СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ЖИДКОГО СЫРЬЯ И ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА В ЭКСТРАКЦИОННОЙ КОЛОННЕ С ПУЛЬСАЦИЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК B01D11/04 G01N27/72 G05D27/00 

Изобретение относится к способам контроля качества очистки жидкого сырья и отходов производства в металлообрабатывающей, нефтяной и других отраслях промышленности, в частности, к способам контроля качества очистки отработанных, стабилизированных механическими примесями водомасляной и водонефтяной эмульсий в технологических процессах систем защиты окружающей среды.

Известно (Метрологическое обеспечение разработок и эксплуатации хроматографических приборов, ВНИИКИ, Госстандарт, вып. 3, 1987), что в настоящее время определение состава продукции и контроль качества ее очистки в основном осуществляют хроматографическими методами. Такие методы анализа продукции, получаемой с помощью различных процессов очистки, экстракции и разделения, основаны на проведении следующих операций: отбор пробы из технологического потока, разделение ее на компоненты пропусканием через среду сорбента, детектирование компонентов с различными коэффициентами разделения, идентификация результатов сравнением со стандартными по составу образцами.

Эффективность и уровень достоверности хроматографических методов зависит от технических возможностей используемой аппаратуры, ее метрологического обеспечения, а также технологических особенностей процессов получения анализируемой продукции. Эти особенности могут оказывать влияние на уровень достоверности результатов анализа локально отобранных проб и действительных характеристик технологического потока. Если учесть невозможность проведения такими методами контроля в реальном масштабе времени, а также необходимость в контактном отборе проб из дискретно размещенных по высоте экстракционной колонны патрубковых устройств, становится очевидным, что эффективность широкого промышленного использования хроматографических методов ограничена и связана со значительными финансовыми затратами.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ контроля качества очистки сырья (авт. св. N 1369745, кл. 5 B 01 D 11/04 от 30.01.88) под названием "Способ автоматического управления процессом жидкостной экстракции в пульсационной колонне".

Известный способ заключается в том, что контроль качества очистки в экстракционной колонне с пульсацией осуществляют путем определения концентрации экстрагируемого вещества в рафинатном растворе. При заданных режимах работы контроль может быть осуществлен отбором проб на входе и выходе колонны и определением составов исходных и конечных продуктов, например, хроматографическими методами.

Известное техническое решение позволяет поддерживать заданный уровень качества очистки сырья регулированием расхода экстрагента. Кроме того, использование пульсации и управление их частотой увеличивает интенсивность массообмена и равномерность распределения диспергированной жидкости по объему массообменной зоны колонны. За счет этого по сравнению с другими методами возрастает эффективность экстракционного процесса и достигается более высокая достоверность получаемой информации о качестве очистки. Однако постоянная необходимость в операции отбора проб не позволяет сделать систему управления замкнутой непосредственно использованием операции контроля концентрации экстрагируемых компонентов и тем самым обеспечить непрерывный в реальном масштабе времени контроль качества очистки на основе широкого использования средств автоматики и вычислительной техники.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение эффективности контроля качества очистки при непрерывном в реальном масштабе времени ведении процессов экстракции и измерений.

Первый вариант. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе контроля качества очистки в экстракционной колонне с пульсацией путем определения концентрации экстрагируемого вещества в рафинатном растворе, в контролируемой точке на поверхности колонны устанавливают датчик и локально воздействуют его неоднородным магнитным полем на среду экстракции, формируют полужидкую динамическую мембрану и измеряют магнитные поля, индуцированные изменениями концентрации магнитоактивных продуктов мембраны, после чего калибруют измеренные сигналы в единицах концентрации и сравнивают полученные результаты с эталонными значениями.

Второй вариант. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе контроля качества очистки в экстракционной колонне с пульсацией путем определения концентрации экстрагируемого вещества в рафинатном растворе, в колонну при заданных режимах инжектируют магнитные частицы, концентрацию инжектированных частиц выбирают в зависимости от образования устойчивой мембраны и заданной чувствительности датчика, датчик устанавливают в контролируемой точке на поверхности колонны и локально воздействуют его неоднородным магнитным полем на среду экстракции, измеряют магнитные поля, индуцированные изменениями концентрации магнитоактивных продуктов мембраны, после чего калибруют сигналы в единицах концентрации и сравнивают полученные результаты с эталонными значениями.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ контроля.

