СИСТЕМА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ
SYSTEM AND METHOD OF PRODUCING HEAT-STABLE CHEMICAL SOLUTIONS

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки с серийным номером 62/250195, поданной 3 ноября 2015 года, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к способу и системе управления для получения водных растворов хлорида натрия и необязательного одного или более дополнительных растворенных веществ для устранения обледенения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Использование «жидких антигололедных реагентов» является распространенной практикой современного обслуживания дорог и дорожных покрытий в зимний период. Термин «жидкий антигололедный реагент» в данном контексте относится, в целом, к водным растворам химических реагентов, понижающих температуру замерзания, используемых для облегчения устранения снега, льда и осадков, замерзающих при выпадении, с поверхности дорожного покрытия. Существуют различные способы применения таких химических реагентов, которые включают, но необязательно ограничиваются ими: 1) «устранение обледенения» - нанесение химического реагента на существующее скопление снега или льда на дорожном покрытии; 2) «защита от обледенения» - нанесение химического реагента на дорожное покрытие до выпадения зимних осадков; и 3) «предварительное увлажнение» - нанесение водного раствора химического реагента на твердую каменную соль до ее нанесения на дорожное покрытие. Несмотря на использование различных терминов для описания различных способов применения химических реагентов для зимнего обслуживания, для целей настоящего описания «жидкий антигололедный реагент» относится, в целом, к любому раствору, используемому для облегчения удаления снега, льда или других осадков, замерзающих при выпадении, с поверхности дорожного покрытия любым из различных способов применения.
2
[0004] Благодаря низкой стоимости, доступности и высокой эффективности, наиболее распространенными жидкими антигололедными реагентами являются простые солевые растворы каменной соли (хлорида натрия). Однако при более низких температурах (ниже примерно 15 °F (-9,4 °С)) хлорид натрия становится менее эффективным агентом для плавления льда, и зачастую используют альтернативные химические реагенты, такие как хлорид кальция и хлорид магния. Несмотря на то, что растворы хлорида кальция и хлорида магния используют в качестве непосредственных антигололедных реагентов и реагентов для предварительного увлажнения соли, на практике все чаще используют смесь хлорида магния, хлорида кальция или других добавок, повышающих эффективность (таких как различные органические оптимизаторы и ингибиторы коррозии), с солевым раствором. Зачастую это является более эффективным и экономичным способом извлечения наибольшей выгоды из более дорогостоящих химических реагентов. Иногда их упоминают как «горячие смеси». Примером типичной «горячей смеси» является смесь 80% солевого раствора хлорида натрия (где солевой раствор хлорида натрия содержит 23,3% NaCl) и 20% солевого раствора хлорида магния (где солевой раствор хлорида магния содержит 26% MgCl).
[0005] Важен контроль концентрации жидких антигололедных реагентов, поскольку действуют два конкурирующих фактора. С одной стороны, для максимизации способности плавления льда необходимо иметь наивысшую возможную концентрацию химических реагентов, особенно для максимизации эффективности в более низких диапазонах температур, где жидкие антигололедные реагенты наиболее полезны. Но с другой стороны, высококонцентрированные растворы зачастую склонны к образованию осадков при низких температурах. Образование осадков в жидких антигололедных реагентах является проблемным. Это приводит к накоплению твердых веществ в баках для хранения и может вызывать закупоривание патрубков и распылительных форсунок. Поэтому растворы хлорида натрия для применения в качестве жидких антигололедных реагентов зачастую получают при определенных концентрациях во избежание указанного эффекта. Жидкие антигололедные растворы хлорида натрия зачастую получают в концентрации 23,3% NaCl. Такая концентрация является эвтектической концентрацией NaCl в воде и, следовательно, обеспечивает наименьшую температуру стабильного хранения, при которой в солевом растворе не образуется осадок (-6 °F (-21,1 °С)). Если предполагаются более высокие температуры, можно получать более концентрированные растворы хлорида натрия.
