Способы, не предусматривающие разбавления образца, могут быть применены либо к условиям полного потока, либо к условиям простых ответвленных потоков, но могут быть созданы также и устройства, использующие отбор проб.
Способы, предусматривающие разбавление образца (как в описываемом примере реализации), обычно будут требовать наличия системы отбора проб и некоторой обработки образца для поддержания постоянной или относительно постоянной температуры. Это может быть осуществлено с помощью любого обычного способа регулирования температуры, такого, например, как теплообменник, терморегулятор или водяная рубашка. Способы, предусматривающие разбавление образца, наиболее вероятно будут требовать наличия циркуляционного насоса, заставляющего образец проходить через измерительные ячейки и обеспечивающего получение гомогенного раствора во время разбавления. При использовании одиночной измерительной ячейки можно применять простую мешалку. Разбавление может достигаться использованием множества различных средств, таких как разбавительный насос, электромагнитный клапан или иные клапаны. Способы, не предусматривающие разбавления образца, могут обойтись без насоса.
Способы разбавления для определения электропроводности при разбавлении и максимальной электропроводности при разбавлении могут предусматривать добавление нагретой воды. Эта методика может быть применена при анализе истощенного раствора, когда накипь не является проблемой.
Хотя реализация изобретения была описана на примере, относящемся к растворам, используемым в процессе Байера, изобретение может быть использовано при анализе многокомпонентных жидкостей в других производствах, где подходят эти конкретные виды измерений. Конкретно, это относится к анализу растворов, применяемых в бумажной промышленности.