CC BY
20
О
ХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ТЕМА НОМЕРА]
УДК 62-5:541.183.12
Автоматическое управление процессом ионообменной сорбции аминокислот
из сточных вод промышленных предприятий
Ключевые слова: экология; промышленные предприятия; сточные воды; аминокислоты; ионная сорбция; автоматическое управление.
С.Т. Антипов, д-р техн. наук, проф., Н.И. Глянцев, доц., С.В. Шахов, канд. техн. наук, доц., Н.В. Горбатов
Воронежская государственная технологическая академия А.И. Штаньков
ЛВЗ «Висант», г. Воронеж
В настоящее время вопросы экологии промышленного производства особенно актуальны. В результате возрастания масштабных техногенных воздействий человека на природные процессы происходят глобальные изменения окружающей среды, в частности, накапливание оксидов серы, азота, тяжелых металлов, канцерогенных веществ, разнообразных отходов производств, вызывающих гибель растений и отрицательно влияющих на здоровье людей. Непрерывное загрязнение водоемов нарушает характер взаимодействия между гидро- и атмосферой. Основная доля вины за такие негативные воздействия падает на пищевую и химическую промышленность. Общеизвестно, что экологическая напряженность обусловлена низким уровнем технологий и усугубляется несовершенством очистных сооружений. Эко-
логические проблемы в нашей стране непрерывно усиливаются на почве экстенсивного способа производства. Для исправления опасных экологических последствий необходимы создание ресурсосберегающих безотходных технологий, интенсификация химико-технологических процессов производства и организация его безотходности, рециркуляции используемых материалов, воды.
Метионин и лизин применяют в различных отраслях народного хозяйства как незаменимые аминокислоты, их используют в качестве добавок к кормам сельскохозяйственных животных и в фармацевтических целях. При этом производство микробиологического лизина и синтетического метионина сопровождается большим объемом водопотребления и соответственно потерями их до 20 % со сточными вода-
ми, приводящими к загрязнению окружающей среды.
В связи с этим разработка способа очистки сточной воды с одновременным извлечением из них метионина и лизина - актуальная задача, имеющая практическое значение.
Для очистки сточных вод при производстве метионина и лизина можно применять различные методы, но только физико-химические способы позволяют добиться извлечения из них целевого компонента. Наряду с распространенными современными физико-химическими способами извлечения органических веществ из сточных вод (мембранное разделение и экстракция органическими растворителями) большой интерес вызывают ионообменные технологии.
Однако в ионообменной технологии извлечения аминокислот имеются проблемы, связанные как с подбором сорбента с необходимой избирательностью, решаемые экспериментальными методами, так и с рациональным ведением процесса в автоматическом режиме. Последнее сводится к организации своевременного чередования эффективных операций, обеспечивающих извлечение целевых компонентов из водной среды с минимальными затратами, и связано с обеспечением точности управления и регулированием параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
Для решения этой задачи нами разработан способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод и составлена схема его проведения (см. рисунок).
Схема автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод включает ионообменные колонны (адсорберы) вертикального типа 1, 2, 3, емкость исходной воды 4, емкости для конденсата 5 и регенерирующего раствора 6 с нагревательными элементами соответственно 7 и 8, регулирующие вентили 9-26.
Схема автоматического управления процессом ионообменной сорбции
аминокислот из сточных вод включает также линию 27 подачи исходной воды в ионообменную колонну 1; линию 28 подачи обрабатываемой воды в ионообменную колонну 2; линию 29 подачи обрабатываемой воды в ионообменную колонну 3; линию 30 удаления отработанной воды; линии 31, 32, 33 подачи конденсата в ионообменные колонны 1, 2 и 3; линию 34 отвода конденсата из ионообменных колонн 1, 2 и 3; линии 35, 36, 37 подачи регенерирующего раствора соответственно в ионообменные колонны 1, 2 и 3; линию 38 отработанного регенерирующего раствора из ионообменных колонн 1, 2 и 3; линии 39, 40, 41 подачи частично обработанной воды соответственно из ионообменной колонны 1 в ионообменную колонну 2, из ионообменной колонны 2 в ионообменную колонну 3, из ионообменной колонны 3 в ионообменную колонну 1; датчики уровня 42, 43, 44, соответственно в емкостях исходной воды 4, конденсата 5 и регенерирующего раствора 6; датчики кислотности 45- 51, соответственно в исходной воде при ее подаче в ионообменные колонны 1, 2 и 3, в конденсате, удаляемом из ионообменных колонн 1, 2 и 3, в отработанном регенерирующем растворе из ионообменных колонн 1, 2 и 3; датчики температуры 52, 53, соответственно конденсата в емкости 5 и регенерирующего раствора в емкости 6; датчики концентрации целевого компонента 54-57, соответственно в исходной воде и обработанной воде на выходе из ионообменных колонн 1, 2, 3; датчики 58-72 расхода; вторичные приборы 73-103; микропроцессор 104; цифроаналоговые преобразователи 105-124; исполнительные механизмы 125-144.
