CC BY
15
4. Николаев А. И. Переработка нетрадиционного титанового сырья Кольского полуострова. Апатиты: КНЦ РАН, 1991. 118 с.
5. Нетрадиционные источники получения титана и редких металлов / Л. З. Быховский др. // Геология, методы поисков, разведки и оценки месторождений твердых полезных ископаемых. Обзорная информация. М.: ЗАО «Геоинформцентр», 2003. Вып. 4-5. 98 с.
6. Перспективы Зашихинского / В. В. Перфильев и др. // Редкие земли. 2017. № 1. С. 142-151.
7. Гидрометаллургическая переработка колумбитового концентрата Зашихинского месторождения / А. В. Нечаев и др. // Химическая технология. 2017. № 2. С. 81-88.
8. Разделение и очистка ниобия и тантала экстракцией октанолом из растворов переработки отечественного колумбитового концентрата / И. В Бакланова и др. // Химическая технология. 2001. № 2. С. 28-32.
Сведения об авторах
Смирнов Александр Всеволодович
кандидат технических наук, ведущий инженер-технолог, ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия
asmirnov@rusredmet.ru
Нечаев Андрей Валерьевич
кандидат технических наук, генеральный директор, ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия
nechaev@rusredmet.ru
Шестаков Сергей Владимирович
главный технолог, ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия
secretar@rusredmet.ru
Сибилев Александр Сергеевич
начальник технологической лаборатории, ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия asibilev@rusredmet.ru
Smirnov Aleksandr Vsevolodovich
PhD (Engineering), Senior Process Engineer, LTD "NPK Rusredmet", Saint Petersburg, Russia
asmirnov@rusredmet.ru
Nechaev Andrej Valer'evich
PhD (Engineering), Director general, LTD "NPK Rusredmet", Saint Petersburg, Russia
anechaev@rusredmet.ru
Shestakov Sergej Vladimirovich
Chief Specialist, LTD "NPK Rusredmet", Saint Petersburg, Russia secretar@rusredmet.ru
Sibilev Aleksandr Sergeevich
Laboratory Chief, LTD "NPK Rusredmet", Saint Petersburg, Russia asibilev@rusredmet.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.361 -365 УДК 66.021.3 + 621.69
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ В МАССООБМЕННЫХ КОЛОННЫХ АППАРАТАХ
А. В. Соловьев
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
Аннотация
Рассматривается гидравлический вибропривод, предназначенный для массообменных вибрационных аппаратов колонного типа. Вибропривод оснащен системой автоматического управления. Отмечена высокая надежность вибропривода и системы его управления. Ключевые слова:
вибропривод, гидроцилиндр, вибрационные аппараты, программируемый контроллер. AUTOMATIC CONTROL OF LOW-FREQUENCY OSCILLATIONS IN MASS-EXCHANGE COLUMNS A. V. Soloviev
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
The article deals with a hydraulic vibrodrive intended for mass-transfer vibrating devices of column type. The vibrator is equipped with an automatic control system. High reliability of the vibration drive and its control system is noted. Keywords:
vibrodrive, hydraulic cylinder, vibration apparatus, programmable controller.
Массообменные процессы являются неотъемлемой частью любого химико-технологического процесса. Количество выпускаемой продукции во многом зависит от скорости массопередачи, на которую в сильной степени влияет гидродинамическая обстановка, существующая в массообменном аппарате. Умение управлять скоростью массопередачи и создавать необходимые для этой скорости гидродинамические условия в рабочей зоне аппарата позволяют успешно решать проблемы увеличения выпуска продукции и улучшения ее качества. Данная работа ориентирована на экстракционные процессы, в которых применяются колонные аппараты с подводом внешней энергии в виде низкочастотных колебаний. Это так называемые вибрационные насадочные колонны, обладающие возможностью воздействовать на гидродинамику потоков и, как следствие, на скорость массопередачи в системах «жидкость — жидкость».
В Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС) разработан, изготовлен и испытан в работе на пилотной установке, а затем и на промышленных аппаратах гидравлический вибропривод, оснащенный автоматической системой управления. В качестве вибропривода используется механизм МГП-63, серийно выпускаемый отечественной промышленностью. В состав МГП-63 входит гидроцилиндр, который выполняет функции генератора низкочастотных колебания с возможностью регулирования частоты и амплитуды [1, 2].
