CC BY
16
УДК 66.021:502.1
DOI: 10.17277/vestnik.2020.04.pp.513-528
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОАДСОРБЦИОННЫХ АППАРАТОВ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ *
1 2 Н. А. Меренцов , А. В. Персидский ,
М. В. Топилин3, А. Б. Голованчиков1
Кафедра «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», steeple@mail.ru; ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (1);
АО «Федеральный научно-производственный центр «Титан-Баррикады» (2);
ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг ВолгоградНИПИморнефть» (3), г. Волгоград, Россия
Ключевые слова: адсорбция; газовые выбросы; массообмен; селективная очистка газов; сорбент; сорбция; фильтрационные течения; электроадсорбция.
Аннотация: Представлены схема и алгоритм автоматизированного управления режимами работы электроадсорбционных массообменных аппаратов селективной очистки газовых выбросов на примере электроадсорбера непрерывного действия с подвижным слоем адсорбента. Принцип автоматизированного управления заключается в самоадаптации массообменной системы под эталонные (оптимальные) показатели работы, за счет наложения регулируемых электрических полей заданной напряженности на процессы адсорбции и распознавания наиболее эффективных гидромеханических режимов омывания поверхностей сорбентов сплошной фазой при помощи индекса турбулизации, то есть оценки вклада инерционной составляющей структуры фильтрационного течения сплошной фазы через слой сорбента. Самоадаптивная система автоматизированного управления электроадсорбционными процессами позволит добиваться наивысших показателей степеней очистки газовых выбросов, при оптимальных энергетических затратах на осуществление массообменных процессов и предоставит возможность сгладить технологические, масштабные и другие факторы, свойственные конкретным массообменным процессам и конструкциям аппаратов. Важнейшей особенностью разработанной самоадаптивной системы регулирования является многофункциональность и широкий диапазон варьирования режимов работы от энергосберегающих оптимальных до аварийных режимов улавливания в случаях аварийных выбросов и непредвиденных всплесков концентраций вредных улавливаемых веществ из потока сплошной газовой фазы.
Фильтрационные течения используются во многих промышленных технологических процессах и изделиях различных отраслей машиностроения, в технологиях и оборудовании химической промышленности и смежных с ней производств [1 - 6]. Фильтрация используется в процессах водоподготовки и экологических технологиях [7 - 9]. Фильтрационные течения реализуются также в широчайшем
* См. начало в Вестнике ТГТУ, т. 26, № 3, 2020.
спектре экологического массообменного оборудования в таких процессах, как адсорбция, десорбция, ионный обмен, абсорбция, экстракция и др. [10 - 24]. От качества реализации фильтрационных течений через слои сорбентов и иони-тов, структур фильтрационных течений в микропоровом пространстве, интенсивности омывания гранул сорбентов фильтрационными потоками напрямую зависят интенсивность протекающих массообменных процессов в экологическом массо-обменном оборудовании и качество очистки газовых выбросов и жидких сбросов. В условиях реализации развитых фильтрационных течений через слои сорбентов (ионитов) и комбинированных воздействий физических эффектов [25], существенно интенсифицирующих диффузионные процессы, можно добиваться стабильно высоких показателей степеней улавливания вредных веществ из потоков сплошных фаз и обладать инструментами управления режимами работы массооб-менных сорбционных аппаратов в широких диапазонах.
Цель работы - разработка систем автоматизированного распознавания и поддержания оптимальных режимов работы электроадсорбционных массооб-менных аппаратов, позволяющих обеспечить наивысшие доступные показатели степеней очистки извлекаемых из газовых потоков компонентов. Это осуществляется в условиях наиболее полного использования емкости адсорбентов и продлевая время их защитного действия, в режимах энергосбережения и сохранности гранул адсорбентов от истирания и закупоривания микропор, с возможностью самоадаптивного перехода на аварийные режимы работы в условиях аварийных выбросов или непредвиденных резких всплесков концентраций улавливаемых веществ в потоке сплошной газовой фазы.
В первой части данной работы приведена схема управления электроадсорбционными аппаратами непрерывного действия и подробно описан алгоритм программы автоматизированной калибровки технологических параметров электроадсорбционных аппаратов [26].
Важнейшей особенностью и преимуществом разработанной системы автоматизированного управления режимами работы электроадсорбционных аппаратов является многофункциональность и широкий диапазон варьирования режимов работы, от энергосберегающего (спящего) режима до аварийных режимов улавливания в случаях аварийных выбросов и непредвиденных всплесков концентраций вредных улавливаемых веществ из потока сплошной газовой фазы. В обычных условиях экологические системы и сорбционные аппараты такими способностями не обладают. В диапазоне между энергосберегающим и аварийным режимами можно выделить оптимальный режим и целый ряд рабочих режимов, само-адаптивно подстраивающихся под условия технологических процессов. При этом управление гидрогазодинамикой адсорбционных аппаратов и оптимизация гидродинамических режимов базируются на распознавании развития динамики турбулентного течения во внутрипоровом пространстве и интенсивности омывания гранул сорбентов потоком сплошной газовой (жидкой) фазы за счет вклада инерционных составляющих в структуру фильтрационного течения через слой сорбента и калибруются на базе «индекса турбулизации». То есть массообменный аппарат, на основе калибровки параметров [26] и программы управления, всегда стремится удерживать оптимальные параметры с точки зрения создания развитой гидродинамики. А вариативность управления и широкий диапазон работоспособности, вплоть до аварийных режимов работы, обеспечиваются за счет изменения параметров электрического поля (напряженности, индикации ионного ветра) и активности обновления адсорбентов, что также инициирует программа управления в зависимости от обеспечения текущих режимов работы массообменного аппарата и сокращения времени защитного действия адсорбентов (сорбентов) в критических и аварийных режимах всплесков концентраций улавливаемых веществ.