[0006] Чаще всего профессионалы по зимнему обслуживанию сами получают раствор хлорида натрия, растворяя каменную соль в воде. Существует множество промышленных устройств для изготовления солевых растворов, с помощью которых это можно осуществить. Поскольку важно контролировать концентрацию солевого раствора, как описано выше, некоторые устройства для изготовления солевых растворов (например, такого типа, как описан в заявке на патент США2013/0094324 A1, Hildreth et. al.) автоматизированы, чтобы пользователь мог просто выбрать требуемую концентрацию, и устройство-изготовитель солевого раствора составит его. Это является удобной функцией и значительно увеличивает скорость, простоту и эффективность получения солевого раствора, поскольку избавляет пользователя от необходимости получения солевого раствора, его анализа, расчета количества необходимой воды для разбавления для получения требуемой концентрации, добавления воды для разбавления, повторного анализа солевого раствора и т.д. Однако столь же неудобным является то, что современные устройства для изготовления солевых растворов обязывают пользователя знать концентрацию химического реагента, необходимую для заданной температуры. Для ее определения пользователь должен обратиться к диаграммам фазового равновесия для данной системы растворенных веществ. Несмотря на то, что это относительно легко сделать для солевого раствора одного растворенного вещества, такого как простой жидкий антигололедный реагент на основе хлорида натрия, процесс значительно усложняется при увеличении количества растворенных веществ, как в различных «горячих смесях». Зачастую у пользователей нет диаграмм фазового равновесия для многокомпонентных водных растворов, которые они хотят получить в качестве антигололедных растворов, и они должны сделать «наилучшее предположение» или предварительную оценку, что может приводить к ошибкам и вытекающим из этого проблемам, связанным с выпадением осадка в жидких антигололедных реагентах, или к увеличению затрат вследствие применения более дорогостоящих добавок. Таким образом, в настоящем документе описана усовершенствованная система получения жидких антигололедных реагентов, которая предназначена для преодоления некоторых проблем, связанных с выпадением осадка в солевом растворе и расходами на использование добавок для максимизации способности плавления льда.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В кратком описании сущности изобретения в упрощенной форме представлен выбор концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании изобретения. Краткое описание сущности изобретения не предназначено для определения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения. В настоящем документе описана усовершенствованная система получения жидких антигололедных реагентов, обеспечивающая автоматический расчет оптимальной концентрации добавок для выбранной температуры жидкого антигололедного реагента или солевого раствора. В одном варианте реализации указанная система получения солевого раствора обеспечивает получение смеси с оптимальной концентрацией NaCl, необходимой для конкретной предполагаемой смеси химических реагентов для выбранной температуры хранения, для максимизации способности плавления льда при предотвращении образования осадка. В другом варианте реализации указанная система обеспечивает получение солевого раствора из смеси химических реагентов для достижения требуемого уровня эффективности (такой как способность плавления льда или скорость плавления льда) при выбранной температуре.
[0008] Настоящая заявка относится к устройству и способу, а также к системе управления для получения оптимизированных по температуре растворов одного или более растворенных веществ. Более конкретно, настоящая заявка относится к устройству и способу, а также к системе управления для получения водных растворов хлорида натрия и необязательного одного или более дополнительных растворенных веществ (таких как хлорид кальция, хлорид магния или другие добавки для повышения эффективности) для применения в качестве жидких антигололедных реагентов, реагентов для защиты от обледенения и реагентов для предварительного увлажнения, оптимизированных для заданной температуры. В одном варианте реализации концентрации добавок в солевом растворе оптимизированы для предотвращения выпадения в осадок твердых веществ при заданной температуре, при максимизации способности плавления льда при выбранной температуре. В другом варианте реализации концентрации добавок в солевом растворе оптимизированы для достижения требуемого уровня эффективности, такой как способность плавления льда или скорость плавления льда, при выбранной температуре.
[0009] Несмотря на то, что описаны многочисленные варианты реализации, другие варианты реализации настоящего изобретения станут очевидны для специалистов в данной области техники из следующего подробного описания, в котором показаны и описаны иллюстративные варианты реализации настоящего изобретения. Настоящее изобретение может быть модифицировано в различных аспектах, без отступления от сущности и объема изобретения. Соответственно, графические материалы и подробное описание следует рассматривать как иллюстративные по своей природе, а не как ограничительные.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0010] На фиг. 1 изображена система, содержащая контроллер для получения раствора, содержащего одно или более растворенных веществ в оптимизированной концентрации, для применения пользователем в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения; и
[0011] На фиг.2 представлена технологическая блок-схема, иллюстрирующая способ получения раствора с применением системы, изображенной на фиг.1, с помощью контроллера, запрограммированного на получение раствора, содержащего одно или более растворенных веществ в оптимизированной концентрации, для максимальной эффективности плавления льда при сохранении стабильности к образованию осадка при выбранной температуре, в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Ниже представлено более подробное описание различных родственных концепций, связанных со способами и устройством согласно настоящему изобретению, а также варианты их реализации. Следует понимать, что различные аспекты объекта настоящего изобретения, описанного выше и более подробно рассмотренного ниже, могут быть реализованы на практике многочисленными способами, поскольку объект изобретения не ограничен до конкретного способа реализации. Примеры конкретных вариантов реализации и применений представлены, главным образом, для иллюстративных целей.