Вибропривод и система его управления базируется на использовании гидравлических устройств, которые позволяют: получать на выходе механизма большие мощности при малых размерах и массе гидроцилиндра; совершать возвратно-поступательное движение перемешивающего устройства (насадки); менять частоту и амплитуду колебаний поршня гидроцилиндра без остановки технологического аппарата, на котором он установлен; обеспечивать большой срок службы; осуществлять управление массообменным процессом в режиме, близком к оптимальному.
Принципиальная схема вибропривода представлена на рис. 1. Исполнительным органом устройства является гидроцилиндр 1, который установлен на верхнем отстойнике 2 вибрационной колонны. Шток 3 гидроцилиндра 1 жестко соединен с насадкой 4. В качестве гидрораспределителя используется электрогидравлический преобразователь 5 типа ПЭГ-ПМ-10/160. Питание гидросистемы осуществляется от масляной станции 6 типа С-63 через редукционный клапан 7 типа БГ5И-22, который соединен с электроприводом 8 типа HA-O1, обеспечивающим дистанционное и местное управление редукционным клапаном 7. Все эти узлы отечественного производства.
Рис. 1. Принципиальная схема управления гидравлическим виброприводом. Обозначения в тексте
Для контроля частоты и амплитуды вибраций разработан оригинальный датчик положения штока гидропривода (ДПШ) 9, состоящий из преобразователя линейных перемещений (ПЛП) 10 и устройства контроля и сигнализации (УКС) 11, включающее постоянный магнит 12 и герконы 13. УКС фиксирует положение верхней
и нижней точек поршня в гидроцилиндре и таким образом передает информацию о величине амплитуды колебаний насадки 4 в аппарате. Герконы соединены между собой ходовым винтом, который связан с шаговым двигателем (на рис. 1 не показан). Расстояние между герконами можно изменять от 5 до 60 мм, что позволяет устанавливать любую амплитуду в диапазоне от 2,5 до 30 мм.
Преобразователь ПЛП представляет собой индукционный датчик, выполненный в виде катушки с тремя обмотками, соединенными по дифференциальной схеме. Корпус катушки изготовлен из фторопласта. Обмотка возбуждения питается переменным током с частотой 1000 Гц. При колебании штока гидроцилиндра колеблется и сердечник ПЛП, возбуждая во вторичных обмотках преобразователя э. д. с., мгновенное значение которой зависит от положения сердечника в катушке. Эта э. д. с. является сигналом обратной связи, который после соответствующих преобразований подается в электромеханический преобразователь ПЭГ. Все сигналы от датчиков вибропривода поступают в МУГ — модуль управления гидроцилиндром.
Модуль МУГ выполнен в стандарте фирмы "Advantech", что обеспечивает его совместимость по механическим и электрическим характеристикам со стандартными модулями ADAM серии 5000 той же фирмы. МУГ устанавливается в 19-дюймовую стойку, которая вмонтирована в шкаф преобразователей, расположенный в непосредственной близости от гидропривода. В этом же шкафе установлены источник стабилизированного питания UPS и устройства связи с объектом, преобразующие аналоговые сигналы различных датчиков в унифицированные сигналы. В данной статье эта часть автоматики не рассматривается. Отметим только, что на экстракторе установлены датчики уровня, расхода, границы раздела фаз, измеритель задержки дисперсной фазы и другие датчики, которые контролируют основные режимные параметры технологического процесса.
Модуль МУГ посредством интерфейса RS-232 связан с ПЛК — программируемым логическим контроллером. ПЛК подсоединен к стандартному IBM PC совместимому компьютеру, который входит в состав автоматизированного рабочего места оператора — АРМ.
Функциональная схема управления гидравлическим виброприводом показана на рис. 2. Система управления состоит из модуля управления гидроприводом (МУГ), программируемого логического контроллера (ПЛК) "ADAM-5510 EKW/TP" фирмы "Advantech", 5 модулей ADAM 5000-й серии и автоматизированного рабочего места оператора (АРМ). МУГ включает следующие блоки: 1 — задающий генератор для питания датчика; 2 — блок обработки сигналов ДПШ; 3 — блок связи модуля МУГ с ПЛК "ADAM-5510"; 4 — блок управления электроприводом редукционного клапана; 5 — блок управления каплемером; 6 — блок ручного управления амплитудой и частотой колебаний насадки.