На рисунке 1 показана схема управления электроадсорбционным аппаратом непрерывного действия, подробное описание которой дано в работе [26].
В нормальном (текущем, оптимальном) режиме работы адсорбера контроллер циклически выполняет программу рабочего режима, предназначенную для поддержания режима работы электроадсорбера, обеспечивающего его максимальный КПД. Алгоритм данной программы представлен на рис. 2.
Разработанные авторами программы и алгоритмы калибровки [26] и управления массообменными электроадсорбционными аппаратами могут быть реализованы и адаптированы под широкий спектр конструкций массообменных аппаратов с учетом конструктивных и технологических особенностей массообменных систем.
Рис. 1. Схема управления электроадсорбционным аппаратом непрерывного действия
Рис. 2. Алгоритм программы автоматизированного управления режимами работы электроадсорбера селективной очистки газовых выбросов (начало)
Рис. 2. Окончание
Выполнение программы начинается с запуска, когда оператор задает максимально допустимую концентрацию извлекаемого вещества в выходящем из электроадсорбера потоке сплошной газовой фазы. Затем программа проверяет, загружен ли в аппарат сорбент, и, если не загружен, инициирует его загрузку, предварительно установив частоту вращения воздуходувки соответствующую режиму псевдоожижения для максимально быстрой и равномерной загрузки и укладки гранул сорбента за счет их подвижности газовом потоке. Затем программа останавливает вентилятор и, используя цикл ожидания, дожидается, когда движение газа через аппарат прекратится.
Далее программа приступает к определению индекса турбулизации аппарата. Данная методика позволяет отследить формирование динамики турбулентного течения сплошной газовой фазы и определить появление динамической (инерционной) составляющей структуры фильтрационного течения. Поскольку для сред с малой порозностью и относительно высоким гидравлическим сопротивлением при низкой скорости газового потока основное сопротивление потоку создает вязкостная составляющая, имеющая линейную зависимость от скорости потока, по появлению нелинейности нарастания разности давлений ёР/И, за вычетом сопротивления решеток адсорбера, можно судить о формировании динамики турбулентного течения во внутрипоровом пространстве слоя адсорбента (составляющей гидравлического сопротивления сорбента).
Индекс турбулизации - экспериментально определяемый индекс, отражающий вклад инерционной составляющей структуры фильтрационного течения за вычетом вязкостной составляющей [26], что необходимо и объективно учитывать в условиях фильтрационных течений через слои относительно низкопроницаемых пористых сред для таких процессов, как ионный обмен, адсорбция, фильтрационная сушка и др. При этом используется модифицированное уравнение, обеспечивающее плавный переход от линейного вязкостного участка фильтрационной кривой к переходному нелинейному без разрыва полей скоростей и давлений:
/ \т
АР (иф -икр А
— = ациф H
B
где АР/И - удельное гидравлическое сопротивление слоя сорбента; а - коэффициент, отражающий влияние структуры пористого слоя на сопротивление, оказываемое фильтрационному течению силами вязкого трения; д - динамическая вязкость сплошной фазы; иф - скорость фильтрации сплошной фазы через слой сорбента; икр - критическая скорость фильтрации, ограничивающая линейный участок фильтрационной кривой; В - коэффициент, определяемый структурой пористой среды; т - показатель степени, называющийся индекс турбулизации (для слоев сорбентов и ионитов).
Программа выдает команду установить частоту вращения воздуходувки 10 % от максимальной и с помощью цикла ожидания дожидается установившегося режима работы массообменного аппарата. Затем получает с датчиков ДДн и ДДв значения давления в нижнем и верхнем патрубках аппарата (между витками, секциями аппарата), находит их разность за вычетом гидравлического сопротивления решеток адсорбера, определенного при калибровке для соответствующей скорости фильтрации потока сплошной газовой фазы. Далее программа находит тангенс угла наклона фильтрационной кривой, который определяется как отношение разности давлений в раструбах аппарата к скорости газового потока в данный момент. После чего программа устанавливает частоту вращения воздуходувки 20 % (с заданным ступенчатым интервалом) от максимальной, соответствующей максимальному расходу сплошной газовой фазы, и входит в цикл. Затем программа с помощью вложенного цикла дожидается, когда скорость движения газа через аппарат станет постоянной. Используя ранее определенное значение тангенса угла наклона фильтрационной кривой, рассчитывает разность давлений dPt, которая должна быть в патрубках аппарата (между секциями аппарата) при этой скорости газового потока, если линейная зависимость сохраняется. Далее программа получает с датчиков ДДн и ДДв значения давлений в патрубках массообменного аппарата и рассчитывает фактическую разность давлений в аппарате за вычетом сопротивления решеток ёР/, после чего определяет, входит ли значение ёР/ в ин-
тервал среднеквадратического отклонения измерений разности давлений около значения dPt. Если входит, программа проверяет, работает ли воздуходувка на максимальной частоте вращения, соответствующей максимальному рабочему расходу сплошной газовой фазы; если нет - увеличивает частоту с заданным ступенчатым интервалом и повторяет цикл. Если воздуходувка уже работает на максимальной частоте, программа присваивает специальной булевой переменной TurbMod значение FALSE (ложь). Это означает, что аппарат не может достичь режима турбулизации. Если dPf не равно dPt с учетом отклонений определения разности давлений, значит аппарат вошел в режим турбулизации. В этом случае переменной TurbMod присваивается значение TRUE (истина). На этом цикл определения режима турбулизации заканчивается. Физически при выполнении описанного участка программы воздуходувка аппарата разгоняется до достижения режима турбулизации или до максимальной частоты вращения, поэтому данный участок программы можно назвать разгонным. Он выполняется после включения только один раз.