Обозначения: 1 пульсационная колонна из немагнитного материала в разрезе (фрагмент); 2 технологический поток (среда экстракции); 3 - направление подачи сырья; 4 направление вывода экстракта первой (легкой) фазы; 5 направление ввода инжектированных магнитных частиц; 6 полужидкая динамическая магнитная мембрана, состоящая из компонентов третьей фазы и инжектированных частиц; 7 датчик; 8 распределение магнитного поля датчика.

На фиг. 1 также показаны: 9 направление подачи экстрагента, направление вывода рафинатного раствора второй (тяжелой) фазы; 11 перфорированные насадки; 12 усилитель- преобразователь; 13 патрубковые устройства отбора проб; 14 хроматограф; 15 направление пульсации мембраны и среды экстракции.

На фиг. 2 представлены значения относительной концентрации третьей фазы технологического потока для различных моментов времени измерений.

Обозначения: 1, 2, 3 зависимости ξ(t) (случай инжекции феррочастиц) в различных сечениях измерений, отстоящих от верхней зоны рабочего объема колонны на расстояниях l₁<l₂<l₃ соответственно; 4 - зависимости ξ(t) при отсутствии инжекции феррочастиц; 5 уровень ξ_пор(t) = 1 соответствующий нормированному пороговому значению концентрации, измеряемому датчиком высокой чувствительности; 6 уровень ξ(t) = ξ_пор(t) > 1 для датчика с низкой чувствительностью (относительно нормированного порога измеряемых сигналов); С_пор пороговое значение концентрации, нормированное в соответствии с метрологическими, экологическими или другими требованиями; τ_и, τ_м, τ_p длительности временных интервалов инжекции частиц, образования и разрушения динамической мембраны соответственно.

Предположим, что в качестве сырья 3 использована применяемая в металлообрабатывающей, а также других отраслях промышленности водомасляная эмульсия в виде отработанной смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). СОЖ загрязнена экологически вредными веществами в виде продукта термомеханической деструкции масляного компонента и частицы различных металлов. В качестве экстрагента 9 использован селекционный растворитель на основе парафиновых углеводородов.

Как видно из фиг. 1 устройство работает следующим образом.

Регулированием расходов эмульсии 3 и экстрагента 9 на входе и выходе колонны 1 достигают равновесного режима процесса экстрации. При достижении равновесного режима за счет экстракционного разделения глобулы масла и воды, освобождаемых от своих бронирующих оболочек, будут образовывать соответственно первую (легкую нефтемасляный экстракт) и вторую (тяжелую водно-щелочной рафинат) фазы.

Первый вариант. В качестве датчика 7 используют датчик 1 с высокой чувствительностью. Определение концентрации экстрагируемых веществ осуществляют за счет использования магнитных свойств бронирующих оболочек. Известно, что в состав бронирующих оболочек водонефтяной и водомасляной эмульсии входят различные включения продуктов коррозии металлов в виде гидроокисей железа, никеля, кобальта и других минеральных включения в виде сульфидов металлов и т. д. При хранении в результате старения эмульсий, а также термомеханической деструкции компоненты бронирующих оболочек окисляются, превращаясь в различные формы окислов железа, магнетиков и ферритов со значениями удельной магнитной восприимчивости, изменяющимися в широких пределах от 3•10^-3 см³/г до 15•10^-6 см³/г.

Второй вариант. В качестве датчика 7 используют датчик с низкой чувствительностью относительно заданного нормированного порога измеряемых сигналов. Определение концентрации экстрагируемых веществ осуществляют за счет усиления магнитных свойств бронирующих оболочек внешней инжекцией магнитных частиц 5.

В первом и втором вариантах металлические примеси, примеси минерального и органического происхождения, входящие в состав бронирующих оболочек компонентов СОЖ 3, а также инжектированные магнитные частицы 5 будут образовывать третью фазу экстракт загрязняющих СОЖ веществ и механических частиц. Крупные частицы механических примесей и инжектированных магнитных частиц, которые не находятся в связанном (взвешенном) состоянии со средой экстракции, выпадают в осадок и удаляются или выводятся из процесса с помощью фильтров (на фиг. 1 не показаны).

В процессе экстракции принимают участие микронные и субмикронные магнитные частицы, находящиеся в коллоидном состоянии, а также компоненты структур с бронирующими оболочками.

При заданном режиме работы за счет воздействия пульсаций давления в полях сил гравитации, вязкости, а также неоднородного магнитного поля датчика 7, который устанавливают в контролируемой точке на поверхности колонны 1, различные по плотностям частицы третьей фазы, а также глобулы масла и воды будут модулироваться по плотности. Модуляция по плотности сопровождается их модуляцией по скорости. Это будет приводить к образованию в объеме колонны 1 полужидкой динамической мембраны 6, которая пропускает масло и воду, накапливает продукты третьей фазы и совершает механические колебания с частотой пульсаций.