муг
Рис. 2. Функциональная схема управления виброприводом. Обозначения в тексте
Работает система следующим образом. Сигнал от преобразователя ПЛП поступает в блок 2 модуля МУГ на обработку, после чего через блок связи 3 направляется в модуль аналогового ввода "АЭАМ-5017". Сигнал содержит информацию о частоте и амплитуде колебаний штока вибропривода. После обработки информации оцифрованные значения этих параметров сравниваются с заданными. Если их текущие значения превышают заданные на + 10 %, то с релейного модуля "АЭАМ-5068" поступают команды на исполнительные органы. Если от заданного режима отклонилась частота, управляющий сигнал пройдет по цепочке А0АМ-5068 — блок 3 — блок 4 — управляющий электропривод (поз. 8 на рис. 1) — редукционный клапан (поз. 7 на рис. 1). В зависимости от знака рассогласования редукционный клапан увеличивает или уменьшает рабочее давление в системе гидроцилиндра, в результате чего частота колебаний штока вибропривода также увеличивается или уменьшается.
Если отклонится амплитуда колебаний, то управляющий сигнал пройдет по цепочке АЭАМ-5050 — АБАМ-5024 — блок 3 — блок 2 — распределитель ПЭГ (поз. 5 на рис. 1). В зависимости от знака отклонения амплитуды распределитель ПЭГ по алгоритму программы, заложенной в ПЛК, увеличивает или уменьшает период подачи масла в верхнюю и нижнюю полости гидроцилиндра. В результате поршень будет колебаться с той частотой, которая необходима для поддержания процесса массообмена в заданном режиме.
Информация о текущих значениях амплитуды и частоты выводится на экран монитора, заносится в банк данных в виде протокола и при необходимости выводится по команде с монитора АРМ на принтер. В случае остановки вибропривода без команды оператора на экране монитора появляется сообщение «аварийная остановка».
В системе автоматического управления предусмотрен переход на ручное управление. Оно осуществляется через блок 6 модуля МУГ. После перехода на ручное управление схема автоматики отключается. Это необходимо делать при проведении пуско-наладочных работ технологических аппаратов. Таким образом, система позволяет осуществлять контроль и регулирование основных гидродинамических параметров как в автоматическом режиме, так и дистанционно «вручную».
В экстракционных процессах количество извлекаемого вещества зависит от многих параметров, среди которых межфазная поверхность занимает особое место, так как она наиболее сильно влияет на количественные и качественные показатели экстракции. Межфазная поверхность является функцией среднего диаметра капель и задержки дисперсной фазы в рабочей зоне аппарата. Если эти два параметра стабильны, то и межфазная поверхность будет постоянной. Следовательно, задача заключается в том, чтобы удерживать в заданных пределах средний диаметр капель и задержку дисперсной фазы. В данной работе эта задача решается с помощью так называемого каплемера, принцип действия которого описан в работах [3, 4]. В настоящее время каплемер усовершенствован за счет применения современных средств автоматики. Мы не будем рассматривать здесь его устройство и принцип работы, так как этот материал является темой отдельной статьи, которую авторы предложили журналу «Автоматизация и современные технологии» осенью 2014 г.
Связь каплемера с гидравлическим виброприводом осуществляет блок 5, встроенный в МУГ. Сигналы, поступающие от каплемера в блок 5, передаются в модуль "ADAM-5080", а затем в ПЛК, где осуществляется их обработка, и определяются средний диаметр капель, задержка дисперсной фазы и межфазная поверхность. Полученная информация протоколируется и заносится в банк данных, а текущие значения межфазной поверхности и среднего диаметра выводятся на экран монитора АРМ.
В вибрационных колоннах размер капель можно поддерживать на заданном уровне путем изменения интенсивности вибрации насадки. Средний диаметр капли, оптимальный с точки зрения массопередачи, и интенсивность вибрации, при которой этот диаметр получается, известны уже на стадии проектирования как величины, входящие в состав исходных данных. Находят их, как правило, экспериментально на пилотных установках, используя в опытах реальные физико-химические системы. При этом процесс массообмена проводят в установившемся режиме. Однако в реальных условиях в результате воздействия на процесс внешних возмущений изменяются номинальные значения таких параметров, как плотность, вязкость и межфазное натяжение, что приводит к отклонению среднего диаметра капель от заданного, а вслед за этим изменяется и поверхность массообмена. Причем опасно не только уменьшение поверхности, но и ее увеличение, так как это может привести к захлебыванию аппарата.