По мере увеличения скорости фильтрации через слой адсорбента составляющая гидравлического сопротивления, обусловленная действием сил инерции и возрастающая в связи с развитием турбулизации во внутрипоровом пространстве более интенсивными темпами, чем силы вязкого трения, достигает величины, достаточной для обнаружения ее присутствия в общем гидравлическом сопротивлении с помощью используемых средств замера давления. С этого момента экспериментально получаемая зависимость AP/H = /(иф) становится нелинейной, плавно отклоняясь в сторону увеличения общего гидравлического сопротивления. Скорость фильтрации, при которой обнаруживается появление нелинейной фильтрации, является тем ее критическим значением икр, которое определяет верхнюю границу возможного применения закона Дарси в пределах допускаемой техникой эксперимента погрешности замера давления и точности графической аппроксимации опытных данных. Представленный в работе алгоритм позволяет в автоматическом режиме распознать значение критической скорости икр и осуществлять тонкое управление фильтрационными режимами течения через слои адсорбентов в инерционной турбулентной области, вплоть до режима начала псевдоожижения и далее.
С точки зрения омываемости внешнедиффузионных слоев гранул сорбентов сплошными потоками газов или жидкостей в условиях сохранности гранул сорбентов от истирания, по индексу турбулизации m, в процессе автоматической калибровки и управления режимами работы сорбционных аппаратов (на стадии пусконаладочных работ или в процессе текущей эксплуатации) авторы имеют возможность распознать оптимальные режимы, то есть обеспечить работу сорб-ционных аппаратов в режиме, предшествующем началу псевдоожижения, либо в режиме начала псевдоожижения по требованию. Тем самым обеспечивается сохранность гранул сорбентов, предотвращая при этом закупоривание микропор сорбентов при наивысших доступных показателях инерционных составляющих структуры фильтрационного течения в условиях интенсификации процессов мас-соотдачи.
Далее программа входит в основной рабочий цикл, назначение которого -поддержание такого режима работы аппарата, при котором, с одной стороны, обеспечивается энергосбережение, а с другой - не допускается превышение заданной максимальной допустимой концентрации извлекаемого вещества в выходящем из аппарата потоке сплошной газовой фазы.
Цикл начинается с получения программой значения остаточной концентрации извлекаемого вещества с датчика ДК. Затем программа проверяет, возможна ли для аппарата работа в режиме турбулизации. Если значение переменной
TurbMod равно TRUE, то работа в режиме турбулизации (требуемых показателей динамической составляющей структуры фильтрационного течения) возможна, и программа с помощью цикла ожидания проверяет, работает ли массообменный аппарат в установившемся режиме. Дождавшись наступления установившегося режима работы, программа вышеописанным способом, используя ранее определенное значение тангенса угла наклона фильтрационной кривой, определяет значение разности давлений dPt, характерное для работы аппарата в пределах линейного участка фильтрационной кривой. Затем проверяет, является ли определенная по датчику ДК остаточная концентрация извлекаемого вещества меньшей, чем максимально допустимая заданная. Если не является, программа проверяет, выполняется ли условие работы аппарата в линейном диапазоне фильтрационной кривой. Если выполняется, программа проверяет, работает ли воздуходувка аппарата с максимальной частотой вращения, соответствующей максимальному рабочему расходу сплошной газовой фазы. Если работает, значит аппарат не смог войти в режим турбулизации, но работает в предельном режиме, увеличить его производительность невозможно, и программа продолжает выполняться без каких-либо действий; если нет - программа увеличивает частоту вращения вентилятора на 10 % (с заданным шагом). Если условие работы аппарата в линейном диапазоне фильтрационной кривой не выполнилось, значит аппарат работает в максимально эффективном (оптимальном) гидродинамическом режиме - режиме турбу-лизации, и выполнение действий не требуется. Если определенная по датчику ДК остаточная концентрация извлекаемого вещества является меньшей, чем максимально допустимая заданная, программа, как и в предыдущем случае, проверяет, выполняется ли условие работы аппарата на линейном участке фильтрационной кривой. Если выполняется, значит остаточная концентрация извлекаемого вещества остается в пределах нормы, аппарат работает в энергосберегающем режиме, выполнение действий не требуется. Если условие работы в режиме на линейном участке фильтрационной кривой не выполнилось, программа проверяет, включена ли воздуходувка и, если включена, уменьшает его частоту вращения на 10 %, чтобы аппарат не работал в энергозатратном режиме избыточной производительности. Если значение переменной TurbMod равно FALSE, то работа в режиме турбу-лизации невозможна, программа устанавливает 100 %-ю частоту вращения воздуходувки, соответствующую максимальному рабочему расходу газового потока, чтобы максимально приблизить аппарат к режиму турбулизации. После этих действий программа рассчитывает и устанавливает требуемую частоту вращения воздуходувки и переходит к управлению электрическим полем.
В работе представлен базовый алгоритм управления гидродинамикой адсорбционных и электроадсорбционных массообменных аппаратов на основе индекса турбулизации. Программа имеет возможность автоматически распознавать критическую скорость фильтрации икр и непрерывно, определяя в процессе работы мгновенное значение mi = f(AP/u^), осуществлять работу в любом искомом режиме: энергосберегающих режимах, фильтрационных режимах развития турбулизации при нарастающих инерционных составляющих структур фильтрационных течений, вплоть до начала псевдоожижения, и последующих режимах кипящего слоя адсорбента. Также программа обладает способностью адаптивного регулирования фильтрационного режима течения через слой адсорбента в зависимости от текущих концентраций улавливаемых веществ в потоках сплошных газовых фаз.