Образование и накопление продуктов третьей фазы и последующее их убывание за счет выпадения в осадок при достижении предельных концентраций определяется кинетикой процессов образования и накопления продуктов первой и второй фаз.

Механические колебания полужидкой мембраны 6 вызывают модуляцию магнитного сопротивления поля рассеяния 8 датчика 7. Модуляция будет сопровождаться индуцированием на выходе чувствительного элемента датчика 7 напряжения сигнала переменной частоты. Амплитуда напряжения выходного сигнала, начиная с некоторого порогового уровня, будет изменяться пропорционально изменениям концентрации магнитоактивных продуктов третьей фазы в объеме, занимаемом зондирующим магнитным полем датчика 7. При заданных параметрах колонны 1 и составе СОЖ 3 для заданных моментов времени и выбранных участков зондирования измеряют напряжение выходных сигналов датчика с усилителем-преобразователем 12. Измеренные значения калибруют в единицах концентрации экстрагируемых компонентов основных фаз СОЖ 3 посредством отбора проб и их хроматографического анализа, а затем сравнивают с эталонными значениями и делают вывод о качестве техпроцесса очистки. Для заданных условий измерений операции по отбору проб и их хроматографического анализа являются однофазовыми.

Определим зависимость между параметрами технологического потока 2 колонны 1 и датчика 7. Предположим, что колонна 1 вышла на полное экстракционное равновесие. Тогда на глобулы СОЖ, пульсирующие между соседними перфорированными насадками 11 в направлении элементарных трубок тока с осями симметрии, непраллельными оси ZZ₁ колонны 1, воздействую силы гравитации, вязкого трения, локального неоднородного магнитного поля датчика 7 и перепада давления, изменяющегося по закону:
Δp(t) = p(t)-p(t+T) = Δp(0)sin²ωt,
где Δp(0) амплитудное значение пульсаций давления;
T круговая частота и период пульсаций давления соответственно.

Будем считать, что для чисел Рейнольдоса ниже критических и равных Re 2000, течение остается ламинарным, стабилизированным и осесимметричным. Переменная составляющая скорости частиц третьей фазы с учетом средней величины скорости потока будет равна:

где ΔU, U(0) амплитудные значения относительной скорости частиц третьей фазы и скорости потока среды экстракции соответственно;
коэффициент сопротивления потока;
безразмерная длина;
l_i, d_i, k расстояние между насадками и диаметр отверстий насадок соответственно;
ρ_n плотность среды потока;
θ усредненный за период пульсаций фазовый сдвиг между скоростями жидких компонентов и частицами третьей фазы потока;
H₀(r, z) неоднородное магнитное поле датчика;
t характеристическое время перемещения частиц;
m, χ_m средние значения относительной магнитной проницаемости и удельной магнитной восприимчивости вещества частиц третьей фазы соответственно;
m₀, r₀ средние значения массы и радиуса частиц третьей фазы;
r, z радиальная и осевая координаты распределения магнитного поля датчика;
i, e номера насадок и отверстий на них соответственно.

Дополнительно к обозначениям соотношений (1) введем в рассмотрение концентрацию вещества разрушенных бронирующих оболочек глобул СОЖ и инжектированных частиц, как величину:

где ρ_r плотность вещества оболочек глобул и частиц;
V_og, S_g зондируемый датчиком объем потока и площадь его поперечного сечения в направлении вектора скорости.

При сделанных предположениях можно считать, что в каждом сечении потока между входом и выходом рабочей (массообменной) зоны колонны скорости очистки и регенерации (накопления) жидких компонентов СОЖ будут равны скорости образования и накопления третьей фазы:

где ΔC₃ концентрация инжектированных частиц;
B постоянная величина, характерная для данного состава СОЖ, параметров колонны и датчика;
1, 2, 3 номера фаз СОЖ соответственно.