[0013] Настоящая заявка относится к устройству и способу, а также к системе управления для автоматического получения водных растворов одного или более растворенных веществ с оптимальной концентрацией для максимизации эффективности при предотвращении образования осадка при заданной температуре. Более конкретно, она относится к системе для получения солевых растворов для применения при получении водных растворов антигололедных реагентов, содержащих хлорид натрия, необязательно с другими химическими реагентами для повышения эффективности, такими как хлорид магния, хлорид кальция, или с органическими реагентами для повышения эффективности и ингибиторами коррозии, которые имеют максимально возможную концентрацию хлорида натрия при предотвращении выпадения в осадок каких-либо твердых веществ при выбранной температуре. Указанная система содержит человеко-машинный интерфейс (HMI), в котором пользователь вводит данные о требуемой композиции компонентов жидкого антигололедного реагента и о требуемой температуре хранения жидкости. Указанная система содержит программируемый логический контроллер (PLC), который определяет максимальную концентрацию хлорида натрия, которая будет стабильна к образованию осадка при выбранной температуре, и концентрацию других добавок для повышения эффективности из внутренней базы данных. Указанная система содержит зону, в которой смешивают хлорид натрия и воду, и датчик концентрации, используемый для определения необходимости увеличения концентрации или разбавления раствора. Если концентрация хлорида натрия находится в пределах заданного допуска от расчетного оптимума, то раствор направляют в выходное отверстие. Система также содержит контролируемую насосную систему для доставки определенного количества других необязательных жидких добавок (таких как растворы хлорида кальция или хлорида магния) в выходное отверстие для достижения выбранного соотношения добавок и раствора хлорида натрия в готовой смеси.
[0014] Ссылаясь на фиг. 1, изображена система 100 смешивания химического раствора, которая содержит контроллер 110, содержащий человеко-машинный интерфейс 112 (рабочее место; беспроводное интеллектуальное устройство; панель ввода данных и т.д.), функционально связанный с контроллером для приема данных, введенных пользователем, и запоминающим элементом 114, выполненным с возможностью приема данных, связанных с количеством химического раствора, полученного для каждой комбинации основного растворенного вещества и добавки. Система 100 также содержит смесительный резервуар 120, множество смешиваемых растворенных веществ 130, по меньшей мере одну систему 140 трубопроводов для подачи растворенных веществ в резервуар 120; датчик 150 концентрации, расположенный в резервуаре 120, который соединен с возможностью связи с контроллером 110 и по меньшей мере одним баком 160 для хранения, функционально связанным с резервуаром 120, в который в данном примере подают солевой раствор со скоростью около 80 галлонов (302,9 л) в минуту. В данном примере различные добавки A, B и C добавляют в бак 160 со скоростью около 20 галлонов (75,5 л) в минуту.
[0015] В другом иллюстративном варианте реализации системы 100 для применения в связи с получением солевого раствора для антигололедного применения, система 100 выполнена с возможностью автоматического получения солевого раствора, имеющего концентрацию основного растворенного вещества, в данном случае соли или хлорида натрия, которая является стабильной при определенной температуре. В данном иллюстративном варианте реализации система 100 содержит контроллер 110, выполненный с возможностью приема данных о температуре хранения основного растворенного вещества (из емкости 134 хранения основного растворенного вещества) в солевом растворе в качестве первого параметра, введенного пользователем через человеко-машинный интерфейс 112, и приема второго параметра, введенного через интерфейс 112, касающегося природы по меньшей мере одной добавки (из емкости 136 хранения добавки) и концентрации добавки, подлежащей смешиванию с раствором основного растворенного вещества. Контроллер 110 запрограммирован на получение композиции химического солевого раствора в резервуаре 120, состоящей из основного растворенного вещества и добавленной in-line одной добавки, чтобы композиция раствора имела концентрации каждого из основного растворенного вещества и выбранной добавки, соответствующие температуре хранения, введенной пользователем, и препятствующие образованию осадка или кристаллизации основного растворенного вещества. В данном иллюстративном варианте реализации в смесительный резервуар 120 подают основное растворенное вещество и растворитель из емкости 132 хранения растворителя (через команду от контроллера 110) с получением в нем химического раствора. Датчик 150 концентрации основного растворенного вещества, расположенный или размещенный в смесительном резервуаре 120, измеряет концентрацию основного растворенного вещества в химическом растворе, а затем датчик 150 передает данные (через провод или беспроводным образом) о концентрации основного растворенного вещества в химической суспензии в контроллер 110. Затем контроллер 110 проверяет, что концентрация основного растворенного вещества находится в пределах требуемой концентрации, установленной программой смешивания в контроллере. Полученный солевой раствор, после его отвода контроллером 110 из смесительного резервуара 120, подают (в данном примере со скоростью потока около 80 галлонов (302,9 л) в минуту) в резервуар 160 хранения, куда подают также одну или более добавок A, B и C 136 в количестве и со скоростью, установленными программой контроллера 110 для данного химического солевого раствора.
