книги из ГПНТБ / Смирнов, Д. Н. Автоматическое регулирование процессов очистки сточных и природных вод

ствия, глубину влияния на параметр регулирования и частоту возникновения. В рассматриваемых объектах основными возмущениями могут быть колебания расхо­ да сточной воды, концентрации обезвреживаемых и вто­ ростепенных загрязнений, концентрации рабочих раство­ ров реагентов и реже температуры сточной воды.

Регулированию процессов, происходящих в химиче­ ских реакторах, посвящено довольно много работ [22, 26, 39, 68]. В то же время проблема регулирования про­ цессов реагентной очистки сточных вод, имеющая в основе аналогичные принципиальные решения, но ослож­ ненная рядом специфических особенностей, таких, как нелинейность параметров регулирования, интенсивность возмущений, сложность химического состава и др., не привлекла еще внимания большого числа специалистов.

2. Методы экспериментального изучения объектов регулирования

Коэффициент самовыравнивания объекта, регулиру­ емого по количественным параметрам, можно получить несложным расчетом. Примеры таких расчетов приводят­ ся в литературе по автоматическому регулированию [28, 62]. Для решения задач построения САР процессов ре­ агентной очистки сточных вод наибольший интерес пред­ ставляют способы получения нелинейных статических характеристик.

Кривые потенциометрического титрования, приведен­ ные в главе I , являются статическими характеристиками процесса регулирования по величине рН. Лабораторные методы определения кислотности и щелочности сточных вод изложены в работе Ю. Ю. Лурье и А. И. Рыбни­ ковой [42]. Для получения статических характеристик, с достаточной точностью отражающих изменение коэф­ фициента самовыравнивания во всем диапазоне возмож­ ных изменений величины рН, титрование кислоты или щелочи следует производить тем реагентом, который ис­ пользуется для обработки сточных вод.

Другим важным фактором, предопределяющим структуру САР, является время переходного процесса реакции в условиях, близких к оптимальным, т. е. ди­ намическая характеристика процесса. Методика ее по­ лучения также несложна. Проба сточной воды при ин­ тенсивном перемешивании подвергается воздействию зал­ повой дозы реагента, рассчитанной на проведение иссле-

30

дуемой реакции до заданного уровня. Кривая переходно­ го процесса во времени, выраженная в единицах рН или электропроводности, служит динамической характе­ ристикой процесса.

В основу расчета устойчивости САР положены дина­ мические характеристики объекта регулирования. Наи­ более наглядное представление о переходном процессе в

пространенных на очистных сооружениях объектов регу­ лирования — ершового смесителя, в котором происходит нейтрализация содержащихся в сточной воде кислот из­ вестковым молоком. Параметром регулирования а слу­ жит величина рН, измеренная на выходе из смесителя и преобразованная в напряжение UBX на входе в регулятор; возмущающим воздействием ко — изменение расхода ре­ агента. Расход сточной воды и ее химический состав не­ изменны.

Из графика определяются время запаздывания т и постоянная объекта Т0. Запаздывание х есть сумма транспортного т т и переходного т п запаздывания. Тан­ генс угла наклона касательной к кривой в точке переги­ ба, определенный для единичного возмущения, характе­

Рис. 8. Временная характеристика ершового смесителя

31

Методика получения кривых разгона ясна из их оп­ ределения.

Наряду с изучением свойств собственно объекта ре­ гулирования при синтезе САР небходимо составить яс­ ное представление о характере внешних возмущений. По своей природе они могут быть разделены на возму­ щения, вызывающие только отклонение регулируемого параметра (например, колебание кислотности нейтрали­ зуемых стоков), и на возмущения, приводящие к изме­ нению регулировочных свойств объекта. Например, от­ клонения расхода обрабатываемых стоков (в широких пределах) изменяют коэффициент самовыравнивания объекта регулирования. Такой же эффект может вызы­ вать изменение состава стоков — появление слабых эле­ ктролитов или новых веществ, вступающих в реакцию с нейтрализующим реагентом. Кроме того, значительные колебания расхода стоков влияют и на динамические ха­ рактеристики реактора.

Резкое проявление возмущений, влияющих на свой­ ства объекта, может потребовать настолько существенного усложнения САР, что ее применение станет нецеле­ сообразным с экономической и эксплуатационной точки зрения. Поэтому следует устранять наиболее вредные возмущающие воздействия в первую очередь совершен­ ствованием технологии очистки и улучшением организа­ ции сбора сточных вод.

