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：

GS工控组态软件[4],用西门子S7 200系列PLC[5]编写程序控制回路中的电控阀门、离心泵、加热器,通过压力传感器、流量传感器、温度传感器等,实现对主过滤回路、循环过滤回路、热水循环回路以及反清洗回路的流量、温度的自动化控制,压力是通过手动方式调节节流阀进行控制。同时,在触摸屏和控制柜面板的仪表上显示生产过程中部分管道及膜分离装置内流体的压力、流量、温度等参数值,设定所研制设备在生产过程中的最优生产条件,通过RS232串行通讯口发送到PLC,PLC对设备的压力、流量和温度的控制所采用的算法仍然是PID控制算法。`

2　超滤膜分离机理及最优控制的数学模型超滤膜分离工作原理见图3[6],即在一定的压力作用下,把溶液中含有高低分子量的溶质分离开来,从而实现物质的分离、提纯的目的。超滤膜分离的主要目标是系统的原料生产效率最高,即系统的经济效益最大,所谓超滤膜分离的最优控制,是指在产品质量保证一定规格的前提下,通过改变生产过程中生产条件即优化匹配超滤液的压力(p)、流量(Q)、温度(T)等参数值,使生产利润最大。从经济上考虑,选用利润函数最大作为目标函数[7,8]:]

3　超滤膜分离过程最优控制方案为了得到超滤时的最优生产条件,使利润函数＄最大。运用极大值原理对生产条件进行优化计算,寻找最优解。用此超滤膜分离装置超滤提纯浓度为10%的南瓜多糖溶液,平板膜选用聚丙烯腈中空纤维膜(PAN)(有效面积S=40×30=1200cm2)为例,影响超滤速度的主要参数有超滤液的压力p、流量Q和温度T,根据膜组件的性能,要避免膜组件直接被损坏,参数满足的约束条件有:0<p<0.4MPa;0<Q<800mL/min;0<T<100℃。膜通量对超滤膜分离快慢起决定作用,不同条件下的膜通量见图4、图5、图6、图7。

从图4、图5看出,随着压力、流量的增加,膜通量按近似于线性规律显著增加。压力从0.05MPa起,每增加0.05MPa,膜通量增加0.24mL/cm2·min;流量从125mL/min起,每增加125mL/min,膜通量增加0.25mL/cm2·min。由图6看出,随着液体温度的升高,膜通量也会增加,但增加缓慢,影响不太明显。图7是不同时间段下的膜通量的大小,实际上如果膜通量小于1mL/cm2·min,超滤缓慢,可以认为膜堵塞,这时要进行反清洗,如果膜能量突然显著增加,说明膜组件有破损。分析上述实验结果可知:在允许范围内,压力、流量、温度越高,膜通量越大,超滤时间缩短,单位成品的人工费用等降低;但随着膜通量的增加,膜组件更易堵塞,增加清洗次数,从而增加清洗费用及膜组件的成本;温度升高,能耗增加显著。图8是不同膜通量下的清洗频率,图9是不同温度下的能耗。愒谏璞干杓剖?设备每次清洗的时间20min,耗能0.25kW·h。现用此设备超滤1000L浓度为10%的南瓜多糖溶液为例,在进行优化控制前,系统的生产条件设定值为(0.20MPa,500mL/min,30℃),此时膜通量J=1.26mL/cm2·min,清洗频率为1.036次/h,清洗次数n=13,总时间t=12.5h,超滤时间t1=7.7h,清洗时间t2=4.3h,更换膜组件1次,时间t3=0.5h。若原料成本为6元/L,成品价值为25元/L,膜组件的价格为45元,每次清洗液成本为5元,能源单价为0.85元/kW·h,工资及设备折旧费为12元/h,代入公式(2)则生产1000L浓度为10%的南瓜多糖溶液每小时的利润＄′=(1.26×40×30×60×10-3×7.7×25-1000×6-4.8×0.85×7.7-0.25×0.85×4.3-45×13/10-13×5-12.5×12)/12.5=893元/h,以此类推,利用所完成的实验曲线图4～图9和公式(2),通过计算机编程进行优化计算,可得超滤膜分离提纯1000L浓度为10%的南瓜多糖溶液每小时产生的利润与生产条件的关系曲线见图10。

分析图10曲线可知:压力、流量、温度组成的生产条件(p,Q,T),随着(p,Q,T)的增加,膜通量显著增加,超滤时间缩短,利润增加大于成本增加,每小时的利润达到最大值。随后随着p,Q的增大,反清洗频率增加,清洗