Следующим этапом программа управляет источником питания, подающим напряжение на решетки массообменного аппарата так, чтобы снижать напряжение на решетках аппарата вплоть до полного отключения, если остаточная концентрация извлекаемого вещества находится в пределах заданной нормы, и увеличивать
до появления «ионного ветра», дополнительно активируя сорбент электрическим полем и ускоряя перенос молекул извлекаемого вещества ионами, если концентрация становится выше предельно допустимой.
Программа проверяет, является ли определенная по датчику ДК остаточная концентрация извлекаемого вещества меньшей, чем максимально допустимая заданная. Если является, программа проверяет, выдает ли источник питания напряжение на решетки массообменного аппарата, если выдает, программа отправляет команду снизить напряжение источника на 1 шаг. Если остаточная концентрация извлекаемого вещества не является меньшей, чем максимально допустимая заданная, программа получает с датчика ДТ значение тока в цепи аппарата и проверяет, является ли он меньшим, чем определенный при калибровке ток «ионного ветра» с учетом среднеквадратичного отклонения определения тока. Если является, программа проверяет, достигло ли напряжение источника питания максимально допустимого, определенного в ходе калибровки технологических параметров [26]. Если достигло, аппарат не вышел на режим «ионного ветра», но дальнейшее увеличение напряжения недопустимо, поэтому программа не выполняет никаких действий. Если напряжение источника питания не достигло максимально допустимого, программа отправляет команду увеличить напряжение источника питания на 1 шаг. Если значение тока в цепи аппарата не является меньшим, чем определенное при калибровке значение тока «ионного ветра» с учетом среднеквадратичного отклонения определения тока, программа определяет, является ли он большим, чем текущее значение, если является, отправляет источнику питания команду уменьшить напряжение на 1 шаг, в противном случае -не выполняет никаких действий, поскольку аппарат работает в наиболее производительном режиме с эффектом «ионного ветра». Затем программа ожидает время, равное времени полного разряда аппарата. Это необходимо, чтобы программа не приняла ток, возникающий при заряде и разряде электрической емкости массооб-менного аппарата, за ток «ионного ветра».
Представленный цикл повторяется постоянно (непрерывно) в течение промышленной эксплуатации электроадсорбционных массообменных аппаратов.
Заключение
Представленные алгоритмы автоматической калибровки [26] и управления гидродинамикой электроадсорбционных аппаратов на основе индекса турбулиза-ции особенно актуальны и объективны в случаях неподвижных слоев сорбентов и распознавании начала псевдоожижения в массообменных аппаратах с кипящими (псевдоожиженными) слоями сорбентов. Это позволит обеспечить сохранность гранул сорбентов от разрушения и взаимного истирания.
Все операции по управлению гидродинамическим режимом аппарата и технологическими параметрами электрического поля протекают при постоянном текущем анализе концентраций извлекаемых компонентов на выходе из массооб-менного электроадсорбционного аппарата. В случаях аварийных выбросов аппарат имеет возможность автоматически перестроиться из энергосберегающих в аварийные режимы улавливания извлекаемых из газовых потоков компонентов, за счет нарастания инерционных составляющих структуры фильтрационных течений и параметров напряженности электрического поля до верхнего предела регулирования, интенсифицирующих массообменные процессы, повышающих емкость сорбентов и ионизирующих поток сплошной газовой фазы.
Предложенная система автоматического управления режимами работы электроадсорбционными массообменными аппаратами, в сочетании с разработанными новыми конструкциями массообменных сорбционных аппаратов [9], позволяет создавать самоадаптивные системы селективной очистки газовых выбросов с возможностью эффективной работы в существенно более широких диапазонах
расходов газовых потоков и концентраций извлекаемых вредных компонентов, что делает разработанные системы не только высокоэффективными, но и универсальными.
Важнейшей конструктивной особенностью для анализа гидродинамики сплошного потока в электроадсорбере является наличие предусмотренных отверстий (с заглушками) в корпусах массообменных аппаратов, например между спиральными элетропроводными витками электроадсорбера (см. рис. 1) или над поверхностью слоя сорбента в адсорбционных аппаратах других конструктивных исполнений. Данные отверстия позволят снимать поля скоростей сплошной газовой фазы по радиусу аппарата, при помощи перемещающегося датчика над поверхностью слоя сорбента, в различных плоскостях и тем самым анализировать структуру потока по сплошной газовой фазе [27]. На основе анализа полученных данных появляется возможность анализировать структуру потока по сплошной газовой фазе, фиксировать неоднородность поля скоростей, проскок газовой фазы по сечению аппарата и вносить коррективы в систему автоматизированного управления режимами работы промышленных адсорберов, либо получать ценные сведения о конструктивных недостатках массообменных аппаратов и работать над их совершенствованием.
Разработаны системы автоматической калибровки технологических параметров и самоадаптивного гибкого регулирования режимов работы электроадсорбционных массообменных аппаратов очистки газовых выбросов, которые базируются на распознавании оптимальных гидродинамических условий протекания массо-обменных процессов, сопутствующих активному омыванию поверхностей адсорбентов сплошным газовым потоком, а также оптимизации параметров напряженности электрического поля с учетов «ионного ветра». Реализация программы управления приводит к существенной интенсификации массообменных процессов, повышает степень улавливания извлекаемых из газа компонентов (особенно в условиях сверхмалых концентраций), снижает внутридиффузионное сопротивление адсорбентов, увеличивает емкость сорбентов, продлевает время защитного действия адсорбентов в условиях энергосбережения при осуществлении работы электроадсорбционных установок.
