СПОСОБ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ПЕНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОБОЧНОГО ПОТОКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2020 года по МПК G01N13/00 B01D19/02 B01D19/04 B05B12/00 C12M1/21 

Настоящая заявка претендует на преимущества, предоставляемые в связи с поданной 17 мая 2016 года предварительной заявкой на патент №62/337395, все содержимое которой включено по ссылке.

Уровень техники

Промышленные предприятия и муниципалитеты расходуют огромные денежные средства для оплаты используемых для регулирования уровня пены в их водных системах химикатов. Типичными областями применения среди прочего являются промышленные и муниципальные станции очистки сточных вод, трубопроводы, аэрируемые пруды и технологические резервуары. Используемые химикаты взаимозаменяемо называются пеногасителями или противовспенивателями. Скорости их подачи обычно регулируются вручную в ответ на визуальную оценку того, сколько пены скопилось во время процесса. Были предложены некоторые способы автоматического регулирования, однако в большинстве областей применения возвращаются к ручному регулированию из-за недостатков в конструкции и в работе автоматизированных процессов. Ручное или несовершенное автоматическое регулирование подачи пеногасителя приводит к периодам недостаточной подачи или избыточной подачи. Это особенно справедливо, поскольку пенообразование в промышленных системах текучих сред, таких как на бумажных заводах, может быстро изменяться в зависимости от процессов выше по потоку. Недостаточная подача может привести к чрезмерному количеству пены, что влияет на примыкающие пространства, недвижимое имущество, водные пути, измеряющее уровень оборудование, способность к аэрированию системы текучей среды, а также загрязнение промышленного процесса.

Поэтому присутствует тенденция подавать избыточное количество пеногасителя до такой степени, чтобы не было видимой пены, даже если допустим некоторый минимальный уровень пены. Дополнительно, поскольку при избыточной подаче пеногасителя пена для контроля отсутствует, то условия избыточной подачи могут оставаться незамеченными в течение длительных периодов времени, прежде чем они будут скорректированы. Расходы при избыточной подаче являются дорогостоящими, в то время как недостаточная подача является неприемлемой. В дополнение к стоимости избыточная подача может создавать в некоторых системах другие проблемы, например, на бумажных заводах избыточный пеногаситель может привести к дефектам формования листа и повышенному содержанию загрязнений. В бродильной промышленности избыточный пенообразователь может приводить к плохой производительности систем ультрафильтрации.

Поэтому целью настоящего изобретения является разработка устройства, которое пригодно для непрерывного измерения переменных тенденций пенообразования в системе текучей среды и обеспечения сигнала для соответствующего регулирования скорости подачи пеногасителя для поддержания пенообразования на приемлемом целевом уровне. Регулирование подачи может выполняться автоматически или вручную.

Также предлагается устройство, которое позволяет легко регулировать и калибровать скорость образования пены для корректного отображения поведения изучаемой системы текучей среды с помощью образца побочного потока такой системы текучей среды.

Также одной из целей изобретения является разработка устройства, которое невосприимчиво к неправильной работе вследствие накопления пены или забивки твердыми веществами и мусором, которые обычно присутствуют в процессах обработки сточных вод.

Также одной из целей настоящего изобретения является создание устройства, которое является простым в эксплуатации, используя абсолютный минимум типов приспособлений и требуя небольшого объема технического обслуживания, делая его пригодным для промышленного и муниципального использования в удаленных местоположениях.

В своем предпочтительно способе использования эта система контроля и регулирования пены а) отбирает побочный поток исследуемой технологической текучей среды по мере необходимости перед и после добавления пеногасителя, б) искусственно создает и измеряет пену в отдельном сосуде или в сосуде вспенивающей камеры, в котором поддерживается постоянный уровень текучей среды для имитации в реальном времени характера образования пены в исследуемом процессе обработки текучей среды, в) особым образом измеряет уровень пены в сосуде вспенивающей камеры с помощью бесконтактного оптического датчика измерения расстояния, г) с помощью оптического датчика измерения расстояния вырабатывает сигнал и д) использует сигнал для регулирования скорости подачи пеногасителя в исследуемый процесс для регулирования уровня пены в конкретных зонах этого процесса.

Патент США №3107519 относится к лабораторному стендовому испытанию для измерения количества образующейся в системе пены путем рециркуляции небольшого образца пенящейся текучей среды в сосуде и не рассчитанного на непрерывное прямоточное протекание побочного потока исследуемой технологической текучей среды.

Устройствами, которые обычно используются в промышленности, являются контактные датчики, которые измеряют количество пены, как описано в патенте США №5437842 А. Это обычно делается за счет использования датчиков приближения емкостного типа или датчиков электропроводности. Однако они могут приводить к неверным результатам вследствие накопления пенных отложений (образования осадков), требуя регулярной чистки для сохранения их эффективности. Неправильные уровни пены зачастую встречаются с датчиками зондового типа. Настоящий способ использует оптический датчик измерения расстояния, причем свет отражается от поверхности пены и поэтому очистка не требуется.