В соответствии с соотношениями (3) измерение концентрации C₃(t) для одних и тех же моментов времени t = τ дает информацию о количестве вещества разрушенных в единице объема колонны бронирующих оболочек первой и второй фаз, т. е. о значениях концентраций C₁(t) и C₂(t), а следовательно качестве очистки и регенерации СОЖ. Как следует из соотношений (1), третья фаза локализируется в виде модулированной по плотности и перемещающейся в поле гравитации из верхней в нижнюю зоны объема взаимодействия колонны пульсирующей (динамической) мембраны, состоящей из вещества разрушенных оболочек глобул, механических примесей, а также инжектированных частиц. Фиг. 2 иллюстрирует различные этапы процессов формирования и разрушения такой мембраны. Для моментов времени 0 < t ≅ τ_и и τ_м< t ≅ τ_p значения ξ(t) ≥ ξ_пор(t)(ξ_пор(t)) = 1 для датчика высокой чувствительности, ξ_пор(t) > 1 для датчика низкой чувствительности соответствуют либо накоплению вещества в начале формирования мембраны, либо началу ее разрушения за счет выпадения в осадок. Значения ξ(t) > 1 для моментов времени τ_и< t < τ_м соответствуют образованию мембраны.

Формированию устойчивой мембраны соответствует интервал времени для значений ξ(t) удовлетворяющих условию:

Из фиг. 2 следует, что для контроля качества эффективности очистки используют интервал времени τ_м≅ t ≅ τ_p для значений ξ(t) удовлетворяющих условию:

Оценку величины качества очистки (степени извлечения экстрагируемого вещества) осуществляют в соответствии с соотношением:

Можно показать, используя соотношения (1) (3), что в линейном приближении теории возмущений при

величина напряжения сигнала датчика будет равна:

где ΔZ(0) амплитудное значение переменной составляющей магнитного сопротивления датчика;
A, K аппаратный коэффициент системы контроля: датчик-колонна и коэффициент преобразования датчика соответственно;
l_g линейный размер области локализации магнитного поля датчика.

Соотношения (6) и (7) позволяют провести оценочные расчеты величин пороговых уровней сигналов и концентрации инжектированных частиц в зависимости от значений коэффициентов A и K, а также качества очистки:

где U_пор(0,τ) величина порогового уровня сигнала при C(0,τ) = C_пор(0,τ).
Из соотношений (6) (8) и фиг. 2 следует, что заявленное техническое решение позволяет бесконтактным методом в реальном масштабе времени контролировать качество очистки как в заданной точке, так и на различных участках рабочей зоны колонны. Величина напряжения сигнала датчика соотношений (7) может быть использована в качестве управляющего сигнала для систем автоматического управления параметрами технологического потока экстракционной колонны пульсационного типа.

Полученные выводы подтверждаются результатами экспериментальных исследований. Эксперименты проводились на двух установках типа "Пульсар": первая производительностью 1,5 л/ч, вторая производительностью 100 л/ч. Рабочий (массообменный) объем колонны первой установки был выполнен из стекла внешним диаметром 20 мм, второй -из нержавеющей немагнитной стали диаметром 300 мм. Пульсатор первой установки функционировал при давлении воздуха 0,18 - 0,25 атм на частотах 1 1,6 Гц ( ω 6,3 10,5 Гц) с амплитудой пульсаций 2,5 2 см. На второй установке те же параметры достигались при давлении воздуха 1,5 атм. Очистке подвергалась СОЖ с величиной кинематической вязкости 3,75•10^-2 см²/с следующего состава (в мас.): нефтепродукты 3 5, нитрит натрия 0,3, сода 0,3, вода 95, примеси окислов органических и минеральных веществ и металлических частиц, а также инжектированные примеси магнетита с диаметром частиц 0,2 0,3 мм. В качестве экстракта использовался селективный растворитель на основе парафиновых углеводородов C₁₀ C₁₆ с величиной кинематической вязкости 2,47•10^-2 см²/с. Технологический процесс на установках проходил при температуре 20^oC. Время вывода установок составляло: на гидродинамический режим 7 8 мин, на режим экстракционного равновесия около 1,5 2 ч Измерения проводились при использовании специально разработанного датчика индукционных полей с величиной зондирующего поля и градиентами в точке контроля: H₀ 1,1 Т_л, соответственно.

