專利名稱：一種多級超濾濃縮分離的自動控制設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超濾濃縮分離控制技術，特別涉及一種多級超濾濃縮分離的自動 控制設備。
背景技術：
膜分離技術是推動國家支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展、改善人類生存環(huán)境、提高人們生活質量的一項 嶄新的分離技術，具有效率高、能耗低以及污染少等優(yōu)點，其操作條件溫和，適于處理熱 敏性物質，可直接分離一些按常規(guī)方法難以分離的體系。自20世紀60年代第一張具工業(yè)應 用價值的反滲透膜面世以來，現(xiàn)代膜分離技術得到了迅速的發(fā)展，目前，己廣泛應用于醫(yī) 藥、生物化工、食品和水處理等領域。超濾是一種典型的膜分離手段，在所有膜分離技術(如微濾、超濾、滲透、電滲析及 氣體膜分離)中，超濾技術的應用最廣泛，也最成熟?，F(xiàn)代中藥、生化制品及食品等行業(yè) 對超濾濃縮分離系統(tǒng)的需求R益迫切。然而，在目前工業(yè)化應用的超濾濃縮分離系統(tǒng)中，普遍存在著分離效果較差、生產(chǎn)速度和效率難以有效提高的問題。產(chǎn)生這一問題的原因主要在于以下幾個方面(1)超濾過 程中存在著濃差極化和膜污染，使得分離效果和效率難以有效提高；(2)在工業(yè)生產(chǎn)中， 為了增加分離速度、提高產(chǎn)品質量，必須定期對膜組件及管道進行清洗，但目前基本上都 是靠人工判斷是否需要清洗，而且清洗都采用手動操作，不但存在主觀性，而且會導致生 產(chǎn)過程的中斷，使系統(tǒng)生產(chǎn)成本增加；(3)系統(tǒng)的工藝路線長，自動化程度低，整個流程 基本上都采用手動操作，缺乏靈活性和可操作性，降低了生產(chǎn)效率。發(fā)明內容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，提供一種自動化程度高，操作 穩(wěn)定性好，具有人機操作接口、動態(tài)模擬、在線顯示等功能的多級超濾濃縮分離的自動控 制設備，在生產(chǎn)過程中通過控制電動閥門來實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，并對管道和膜組件的清洗以 及各回路的溫度進行自動控制；同時，自動切換單級超濾模式和兩級超濾模式來進行生產(chǎn)， 大大提高生產(chǎn)效率和操作靈活性。本實用新型的多級超濾濃縮分離的自動控制設備包括控制器、原料過濾回路、 一級超 濾回路、二級超濾回路、清洗回路、熱交換回路；控制器對原料過濾回路、 一級超濾回路和二級超濾回路、清洗回路和熱交換回路進行自動控制；如圖1所示，其中原料儲罐l、手動球閥2、電動球閥3、不銹鋼離心泵4、袋式真空過濾器5、 一級換熱器7構成原料過濾回路；內裝液位開關13的一級儲罐9、手動球閥IO、電動球閥ll、不銹鋼離心泵12、電動 三通球閥14、含流量傳感器的比例閥15、 二級換熱器16、溫度傳感器19、現(xiàn)場壓力顯示 表20、 一級超濾膜組件21、手動取樣球閥22、三通電磁閥23和24構成一級超濾回路；內裝液位開關29的二級儲罐25、手動球閥26、電動球閥27、不銹鋼離心泵28、電動 三通球闊30、含流量傳感器的比例閥31、三級換熱器32、溫度傳感器35和現(xiàn)場壓力顯示 表36、 二級超濾膜組件37、手動取樣球閥38、三通電磁閥39和40、手動球閾41和三級 儲罐42構成二級超濾回路；酸、堿、水儲罐44、 48和52，電動球閥43、 46、 47、 49、 51、 53，手動球閥45、 50、 54和防腐離心泵55構成清洗回路；內配溫度傳感器56、現(xiàn)場壓力顯示表66和發(fā)熱管58的熱水儲罐57，手動球閥59， 電動球閥60,熱水泵61，含流量傳感器的比例閥62，電動球閥63、 64和65構成熱交換 回路。