Многие используемые в настоящее время устройства для обнаружения и регулирования пены фокусируются на использовании контактных датчиков пены. К сожалению, они обычно неэффективны, когда уровень текучей среды в процессе или турбулентность приводит к неровному уровню текучей среды. Из-за присущих процессу изменений, которые не имеют отношения к пенообразованию, сигнал от контактного датчика не относится непосредственно к тенденции пенообразования технологической текучей среды. Как результат, любые связанные с таким сигналом схемы регулирования могут приводить к потере регулирования пеной.

В отличие от этого настоящие способы используют побочный поток технологической текучей среды, который подается в сосуд через отверстие в верхней части выходит через выпускное отверстие или слив в нижней части сосуда, в то же время сохраняя регулируемый и стабильный уровень текучей среды. Это позволяет обнаруживающему пену устройству точно имитировать и измерять характер образования пены исследуемой системы технологической текучей среды независимо от физических изменений в этой системе.

Патент США №3739795 А ссылается на отбор побочного потока технологической текучей среды. Задается направленный вверх поток текучей среды, создавая проблему поддержания постоянного уровня текучей среды и удерживания образующейся пены. В этом способе текучая среда сливается сбоку, создавая несимметричную структуру потока, который может удалять пену, которая должна измеряться в сосуде. Для измерения уровня пены используются контактные датчики, которые подвержены связанными с вышеописанным контактом с текучей средой проблемами. Настоящий способ, напротив, использует бесконтактный оптический датчик измерения расстояния, который не требует очистки.

Эти типы использовавшихся ранее способов используют сжатый воздух, который поднимается пузырьками или барботирует через текучую среду для создания пены. Однако существуют связанные с использованием сжатого воздуха проблемы, такие как точность, воспроизводимость и проблемы с техническим обслуживанием. Сжатый воздух также добавляет в процесс другие устройства, которые увеличивают сложность, стоимость и поддержание работы. Связанная с использованием сжатого воздуха для создания пены с контролируемыми условиями точность основывается на работе компрессора, регулятора давления, расходомера воздуха, расходомера текучей среды и регулируемого размера диафрагмы.

Любые их этих использующих сжатый воздух устройств могут оказывать влияние на размер пузырей и количество создаваемой и измеряемой пены. Аэрирующие камни, барботеры и тому подобное также подвержены образованию приводящих к отложениям осадков вокруг отверстий, которые влияют на надежный поток воздуха через них. Настоящий способ не использует сжатый воздух, а образует и накапливает пену просто за счет естественного и неизменного эффекта стекания каскадом постоянного потока в трубу внутри неподвижной чаши. Этот способ улучшает надежность и воспроизводимость системы. Используемый в данном изобретении способ имитирует промышленные процессы, в которых воздух вводится снизу.

Попытки регулирования используемого количества пеногасителя путем позволения пене накапливаться до уровня, который приводит в действие датчик, и затем добавления в течение заданного времени пеногасителя для разрушения пены были ненадежными. Позволение пене накапливаться до значительного уровня перед ее разрушением создает для пены возможность стабилизироваться, делая таким образом более сложным ее разрушение с помощью пеногасителей. Пеногасители обычно основаны на соединениях кремния и не обладают способностью к длительному действию в процессе.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения использует оптический датчик в сочетании с пропорциональным и интегральным контуром регулирования (ПИД-контуром) на основе микропроцессора. Поэтому мы способны точно измерять пену в реальном времени и подавать соответствующее количество пеногасителя, которое пропорционально пенообразованию системы текучей среды. Поэтому настоящее изобретение не требует специальных составов пеногасителей, которые являются хорошими при разрушении, и расширяет выбор подходящих доступных для конечного пользователя продуктов.

Краткое изложение сущности изобретения

Предлагается способ измерения и регулирования пенообразования в процессах обработки текучей среды. Способ использует побочный поток обрабатываемого пеногасителем потока технологической текучей среды, чтобы имитировать пенообразование этой текучей среды посредством стекания каскадом в специально выполненный сосуд или вспенивающую камеру и измерения уровня пены с помощью оптического датчика измерения расстояния. Измерительный датчик вырабатывает сигнал, который используется для регулирования скорости подачи контролирующего пенообразование химиката к исследуемому потоку технологической текучей среды.

Для некоторых текучих сред, которые с трудом вспениваются, может быть предпочтительной, но не обязательной, установка в подающей технологическую текучую среду к вспенивающей камере или сосуду для создания пены линии побочного потока аспиратора. Аспиратор является встроенным в производственную линию устройством, которое вызывает выделение воздуха в потоке текучей среды путем создания вакуума за счет падения давления.

