在膜系统中常见的控制环路

在膜系统中常见的控制环路

压力控制

我们必须控制系统中的压力使其达到某一点。

几乎所有的纳滤和反渗透脱盐系统都采用压力控制系统。系统中操作参数可以在很长一段时间内保持恒定。在反渗透和纳滤系统中，压力和通量成线性关系，这样其控制系统也比较简单和直接。因此压力控制容易实现，但很难实现进一步保护膜和保持稳定其的性能。

流量比例控制

一个流量比例控制器的功能是保证进入系统的体积与离开系统的浓液的体积的比例能达到操作人员设置的一个平稳的设定值，即体积浓缩率或度。在进料管线和浓缩液管在线必须各装一台流量计。真正的控制功能由一个具有调节器和定位器的气动或电动浓缩阀来实现。流量计信号送到控制器，控制器根据接收到的信号发送一个指令使浓缩阀到达指定的位置。见图13。

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图13 比例控制器

设计和操作一个比例控制器比较简单。当物料组分比较稳定时，控制功能也会令人满意的。

有人曾经多次建议使用渗透液流量代替浓缩液流量来进行调节。这种系统可以在许多场合运行，但也不是所有的，它有一些根本性的问题。有时在过滤过程中加入一些水以减少通过膜(全过滤)的某一组分的量。这时根据渗透液流量的控制系统无法运行，而且当浓缩比率比较高时，即使一个很小的调节错误也可能导致非常糟糕的结果。

因此测量浓缩液流量更好些，它“总是”有效。

当涉及到全过滤时，有两个流量比例要控制：体积浓缩比例、水与浓液之比。建立一套如图14所示的只有三套流量计的系统是很具有吸引力。全过滤的体积决定于进料流量，但这显然也是危险的。调节错误或操作错误将导致全过滤体积超过来自前一段的浓液的流量，结果浓液流量消失。这样固体将堆积，随后膜会阻塞。

图14 带全过滤以及三台电磁流量计的比例控制系统

一个安全的操作系统应象图15那样有4台流量计。这类设计可以确保全过滤水的流量不超过前段浓缩液的流量。

图15 带全过滤以及四台电磁流量计的比例控制系统

总固体控制器

总固体(TS)或总不溶解性固体(TDS)是不常用于膜过滤的控制参数。而全牛奶的超滤却是例外，在这里这种方法常被使用。因为超滤牛奶时浓缩常用于乳清类产品，因此总固体的正确性很重要。另一个例外是有时使用折射计的造纸和纸浆行业。

折射计需放置在两个确切的位置。 第一个位置放在浓液管在线，但是启动系统相当困难，操作必须非常仔细，保证浓液阀不能完全关闭(见图16)。第二个位置放在最终循环段(见图16)，缺点是这一段常常处于操作当中。

折射计的一个引人注意的优点是不含移动部件。而缺点是可能因与液体接触的棱镜的污染而影响读数。而棱镜显然可能会被污染，因为需要相当强烈的光源以获得检测信号。物料现场加热会引起物料沈淀并粘在棱镜上。一个相当简单的减少管理麻烦的方法是在系统最后一段的循环泵的压力端拉一个小细管与折射计相连。这样可以对棱镜进行小流量但较有力的冲刷。

另外一个比较严重的问题是折射计中灯会烧坏。这种情况下需要报警和必要的快速反应。否则系统将完全失控。

折射计的读数会比较发散，在含固率高的时候发散程度更高，特别是在含脂肪的乳制品产品中。工业折射计具有人眼所不具备的能力。电子传感器可以简单综合这些发散信号，因此许多场合对于折射计来说非常发散的信号并不是问题。而对人来说却是一个严重的问题。

工业折射计不能耐高压。在超滤系统中压力限制并不严格，但在纳滤和反渗透系统中却是一个重要问题。

粘度对折射计的读数没有影响。

温度对读书有影响。因此，必须在操作温度下进行标定。

使用带折射计的全过滤来控制系统很常见(见图16和17)。其控制系统与以前介绍的全过滤相同。

在膜行业中，折射计制造商只有几家。据作者了解有以下几家：

n Anacon

n The Electron Machine Company

n Siegrist

n X-control

图16 无全过滤段、带总固体控制器的系统

上图为折射计安装的可能位置

图17带总固体控制器的系统。带比例控制器的全过滤段

压力控制器和进水流量控制器

在一个膜过滤系统中压力值常需要保持稳定或轻微调节，以保持一定的运行水平。这对于水脱盐系统是非常常见的。事实上在水脱盐过程中，几乎只使用一种控制方法并且也仅需要一种。在工业反渗透及纳滤系统中同样，但在这些系统中，压力控制并不是其唯一的控制过程。

对于反渗透和纳滤系统来说，压力控制器实际上相当于一个物料流量控制器，同时也可以看作一个系统容量控制装置。

对超滤系统而言，物料压力控制被用来保证压力不超过最高允许值或最高设定值。它也被用来减少在清洗膜后系统启动时不可避免的高通量的发生。

如图23所示，在超滤和微滤系统中压力不能用于控制容量。容量由物料的性质和膜的特性决定。

在超滤和微滤系统中进水流量只能被间接控制。一般在一个多级系统中，在产品循环的初期，不同时启动所有的段。如在一个五级系统中，开始一般启动三级，过一段时间，可能30～60分钟，再启动第四级达到系统容量，再过几小时启动第五级。

图18 恒压和浓缩比例。变流量

图19 恒流量和浓缩比例。变压力

渗透流量控制器

一般我们都希望有稳定的渗透流量，在纳滤和反渗透工艺中，可以通过在渗透液管线中安装一台流量计和使用信号控制进水压力来达到此目的。具体作法如下(1)改变进料泵的转速，最好使用变频器 或(2)使用控制信号来打开或关闭进料泵和系统间的截止阀。

批式系统。如果进料泵是一台正位移泵，那么浓缩比例可以保持稳定。如果进料泵是一台离心泵，浓缩比例实际上很难确定。

连续系统。如果进料泵是一台正位移泵，那么浓缩比例可以保持稳定。如果进料泵是一台离心泵，则需要一台比例控制器。

渗透流量控制引起一些争论。例如它几乎不能用于带全过滤的系统中。然而在相对无污染进料的纳滤和反渗透批式系统中看起来运行良好。

图20 稳定渗透流量控制器

粘度控制器

当浓缩菜胶和黄原胶类产品时，粘度是一个严重的问题或挑战。它几乎不能使用折射计或浓缩比例来控制系统，因为这些参数与粘度相关性很小或几乎无关。因此设计了一个非常间接的控制方法。

在系统最后一级安装一台正位移泵，它能提供一个与压力无关的流量。在膜组件的压降和粘度之间有着比较清晰的关系。压降随着粘度的增加而增加。由此水泵提供的压力也增加。当流量稳定时电动机的电流消耗与水泵提供的压力虽然并不是线性关系，但也直接相关。因此在粘度和电机电流之间有明确的关系。通过一个控制器，电流消耗信号可以控制一个浓液出口阀，以确保浓液的粘度保持稳定。在最后一级中不能使用离心泵。

图21 稳定粘度控制器