Сущность осуществления способа по данной схеме можно показать на примере проведения процесса ионообменной сорбции метионина из сточных вод в виде следующей последовательности операций, выполняемых в автоматическом режиме.
Сточные воды, содержащие в своем составе целевой компонент в виде аминокислоты (например, 20 г/л мети-онина), различные соли (например, 200 г/л сульфата натрия) и другие компоненты, подаются в емкость 4, в которой передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 133 регулирующего вентиля 9 поддерживается допустимый уровень исходной воды, контролируемый датчиком 42. Также в емкости 4 контролируется с помощью датчика 45 и поддерживается путем добавления соответствующих реагентов (кислоты) необходимый уровень кислотности (например, рН=1-2).
Из емкости 4 по линии 27 исходная
вода передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 132 регулирующего вентиля 15 подается в ионообменную колонну 1, заполненную сульфока-тионитом, обладающим наибольшей избирательностью, кинетической проницаемостью и динамической активностью по отношению к целевому компоненту в виде аминокислоты (например, катионит КУ-5 поликонденсационного типа, который обладает при сорбции из водных солевых растворов производственных сточных вод наибольшей избирательной способностью по отношению к метионину).
При этом с помощью датчиков расхода 58 и 60 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 27 производится контроль за расходом исходной воды, которая регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 132 регулирующего вентиля 15, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при сорбции (например, 3000 л/ч^м2). В ионообменной колонне 1 происходит фильтрация воды. Однако при достижении определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию метионина 0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируется датчиком концентрации целевого компонента 55, производится включение в работу следующей ионообменной колонны 2 путем направления потока обрабатываемой воды из ионообменной колонны 1 в колонну 2 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 128 регулирующего вентиля 19. В этом случае сточные воды фильтруются через две предварительно соединенные колонны 1 и 2. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 55 и 56 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе из колонн 1 и 2. Удаление отработанной воды при этом производится по линии 30 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 128 для переключения регулирующего вентиля 19. При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метио-нина) на выходе из колонны 1, контролируемой датчиком 55, равной концентрации на входе контролируемой датчиком 54 (т.е. наблюдается полное насыщение в колонне 1), ее переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т.е. на ее регенерацию).
С целью предотвращения загрязнения десорбируемого метионина сульфатом натрия вытеснение кислых сточ-
ных вод, оставшихся в колонне 1 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее конденсата из емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 130 регулирующего вентиля 12. Конденсат при этом проходит через слой катионита в направлении, обратном при сорбции, и на выходе из ионообменной колонны 1 в нем измеряется кислотность с помощью датчика 46, а затем он удаляется через линию 34.
Конденсат подается в ионообменную колонну 1 подогретым в емкости 5 до необходимой температуры (например, 70...80 оС), контролируемой датчиком 52 и поддерживаемой на заданном уровне передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 135 нагревательного элемента 7. В емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 134 регулирующего вентиля 10 также поддерживается необходимый уровень конденсата, измеряемый датчиком 43.
После вытеснения из системы конденсата в ионообменной колонне 1 фильтруют десорбирующий раствор [например, горячий (70 оС) 1%-ный раствор едкого натра, содержащий 2530 г/л метионина], предварительно нагретый в емкости 6 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 137 нагревательного элемента до заданного уровня температуры (например, 50.60 оС). В емкости 6 также поддерживается измеряемый датчиком 44 необходимый уровень десорбирующе-го раствора передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 135 регулирующего вентиля 11.
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 1 осуществляется передачей с микропроцессора 104 исполнительному механизму 131 регулирующего вентиля 18.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 59 и 72 соответственно на выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 1 производится контроль за расходом десорбирую-щего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 131 регулирующего вентиля 18, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 лДим2).