Предлагается способ контроля и регулирования пенообразования потока технологической текучей среды. Настоящий способ использует побочный поток исследуемого потока технологической текучей среды, который отбирается или прокачивается через пробоотборную линию к сосуду или вспенивающей камере, имеющей открытую верхнюю часть или впускное отверстие и слив или выпускное отверстие. Технологическая текучая среда образца побочного потока при необходимости может проходить через вспенивающую камеру один или несколько раз. Технологическая текучая среда побочного потока направляется вниз через отверстие вспенивающей камеры, где пузыри становятся захваченными во вспенивающей камере из-за того, что технологическая текучая среда поддерживается в сосуде вспенивающей камеры на постоянном уровне.

Система для контроля и регулирования может быть также выполнена так, чтобы содержать в сосуде вспенивающей камеры внутреннюю чашу и шланг или трубу, который(ая) подвешен(а) над внутренней чашей и простирается во внутреннюю чашу. Технологическая текучая среда из побочного потока направляется через трубу во внутреннюю чашу сосуда вспенивающей камеры. Пузыри захватываются в чашечной секции, где они могут образовывать пену. Как результат размещения чаши, пузыри и текучая среда изменяют направление и затем текут вверх через кромку внутренней чаши, приводя к образованию пены на поверхности технологической текучей среды в сосуде вспенивающей камеры. Расположенный над вспенивающей камерой оптический датчик измерения расстояния измеряет уровень пены и вырабатывает пропорциональный электронный выходной сигнал уровня.

Термины вспенивающая камера и сосуд вспенивающей камеры используются в заявке попеременно и обозначают сосуд, в который подается побочный поток технологической текучей среды.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 является схематическим изображением одного варианта настоящего способа для контроля и регулирования вспенивания в водных процессах.

Подробное описание

В одном аспекте настоящий способ использует побочный поток исследуемого потока текучей среды, при этом подача пеногасителя может находиться или не находиться перед точной отбора пробы для имитации вспенивания этой текучей среды.

Побочным потоком называется часть потока технологической текучей среды, имеющая непрерывное или прерывистое течение. Например, скорость течения потока технологической текучей среды к сосуду вспенивающей камеры, такому как цилиндр, диаметром 20 сантиметров, системой контроля и регулирования может быть установлена в диапазоне от примерно 3,78 литров до примерно 760 литров в минуту.

Текучей средой называется любая встречающаяся на станциях водоподготовки и бумажных заводах водная среда. Более конкретно, технологическая текучая среда может иметь электропроводность между 0,01 и 130 миллисименс на сантиметр (мСм/см), рН в диапазоне от 2 до 14, взвешенные твердые частицы в диапазоне от 0 до примерно 60%, и растворенные соли жесткости в диапазоне от 1 до 11000 миллиграмм на литр (мг/м) в расчете на карбонат кальция.

Термин «пеногаситель» используется для классификации многих типов используемых в виде смеси или индивидуально химикатов. Пеногасители также известны как противовспениватели, которые используются для подавления пенообразование текучей среды. На практике пеногасители состоят из индивидуальных соединений или смесей соединений, которые содержат, например, диоксид кремния, силикон, жирные спирты, воски, гликоли, масла, EBS (этилен-бис-стеарамид), поверхностно-активные вещества, углеводороды, эмульгаторы, эфиры жирных кислот, спирты, этоксилаты спирта, пропоксилаты спирта и воду.

В некоторых аспектах вышеупомянутых способов побочный поток технологической текучей среды направляется в сосуд вспенивающей камеры, причем текучая среда стекает каскадом во вспенивающий сосуд и захватывает воздух для создания некоторого уровня пены на поверхности воды, где высота пены измеряется бесконтактным оптическим датчиком измерения расстояния.

В других аспектах вышеупомянутых способов термином «оптический датчик» обозначается класс оптических измерительных устройств, которые работают за счет излучения света, отражения его от измеряемой поверхности и обнаружения возвращенного света называемым датчиком принимающим свет элементом. Тип света, который может быть использован, должен быть диапазоне длин волн от 390 до 780 нанометров. Эти устройства имеют разные наименовании, некоторые называются лазерными датчиками расстояния, лазерными измерительными датчиками, лазерными дальномерами, многоцелевыми лазерными датчиками и т.п. Имеются несколько типов подходящих способов конфигурирования обнаружения для измерения расстояния, которые включат в себя: триангуляцию, время пробега, импульсное время пробега, многочастотный сдвиг фаз, модулированный луч и интерферометрию. Для улучшения чувствительности диаметр пятна света может быть регулируемым.

