СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИОНООБМЕННОЙ СОРБЦИИ АМИНОКИСЛОТ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF ION-EXCHANGE SORPTION OF AMINO ACIDS FROM WASTE WATER

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. G01N 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 отсутствие 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 C02F 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 предлагаемому является способ управления ионообменной очисткой воды в установке [А.с. 1389838, МКИ B01J 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 невысокая точность управления, т.к. не предусматривает контроля всех режимных параметров работы оборудования и их изменения в зависимости от выбранных критериев.
Технической задачей изобретения является повышение точности управления и регулирование параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод, включающем контроль концентраций ингредиентов сточных вод, измерение расхода жидких растворов и их уровня в резервуарах, новым является то, что дополнительно в автоматическом режиме в исходной воде измеряют уровень кислотности и поддерживают его на необходимом уровне, при этом исходную воду подают в первую ионообменную колонну, заполненную сульфокатионитом, и производят контроль за ее расходом, который регулируют до оптимальной скорости фильтрации в первой ионообменной колонне и при достижении остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты, соответствующей точке «проскока», производят включение в работу второй ионообменной колонны, заполненной сульфокатионитом, путем направления потока обрабатываемой воды из первой ионообменной колонны во вторую ионообменную колонну с одновременным фильтрованием обрабатываемой воды через первую и вторую колонны, при этом осуществляют измерение концентрации целевого компонента в виде аминокислоты на выходе из первой и второй колонн и при достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты на выходе из первой колонны, равной концентрации на входе в первую колонну, ее переключают на регенерацию, включающую стадии вытеснения кислых сточных вод и десорбции, а при достижении в результате фильтрования сточной воды через вторую колонну остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты, соответствующей точке «проскока», производят включение в работу третьей ионообменной колонны, заполненной сульфокатионитом, путем направления потока обрабатываемой воды из второй ионообменной колонны в третью колонну с одновременным фильтрованием обрабатываемой воды через вторую и третью колонны, при этом вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в каждой из трех колонн после сорбции, осуществляют путем подачи в них предварительно подогретого дистиллята в направлении, обратном направлению потока воды при сорбции, и на выходе каждой из трех колонн измеряют кислотность дистиллята, по уровню которой судят об окончании стадии вытеснения и начале стадии десорбции, которую осуществляют путем фильтрования предварительно нагретого десорбирующего раствора через слой сульфокатионита в каждой из трех колонн с осуществлением контроля и регулирования расхода десорбирущего раствора до оптимальной скорости фильтрации при десорбции, причем после прохождения десорбирующего раствора через каждую из трех ионообменных колонн его отбирают в виде кислого концентрированного элюата и прекращают стадию десорбции при достижении исходного значения кислотности десорбирующего раствора, причем после регенерации первой колонны и вытеснения десорбирующего раствора дистиллятом ее включают в работу для осуществления сорбции при работе второй колонны на стадии регенерации и достижении в обрабатываемой воде при фильтровании в третьей колонне остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты, соответствующей точке «проскока», при этом информация о протекании процесса ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод передается с датчиков контроля уровня в емкостях исходной воды, дистиллята и десорбирующего раствора, кислотности исходной воды и при ее подаче в ионообменные колонны, температуры дистиллята и десорбирующего раствора, концентрации целевого компонента в исходной воде и воде на выходе из ионнобменных колонн и расхода через вторичные приборы, в микропроцессор и цифроаналоговые преобразователи исполнительным механизмам для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
Технический результат заключается в повышении точности управления и регулировании параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
На чертеже представлена схема способа автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод.
Схема способа автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод включает ионообменные колонны (адсорберы) вертикального типа 1, 2, 3, емкость исходной воды 4, емкости для дистиллята 5 и регенерирующего раствора 6 с нагревательными элементами соответственно 7 и 8, регулирующие вентили 9-26.
Схема способа автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод включает также линию 27 подачи исходной воды в ионообменную колонну 1, линию 28 подачи обрабатываемой воды в ионообменную колонну 2, линию 29 подачи обрабатываемой воды в в ионообменную колонну 3, линию 30 удаления отработанной воды, линии 31, 32, 33 подачи дистиллята в ионообменные колонны 1, 2 и 3, линию 34 отвода дистиллята из ионообменных колонн 1, 2 и 3, линии 35, 36, 37 подачи регенерирующего раствора соответственно в ионообменные колонны 1, 2 и 3, линию 38 отработанного регенерирующего раствора из ионообменных колонн 1, 2 и 3, линии 39, 40, 41 подачи частично обработанной воды соответственно из ионообменной колонны 1 в ионообменную колонну 2, из ионообменной колонны 2 в ионообменную колонну 3, из ионообменной колонны 3 в ионообменную колонну 1, датчики уровня 42, 43, 44 соответственно в емкостях исходной воды 4, дистиллята 5 и регенерирующего раствора 6, датчики кислотности 45-51, соответственно в исходной воде при ее подаче в ионообменные колонны 1, 2 и 3, в дистилляте, удаляемом из ионообменных колонн 1, 2 и 3, в отработанном регенерирующем растворе из ионообменных колонн 1, 2 и 3, датчики температуры 52, 53, соответственно дистиллята в емкости 5 и регенерирующего раствора в емкости 6, датчики концентрации целевого компонента 54-57 соответственно в исходной воде и обработанной воде на выходе из ионообменных колонн 1, 2, 3, датчики 58-72 расхода, вторичные приборы 73-100, микропроцессор 101, цифроаналоговые преобразователи 102-121, исполнительные механизмы 122-141.
Способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод осуществляется следующим образом.
Сточные воды, содержащие в своем составе целевой компонент в виде аминокислоты (например, 20 г/л метионина), различные соли (например, 200 г/л сульфата натрия) и другие компоненты, подаются в емкость 4, в которой передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 130 регулирующего вентиля 9 поддерживается допустимый уровень исходной воды, контролируемый датчиком 42. Также в емкости 4 контролируется с помощью датчика 45 и поддерживается путем добавления соответствующих реагентов (кислоты) необходимый уровень кислотности (например, рН 1÷2).
Из емкости 4 по линии 27 исходная вода передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 129 регулирующего вентиля 15 подается в ионообменную колонну 1, заполненную сульфокатионитом, обладающим наибольшей избирательностью, кинетической проницаемостью и динамической активностью по отношению к целевому компоненту в виде аминокислоты (например, катионит КУ-5 поликонденсационного типа, который обладает при сорбции из водных солевых растворов производственных сточных вод наибольшей избирательной способностью по отношению к метионину).
2
При этом с помощью датчиков расхода 58 и 60 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 27 производится контроль за расходом исходной воды, которая регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 129 регулирующего вентиля 15, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при сорбции (например, 3000 л/час·м). В ионообменной колонне 1 происходит фильтрация воды, однако при достижении определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию метионина 0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируется датчиком концентрации целевого компонента 55, производится включение в работу следующей ионообменной колонны 2 путем направления потока обрабатываемой воды из ионообменной колонны 1 в колонну 2 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 125 регулирующего вентиля 19. В этом случае сточные воды фильтруются через две предварительно соединенные колонны 1 и 2. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 55 и 56 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе из колонн 1 и 2. Удаление отработанной воды при этом производится по линии 30 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 125 для переключения регулирующего вентиля 19. При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) на выходе из колонны 1, контролируемой датчиком 55, равной концентрации на входе контролируемой датчиком 54 (т.е. наблюдается полное насыщение в колонне 1), ее переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т.е. на ее регенерацию).
С целью предотвращения загрязнения десорбируемого метионина сульфатом натрия вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 1 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее дистиллята из емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 127 регулирующего вентиля 12. Дистиллят при этом проходит через слой сульфокатионита в направлении, обратном при сорбции и на выходе из ионообменной колонны 1, в нем измеряется кислотность с помощью датчика 46, а затем он удаляется через линию 34.
Дистиллят подается в ионообменную колонну 1, подогретым в емкости 5 до необходимой температуры (например, 70-80°С), контролируемой датчиком 52 и поддерживаемой на заданном уровне передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 132 нагревательного элемента 7. В емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 131 регулирующего вентиля 10 также поддерживается необходимый уровень дистиллята, измеряемый датчиком 43.
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 1 фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t=70°C) 1% раствор едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина), предварительно нагретый в емкости 6 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 134 нагревательного элемента до заданного уровня температуры (например, 50-60°С). В емкости 6 также поддерживается измеряемый датчиком 44 необходимый уровень десорбирующего раствора передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 132 регулирующего вентиля 11.
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 1 осуществляется передачей с микропроцессора 101 исполнительному механизму 128 регулирующего вентиля 18.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 59 и 72 соответственно на выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 1 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 128 регулирующего вентиля 18, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/час·м).
После прохождения раствора через ионннообменную колонну 1 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, рН 5,5-7), контролируемого датчиком 49, и путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 123 регулирующего вентиля 20 удаляется в линию 38, из которого по охлаждении до комнатной температуры далее выделяется кристаллический целевой компонент в виде аминокислоты (например, метионин в количестве 75-80% от сорбированного).
Вытеснение регенерирующего раствора осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 101 исполнительному механизму 127 регулирующего вентиля 12 для подачи в ионообменную колонну 1 дистиллята.
По окончании вытеснения нейтрального целевого компонента (например, метионина) рН элюата резко возрастает и быстро достигает исходного значения (например, pH 12÷12,5). Например, при этом оставшийся метионин десорбируется в виде метионата и вместе с маточником, полученным при фильтрации кристаллического метионина, используется при десорбции в следующем цикле. Одновременно с десорбцией осуществляется регенерация метионина (перевод в натриевую форму). Чистота выделенного кристаллического метионина характеризовалась содержанием основного продукта и сульфата натрия (согласно ТУ на метионин), а также данными, полученными при элементном анализе продукта на содержание углерода, серы и азота.
Одновременно после переключения колонны 1 на регенерацию исходная вода по линии 28 подается в следующую ионообменную колонну 2 и при этом с помощью датчиков расхода 58 и 64 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 28 производится контроль за ее расходом, который регулируется с помощью исполнительного механизма 126 и вентиля 16.