[0016] В другом варианте реализации в резервуаре 160 хранения установлен датчик для измерения температуры выходящего потока на выходе солевого раствора из резервуара 160. Этот признак может служить в качестве дополнительной обратной связи об изменении запрограммированной температуры исходного солевого раствора относительно реальной температуры выходящего потока при использовании солевого раствора. В родственном варианте реализации контроллер 110 выполнен с возможностью приема нескольких входных данных от пользователя через интерфейс 112, касающихся природы добавок и соответствующих концентраций добавок. В таком иллюстративном варианте реализации запоминающий элемент 114 принимает данные, связанные с количеством солевого раствора, полученного для каждой комбинации основного растворенного вещества и добавки A, B или C.
[0017] Ссылаясь на фиг.2, представлена технологическая блок-схема способа 200 автоматического получения солевого раствора, имеющего концентрацию основного растворенного вещества, стабильную при определенной температуре. В данном иллюстративном варианте реализации в процессе смешивания используют контроллер, запрограммированный на получение раствора, содержащего одно или более растворенных веществ в оптимизированной концентрации, для максимальной эффективности плавления льда при сохранении стабильности к образованию осадка при выбранной температуре. Способ или процесс 200 смешивания воплощает процесс получения солевого раствора с применением системы 100, изображенной на фиг. 1, которая содержит контроллер 210 с программой смешивания солевого раствора, интерфейс 212 ввода данных пользователем для ввода по меньшей мере температуры хранения солевого раствора (и в других применениях необязательно температуры выходящего потока). Отдельный пользовательский интерфейс 213 (или может быть использован тот же интерфейс 212) используют для ввода данных о природе добавки(-ок) в жидком антигололедном реагенте и концентрации жидкой антигололедной добавки. В данном иллюстративном варианте реализации контроллер 210 (или PLC, или другое контроллерное устройство) запрограммирован для расчета требуемого исходного химического раствора и необходимого добавления добавок.
[0018] В данном иллюстративном варианте реализации растворитель A и твердый химический реагент (основное растворенное вещество, такое как хлорид натрия) хранят в резервуарах или бункерах 232 и 234, соответственно. В начале процесса смешивания пользователь на стадии 212 вводит в контроллер 210 температуру хранения основного растворенного вещества в виде солевого раствора, а затем на стадии 213 вводит в контроллер 210 данные о природе по меньшей мере одной добавки и концентрации указанной добавки в солевом растворе. Затем на стадии 240 контроллер 210 запускают для получения композиции химического солевого раствора из основного растворенного вещества и растворителя A (или по меньшей мере одной добавки), причем композиция раствора имеет концентрации каждого из основного растворенного вещества и растворителя A, соответствующие выбранной пользователем температуре хранения. После смешивания основного растворенного вещества с растворителем A с получением химического раствора, на стадии 244 проверяют концентрацию твердого химического вещества в химическом растворе, измеряя химический раствор датчиком концентрации основного химического вещества (таким как датчик 150 в системе 100), для проверки соответствия концентрации основного растворенного вещества требуемой концентрации.
[0019] На технологической блок-схеме 200 пунктирная линия 220 иллюстрирует передачу данных о концентрации основного растворенного вещества в химическом растворе от датчика концентрации в контроллер 210, и сравнение контроллером 210 концентрации основного растворенного вещества в солевом растворе с требуемой концентрацией основного растворенного вещества. На стадии 246 контроллер 210 определяет, что концентрация является высокой и, следовательно, необходимо разбавить солевой раствор растворителем (переход на стадию 242), если концентрация основного растворенного вещества в солевом растворе слишком высока. Контроллер 210 переводит процесс на стадию 248, где концентрация является низкой и, следовательно, необходимо увеличить концентрацию основного растворенного вещества в солевом растворе или химическом растворе, если концентрация основного растворенного вещества в солевом растворе недостаточна. На стадии 250, если концентрация основного растворенного вещества в солевом растворе находится в пределах допуска требуемой концентрации основного растворенного вещества, процесс 200 автоматически отводит солевой раствор в резервуар хранения на стадии 252. На стадии 256 жидкую антигололедную добавку (стадия 236) смешивают с солевым раствором из резервуара хранения в количестве и со скоростью (стадия 256), установленными контроллером 210 для данной композиции химического солевого раствора. На стадии 264 солевой раствор необязательно еще раз измеряют и проверяют с помощью контроллера 210, и при необходимости регулируют. Наконец, на стадии 260 солевой раствор из резервуара хранения имеет данные, записанные в контроллере 210 (количество полученного смешанного жидкого антигололедного раствора).