В других аспектах настоящего способа бесконтактный датчик (16) измерения расстояния может быть «фотоэлектрическим датчиком отражательного типа». Этот фотоэлектрический датчик отражательного типа состоит из двух элементов: излучающего свет элемента и принимающего свет элемента. Фотоэлектрический датчик излучает световой луч (видимый или ультрафиолетовый) от его излучающего свет элемента. Световой луч отражается от целевой поверхности и принимается принимающим свет элементом. Расстояние от целевой поверхности до принимающего свет элемента определяется посредством триангуляции или времени пробега (TOF) в зависимости от типа используемого принимающего элемента.

В некоторых аспектах настоящего способа оптический датчик может быть многоцелевым лазерным датчиком с длиной волны 660 нанометров (красный лазер) класса 2, модель LR-TB5000 производства Кеуепсе. Этот лазер использует технологию времени пробега и может регулировать скорость подачи добавляемого к потоку технологической текучей среды пеногасителя.

В некоторых аспектах настоящего способа бесконтактный датчик измерения расстояния в комбинации с пропорциональным и интегральным контуром регулирования (ПИД-контуром) на основе микропроцессора обеспечивает точное измерение накапливающейся пены в реальном времени и способность подавать соответствующее количество пеногасителя, которое пропорционально пенообразованию системы текучей среды.

Способ также может использовать электронный сигнал от оптического измерительного устройства, который пропорционален диапазону уровня пены и, следовательно, пропорционально регулирует поставляемый пеногаситель, или электронный сигнал может инициировать цифровой (включено/выключено) сигнал на подачу пеногасителя, что происходит, когда уровень переходит через один или несколько заданных значений уровня. Заданное значение уровня определяется как специфическое целевое значение высоты пены, что вызывает регулирующий отклик, который может быть любым числом или действиями, такими как сигнал тревоги или автоматическое увеличение или уменьшение скорости подачи пеногасителя.

Электронный сигнал может быть также передан к микропроцессору, который управляет количеством или регулирует количество подаваемого к потоку технологической текучей среды пеногасителя. Или электронный сигнал может быть использован как указатель для выполнения ручной корректировки добавления пеногасителя. Он также может быть использован для непосредственного управления механическим питающим устройством.

Способ может использовать пропорциональный сигнал от оптического датчика измерения расстояния, может обрабатываться микропроцессором для выработки разных стратегий регулирования, посредством которых изменяется подача пеногасителя к стратегически важным точкам в процессе. Стратегии регулирования включают в себя, но не ограничивают, пропорциональное регулирования посредством пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования, известного как ПИД-регулирование, а также другие стратегии распределенной по времени подачи.

Если обратиться к фиг. 1, то здесь обеспечен внешний цилиндрический сосуд (8), имеющий отверстие или впускное отверстие (6) в верхней части сосуда и выпускное отверстие (12) в нижней части или сбоку сосуда, при условии, что слив текучей среды не оказывает влияния на уровень технологической текучей среды в сосуде вспенивающей камеры, внутренняя вспенивающая чаша (10), которая короче и меньше по диаметру, чем внешний цилиндрический сосуд (8), и подвешена на расстоянии от 1 сантиметра (см) до примерно 20 см от дна внешнего цилиндрического сосуда (8). Над вспенивающей чашей подвешена труба (9), которая простирается от впускного отверстия до расстояния от примерно 1 см до примерно 25 см от дна вспенивающей чаши (10). Однако глубина трубы зависит от скорости потока воды и глубины самой чаши.

Пузыри могут образовывать пену, когда воздух захватывается в точке, где нисходящий поток технологической текучей среды встречается с уровнем текучей среды в чашечной секции. Чаша заполняется, и текучая среда и пена стекают каскадом через край чаши, где пена может накапливаться во внешнем сосуде на поверхности текучей среды, которая поддерживается постоянной.

Бесконтактный оптический датчик (16) измерения расстояния излучает световой сигнал, который отражается от поверхности накопившейся пены назад к оптическому датчику, и сигнал передается к микропроцессору (19). Затем микропроцессор регулирует подаваемое к текучей среде количество пеногасителя.

Уровень технологической текучей среды во внешнем цилиндрическом сосуде (8) в данном процессе поддерживается на постоянном уровне с использованием переливного отверстия (14), причем технологическая текучая среда течет через выпускное отверстие (12) внешнего цилиндрического сосуда (8) через сифонную трубу (13) к переливному отверстию, поддерживая посредством этого постоянный уровень технологической текучей среды (15) во внешнем цилиндрическом сосуде. Переливное отверстие может быть расположено в любом месте сосуда вспенивающей камеры при условии, что оно не нарушает или не влияет на уровень технологической текучей среды в сосуде вспенивающей камеры или образование пены.