Фильтрование в ионообменной колонне 2 также производится до достижения в воде определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию метионина 0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируемой при помощи датчика концентрации целевого компонента 56, происходит включение в работу ионообменной колонны 3 путем направления потока обрабатываемой воды из ионообменной колонны 2 в колонну 3 посредством исполнительного механизма 141 и регулирующего вентиля 22. Сточные воды, как и в первом случае, также фильтруются через две предварительно соединенные колонны 2 и 3. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 56 и 57 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе из колонн 2 и 3. При этом удаление отработанной воды производится по линии 30 путем переключения вентиля 22 исполнительным механизмом 141. При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) на выходе из колонны 2, равной концентрации на входе (полное насыщение) соответственно контролируемой датчиками концентрации целевого компонента 56 и 54, ее переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т.е. регенерацию).
Вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 2 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее подогретым до необходимой температуры (например, 70-80°С), контролируемой датчиком 52, дистиллята из емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 122 регулирующего вентиля 13. На выходе из ионообменной колонны 2 в дистилляте измеряется кислотность с помощью датчика 47, а затем он удаляется через линию 34.
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 2 фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t=70°C) 1% раствор едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина), предварительно нагретый в емкости 6 до заданного уровня температуры (например, 50÷60°С).
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 2 осуществляется передачей с микропроцессора 101 исполнительному механизму 124 регулирующего вентиля 21.
2
При этом с помощью датчиков расхода 69, 63 и 71 соответственно на выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 2 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 124 регулирующего вентиля 21, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/час·м).
После прохождения раствора через ионннообменную колонну 2 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, рН 5,5÷7), контролируемого датчиком 50, и путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 140 регулирующего вентиля 23 удаляется в линию 38.
Стадию десорбции прекращают при достижении кислотности исходного значения, после чего осуществляют вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом.
Вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 101 исполнительному механизму 122 регулирующего вентиля 13 для подачи в ионообменную колонну 2 дистиллята.
Одновременно после переключения колонны 2 на регенерацию исходная вода по линии 29 подается в следующую ионообменную колонну 3 и при этом с помощью датчиков расхода 58 и 67 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 29 производится контроль за ее расходом, который регулируется с помощью исполнительного механизма 141 и вентиля 17.
Фильтрование в ионообменной колонне 3 также производится до достижения в воде определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию метионина 0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируемой при помощи датчика концентрации целевого компонента 57, после чего вновь происходит включение в работу ионообменной колонны 1, в которой прошли стадии вытеснения и десорбции (т.е. процесс ее регенерации).
Поток обрабатываемой воды из ионообменной колонны 3 направляют в колонну 1 путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 136 регулирующего вентиля 25. Сточные воды при этом фильтруются через две соединенные колонны 3 и 1. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 57 и 55 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе из колонн 3 и 1. При этом удаление отработанной воды производится по линии 30 путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 136 регулирующего вентиля 25. При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) на выходе из колонны 3, равной концентрации на входе (полное насыщение) соответственно контролируемой датчиками концентрации целевого компонента 57 и 54, ее переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т.е. регенерацию).
Вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 3 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее подогретым до необходимой температуры (например, 70-80°С), контролируемой датчиком 52 дистиллята из емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 138 регулирующего вентиля 14. На выходе из ионообменной колонны 3 в дистилляте измеряется кислотность с помощью датчика 48, который затем удаляется через линию 34.
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 3 фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t=60-70°С) 1% раствор едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина), предварительно нагретый в емкости 6 до заданного уровня температуры (например, 70-80°С).
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 3 осуществляется передачей с микропроцессора 101 исполнительному механизму 137 регулирующего вентиля 24.
2
При этом с помощью датчиков расхода 69, 66 и 68 соответственно на выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 3 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 137 регулирующего вентиля 24, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/час·м).
После прохождения раствора через ионннообменную колонну 3 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, рН 5,5÷7), контролируемого датчиком 51, и путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 135 регулирующего вентиля 26 удаляется в линию 38.
Стадию десорбции прекращают при достижении кислотности исходного значения, после чего осуществляют вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом.
Вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 101 исполнительному механизму 138 регулирующего вентиля 14 для подачи в ионообменную колонну 3 дистиллята.
Таким образом, непрерывная схема работы ионообменных колонн 1, 2, 3 предусматривает, что при достижении на выходе из адсорбера 1-го концентрации метионина 0,5 г/л к нему подсоединяется 2-й адсорбер и т.д. В свою очередь полностью насыщенные ионообменные колонны переключаются на последующие стадии вытеснения и десорбции, т.е. каждый отдельный 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 73-100 в микропроцессор 101, который выдает корректирующие сигналы через цифроаналоговые преобразователи 102-121 исполнительным механизмам 122-141 для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
Предлагаемый способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод имеет преимущества за счет того, что дополнительное измерение режимов и изменение параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев позволяет повысить точность управления и минимизировать энергетические и материальные издержки.