圖1示出了各部件的優(yōu)選連接方式原料儲罐l的出口和電動球閥3連接，再連接到不銹鋼離心泵4，與袋式真空過濾器 5連接，經(jīng)過一級換熱器7后與一級儲罐9連接，原料儲罐的下端有出口連接手動球閥2， 實現(xiàn)對殘余物的排放；內裝液位開關13的一級儲罐9的出口和手動球閥10、電動球閥11連接，再連接到不 銹鋼離心泵12，經(jīng)過電動三通球閥14和比例閥15，與二級換熱器16連接，再接入一級超 濾膜組件21;膜組件的前端安裝了溫度傳感器19和現(xiàn)場壓力顯示表20;膜組件的出液口接手動取樣球閥22后再接三通電磁閥23，然后與一級儲罐9相連； 一級超濾膜組件的膜下出液口與二級儲罐25相連；內裝液位開關29的二級儲罐25 的出口和手動球閥26、電動球閥27相連，電動球閥27再與不銹鋼離心泵28、電動三通球 閥30、比例閥31、三級換熱器32、溫度傳感器35、現(xiàn)場壓力顯示表36、 二級超濾膜組件 37相連；膜組件的出液口和手動取樣球閥38相連，經(jīng)過三通電磁閥39后回流到二級儲罐25中； 二級超濾膜組件的膜下出液口與底部有手動球閥41的三級儲罐42相連； 3個清洗液儲罐44、 48和52分別和電動球閥46、 49和53相連后并入一根管道， 再進入防腐離心泵55，然后分別接入三通電磁閥24和40;
清洗的回流液分別經(jīng)過電動三通球閥M和30后，并入一根管道，再分別和電動球閥 43、 47和51相連；手動球閥45、 50和54分別連接清洗液儲罐44、 48和52。連接了手動球閥59的熱水 儲罐57的出口經(jīng)電動球閥60與熱水泵61相連，再經(jīng)過比例閥62后分別和電動球閥63、 64、 65相連，管道A、 B、 C再分別與一級、二級、三級換熱器的熱水進口 8、 18、 34連 接，熱水出口6、 17、 33與熱水儲罐57的進水口相連； 控制器由上位機和下位機構成；本實用新型優(yōu)選P4工業(yè)級計算機作為控制系統(tǒng)的上位機，PLC作為控制系統(tǒng)的下位機， 并配備可觸摸屏，提供人性化的人機操作接口，并可在線顯示生產(chǎn)狀態(tài)。上位機和下位機的 接口采用RS-232接口 。通信協(xié)議采用串行通信協(xié)議。 本實用新型的工作原理如下在原料過濾回路實現(xiàn)對料液的初步過濾。將料液加入原料儲罐1，混合均勻后，打開 電動球閥3，料液經(jīng)過不銹鋼離心泵4，在袋式真空過濾器5內進行一級過濾后，濾過液經(jīng) 一級換熱器7后流入一級儲罐9。過濾殘余物由原料儲罐下端的出口 (接手動球閥2)排出。 該回路中電動球閥、離心泵和原料儲罐內料液的攪拌均由控制系統(tǒng)實現(xiàn)開關控制。在一級超濾回路， 一級儲罐9內的溶液經(jīng)電動球閥11后，由不銹鋼離心泵12泵入二 級換熱器16。系統(tǒng)控制器控制二級換熱器16的溫度，待溶液溫度達到設定值后，進入一 級超濾膜組件21進行一級超濾。膜上液經(jīng)三通電磁閥23回流到一級儲罐9，膜下液則流 入二級儲罐25?