В еще одном другом аспекте настоящего способа переливное отверстие (14) расположено на такой же высоте, что и верхняя часть вспенивающей чаши (10), поддерживая посредством этого уровень текучей среды на уровне верхней части вспенивающей чащи (10) и накапливая пену над кромкой вспенивающей чаши. Тогда бесконтактный оптический датчик (16) измерения расстояния может быть использован для измерения высоты пены и регулирования соответственно добавляемый пеногаситель.

Скорость течения технологической текучей среды побочного потока в сосуд (8) вспенивающей камеры может регулироваться за счет размера диаметра трубы впускной линии, используемой для перемещения технологической текучей среды из технологического потока (1) текучей среды к сосуду (8) вспенивающей камеры, или других средств регулирования потока, таких как клапан, диафрагма или производительность насоса (2) текучей среды.

В некоторых аспектах во впускной линии может быть установлено сопло для увеличения скорости впускаемой воды, которая, в свою очередь, захватывает воздух, создавая больше пены с меньшим потоком воды.

Сосуд вспенивающей камеры может выпускать технологическую текучую среду из любого выпускного отверстия, и выпускное отверстие может быть в центре дна сосуда вспенивающей камеры. Однако, как указано выше, выпускное отверстие может быть расположено в любом месте на сосуде вспенивающей камеры при условии, что оно не нарушает поддерживаемый уровень технологической текучей среды или что оно не уносит пену, которая накапливается в сосуде. Выпускное отверстие должно достаточную величину диаметра, чтобы быть причиной от незначительного до отсутствующего ограничения потока или повышения уровня текучей среды в камере, чтобы поддерживать относительно постоянным уровень текучей среды в сосуде вспенивающей камеры.

Текучая среда в сосуде вспенивающей камеры может периодически загружаться технологической текучей средой, которая может затем рециркулироваться или возвращаться в сосуд вспенивающей камеры за счет использования, например, насоса в течение периода времени до следующего цикла повторной загрузки. Уровень пены во вспенивающем сосуде может измеряться с помощью бесконтактного оптического датчика измерения расстояния. Затем бесконтактный оптический датчик измерения расстояния может направлять пропорциональный уровню пены в сосуде вспенивающей камеры непрерывный электронный выходной сигнал к микропроцессору.

Пропорциональный электронный выходной сигнал уровня может обрабатываться микропроцессором для выработки разных стратегий регулирования для изменения с помощью которых подачи пеногасителя к стратегическим точкам процесса. Стратегии регулирования включают в себя, но не ограничивают, пропорциональное регулирование посредством пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования, известного как ПИД-регулирование, а также другие основанные на сигнале стратегии распределенной по времени подачи и реагирования вручную на скорость подачи.

Скорость течения потока технологической текучей среды в сосуд вспенивающей камеры может регулироваться, например, за счет величины диаметра трубы побочного потока или способа регулирования течения, такого как клапан регулирования потока, диафрагма, сопло или производительность насоса текучей среды. Включаемый/выключаемый циклический поток может быть использован с рециркуляционными системами, особенно в системах, которые подвержены засорением мусором. Выпуск технологической текучей среды из сосуда вспенивающей камеры может осуществляться непосредственно со дна сосуда, и выпускное отверстие может иметь достаточный диаметр, чтобы быть причиной от незначительного до отсутствующего ограничения потока, который может влиять на уровень текучей среды в сосуде вспенивающей камеры во время нормальной эксплуатации. Однако выпускное отверстие может быть в любой точке при условии, что оно не нарушает поддерживаемый уровень воды или не уносит пену, которая накапливается в сосуде вспенивающей камеры.

Пеногаситель может также подаваться к потоку технологической текучей среды перед точкой отбора пробы для системы контроля и регулирования. Побочный поток технологической текучей среды отбирается или откачивается через пробоотборную линию. В некоторых случаях технологическая текучая среда может проходить через сосуд вспенивающей камеры однократно, или технологическая текучая среда может рециркулироваться через сосуд столько раз или так долго, как необходимо.

Используемые в конструкции деталей сосуда вспенивающей камеры материалы могут быть любыми подходящими жесткими материалами, которые совместимы с технологической текучей средой.

В некоторых аспектах настоящих способов внешний сосуд или сосуд вспенивающей камеры по форме может быть цилиндрическим, может быть квадратным и может быть прямоугольным. Сосуды прямоугольной формы полезны для предсказания, как пена будет накапливаться в находящихся в покое удаленных от места образования пены областях. Прямоугольные сосуды могут быть использованы для имитации пены в отстойниках.

Представляются возможными другие конфигурации, такие как те, в которых технологическая текучая среда стекает каскадом в сосуд вспенивающей камеры, который поддерживает постоянный уровень текучей среды.

В еще одном другом аспекте настоящего способа в побочный поток технологической текучей среды может быть встроен аспиратор.