Измерения, проведенные в различных точках рабочих зон установок, а также визуальные наблюдения показали, что при указанных выше параметрах момент появления напряжения сигнала датчика зависит от достижения в контрольной точке пороговых значений концентрации. На достижение пороговых значений оказывают влияние условия инициирования процесса формирования мембраны, в частности наличие или отсутствие возмущений со стороны магнитного поля датчика. Это позволяет предположить, что очистка происходит как за счет процесса экстракции в объеме колонны, так и локальной магнитной деэмульсации (магнитной коагуляции и флокуляции в неоднородном поле) в пределах объема, зондируемого полем датчика. Величина напряжения сигнала датчика изменяется от порогового уровня в начале процесса очистки (и формирования мембраны) до максимальных значений при его завершении и достижении предельных значений концентраций первой и второй фаз. Дальнейшее убывание величины напряжения сигнала до или ниже порогового уровня происходит при сохранении достигнутых предельных значений концентраций и связано с разрушением мембраны. Для калибровки сигналов датчика по концентрации от пороговых до максимальных измеряемых уровней проводился отбор проб из технологических потоков на первой установке на входе и выходе рабочего объема, на второй из патрубковых устройств, размещенных по высоте колонны. В результате анализа отобранных проб с помощью хроматографа 14 типа ЛХМ-72 установлено, что уровни пороговых сигналов датчика 1,8 2 mВ соответствовали началу процесса разделения и образования экстракта первой фазы с концентрацией 5 мг/л. Максимальный сигнал величиной 12 mВ соответствовал образованию экстракта первой фазы с концентрацией 32,5 мг/л и параметрами: плотность 0,8 0,83 г/см³, вязкость (8 13)•10^-2 см²/с. Для случая максимального сигнала датчика концентрация экстрагируемого вещества первой фазы в рафинатном растворе второй фазы соответствовала 5 мг/л. В соответствии с соотношениями (6) и (8) оценка качества очистки по данным хроматографического анализа составила величину Q 86% по результатам датчиковых измерений Q 83% Погрешность измерений датчика относительно калиброванных значений концентрации по данным хроматографического анализа не превышала ±10%
С учетом вышеизложенного заявленное техническое решение по сравнению с известным позволяет:
осуществлять бесконтактным методом контроль качества очистки и регенерации жидкого сырья и отходов производства типа водомасляной или водонефтяной эмульсий в технологических процессах систем защиты окружающей среды;
осуществлять контроль в реальном масштабе времени процесса экстракции;
интенсифицировать экстракционный процесс за счет локальной магнитной деэмульсации в контролируемых датчиком точках;
оптимизировать на установках пульсационного типа кинетику и динамику процессов экстракции за счет контроля параметров формирования мембраны и инжекции магнитных частиц;
использовать для управления технологическими процессами параметры напряжения сигнала датчика, несущего информацию о концентрации экстрагируемых компонентов и тем самым широко использовать средства автоматики и вычислительной техники.

Использование: изобретение относится к способам контроля качества очистки жидкого сырья и отходов производства в металлообрабатывающей, нефтяной и других отраслях промышленности, в частности к способам контроля качества очистки отработанных, стабилизированных механическими примесями водомасляной и водонефтяной эмульсии в технологических процессах систем защиты окружающей среды. Сущность изобретения: в первом варианте в контролируемой точке на поверхности колонны устанавливают датчик и локально воздействуют его неоднородным магнитным полем на среду экстракции, формируют полужидкую динамическую мембрану и измеряют магнитные поля, индуцированные изменениями концентрации магнитоактивных продуктов мембраны, после чего калибруют измеренные сигналы в единицах концентрации и сравнивают полученные результаты с эталонными значениями. Во втором варианте в колонну при заданных режимах инжектируют магнитные частицы, концентрацию инжектированных частиц выбирают в зависимости от образования устойчивой мембраны и заданной чувствительности датчика. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля качества очистки жидкого сырья и отходов производства в экстракционной колонне с пульсацией путем определения концентрации экстрагируемого вещества в рафинатном растворе, отличающийся тем, что в контролируемой точке на поверхности колонны устанавливают датчик и локально воздействуют его неоднородным магнитным полем на среду экстракции, формируют полужидкую динамическую мембрану и измеряют магнитные поля, индуцируемые изменениями концентрации магнитоактивных продуктов мембраны, после чего калибруют измеренные сигналы в единицах концентрации и сравнивают полученные результаты с эталонными значениями. 2. Способ контроля качества очистки жидкого сырья и отходов производства в экстракционной колонне с пульсацией путем определения концентрации экстрагируемого вещества в рафинатном растворе, отличающийся тем, что в колонну при заданных режимах инжектируют магнитные частицы, концентрацию инжектированных частиц выбирают в зависимости от образования устойчивой мембраны и заданной чувствительности датчика, датчик устанавливают в контролируемой точке на поверхности колонны и локально воздействуют его неоднородным магнитным полем на среду экстракции, измеряют магнитные поля, индуцированные изменениями концентрации магнитоактивных продуктов мембраны, после чего калибруют измеренные сигналы в единицах концентрации и сравнивают полученные результаты с эталонными значениями.