；芈分性O置了電動三通球閥14和比例閥15，在超濾膜組件的進液口一側 還安裝了流量傳感器，以檢測回路流量并通過比例闊實現(xiàn)回路流量的控制。在一級超濾膜 組件21的進液口一側安裝了溫度傳感器19和現(xiàn)場壓力顯示表20，以檢測并控制進入膜組 件的溶液的溫度，并對操作壓力進行自動調節(jié)。經(jīng)過一級超濾的溶液由二級儲罐25經(jīng)電動球閥27后，連接到不銹鋼離心泵28。利用 電動三通球閥30和比例閥31調節(jié)流量后，進入二級換熱器32進行保溫。再經(jīng)溫度傳感器 35和現(xiàn)場壓力顯示表36后，進入二級超濾膜組件37進行二級超濾。膜上液經(jīng)三通電磁閥 39回流到二級儲罐25，膜下液則流入三級儲罐42。二級超濾回路與一級超濾回路的工作方式和控制原理基本相同。兩個超濾回路采用串 聯(lián)方式進行連接。在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)需要選擇單級回路進行超濾，也可選擇兩級回路 進行超濾。這個過程由系統(tǒng)自動選擇切換。只要在兩個超濾回路的膜組件中釆用不同孔徑 的超濾膜，由系統(tǒng)選擇不同級別的超濾模式，便可得到不同相對分子質量及純度的產(chǎn)品。在清洗回路中，控制系統(tǒng)中根據(jù)物料的性質及生產(chǎn)過程中膜通量及截留率的變化，智 能判斷哪個回路需進行管道清洗。然后通過電磁閥控制放置在3個清洗液儲罐44、 48和52中的一種或多種清洗液(酸、堿或水)，開啟相應的電動球閥46、 49或53，使清洗液流 入相連的管道，進入防腐離心泵55，再由三通電磁閥24和/或40進入相應的回路，反向流 經(jīng)熱交換器后，再經(jīng)過電動三通球閥14和/或30,由電動球閥43、 47或51回流到原來的 儲罐中，完成一次自動清洗過程。在熱交換回路，熱水儲罐57中的熱水流經(jīng)電動球閥60后，由熱水泵61經(jīng)電動球閥 63、 64和65后泵入管道A、 B、 C，分別由熱水進口 8、 18、 34進入三個換熱器，進行熱 交換后由熱水出口6、 17、 33經(jīng)熱水儲罐57的進水口進入熱水儲罐。熱水儲罐中裝有溫度 傳感器，利用它可檢測出水溫度，并通過溫度信號來控制熱水儲罐57內發(fā)熱管58的開閉。 通過比例闊和PID表來控制熱交換回路中的熱水流量，可達到控制溶液溫度的目的。一級儲罐9和二級儲罐25內安裝了液位開關，用于檢測儲罐內的液位，實現(xiàn)對液位的 控制及報警。系統(tǒng)控制器采用采用分級控制方式，以P4工業(yè)級計算機作為上位機，PLC作為下位機。 原料過濾回路、 一級超濾回路、二級超濾回路、熱交換回路和清洗回路中設置了多個溫度傳 感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位開關、比例閥、電磁閥等，下位機采集各回路的流量、 壓力和溫度等信號，并控制各回路的電磁閥、離心泵等執(zhí)行器的動作輸出。上位機接收下位 機信息，將信息通過觸摸屏顯示出來，并根據(jù)接收到的信息經(jīng)計算后確定下位機的相應動作 指令，然后將指令下傳到下位機，從而實現(xiàn)對操作過程中溫度、壓力、流量的自動控制。上 位機和下位機的接口采用RS-232接口。通信協(xié)議采用串行通信協(xié)議。 