В настоящем способе постоянный уровень воды может быть достигнут «режимом заполнения и рециркуляции», причем образец технологической текучей среды (7) по мере необходимости периодически отбирается из побочного потока (3) с использованием, например, автоматически приводимых в действие клапанов (5) для очистки и повторного заполнения сосуда вспенивающей камеры, технологическая текучая среда в сосуде может выпускаться через отверстие трубы (14) перелива/уровня, которая действует как сифон для заново отобранной текучей среды, создавая постоянный уровень текучей среды в цилиндре сосуда (8) вспенивающей камеры каждый раз, когда устройство выполняет рабочий цикл. Это способ хорошо работает, когда в текучей среде присутствуют загрязнения и мусор, которые иначе будут захвачены за регулирующим поток клапаном или диафрагмой. Как результат, могут быть использованы более крупные передаточные линии и полностью открытые положения клапана.

Уровень текучей среды во вспенивающей камере может также поддерживаться постоянным, когда по мере необходимости побочный поток отбирается и течет прямоточно через сосуд и выпускается через линию, возвращающуюся вверх от дна внешнего сосуда или сосуда вспенивающей камеры через вертикальную трубу, создавая сифон.

Сосуд вспенивающей камеры может иметь размер в 20 сантиметров, а выпускная или переливная труба может иметь диаметр в диапазоне от минимум 2 сантиметров и более. Разный размер цилиндров, трубопроводов или сосудов может быть рассчитан так, чтобы соответствовать характеристикам текучей среды разных процессов. Обычно выпускное отверстие (12), сифонная труба (13) и переливное отверстие (14) должны иметь достаточный диаметр, чтобы не ограничивать естественный поток текучей среды, создавая по существу повышенный уровень текучей среды.

В некоторых аспектах вышеупомянутых способов может быть добавлен рециркуляционный контур. Рециркуляция может быть полезной, если скорость потока технологической текучей среды побочного потока недостаточна для захвата воздуха. Рециркуляция также полезна, когда технологическая текучей среда отбирается периодически при чрезмерном потоке и небольших ограничениях для предотвращения забивки линии загрязнениями и мусором.

В других аспектах способов расположенный над вспенивающей камерой оптический датчик измерения расстояния непрерывно измеряет уровень пены и преобразует уровень в пропорциональный электронный выходной сигнал уровня. В еще других аспектах устройство и способ могут также содержать один или более датчиков или зондов температуры, рН и электропроводности. Устройство и способ могут также включать в себя, например, осушающее устройство для предотвращения конденсации в измерительной области. Устройство и способ могут также включать в себя другие датчики и устройства, учитывающие связанные с погодой факторы, которые могут влиять на накопление пены в различных водных системах, такие как интенсивность солнечного света в окружающей среде, температура, влажность, точка росы, осадки и атмосферное давление.

В некоторых аспектах вышеупомянутых способов во время начальной настройки система контроля и регулирования калибруется для имитации поведения исследуемого процесса с текучей средой путем указания на то, что уровень высоты пены в сосуде вспенивающей камеры соответствует максимально допустимому уровню пены в потоке технологической текучей среды. Этот уровень затем используется для установления заданного целевого значения уровня регулирования микропроцессорного компонента системы регулирования. Когда уровень пены в сосуде вспенивающей камеры увеличивается, микропроцессор сравнивает его с расстоянием от заданного значения и пропорционально увеличивает скорость подачи пеногасителя к потоку технологической текучей среды, чтобы снизить уровень пены. Если измеренном уровне пены будет ниже заданного значения, контроллер автоматически уменьшает скорость подачи пеногасителя, чтобы позволять пене подняться до заданного значения уровня.

Описанные выше способы могут быть использованы в большинстве технологических потоков текучей среды, которые подвергаются пенообразованию и будут выигрывать от контроля и регулирования количества добавляемого к системе пеногасителя или других добавок. Некоторые примеры включают в себя открытые водоводы, траншеи, резервуары, пруды, трубопроводы, сборные резервуары, водяные резервуары, связанные с предприятиями по производству пищевых продуктов пруды и отстойники, целлюлозные заводы, бумажные заводы, ферментеры и химические заводы. Другие области применения включают в себя связанные с системами обработки сточных вод аэрируемые сосуды и пруды, от систем сбора через трубопроводы сточных вод и открытые водоводы, включая аэрируемые системы активного ила как в промышленных, так и в муниципальных применениях. Также возможными вариантами являются системы обработки сточных вод наподобие реакторов анаэробного и термофильного ферментативного разложения. Получить преимущество могут также все операции промывки на целлюлозных заводах, при переработке пищевых продуктов, переработке водорослей и переработке минералов. Может быть также полезным регулирование подачи пеногасителя в открытых рециркуляционных системах охлаждения воды и охлаждающих текучую среду башнях.