Системы и алгоритмы автоматической калибровки и регулирования электро-сорбционными процессами, в совокупности с инструментами регистрации структур потоков по сплошной (газовой) и дисперсной (твердой, адсорбентом) фазам, позволят добиваться наивысших показателей работы и степеней очистки газовых выбросов для различных конструкций массообменных сорбционных аппаратов с учетом особенностей конкретного массообменного технологического процесса. Разработанные программы особенно актуальны в условиях улавливания сверхмалых концентраций извлекаемых из газов вредных веществ, что в экологических процессах является острой проблемой.
Самоадаптивная гибкая система автоматизированного управления электроадсорбционными процессами позволит добиваться наивысших доступных показателей степеней очистки газовых выбросов, при оптимальных энергетических затратах на осуществление массообменных процессов, и сгладит технологические, масштабные и другие факторы, свойственные конкретным массообменным процессам и конструкциям аппаратов. Разработанная система способна быстро и самоадаптивно реагировать на аварийные выбросы и резкие непредвиденные всплески концентраций извлекаемых вредных веществ в потоках сплошных газовых фаз.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых ученых-кандидатов наук МК-1287.2020.8 «Моделирование процессов управления в массообменном экологическом и нефтегазоперерабатываю-щем оборудовании».
Список литературы
1. Research Dispersing Liquid and Gas in the Contact Device with an Increased Range of Stable Operation / A. V. Dmitriev, I. N. Madyshev, O. S. Dmitrieva, A. N. Nikolaev // Ecology and Industry of Russia. - 2017. - Vol. 21, No. 3. - P. 12 - 15.
2. Голованчиков, А. Б. Уравнение фильтрации для насадочных контактных устройств / А. Б. Голованчиков, В. А. Балашов, Н. А. Меренцов // Хим. и нефтегазовое машиностроение. - 2017. - № 1. - С. 8 - 10.
3. Меренцов, Н. А. Моделирование тепломассообменных насадочных устройств с развитым капельным режимом течения : монография / Н. А. Меренцов,
A. Б. Голованчиков, В. А. Балашов. - Волгоград : ВолгГТУ, 2019. - 140 с.
4. Степыкин, А. В. Массообменные характеристики регулярной насадки с внедренными теплообменными модулями / А. В. Степыкин, А. А. Сидягин,
B. М. Ульянов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2015. - Т. 21, № 3. - С. 445 - 452. doi: 10.17277/vestnik.2015.03.pp.445-452
5. Новые конструктивные решения зернистых фильтров и перспективы их применения при тепловой сушке в химической и пищевой технологии / Ю. В. Красовицкий, Е. В. Романюк, Р. А. Важинский, Н. Н. Лобачева // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 14, № 3. - С. 608 - 614.
6. Эксергетический анализ и выбор энергосберегающих параметров импульсной регенерации фильтров, улавливающих пыль из сушильного агента / Ю. В. Красовицкий, Р. А. Важинский, Е. В. Романюк [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 14, № 3. - С. 605 - 607.
7. Nikolaeva, L. Purification of Gas Emissions of Chemical Industry Enterprises by Carbonaceous Cutting / L. Nikolaeva, A. Khusnutdinov // Ecology and Industry of Russia. - 2018. - Vol. 22, No. 8. - P. 14 - 18.
8. Система централизованного сбора, переработки и утилизации отработанных травильных и гальванических растворов и шламов / Н. А. Меренцов, С. А. Бохан,
B. Н. Лебедев [и др.] // Вестн. Волгоградского гос. архитектурно-строительного ун-та. Серия: Строительство и архитектура. - 2018. - № 53 (72). - С. 123 - 131.
9. Mass Transfer Apparatus for a Wide Range of Environmental Processes / N. A. Merentsov, A. B. Golovanchikov, M. V. Topilin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1399. - P. 055028.
10. Голованчиков, А. Б. Моделирование сорбционных процессов с учетом структуры потока : монография / А. Б. Голованчиков, О. А. Залипаева, Н. А. Меренцов. - Волгоград : ВолгГТУ, 2018. - 128 с.
11. Авторежимные насадочные колонны для пульсационной жидкостной экстракции / Н. А. Меренцов, А. В. Персидский, М. В. Топилин, А. Б. Голованчиков // Экологические системы и приборы. - 2020. - № 3. - С. 3 - 14. doi: 10.25791/esip. 03.2020.1140
12. Сергунин, А. С. Исследование динамики адсорбции и десорбции паров воды активным оксидом алюминия и цеолитом Nax / А. С. Сергунин, С. И. Сима-ненков, Н. Ц. Гатапова // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2012. - Т. 18, № 3. -
C. 664 - 671.
13. Автоматизация процесса адсорбционного разделения газовых смесей и получения водорода / В. Г. Матвейкин, А. А. Ишин, С. А. Скворцов, С. И. Дворецкий // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2017. - Т. 23, № 4. - С. 548 - 556. doi: 10.17277/vestnik.2017.04.pp.548-556
14. Адсорбция в колонне непрерывного действия с диффузионной структурой потока по газовой фазе / А. Б. Голованчиков, О. А. Залипаева, Н. А. Меренцов, А. А. Коберник // Экологические системы и приборы. - 2016. - № 2. - C. 23 - 31.
15. Dmitriev, A. V. Cleaning of Industrial Gases from Aerosol Particles in Apparatus with Jet-Film Interaction of Phases / A. V. Dmitriev, I. N. Madyshev, O. S. Dmitrieva // Ecology and Industry of Russia. - 2018. - Vol. 22, No. 6. - P. 10 - 14.