Возмущения по основному каналу (концентрация нейтрализуемого компонента) могут отличаться ампли­ тудой и частотой колебаний. Пиковые значения концент­ раций часто в десятки раз превышают средние данные, на основе которых проектируется оборудование станции. Поэтому предельные значения амплитуды входных коле­ баний должны служить важнейшим фактором при выбо­ ре производительности реагентных узлов и пропускной способности регулирующей арматуры. В литературе по автоматическому регулированию [28, 51, 61] имеются данные по влиянию амплитуды входных колебаний на качество регулирования и устойчивость САР.

При оценке влияния на работу САР частоты внеш­ них возмущений следует сопоставлять период колебаний возмущающего фактора со временем регулирования си-

32

стемы, т. е. с продолжительностью отработки регулято­ ром очередного возмущения. Естественно, что для нор­ мальной работы САР нельзя допускать наложений но­ вых возмущений на несбалансированный объект. Ины­ ми словами, период колебаний возмущающего фактора должен быть больше времени регулирования САР. Ори­ ентировочно время регулирования непрерывных САР приведено в табл. 1.

Для сооружений очистки промышленных стоков ха­ рактерны возмущения, проявляющиеся в виде пикового отклонения концентрации на входе с последующим мед­ ленным ее изменением до новой величины. Применение в этих условиях ПИ-регулирования может привести к длительному отклонению параметра от заданного зна­ чения, вызванному совпадением скоростей входного из­ менения и перемещения регулирующего органа в астати* ческом режиме работы регулятора. Решение задачи в

3. Улучшение характеристик объектов регулирования

Основной целью преобразования статической характе­ ристики объекта при использовании электропроводности или величины рН в качестве параметра регулирования является ее линеаризация. Линейность зависимости си­ гнала на входе в регулятор от весового содержания обезвреживаемого загрязнения в сточной воде, как уже говорилось выше, обеспечивает p = const и, следователь-

но, сохранение оптимального режима работы САР во всем диапазоне колебаний исходных концентраций.

Практически линеаризация статических характери­ стик осуществляется включением между выходом из объекта и входом в регулятор функционального звена, преобразующего регулируемый параметр. Характери­ стика процесса, происходящего в этом звене, т. е. зави­ симость его выходного сигнала от входного, должна служить зеркальным отображением статической харак­ теристики всего процесса, полученной экспериментально или расчетным путем. Таким преобразующим звеном может быть функциональный блок промышленного из­ готовления— кулачок-лекало соответствующего профи­ ля, включенный в кинематическую систему измеритель­ ного прибора «электрический элемент — вторичный ре­ остатный датчик с нелинейной характеристикой». Про­ мышленные вторичные приборы комплектуются только линейными реостатными датчиками.

Среди известных в электроизмерительной технике методов преобразования характеристик реостатных эле­ ментов наиболее доступным способом следует считать шунтирование участков обмотки реостатного датчика со­ ответствующими постоянными сопротивлениями. Пред­ ложенные во ВНИИ ВОДГЕО методы расчета и техноло­ гия реконструкции промышленного вторичного реостат­ ного датчика в нелинейный используются в настоящее время при автоматизации очистных сооружений. Расчет ведется по экспериментальной статической характери­ стике.

Исходная кривая служит одновременно и искомой характеристикой функционального звена, так как по оси абсцисс откладываются концентрации кислоты и щело­ чи (избыток реагента), а также пропорциональные им значения выходного сигнала в процентах от максималь­

мой степенью точности. Проекции участков кривой на ось ординат определяют длину шунтируемых отрезков обмотки, а проекции участков кривой на ось абсцисс служат мерой падения напряжения на зашунтированных отрезках обмотки. Пример расчета реостатного зве­ на приведен в работах [54, 60].

34

На очистных станциях применяют вертикальные (вихревые) и лотковые (ершовые, перегородчатые) сме­ сители. Первые следует отнести к известным в химиче­ ской технологии кубовым реакторам, обладающим со­ средоточенной емкостью. САР таких реакторов устой­ чивы даже при значительных возмущениях, так как эти реакторы имеют хорошие динамические характеристики

и удобством применения для самотечных систем очист­ ки. Как объект регулирования они весьма сложны, так как представляют собой распределенную емкость и име­

Весьма важным фактором улучшения динамики объ­ екта регулирования является предельное сокращение транспортного запаздывания, достигаемое уменьшением расстояния между датчиками и регулирующими органа­ ми. Если нельзя установить дозатор в непосредственной близости от реактора, следует применять принудитель­ ное транспортирование реагента.