[0020] В родственном варианте реализации способ смешивания модифицирован для ввода в контроллер данных о природе нескольких добавок и концентрации каждой из таких добавок. В другом родственном варианте реализации стадия автоматического разбавления раствора также включает добавление в химический раствор растворителя, а автоматическое увеличение концентрации химической суспензии включает добавление основного в химический раствор растворенного вещества. В другом родственном варианте реализации осуществляют совместное смешивание по меньшей мере одной добавки с солевым раствором в количестве и со скоростью, установленными контроллером для данной композиции химического солевого раствора, а затем отводят готовый солевой раствор в другой контейнер.
[0021] В другом родственном варианте реализации предложен способ автоматического получения готового химического раствора, имеющего концентрацию основного растворенного вещества, которая является стабильной при определенной температуре, и указанный способ включает стадии ввода в контроллер данных о температуре хранения основного растворенного вещества в растворе, и о химической природе по меньшей мере одной добавки, и о концентрации добавки, подлежащей смешиванию с раствором основного растворенного вещества. Контроллер запускают для получения композиции химического раствора из основного растворенного вещества и по меньшей мере одной добавки, причем композиция раствора имеет концентрации каждого из основного растворенного вещества и по меньшей мере одной добавки, подобранные для соответствия данной температуре хранения. Следующая стадия процесса представляет собой смешивание основного растворенного вещества с разбавляющим агентом с получением исходного раствора или суспензии и измерение исходной химической суспензии с помощью датчика концентрации основного растворенного вещества для проверки соответствия концентрации основного растворенного вещества требуемой концентрации, причем датчик концентрации передает данные о концентрации основного растворенного вещества в исходном химическом растворе в контроллер. Далее в процессе смешивания концентрацию основного растворенного вещества в химическом растворе сравнивают с требуемой концентрацией основного растворенного вещества. Затем исходный химический раствор разбавляют разбавляющим агентом, если концентрация основного растворенного вещества в растворе слишком высока, и увеличивают концентрацию основного растворенного вещества в химическом растворе, если концентрация основного растворенного вещества в растворе недостаточна. Затем исходный химический раствор направляют в резервуар хранения, если концентрация основного растворенного вещества в химическом растворе находится в пределах допуска требуемой концентрации основного растворенного вещества. Затем в исходный химический раствор вводят по меньшей мере одну добавку в количестве и со скоростью, установленными контроллером для готовой композиции химического раствора. В родственном варианте реализации поточное (in-line) смешивание по меньшей мере одной добавки с исходным химическим раствором в количестве и со скоростью, установленными контроллером для готовой композиции химического раствора, осуществляют до отвода готового химического раствора в другой контейнер. Указанный способ подходит для получения химических растворов, таких как, но не ограничиваясь ими, бензиновые смеси, содержащие различные добавки для повышения октанового числа или работы в экстремальных холодных или жарких погодных условиях; или смеси охлаждающих жидкостей для предотвращения замерзания трубопроводов при различных или более низких температурах и применениях.
[0022] Следующие патенты и публикации включены посредством ссылки в полном объеме: патенты США№7810987; и 8251569.
[0023] Несмотря на то, что настоящее изобретение описано выше в контексте конкретных вариантов реализации, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами реализации. При прочтении принципов, изложенных в настоящем описании, специалистам в той области техники, к которой относится настоящее изобретение, станут понятны многочисленные модификации и другие варианты реализации настоящего изобретения, и они должны быть и являются входящими в настоящее описание и прилагаемую формулу изобретения. В действительности предполагается, что объем настоящего изобретения следует определять надлежащей интерпретацией и толкованием прилагаемой формулы изобретения и ее законных эквивалентов, как понятно специалистам в данной области техники на основании описания, приведенного в данном документе, и прилагаемых графических материалов.