После прохождения раствора через ионообменную колонну 1 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, рН = 5,5-7), контролируемого датчиком 49, и путем передачи корректирующего сигнала с мик-
г \ХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ТЕМА НОМЕРА
ропроцессора 104 исполнительному механизму 125 регулирующего вентиля 20 удаляется в линию 38, из которого по охлаждении до комнатной температуры далее выделяется кристаллический целевой компонент в виде аминокислоты (например, метионин в количестве 75-80 % от сорбированного).
Вытеснение регенерирующего раствора осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 104 исполнительному механизму 130 регулирующего вентиля 12 для подачи в ионообменную колонну 1 конденсата.
По окончании вытеснения нейтрального целевого компонента (например, метионина) рН элюата резко возрастает и быстро достигает исходного значения (например, рН = 1212,5). При этом оставшийся метионин десорбируется в виде метионата и вместе с маточником, полученным при фильтрации кристаллического метио-нина, используется при десорбции в следующем цикле. Одновременно с десорбцией осуществляется регенерация метионина (перевод в натриевую форму). Чистота выделенного кристаллического метионина характеризовалась содержанием основного продукта и сульфата натрия (согласно ТУ на метионин), а также данными, полученными при элементном анализе продукта на содержание углерода, серы и азота.
Одновременно после переключения колонны 1 на регенерацию исходная вода по линии 28 подается в следующую ионообменную колонну 2 и при этом с помощью датчиков расхода 58 и 64 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 28 производится контроль за ее расходом, который регулируется с помощью исполнительного механизма 129 и вентиля 16.
Фильтрование в ионообменной колонне 2 также производится до достижения в воде определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию метионина 0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируемой при помощи датчика концентрации целевого компонента 56, происходит включение в работу ионообменной колонны 3 путем направления потока обрабатываемой воды из ионообменной колонны 2 в колонну 3 посредством исполнительного механизма 144 и регулирующего вентиля 22. Сточные воды, как и в первом случае, также фильтруются через две предварительно соединенные колонны 2 и 3. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 56 и 57 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на
выходе из колонн 2 и 3. При этом удаление отработанной воды производится по линии 30 путем переключения вентиля 22 исполнительным механизмом 144. При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например: мети-онина) на выходе из колонны 2, равной концентрации на входе (полное насыщение), соответственно контролируемой датчиками концентрации целевого компонента 56 и 54, ее переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т. е. регенерацию).
Вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 2 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее подогретым до необходимой температуры (например, 70.80 оС), контролируемой датчиком 52, конденсата из емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 125 регулирующего вентиля 13. На выходе из ионообменной колонны 2 в конденсате измеряется кислотность с помощью датчика 47, а затем он удаляется через линию 34.
После вытеснения из системы конденсата в ионообменной колонне 2 фильтруют десорбирующий раствор [например, горячий (70 оС) 1 %-ный раствор едкого натра, содержащий 2530 г/л метионина], предварительно нагретый в емкости 6 до заданного уровня температуры (например, 50.60 оС).
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 2 осуществляется передачей с микропроцессора 104 исполнительному механизму 127 регулирующего вентиля 21.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 63 и 71 соответственно на выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 2 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 127 регулирующего вентиля 21, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/ч^м2).
После прохождения раствора через ионообменную колонну 2 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, рН = 5,5-7), контролируемого датчиком 50, и путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 143 регулирующего вентиля 23 удаляется в линию 38.
Стадию десорбции прекращают при достижении кислотности исходного значения, после чего проводят вытеснение регенерирующего раствора конденсатом.
Вытеснение регенерирующего раствора конденсатом осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 104 исполнительному механизму 125 регулирующего вентиля 13 для подачи в ионообменную колонну 2 конденсата.
Одновременно после переключения колонны 2 на регенерацию исходная вода по линии 29 подается в следующую ионообменную колонну 3. При этом с помощью датчиков расхода 58 и 67 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 29 производится контроль за ее расходом, который регулируется с помощью исполнительного механизма 144 и вентиля 17.
Фильтрование в ионообменной колонне 3 также производится до достижения в воде определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, равной содержанию метионина 0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируемой при помощи датчика концентрации целевого компонента 57. После чего вновь происходит включение в работу ионообменной колонны 1, в которой прошли стадии вытеснения и десорбции (т. е. процесс ее регенерации).