4, Аналитические методы расчета статических и динамических характеристик процессов нейтрализации сточных вод

Статическая характеристика наиболее распростра­ ненного процесса обработки производственных стоков многих заводов (нейтрализации серной кислоты из­ вестью) может быть получена расчетным путем. Метод расчета разработан во ВНИИ ВОДГЕО Н. Б. Манусовой и Д. Н. Смирновым под руководством проф. Ю. Ю. Лу­ рье.

В основу расчета положено представление о проте­ кании реакции нейтрализации в две стадии. Предпола­ гается, что все количество CaS04 , образующегося в про­ цессе реакции нейтрализации, пребывает в растворен­ ном состоянии:

Са(ОН)2 + 2H2 S04 = Ca(HS04 )2 + 2 Н 2 0

или

[HSO7]

где Кг — константа диссоциации.

Решив эту систему относительно [Н+], обозначив начальную концентрацию серной кислоты [H2SO4] в растворе через а и концентрацию ионов кальция [Са2 +] через Ъ, получим:

чаем соответствующие значения текущей концентрации водородных ионов [Н+]. Величину рН определяем из известного выражения рН = — lg[H+] в предположении, что коэффициент активности а — 1 .

С помощью полученных данных на графике строится кислотная ветвь идеализированной статической харак­ теристики.

36

Участок статической характеристики, соответствую­ щий избыточному содержанию нейтрализующего ре­ агента С а ( О Н ) 2 , может быть построен исходя из урав­ нения диссоциации воды:

[ н + ] [ о н - ] = ю - 1 4 .

Концентрация водородных ионов

L [он-]

Рассчитанные точки щелочной ветви статической характеристики наносятся после преобразования под­ считанных концентраций [Н+] в соответствующие зна­ чения величины рН.

Если в реальной сточной воде побочные вещества, вступающие в реакцию с нейтрализующим реагентом, отсутствуют или присутствуют в незначительной кон­ центрации, полученная изложенным способом кривая потенциометрического титрования вполне может слу­ жить статической характеристикой регулируемого объ­ екта и использоваться для расчета САР. Она близка к кривой /, приведенной на рис. 4. Расчет статической характеристики процесса нейтрализации сточных вод, загрязненных не только кислотами, но и растворенными металлами, приведен в п. 2 главы I I I .

При проектировании автоматизированных устано­ вок реагентной очистки производственных сточных вод весьма желательно располагать данными о регулиро­ вочных свойствах применяемого оборудования и в пер­ вую очередь реакторов. В настоящее время с наиболь­ шей полнотой изучены реакторы, принцип работы кото­ рых позволяет отнести их к тому или иному классу аппаратов. Такими реакторами, как уже отмечалось, являются аппараты идеального смешения и идеального вытеснения или их комбинации. Поэтому расчет приме­ няемых в рассматриваемой области техники вихревых

имешалочных реакторов можно производить с по­

мощью методов, рекомендуемых в литературе [22, 26, 39, 68].

Применение в составе очистных сооружений реакто­ ров с распределенной емкостью, какими являются ер­ шовые и перегородчатые смесители, создает значитель­ ные трудности в аналитическом расчете САР.

37

Приводимый ниже вывод уравнения является пер­ вой попыткой математического описания реактора тако­

Дифференциальное уравнение реактора должно не только отражать влияние его формы, размеров и кине­

первое приближение к действительной картине проис­ ходящих в ершовом смесителе процессов. Однако в свя­ зи со сложностью проблемы на данном этапе ее разре­ шения подобные предположения следует принять за ос­ нову расчета.

Задача отыскания выходных концентраций вещества

записанному для движущейся среды со следующими граничными условиями:

38

изменение концентрации вещества происходит скачко­ образно на входе в смеситель и прекращается при бес­ конечном удалении от входа.

При протекании в ершовом смесителе реакции пер­ вого порядка для решения уравнения (12) достаточно указанных граничных условий при нулевых начальных

Скорость потока v определяется по технологическим данным, значение кинетической постоянной скорости реакции К — по методике, изложенной в п. 2 этой главы.

Величину коэффициента турбулентной диффузии D можно определить экспериментальным путем на моде­ ли, удовлетворяющей условиям геометрического и гид-

39