Эти способы будут также полезными для регулирования доз вызывающих пенообразование добавок, таких как вспенивающие средства в разнообразных производственных процессах, включая, но не ограничивая, процессы переработки минералов, такие как флотация и сегрегация, а также отмывание краски в процессах переработки макулатуры.

Все приведенные выше ссылки включены в данный документ полностью.

Примеры

Установка по обработке сточных вод комплексного завода по производству целлюлозы и бумаги будет обычно сталкиваются с проблемными уровнями образующих очень сильную пену веществ, таких как поверхностно-активные вещества, черный щелочной раствор, мыло и грязный конденсат, которые находят свой путь в канализационную систему часто, непредсказуемо и в разных количествах.

На выбранном для проведения испытаний заводе сточные воды текут под действием силы тяжести от выхода первичного осветлителя, где добавляется пеногаситель, к отстойнику насоса, где три больших насоса перемещают воду вверх к охлаждающей башне, которая служит для охлаждения сточных вод перед следующей стадией в процессе обработки. Проблемы с пенообразованием в прошлом проявлялись на поверхности отстойника насоса, в верхней части охлаждающей башни и в отстойнике охлаждающей башни.

Пеногаситель подается в систему обработки сточных вод на выходе из первичного осветлителя, и скорость подачи регулируется приблизительно два раза в день, когда оператор обрабатывающей установки совершает обходы. Обычно если в момент времени этого дня обнаруживается высокий уровень пены, скорость подачи пеногасителя повышается до 100% и остается на том уровне до следующей 12-часовой смены.

Был использован настоящий способ, причем образец непрерывного побочного потока сточной воды отбирают из отстойника охлаждающей башни при скорости отбора 26,5 литров в минуту. В нечастые периоды времени, когда завод имел пластмассу в потоке сточной воды, в питающей линии был установлен грубый корзиночный фильтр с ячейкой 1/4 дюйма (63,5 мм) для предотвращения забивки клапана регулирования потока. Сточная вода поступала в сосуд вспенивающей камеры через сопло, которое направляло сточную воду в центр трубы, которая простиралась в сосуд вспенивающей камеры и была окружена обращенной вверх чашей. Когда сточная вода ударялась о поддерживаемый чашей постоянным уровень воды, образовывалась смесь воздушных пузырей и воды и приводила к накоплению пены на поверхность уровня воды в сосуде вспенивающей камеры, причем уровень воды поддерживался постоянным. Путь побочного потока сточной воды проходил через верхнюю часть сосуда вспенивающей камеры, дважды изменяя направление в сосуде вспенивающей камеры. Захваченный под действием направленной вниз силы входящего в сосуд и ударяющегося о поверхность воды во внутренней чаше побочного потока воды воздух создавал смесь воды и воздушных пузырей, которые всплывали вверх над кромкой внутренней чаши к верхней части сосуда вспенивающей камеры, приводя к накоплению пены на поверхности воды вокруг внутреннего периметра сосуда. Уровень воды в сосуде вспенивающей камеры поддерживался постоянным, в то время как уровень пены на поверхности воды был переменным. Подъем уровня сточной воды поддерживался постоянным и вблизи кромки чаши за счет сливного отверстия в дне сосуда вспенивающей камеры, которое выполнено заодно с внешней вертикальной трубой увеличенного размера, которая создавала U-образный путь течения воды, из которого вода в заключение перетекала в канализацию.

Многоцелевой лазерный датчик Keyence Model LR.-TB5000 Series 2 был расположен над вспенивающей камерой и отслеживал уровень пены в ней. Лазерный датчик непрерывно вырабатывал электрический выходной сигнал, который был пропорциональным расстоянию от уровня пены до лазерного датчика. Выходной сигнал направлялся к микропроцессору, где он обрабатывался для уменьшения шума, масштабировался до требуемого диапазона оцениваемых результатов измерения, инвертировался и в заключение использовался как переменная процесса в контуре пропорционального и интегрального (PID) регулирования, который регулировал производительность насоса пеногасителя. Насос пеногасителя подавал пеногаситель к выпуску первичного осветлителя, где он смешивался со сточной водой перед подачей побочного потока сточной воды к сосуду вспенивающей камеры.