16. Golovanchikov, A. B. Modeling of Adsorption Process in Continuous Counter Current Column Having Diffused Flow Structure in Gaseous Phase /
A. B. Golovanchikov, N. А. Merentsov, M. V. Topilin // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1278. - P. 012023.
17. Рухов, А. В. Математическое моделирование процессов адсорбции ионов кобальта активированными углями, модифицированными углеродными нанотрубками / А. В. Рухов, И. В. Романцова, Е. Н. Туголуков // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2013. - Т. 19, № 2. - С. 360 - 367.
18. Golovanchikov, A. B. Ion Exchange in Continuous Apparatus with Diffused Flow Structure in Liquid / A. B. Golovanchikov, N. А. Merentsov // Advances in Intelligent Systems and Computing. - Springer, 2019. - Vol. 983. - P. 645 - 652.
19. Моделирование ионообмена в аппарате непрерывного действия с диффузионной структурой потока по жидкости / А. Б. Голованчиков, О. А. Залипаева, Н. А. Меренцов, А. А. Коберник // Экологические системы и приборы. - 2015. -№ 10. - C. 15 - 23.
20. Modelling and Calculation of Industrial Absorber Equipped with Adjustable Sectioned Mass Exchange Packing / N. А. Merentsov, A. V. Persidskiy, V. N. Lebedev [et al.] // Advances in Intelligent Systems and Computing. - Springer, 2019. - Vol. 983. -P. 560 - 573.
21. Автоматическое управление режимами работы насадочных аппаратов селективной очистки газовых выбросов / Н. А. Меренцов, А. В. Персидский,
B. Н. Лебедев, А. Б. Голованчиков // Экология и промышленность России. - 2020. -Т. 24, № 2. - C. 10 - 16.
22. Golovanchikov, A. B. Modelling of Absorption Process in a Column with Diffused Flow Structure in Liquid Phase / A. B. Golovanchikov, N. A. Merentsov // Advances in Intelligent Systems and Computing. - Springer, 2019. - Vol. 983. -P. 635 - 644.
23. Перспективы использования промышленных отходов машиностроительных предприятий для решения экологических проблем строительной отрасли / Н. А. Меренцов, А. В. Персидский, В. Н. Лебедев [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. - 2019. - № 4 (77). - C. 182 - 195.
24. Ломовцева, Е. Е. О пористой структуре гибридных сорбирующих материалов для осушки воздуха / Е. Е. Ломовцева, М. А. Ульянова, Н. Ц. Гатапова // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2014. - Т. 20, № 2. - C. 299 - 305.
25. Голованчиков, А. Б. Интенсификация массообменных процессов в электрическом поле : монография / А. Б. Голованчиков, М. Ю. Ефремов, Н. А. Дуль-кина. - Волгоград : ВолгГТУ, 2011. - 152 c.
26. Система автоматизированной калибровки технологических параметров электроадсорбционных аппаратов селективной очистки газовых выбросов / Н. А. Меренцов, А. В. Персидский, М. В. Топилин, А. Б. Голованчиков // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2020. - Т. 26, № 3. - С. 371 - 387. doi: 10.17277/vestnik. 2020.03.pp.371-387
27. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019611186. Программа для расчета параметров структуры потока в колонне по профилю скорости / А. Б. Голованчиков, Н. А. Прохоренко, Н. А. Меренцов (РФ). - Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ. - 23 января 2019 г.
The System of Automated Control over the Modes of Electric Adsorption Devices for Selective Cleaning of Gas Emissions
N. A. Merentsov1, A. V. Persidskiy2, M. V. Topilin3, A. B. Golovanchikov1
Department of Processes and Apparatus for Chemical and Food Production, steeple@mail.ru; Volgograd State Technical University (1);
Federal Research and Production Center "Titan-Barrikady" (2); OOO LUKOIL-Engineering VolgogradNIPImorneft (3), Volgograd, Russia
Keywords: adsorption; gas emissions; mass transfer; selective gas cleaning; sorbent; sorption; filtration flows; electroadsorption.
Abstract: The scheme and algorithm of automated control over the modes of operation of electric adsorption mass transfer devices for selective purification of gas emissions are presented on the example of a continuous electric adsorber with a moving bed of adsorbent. The principle of automated control consists in self-adaptation of the mass exchange system to the reference (optimal) performance indicators, due to the imposition of regulated electric fields of a given intensity on the adsorption processes and recognition of the most effective hydromechanical modes of washing sorbent surfaces with a continuous phase using the turbulization index, i.e., assessing the contribution of the inertial component of the structure filtration flow of a continuous phase through a sorbent layer. A self-adaptive system for automated control of electrical adsorption processes will allow achieving the highest rates of gas emissions purification, with optimal energy consumption for the implementation of mass transfer processes and will provide an opportunity to smooth out technological, large-scale and other factors inherent in specific mass transfer processes and apparatus designs. The most important feature of the developed self-adaptive control system is its multifunctionality and a wide range of variation of operating modes from energy-saving optimal to emergency capture modes in cases of emergency emissions and unforeseen surges in the concentrations of harmful trapped substances from the continuous gas phase flow.
References
1. Dmitriev A.V., Madyshev I.N., Dmitrieva O.S., Nikolaev A.N. Research Dispersing Liquid and Gas in the Contact Device with an Increased Range of Stable Operation, Ecology and Industry of Russia, 2017, vol. 21, no. 3, pp. 12-15.
2. Golovanchikov A.B., Balashov V.A., Merentsov N.A. [Filtration equation for packed contact devices], Khimicheskoye i neftegazovoye mashinostroyeniye [Chemical and oil and gas engineering], 2017, no. 1, pp. 8-10. (In Russ.)