本實用新型與現(xiàn)在技術相比具有如下的優(yōu)點及效果(1) 釆用了多種傳感器進行信息的在線釆集，通過工業(yè)級計算機和PLC分級控制的全 自動控制方式，提高了系統(tǒng)的自動化程度和超濾的效率；(2) 通過對單級超濾回路和兩級超濾回路進行自動切換，可同時或分別進行單級或多 級超濾，獲得不同相對分子質量和純度的產(chǎn)品；(3) 系統(tǒng)包括了自動清洗回路，可以根據(jù)需要選擇不同的清洗液實現(xiàn)各回路的自動清 洗，有效改善了膜污染，提高了超濾效率；同時，管路的清洗不會導致生產(chǎn)過程的中斷；(4) 系統(tǒng)通過溫度傳感器和比例閥來檢測回路溫度、調節(jié)熱交換回路中水的流量，有 效提高了系統(tǒng)的溫度控制精度。


圖1是所述的多級超濾濃縮分離系統(tǒng)的總體結構框圖；圖中，l一原料儲罐，2—手動 球閥，3—電動球閥，4一不銹鋼離心泵，5—袋式真空過濾器，6—熱水出口， 7—一級換 熱器，8—熱水進口， 9—一級儲罐，10—手動球閥，ll一電動球閥，12—不銹鋼離心泵， 13—液位開關，14一電動三通球閥，15—比例閥，16—二級換熱器，17—熱水出口， 18—
熱水進口， 19一溫度傳感器，20—現(xiàn)場壓力顯示表，21—一級超濾膜組件，22—手動取樣 球閥，23—三通電磁閥，24—三通電磁閥，25—二級儲罐，26—手動球閥，27—電動球閥， 28—不銹鋼離心泵，29—液位開關，30—電動三通球閥，31—比例閥，32—三級換熱器， 33—熱水出口， 34—熱水進口， 35—溫度傳感器，36—現(xiàn)場壓力顯示表，37—二級超濾膜 組件，38—手動取樣球閥，39—三通電磁閥，40—三通電磁閥，41一手動球閥，42—三級 儲罐，43—電動球閥，44一清洗液儲罐1， 45—手動球閥，46—電動球閥，47—電動球閥， 48—清洗液儲罐2， 49一電動球閥，50~手動球閥，51—電動球閥，52—清洗液儲罐3， 53 一電動球閥，54—手動球閥，55—防腐離心泵，56—溫度傳感器，57—熱水儲罐，58—發(fā) 熱管，59—手動球閥，60—電動球閥，61—熱水泵，62—比例閥，63—電動球閥，64—電 動球閥，65—電動球閥，66—現(xiàn)場壓力顯示表；圖2是所述的多級超濾濃縮分離自動控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖。
具體實施方式
圖1和2示出了本實用新型的一種實施方式。由圖1可見，多級超濾濃縮分離系統(tǒng)包 括原料過濾回路、 一級超濾回路、二級超濾回路、熱交換回路和清洗回路。從圖2可見，系 統(tǒng)的自動控制由控制器根據(jù)傳感器所采集的流量、壓力和溫度等信息，通過控制電動閥門來 實現(xiàn)。實施流程如下-(1) 原料過濾回路a. 人工將原料放進原料儲罐。b. 開動不銹鋼離心泵抽料，原料從袋式真空過濾器——一級換熱器一一級儲罐。c. 離心泵前的閥門為手動不銹鋼球閥，保持常開狀態(tài)，只是進行維修或清洗儲罐時關閉。d. 料液流經(jīng)一級換熱器的溫度調節(jié)由控制器根據(jù)預設溫度，通過比例閥和PID表來控 制熱水進口流量加以實現(xiàn)。(2) —級超濾回路a. 開動不銹鋼離心泵，使儲罐中的料液經(jīng)過泵一一二級換熱器——一級超濾膜組件 ——回流至一級儲罐，完成第一級的超濾濃縮分離。待取樣合格后，再將所得膜上液通過三 通電磁閥輸送至二級儲罐。b. 二級換熱器及一級超濾膜組件后的閥門(共2個)均為電動三通閥門。c. 進一級超濾膜組件的溶液溫度調節(jié)也由控制器通過比例閥和PID表來控制實現(xiàn)。(3) 二級超濾回路a.開動不銹鋼離心泵，使儲罐中的料液經(jīng)過泵——三級換熱器——二級超濾膜組件 ——回流至二級儲罐，完成第二級的超濾濃縮分離。待取樣合格后，再將所得膜上液通過三