Уровень пены контролировался и регулировался в узком диапазоне от 61 см до 76 см от лазерного датчика: это приводило к общему диапазону от 0 до 15 сантиметров суммарной пены. Во время этого периода производительность насоса пеногасителя была в диапазоне от 20% до 80% для регулирования уровня пены до целевого значения в 71 сантиметр от датчика. Мы были способны регулировать уровень пены в целевом диапазоне за счет пропорциональной скорости подачи пеногасителя.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Процесс с нестойкой пеной

2 Технологический насос

3 Побочный поток процесса

4 Расходомер

5 Клапан регулирования потока

6 Сопло

7 Нисходящий поток

8 Внешний сосуд

9 Тонкая труба

10 Чаша

11 Накопление пены

12 Слив

13 Сифонная труба

14 Переливное отверстие

15 Уровень воды

16 Оптический датчик расстояния

17 Луч света

18 Электрический сигнал к микропроцессору

19 Микропроцессор

20 Электрический регулирующий сигнал

21 Способ подачи пеногасителя.

Изобретение относится к способу измерения и регулирования в оперативном режиме и в реальном времени вспенивания технологической текучей среды в процессе обработки текучей среды. Способ содержит: обеспечение побочного потока (3) технологической текучей среды (1) к сосуду (8) вспенивающей камеры при поддержании постоянного уровня технологической текучей среды в сосуде вспенивающей камеры и в котором может быть искусственно создана пена, создание пены и накопление пены (11) в сосуде (8) вспенивающей камеры, излучение сигнала от бесконтактного оптического датчика (16) измерения расстояния, причем излученный сигнал (17) отражается от поверхности накопившейся пены (11) назад к измерительному датчику (16), передачу сигнала к микропроцессору (19), который вычисляет высоту накопившейся пены на основании постоянного уровня технологической текучей среды (15) в сосуде (8), и регулирование количества поставляемого в технологический поток пеногасителя. Технический результат – возможность точно имитировать и измерять характер образования пены исследуемой системы технологической текучей среды независимо от физических изменений в этой системе, исключение специальных составов пеногасителей, которые являются хорошими при разрушении, а следовательно расширение выбора подходящих доступных для конечного пользователя продуктов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения и регулирования в оперативном режиме и в реальном времени вспенивания технологической текучей среды в процессе обработки текучей среды, содержащий:

обеспечение побочного потока (3) технологической текучей среды (1) к сосуду (8) вспенивающей камеры при поддержании постоянного уровня технологической текучей среды в сосуде вспенивающей камеры и в котором может быть искусственно создана пена,

создание пены и накопление пены (11) в сосуде (8) вспенивающей камеры,

излучение сигнала от бесконтактного оптического датчика (16) измерения расстояния, причем излученный сигнал (17) отражается от поверхности накопившейся пены (11) назад к измерительному датчику (16),

передачу сигнала к микропроцессору (19), который вычисляет высоту накопившейся пены на основании постоянного уровня технологической текучей среды (15) в сосуде (8), и

регулирование количества поставляемого в технологический поток пеногасителя.

2. Способ по п. 1, причем технологический поток текучей среды вводят в сосуд через барботер или сопло, создавая тем самым пену и накопившуюся пену.

3. Способ по п. 1, причем пену создают посредством введения сжатого воздуха в имеющую постоянный уровень текучую среду сосуда или введения воздуха в текучую среду побочного потока.

4. Способ по п. 1, причем бесконтактный оптический датчик измерения расстояния является фотоэлектрическим датчиком отражательного типа.

5. Способ по п. 1, причем предусмотрен аспиратор, расположенный между источником текучей среды и сосудом вспенивающей камеры.

6. Способ по п. 1, причем для контроля скорости потока текучей среды в сосуд вспенивающей камеры или из сосуда вспенивающей камеры используют расходомер.

7. Способ по п. 1, причем для поддержания постоянной скорости потока к сосуду вспенивающей камеры используют клапан регулирования потока.

8. Способ по одному из пп. 1-7, также содержащий добавление светоотражающих или активных материалов к технологическим потокам текучей среды для улучшения точности оптического датчика измерения расстояния.

9. Способ по п. 1, причем для регулирования конденсации в измерительной области используют осушающее устройство.

10. Способ измерения и регулирования в оперативном режиме и в реальном времени вспенивания технологической текучей среды, содержащий:

обеспечение побочного потока (3) технологической текучей среды (1) к сосуду вспенивающей камеры, содержащему постоянный уровень текучей среды потока технологической текучей среды, причем сосуд вспенивающей камеры также содержит внутреннюю чашу (10) и шланг или трубу (9), который(ая) подвешен(а) над внутренней чашей (10) и простирается во внутреннюю чашу (10),

направление технологической текучей среды побочного потока через трубу (9) во внутреннюю чашу (10) с образованием пены и накоплением пены (11),

излучение сигнала от бесконтактного оптического датчика (16) измерения расстояния, причем сигнал отражается от поверхности пены назад к измерительному датчику (16),

передачу сигнала к микропроцессору (19), который вычисляет высоту накопившейся пены на основании постоянного уровня технологической текучей среды (15) в сосуде (8), и

регулирование количества поставляемого в технологический поток пеногасителя.