3. Merentsov N.A., Golovanchikov A.B., Balashov V.A. Modelirovaniye teplomassoobmennykh nasadochnykh ustroystv s razvitym kapel'nym rezhimom techeniya: monografiya [Modeling of heat and mass transfer packed devices with a developed drip flow regime: monograph], Volgograd: VolgGTU, 2019, 140 p. (In Russ.)
4. Stepykin A.V., Sidyagin A.A., Ul'yanov V.M. [Mass transfer characteristics of a regular packing with integrated heat exchange modules], Transactions of the Tambov State Technical University, 2015, vol. 21, no. 3, pp. 445-452. doi: 10.17277/vestnik. 2015.03.pp.445-452 (In Russ., abstract in Eng.)
5. Krasovitskiy Yu.V., Romanyuk Ye.V., Vazhinskiy R.A., Lobacheva N.N. [New constructive solutions of granular filters and perspectives their application in thermal drying in chemical and food technology], Transactions of the Tambov State Technical University, 2008, vol. 14, no. 3, pp. 608-614. (In Russ., abstract in Eng.)
6. Krasovitskiy Yu.V., Vazhinskiy R.A., Romanyuk Ye.V., Lobacheva N.N., Arkhan-gel'skaya Ye.V. [Exergetic analysis and selection of energy-saving parameters of pulsed regeneration of filters that trap dust from a drying agent], Transactions of the Tambov State Technical University, 2008, vol. 14, no. 3, pp. 605-607. (In Russ., abstract in Eng.)
7. Nikolaeva L., Khusnutdinov A. Purification of Gas Emissions of Chemical Industry Enterprises by Carbonaceous Cutting, Ecology and Industry of Russia, 2018, vol. 22, no. 8, pp. 14-18.
8. Merentsov N.A., Bokhan S.A., Lebedev V.N., Persidskiy A.V., Balashov V.A. [The system of centralized collection, processing and disposal of spent pickling and galvanic solutions and slimes], Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura [Bulletin of the Volga-Grad State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Building and architecture], 2018, no. 53 (72), pp. 123-131. (In Russ., abstract in Eng.)
9. Merentsov N.A., Golovanchikov A.B., Topilin M.V., Persidskiy A.V., Tezikov D.A. Mass Transfer Apparatus for a Wide Range of Environmental Processes, Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1399, p. 055028.
10. Golovanchikov A.B., Zalipayeva O.A., Merentsov N.A. Modelirovaniye sorbtsionnykh protsessov s uchetom struktury potoka: monografiya [Modeling of sorption processes taking into account the flow structure: monograph], Volgograd: VolgGTU, 2018, 128 p. (In Russ.)
11. Merentsov N.A., Persidskiy A.V., Topilin M.V., Golovanchikov A.B. [Automode packed columns for pulsating liquid extraction], Ekologicheskiye sistemy ipribory [Ecological systems and devices], 2020, no. 3, pp. 3-14, doi: 10.25791/esip. 03.2020.1140 (In Russ., abstract in Eng.)
12. Sergunin A.S., Simanenkov S.I., Gatapova N.Ts. [Study of the dynamics of adsorption and desorption of water vapor by active aluminum oxide and zeolite NAX], Transactions of the Tambov State Technical University, 2012, vol. 18, no. 3, pp. 664-671. (In Russ., abstract in Eng.)
13. Matveykin V.G., Ishin A.A., Skvortsov S.A., Dvoretskiy S.I. [Automation of the process of adsorption separation of gas mixtures and hydrogen production], Transactions of the Tambov State Technical University, 2017, vol. 23, no. 4, pp. 548-556, doi: 10.17277/vestnik.2017.04.pp.548-556 (In Russ., abstract in Eng.)
14. Golovanchikov A.B., Zalipayeva O.A., Merentsov N.A., Kobernik A.A. [Adsorption in a continuous column with a diffusion structure of the flow in the gas phase], Ekologicheskiye sistemy ipribory [Ecological systems and devices], 2016, no. 2, pp. 23-31. (In Russ., abstract in Eng.)
15. Dmitriev A.V., Madyshev I.N., Dmitrieva O.S. Cleaning of Industrial Gases from Aerosol Particles in Apparatus with Jet-Film Interaction of Phases, Ecology and Industry of Russia, 2018, vol. 22, no. 6, pp. 10-14.
16. Golovanchikov A.B., Merentsov N.A., Topilin M.V. Modeling of Adsorption Process in Continuous Counter Current Column Having Diffused Flow Structure in Gaseous Phase, Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1278, p. 012023.
17. Rukhov A. V., Romantsova I.V., Tugolukov Ye.N. [Mathematical modeling
2+
of the adsorption of cobalt ions by CO activated carbons modified with carbon nanotubes], Transactions of the Tambov State Technical University, 2013, vol. 19, no. 2, pp. 360-367. (In Russ., abstract in Eng.)
18. Golovanchikov A.B., Merentsov N.A. Advances in Intelligent Systems and Computing, Springer, 2019, vol. 983, pp. 645-652.
19. Golovanchikov A.B., Zalipayeva O.A., Merentsov N.A., Kobernik A.A. [Modeling of ion exchange in a continuous apparatus with a diffusion structure of the flow through liquid], Ekologicheskiye sistemy i pribory [Ecological systems and devices], 2015, no. 10, pp. 15-23. (In Russ., abstract in Eng.)
20. Merentsov N.A., Persidskiy A.V., Lebedev V.N., Topilin M.V., Golovanchikov A.B. Advances in Intelligent Systems and Computing, Springer, 2019, vol. 983, pp. 560-573.
21. Merentsov N.A., Persidskiy A.V., Lebedev V.N., Golovanchikov A.B. [Automatic control of the modes of operation of the nozzles selective cleaning of gas emissions], Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia], 2020, vol. 24, no. 2, pp. 10-16. (In Russ.)