通電磁閥輸送至三級儲罐。b. 三級換熱器及二級超濾膜組件后的閥門(共2個)均為電動三通閥門。c. 進二級超濾膜組件的溶液溫度同樣由比例閥和PID表通過控制熱水進口流量而實現(xiàn)調節(jié)。根據(jù)原料性質和目的產(chǎn)物成分的不同，在一級超濾之后，可選用串聯(lián)的二級超濾回路 進行第二級的超濾濃縮分離。這個過程由控制系統(tǒng)自動選擇切換?；芈分惺褂脽犭娕紲囟葌?感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位開關等對過程參數(shù)進行在線測量。(4) 熱交換回路熱交換回路供應熱交換器所需要的熱量，保證超濾濃縮分離時料液的溫度。a. 熱水是通過熱水儲罐中的發(fā)熱管來加熱的。發(fā)熱管通過溫度信號來控制開閉?？扇?意設定熱水的溫度，并可實現(xiàn)溫度自動控制。熱水儲罐按工業(yè)標準設有安全裝置。b. 將熱水通過熱水泵分別輸送到各換熱器，由比例閥和PID表來控制熱水流量，以達 到控制溶液溫度的目的。各個換熱器可分別進行控制。(5) 清洗回路a. 控制器根據(jù)膜通量和截留率的變化來決定是否需要進行清洗。清洗回路的閥門全部 為電動閥門，實現(xiàn)了全自動化。b. 當系統(tǒng)管路、超濾膜組件等需要清洗時，控制系統(tǒng)根據(jù)超濾物質性質的不同，選擇 不同的一種或多種清洗液，然后控制不同回路的電磁閥開閉，視需要將酸、堿或水泵入回路實現(xiàn)清洗。
權利要求1、 一種多級超濾濃縮分離的自動控制設備，其特征是包括控制器、原料過濾回路、 一級超濾回路、二級超濾回路、清洗回路、熱交換回路；控制器對原料過濾回路、 一級超 濾回路和二級超濾回路、清洗回路和熱交換回路進行自動控制；其中原料儲罐(1)、手動球閥(2)、電動球閥(3)、不銹鋼離心泵(4)、袋式真空過濾器 (5)、 一級換熱器(7)構成原料過濾回路；內裝液位開關(13)的一級儲罐(9)、手動球閥(10)、電動球閥(11)、不銹鋼離心 泵(12)、電動三通球閥(14)、含流量傳感器的比例閥(15)、 二級換熱器(16)、溫度傳 感器(19)、現(xiàn)場壓力顯示表(20)、 一級超濾膜組件(21)、手動取樣球閥(22)、三通電 磁閥(23)和(24)構成一級超濾回路；內裝液位開關(29)的二級儲罐(25)、手動球閥(26)、電動球閥(27)、不銹鋼離心 泵(28)、電動三通球閥(30)、含流量傳感器的比例閥(31)、三級換熱器(32)、溫度傳 感器(35)和現(xiàn)場壓力顯示表(36)、 二級超濾膜組件(37)、手動取樣球閥(38)、三通電 磁閥(39和40)、手動球閥(41)和三級儲罐(42)構成二級超濾回路；酸、堿、水儲罐(44、 48和52)，電動球閥(43、 46、 47、 49、 51、 53)，手動球閥 (45、 50、 54)和防腐離心泵(55)構成清洗回路；內配溫度傳感器(56)、現(xiàn)場壓力顯示表(66)和發(fā)熱管(58)的熱水儲罐(57)，手 動球閥(59)，電動球閥(60)，熱水泵(61)，含流量傳感器的比例閥(62)，電動球閥(63、 64和65)構成熱交換回路； 