Наличие управляемого гидравлического вибропривода позволяет устранять подобные ситуации. Как показали наши исследования, влияние амплитуды на величину диаметра капель и влияние частоты проявляются по-разному. На какой параметр вибрации воздействовать и на какую величину его изменять, решает программа системы управления, используя информацию, поступающую от каплемера и других датчиков, контролирующих технологические параметры. В зависимости от принятого решения на выходе управляющих модулей формируются выходные сигналы, которые поступают или на электрогидравлический преобразователь ПЭГ, или на электропривод редукционного клапана. В первом случае изменяется амплитуда, во втором — частота. Конечным итогом такого регулирования является высокая степень стабильности величины среднего диаметра капель, в результате чего сохраняется максимально возможная производительность аппарата, несмотря на постоянно возникающие возмущения, которые всегда имеют место в реальном технологическом процессе.
Эксплуатация автоматизированного гидравлического вибропривода осуществлялась в цеховых условиях гидрометаллургических производств в Казахстане на Ульбинском металлургическом заводе (г. Усть-Каменогорск), на Иртышском химико-металлургическом заводе (п. Первомайский, Казахстан), на заводе «Силмет» (бывший Сланцехимический завод в г. Силламяэ, Эстония), на ЛОЗ ВАМИ в Санкт-Петербурге и других предприятиях. На перечисленных заводах в 1970-1980-х гг. проводились работы по внедрению вибрационных экстракторов, разработанных сотрудниками ИХТРЭМС, среди которых был один из авторов этой статьи. Все аппараты были оснащены гидравлическими виброприводами. К сожалению, в настоящее время большинство заводов, где работали гидрометаллургические производства, прекратили свою деятельность или перепрофилировались на другие процессы.
Длительный период эксплуатации вышеназванных аппаратов позволяет объективно оценить технические возможности гидравлических виброприводов. Прежде всего, следует отметить надежность механизма. Несмотря на жесткие условия, в которых эксплуатировались виброприводы, особенно в период их испытаний на пилотной установке, не было ни одного отказа по гидромеханике. Это объясняется тем, что подвижные элементы постоянно смазываются рабочей жидкостью, в качестве которой применяется минеральное масло. В результате износ подвижных элементов становится незначительным, хотя они соприкасаются с агрессивной средой. На рис. 3 показан действующий гидравлический вибропривод, установленный на колонне диаметром 0,3 м и проработавший в общей сложности более 5 лет.
Полностью оправдала себя система автоматического управления, которая может использоваться в качестве нижнего и среднего уровней автоматизации в масштабе цеховой АСУ ТП. Вибропривод, активным звеном которого является небольшой по габаритам и массе гидроцилиндр, представляет собой высокопотенциальное устройство, благодаря чему агрегат в целом становится унифицированным звеном для аппаратов разной производительности, в том числе и для крупнотоннажных. С помощью этого устройства можно за короткое время и без материальных затрат выходить на оптимальный режим работы аппарата, если в качестве критерия оптимальности выбрана производительность или качество продукции.
Рис. 3. Гидравлический вибропривод, установленный на верхнем отстойнике-экстракторе Литература
1. Пат. 2481142 Рос. Федеарция, МПК B01D 11/04. Способ автоматического управления процессом жидкостной экстракции в вибрационной колонне / Соловьев А. В., Яковлев К. А., Калинников В. Т.; Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кол. науч. центра РАН. № 2011149102/05; заявл. 01.12.2011; опубл. 10.05.2013, Бюл. № 13.
2. Соловьев А. В. Система автоматизированного управления экстракционной стадией гидрометаллургического производства // Новые подходы в химической технологии и практика применения процессов экстракции и сорбции: мат-лы I науч.-практич. конф. Апатиты, 2009. С. 161-166.
3. Измерение поверхности контакта фаз в системе жидкость — жидкость с помощью капиллярного зонда / В. Г. Выгон и др. // Тез. докл. на IV Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах. Л.: НИИТЭХИМ, 1982. С. 77-78.
4. Соловьев А. В., Хомченко О. А. Определение поверхности массообмена в гетерофазных системах жидкость — жидкость // Исследования по физико-химическим основам технологии переработки минерального сырья. Л.: Наука, 1983. С. 123-128.
Сведения об авторе
Соловьев Александр Викторович
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт химии и технологии редких элементов и минерального
сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
solov_av@chemy.kolasc.net.ru
Solovjov Alexandr Viktorovich
PhD (Engineering), Senior Researcher, I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia solov_av@chemy.kolasc.net.ru