Поток обрабатываемой воды из ионообменной колонны 3 направляют в колонну 1 путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 139 регулирующего вентиля 25. Сточные воды при этом фильтруются через две соединенные колонны 3 и 1. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 57 и 55 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе из колонн 3 и 1. При этом удаление отработанной воды производится по линии 30 путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 139 регулирующего вентиля 25. При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) на выходе из колонны 3, равной концентрации на входе (полное насыщение) соответственно контролируемой датчиками концентрации целевого компонента 57 и 54, ее переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т.е. регенерацию).
Вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 3 после сорбции, производится путем подачи в нее подогретым до необходимой температуры (например, 70.80 оС), контролируемой датчиком 52, конденсата из емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 141 регулирующего вентиля 14. На выходе из ионооб-
менной колонны 3 в конденсате измеряется кислотность с помощью датчика 48, который затем удаляется через линию 34.
После вытеснения из системы конденсата в ионообменной колонне 3 фильтруют десорбирующий раствор [например, горячий (60...70 оС) 1 %-ный раствор едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина], предварительно нагретый в емкости 6 до заданного уровня температуры (например, 70.80 оС).
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 3 осуществляется передачей с микропроцессора 104 исполнительному механизму 140 регулирующего вентиля 24.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 66 и 68 соответственно на выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 3 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 140 регулирующего вентиля 24, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/ч^м2).
После прохождения раствора через ионообменную колонну 3 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении кислотности (например, pH = 5,5-7), контролируемого датчиком 51, и путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 104 исполнительному механизму 138 регулирующего вентиля 26 удаляется в линию 38.
Стадию десорбции прекращают при достижении кислотности исходного значения, после чего осуществляют вытеснение регенерирующего раствора конденсатом.
Вытеснение регенерирующего раствора конденсатом производят передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 104 исполнительному механизму 141 регулирующего вентиля 14 для подачи в ионообменную колонну 3 конденсата.
Таким образом, непрерывная схема работы ионообменных колонн 1, 2, 3 предусматривает, что при достижении на выходе из адсорбера 1 концентрации метионина 0,5 г/л к нему подсоединяется адсорбер 2 и т. д. В свою очередь, полностью насыщенные ионообменные колонны пере-
ключаются на последующие стадии вытеснения и десорбции, т.е. каждый отдельный адсорбер работает по замкнутому циклу: сорбция ^ вытеснение кислых сточных вод ^ десорбция и активация катионита ^ вытеснение регенерирующего раствора ^ сорбция и т.д.
При этом информация о протекании процесса ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод передается с датчиков через вторичные приборы 73-103 в микропроцессор 104, который выдает корректирующие сигналы через цифроаналоговые преобразователи 105-124 исполнительным механизмам 125-144 для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.
Предлагаемый способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод имеет преимущества за счет того, что дополнительное измерение режимов и изменение параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев позволяет повысить точность управления и минимизировать энергетические и материальные издержки.
Генеральный партнер:
сельского хозяйства РФ
Организаторы:
Ш OICID space
I Международный Международная центр инновационного животноводческая развития выставка
111 МЕЖДУНАРОДНЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ ФОРУМ
«Россия — Франция: двустороннее
сотрудничество в развитии агропромышленного комплекса»
14-17 сентября 2009 года
в рамках крупнейшей Международной животноводческой выставки «SPACE-2009», Франция, Бретань, г, Рекн
Цели Форума:
■ посетить стенды и провести переговоры с ведущими мировыми производителями сельскохозяйственной продукции и оборудования для животноводства и птицеводства;
■ принять участие в работе «круглых» столов по конкретным тематикам для обмена опытом и установления новых бизнес-связей;
■ посетить хозяйства ведущих сельскохозяйственных производителей Бретани, ознакомиться на месте с передовым опытом и технологиями в области животноводства и птицеводства;
■ установить деловые контакты с зарубежными партнерами.
Как стать участником Форума:
■ П од робну ю и нформа ци ю об участи и в Форуме можно полу ч ить в исполнительной дирекции по телефону \1 (495) 651-67-77
■ Заявку на участие в Форуме можно отправить по факсу +7 (495) 651 -68-01 или no e-mail: region@icid.info, info@icid.info
Официальный сайт Форума www.tcid.info
Генеральный
информационный партнер:
Информационные партнеры:
АПК ЮГ