各部件連接關系如下原料儲罐(1)的出口和電動球閥(3)連接，再連接到不銹鋼離心泵(4)，與袋式真空過濾器(5)連接，經(jīng)過一級換熱器(7)后與一級儲罐(9)連接，原料儲罐的下端有出口連接手動球閥(2)，實現(xiàn)對殘余物的排放；內裝液位開關(13)的一級儲罐(9)的出口和手動球閥(10)、電動球閥(11)連接，再連接到不銹鋼離心泵(12)，經(jīng)過電動三通球閥(14)和比例閥(15)，與二級換熱器(16)連接，再接入一級超濾膜組件(21);膜組件的前端安裝了溫度傳感器(19)和現(xiàn)場壓力顯示表(20); 膜組件的出液口接手動取樣球閥(22)后再接三通電磁閥(23)，然后與一級儲罐(9) 相連； 一級超濾膜組件的膜下出液口與二級儲罐(25)相連；內裝液位開關(29)的 二級儲罐(25)的出口和手動球閥(26)、電動球閥(27)相連，電動球閥(27)再與 不銹鋼離心泵(28)、電動三通球閥(30)、比例閥(31)、三級換熱器(32)、溫度傳 感器(35)、現(xiàn)場壓力顯示表(36)、 二級超濾膜組件(37)相連； 膜組件的出液口和手動取樣球閥(38)相連，經(jīng)過三通電磁閥(39)后回流到二級儲 罐(25)中；二級超濾膜組件的膜下出液口與底部有手動球閥(41)的三級儲罐(42) 相連；3個清洗液儲罐(44、 48和52)分別和電動球閥(46、 49和53)相連后并入一根管道，再進入防腐離心泵(55)，然后分別接入三通電磁閥(24和40);清洗的回流液分別經(jīng)過電動三通球閥(14和30)后，并入一根管道，再分別和電動球 閥(43、 47和51)相連；手動球閥(45、 50和54)分別連接清洗液儲罐(44、 48和52)。連接了手動球閥(59) 的熱水儲罐(57)的出口經(jīng)電動球閥(60)與熱水泵(61)相連，再經(jīng)過比例閥(62)后 分別和電動球閥(63、 64、 65)相連，管道(A、 B、 C)再分別與一級、二級、三級換熱 器的熱水進口 (8、 18、 34)連接，熱水出口 (6、 17、 33)與熱水儲罐(57)的進水口相 連；控制器由上位機和下位機構成。
2、根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于選用P4工業(yè)級計算機作為控制系統(tǒng)的上 位機，PLC作為控制系統(tǒng)的下位機，并配備可觸摸屏，提供人性化的人機操作接口，在線顯 示生產(chǎn)狀態(tài)；上位機和下位機的接口采用RS-232接口；通信協(xié)議采用串行通信協(xié)議。
專利摘要本實用新型涉提供一種多級超濾濃縮分離的自動控制設備，其特點在于包括控制器、原料過濾回路、一級超濾回路、二級超濾回路、清洗回路、熱交換回路；所述控制器由上位機和下位機構成，上位機采用P4工業(yè)級計算機，下位機采用PLC；控制器通過上述回路中的電動球閥和傳感器對原料過濾回路、一級超濾回路和二級超濾回路、清洗回路和熱交換回路進行自動控制，自動切換單級和多級超濾模式，實現(xiàn)管路的自動清洗，并精確控制過程溫度。本實用新型提供的多級超濾濃縮分離的自動控制設備具有人機操作接口、動態(tài)模擬、在線顯示等功能，采用分級控制方式，超濾濃縮分離過程的自動化水平高，并具有很大的操作靈活性，生產(chǎn)效率及產(chǎn)物質量得到顯著提高。
文檔編號B01D61/22GK201020343SQ200620155008
公開日2008年2月13日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權日2006年12月20日
發(fā)明者余穩(wěn)勝, 傅曉琴, 冰 李, 琳 李, 李曉璽, 玲 陳 申請人:華南理工大學