22. Golovanchikov A.B., Merentsov N.A. Advances in Intelligent Systems and Computing, Springer, 2019, vol. 983, pp. 635-644.
23. Merentsov N.A., Persidskiy A.V., Lebedev V.N., Karasev A.G., Golovanchikov A.B. [Prospects for the use of industrial waste from machine-building enterprises for solving environmental problems of the construction industry], Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura [Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Building and architecture], 2019, no. 4 (77), pp. 182-195. (In Russ., abstract in Eng.)
24. Lomovtseva Ye.Ye., Ul'yanova M.A., Gatapova N.Ts. [On the porous structure of hybrid sorbent materials for air drying], Transactions of the Tambov State Technical University, 2014, vol. 20, no. 2, pp. 299-305. (In Russ., abstract in Eng.)
25. Golovanchikov A.B., Yefremov M.Yu., Dul'kina N.A. Intensifikatsiya massoobmennykh protsessov v elek-tricheskom pole: monografiya [Intensification of mass transfer processes in an electric field: monograph], Volgograd: VolgGTU, 2011, 152 p. (In Russ.)
26. Merentsov N.A., Persidskiy A.V., Topilin M.V., Golovanchikov A.B. [System for automated calibration of technological parameters of electric adsorption devices for selective purification of gas emissions], Transactions of the Tambov State Technical University, 2020, vol. 26, no. 3, pp. 371-387, doi: 10.17277/vestnik. 2020.03.pp.371-387 (In Russ., abstract in Eng.)
27. Golovanchikov A.B., Prokhorenko N.A., Merentsov N.A. Programma dlya rascheta parametrov struktury potoka v kolonne po profilyu skorosti [The program for calculating the parameters of the flow structure in the column along the velocity profile], Russian Federation, 2019, Certificate of state registration of the computer program No. 2019611186. (In Russ.)
Automatisiertes Steuersystem der Betriebsarten der Elektroadsorptionsgeräte zur selektiven Reinigung von Gasemissionen
Zusammenfassung: Es sind das Schema und der Algorithmus der automatisierten Steuerung der Betriebsarten elektrischer Adsorptionsmassentransfervorrichtungen zur selektiven Reinigung von Gasemissionen am Beispiel eines kontinuierlichen elektrischen Adsorbers mit einer beweglichen Schicht des Adsorbens vorgestellt. Das Prinzip der automatisierten Steuerung besteht in der Selbstanpassung des Massenaustauschsystems an die (optimalen) Referenzleistungsindikatoren durch die Auferlegung geregelter elektrischer Felder einer bestimmten Intensität auf die Adsorptionsprozesse und der Erkennung der effektivsten hydromechanischen Modi des Waschens von Sorptionsmitteloberflächen mit einer kontinuierlichen Phase unter Verwendung des Turbulisierungsindexes, das heißt der
Bewertung des Beitrags der Trägheitskomponente der Struktur des Filtrationsflusses einer kontinuierlichen Phase durch eine Sorptionsmittelschicht. Das selbstadaptive System zur automatisierten Steuerung elektrischer Adsorptionsprozesse ermöglicht die Erzielung höchster Reinigungsgrade für Gasemissionen bei optimalen Energiekosten für die Implementierung von Stoffaustauschprozessen und bietet die Möglichkeit, technologische, groß angelegte und andere Faktoren zu glätten, die bestimmten Stoffaustauschprozessen und Gerätekonstruktionen inhärent sind. Das wichtigste Merkmal des entwickelten selbstadaptiven Steuerungssystems ist seine Multifunktionalität und eine breite Palette von Betriebsarten, von energiesparenden optimalen bis zu Notaufnahme-Modi bei Notemissionen und unvorhergesehenen Anstieg der Konzentrationen schädlicher aufgefangener Substanzen aus dem kontinuierlichen Gasphasenstrom.
Système de la commande automatisée des modes du fonctionnement des appareils électro-adsorbants de la purification sélective des émissions de gaz
Résumé: Sont présentés le schéma et l'algorithme de la commande automatisée des modes du fonctionnement des appareils d'échange de masse électroadsorbants de purification sélective des émissions de gaz à l'exemple d'un électroadsorbeur à action non discontinue avec une couche mobile d'adsorbant. Le principe de la commande automatisée est dans l'autoadaptation du système d'adsobtion de masses aux références (optimales) des indicateurs des résultats, grâce à la superposition des champs électriques de la tension donnée sur les processus d'adsorption et la reconnaissance des plus efficaces hydromécaniques des modes de laver les surfaces d'absorbants de la phase solide à l'aide de l'indice turbulant, c'est à dire, de l'évaluation de la contribution de l'inertie de la composante de la structure d'écoulement de filtration de la phase solide à travers la couche absorbante. Le système autoadaptatif automatisé de la commande des processus permettra d'obtenir des taux les plus élevés de degrés de purification des émissions de gaz et de donner la possibilité de diminuer des facteurs technologiques propres aux processus spécifiques du transfert de masse et des appareils de construction. Une caractéristique essentielle du système élaboré est la polyvalence et la vaste gamme de variation des modes de fonctionnement.
Авторы: Меренцов Николай Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»; Персидский Александр Владимирович - ведущий инженер-конструктор, АО «Федеральный научно-производственный центр «Титан-Баррикады»; Топилин Михаил Владимирович - инженер 2-й категории лаборатории стандартных исследований керна, ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг ВолгоградНИПИмор-нефть»; Голованчиков Александр Борисович - доктор технических наук, профессор кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет», г. Волгоград, Россия.
Рецензент: Гатапова Наталья Цибиковна - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
