超滤膜分离设备优化控制的研究
2007-05-02 23:44:57   来源：食品与机械   评论：0 点击：

超滤膜分离设备主要应用于溶液过滤、分离和提纯,如蛋白质分离提纯、青霉素等药品分离和提纯、海水淡化等领域。早在1861年,schmidt首次提出超滤概念。20世纪70～80年代超滤技术高速发展,应用面越来越广,使用量越来越大。随着复合膜的研制成功以及膜技术的进一步发展,它广泛应用于水加工工业、化工、医药、食品和生物工程等诸多领域。现代化工制药和食品加工行业中,常用膜分离设备来提纯物质或提取物质的某些有用成分,来提高产品质量,其产品附加值极高。超滤是根据筛分原理,以一定的压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的操作,主要应用于浓缩大分子溶液的净化(这里是两个不同的作用)等,在生物化工过程中应用最广。膜分离是指用半透膜作为障碍层,借助于膜的选择渗透作用,在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯。超滤膜分离的效果及分离速度直接关系最终产品的质量和经济价值。

  近年来,我国超滤膜工业以每年12%～14%的速率高速增长。但是,由于设备研制投资大,导致我国超滤膜分离设备的研制和开发进展缓慢。目前,国内超滤膜分离装置应用于中低档市场,主要集中简单处理、技术要求不高的产品。国内超滤膜分离设备主要有以下不足:(1)能耗高;(2)自动化程度不高,基本上采用手动操作。针对这些不足,我们在简化工艺流程的基础上,设计出一套具有自动化程度高、操作稳定性好、具有人机操作接口、动态模拟、在线显示等优点的超滤膜分离设备。工业生产中,在增加超滤膜分离速度,减轻浓差极化与膜面污垢的措施方面,很多学者做了大量探索性工作,典型的方法有Redkar等人采用高频反冲洗法[1],强迫液体反向通过膜;Kathryn等人在操作中对压力进行波动控制,来增加渗透液中大分子的浓度;Winzeler和Brewster提出了在膜流体通道内产生Dean涡流强化传质的方法,这些方法都成功用于某些工业生产中,大大提高了超滤膜分离的速度。在过滤分离的优化控制方面,候迪波在麦汁过滤中[2],采用优化浓度和体积等约束条件来缩短过滤时间,取得最佳经济价值;在一些大工业系统中,例如在石油化工生产中,采用神经网络及专家系统进行智能优化控制[3],来提高生产率。文章通过优化生产过程中的生产条件(流体的压力、流量、温度)等,在约束条件范围内,寻找最优的生产参数的匹配值,在增加膜通量,加快超滤速度的同时,减小能耗,延长膜的使用寿命,使整个生产过程原料利用率最高,利润最大。

1　超滤膜分离设备

1.1　超滤膜分离设备及其工艺流程作者所在的课题组研制的超滤膜分离设备,工艺简单,操作方便,将原料生产和设备反清洗维护有机地结合在一起。同时,对生产过程中流体的压力、流量、温度等参数进行在线的适时监控,大大提高了生产过程的稳定性。超滤膜分离设备的组成及工艺流程见图1。

1.1.1　主过滤回路　原料倒进原料储罐,经过袋式过滤器进行粗过滤,除去颗粒状的悬浮物;液体再经列管式换热器进行预热、恒温,进入超滤膜分离装置,得到膜下液,完成超滤膜分离。回路中使用压力传感器、流量传感器、热电偶温度传感器、液位传感器等对生产参数进行测量,通过流量控制阀控制回路流量,通过加热电阻和列管式散热装置控制回路温度,通过回路内的节流阀控制膜上的压力。

1.1.2　循环过滤回路　对超滤膜分离装置膜上浓缩液进行循环过滤,来加快过滤速度和充分利用原料。

1.1.3　热水循环回路　供应列管式热交换器所需要的热量,来加热流体温度,保证超滤膜分离时所要达到的流体温度。

1.1.4　反清洗回路　反清洗液采用了酸、碱、水三种液体并联,可根据超滤物质性质的不同,选择不同的一种或多种清洗液对管道、阀门和膜组件进行反清洗。清洗回路的阀门都是电控阀,实现了全自动化。

1.2超滤膜分离设备的控制系统所研制的超滤膜分离设备具有良好的人机操作界面,在P4工控机上通过MC