Разделы описания инновационной идеи. 1. Информация об идее

1
Разделы описания инновационной идеи.
1.
Информация об идее
а) Название идеи. Способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод
б) Описание идеи.
Идея относится к способам и системам автоматического управления
процессом ионообменной сорбции целевых компонентов из сточных вод и
может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях
промышленности.
Схема способа автоматического управления процессом ионообменной
сорбции аминокислот из сточных вод включает ионообменные колонны (адсорберы) вертикального типа 1,2,3 емкость исходной воды 4, емкости для дистиллята 5 и регенерирующего раствора 6 с нагревательными элементами соответственно 7 и 8, регулирующие вентили 9 – 26.
131
130
LE
pHE
45
9 4 42
58
129
54
127
61
70
47
64
16
126 28
15
139
17
LE
FE
59
FE
72
21
124
125
FE
13
122
20
60
31
55
FE
39
19
FE
FE
123
pHE
36
63 137 40 24 6637
71
33
FE
138
14
141 23
140
FE
22
pHE
FE
32
CE
1
43
31
pHE
FE
11
53
44
30
38
FE
FE
TE
LE
6 8 134
69
7
pHE
67
25 136 68
FE
41
26
CE
62
49
132
FE
29 48
46
35
133
TE
FE
CE
34
18
128
12
27
10
52
5
CE
56
2
pHE
65
50
3
57
pHE
135
51
73
74
75
76
77
78
79
80
81
102
103
104
105
106
107
108
109
110
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
118
119
120
121
101
111
112
113
114
115
116
117
Схема способа автоматического управления процессом ионообменной
сорбции аминокислот из сточных вод включает также линию 27 подачи исходной воды в ионообменную колонну 1, линию 28 подачи обрабатываемой
воды в ионообменную колонну 2, линию 29 подачи обрабатываемой воды в в
ионообменную колонну 3, линию 30 удаления отработанной воды, линии
31,32, 33 подачи дистиллята в ионообменные колонны 1, 2 и 3, линию 34 отвода дистиллята из ионообменных колонн 1, 2 и 3, линии 35, 36, 37 подачи
регенерирующего раствора соответственно в ионообменные колонны 1, 2 и 3,
линию 38 отработанного регенерирующего раствора из ионообменных колонн 1, 2 и 3, линии 39, 40, 41 подачи частично обработанной воды соответственно из ионообменной колонны 1 в ионообменную колонну 2, из ионооб-
2
менной колонны 2 в ионообменную колонну 3, из ионообменной колонны 3 в
ионообменную колонну 1, датчики уровня 42, 43, 44, соответственно в емкостях исходной воды 4, дистиллята 5 и регенерирующего раствора 6, датчики
кислотности 45 – 51, соответственно в исходной воде при ее подаче в ионообменные колонны 1, 2 и 3, в дистилляте, удаляемом из ионообменных колонн 1, 2 и 3, в отработанном регенерирующем растворе из ионообменных
колонн 1, 2 и 3, датчики температуры 52, 53, соответственно дистиллята в
емкости 5 и регенерирующего раствора в емкости 6, датчики концентрации
целевого компонента 54-57 соответственно в исходной воде и обработанной
воде на выходе из ионообменных колонн 1, 2, 3, датчики 58-72 расхода, вторичные приборы 73-100, микропроцессор 101, цифроаналоговые преобразователи 102-121, исполнительные механизмы 122-141.
Способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод осуществляется следующим образом.
Сточные воды, содержащие в своем составе целевой компонент в виде
аминокислоты (например, 20 г/л метионина), различные соли (например,
200 г/л сульфата натрия) и другие компоненты, подаются в емкость 4, в которой, передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 130 регулирующего вентиля 9, поддерживается допустимый уровень исходной воды, контролируемый датчиком 42. Также в емкости 4 контролируется с помощью датчика 45 и поддерживается путем добавления соответствующих реагентов (кислоты) необходимый уровень кислотности (например, pH 1÷2).
Из емкости 4 по линии 27 исходная вода, передачей корректирующего
сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 129 регулирующего вентиля 15, подается в ионообменную колонну 1, заполненную сульфокатионитом, обладающим наибольшей избирательностью, кинетической
проницаемостью и динамической активностью по отношению к целевому
компоненту в виде аминокислоты (например, катионит КУ-5 поликонденсационного типа который обладает при сорбции из водных солевых растворов
производственных сточных вод, наибольшей избирательной способностью
по отношению к метионину).
При этом с помощью датчиков расхода 58 и 60 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 27 производится контроль за расходом исходной
воды, которая регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 129 регулирующего вентиля 15,
для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при сорбции (например,
3000 л/час  м2). В ионообменной колонне 1 происходит фильтрация воды,
однако при достижении определенной остаточной концентрации целевого
компонента в виде аминокислоты, (например, равной содержанию метионина
3
0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируется датчиком
концентрации целевого компонента 55, производится включение в работу
следующей ионообменной колонны 2 путем направления потока обрабатываемой воды из ионообменной колонны 1 в колонну 2 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 125 регулирующего вентиля 19. В этом случае сточные воды фильтруются через
две предварительно соединенные колонны 1 и 2. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 55 и 56 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе
из колонн 1 и 2. Удаление отработанной воды при этом производится по линии 30 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 125 для переключения регулирующего вентиля 19.
При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты
(например: метионина) на выходе из колонны 1 контролируемой датчиком
55, равной концентрации на входе контролируемой датчиком 54 (т.е. наблюдается полное насыщение в колонне 1), ее переключают на последующие
стадии вытеснения и десорбции (т.е. на ее регенерацию).
С целью предотвращения загрязнения десорбируемого метионина
сульфатом натрия вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 1
после сорбции, осуществляется путем подачи в нее дистиллята из емкости 5
передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 127 регулирующего вентиля 12. Дистиллят при этом проходит через слой сульфокатионита в направлении обратном при сорбции и на
выходе из ионообменной колонны 1 в нем измеряется кислотность с помощью датчика 46, а затем он удаляется через линию 34.
Дистиллят подается в ионообменную колонну 1 подогретым в емкости
5, до необходимой температуры (например, 70 - 80 оС), контролируемой датчиком 52 и поддерживаемой на заданном уровне, передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 132 нагревательного элемента 7. В емкости 5 передачей корректирующего сигнала с
микропроцессора 101 исполнительному механизму 131 регулирующего вентиля 10 также поддерживается необходимый уровень дистиллята, измеряемый датчиком 43.
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 1
фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t=70 оС) 1% раствор
едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина), предварительно нагретый в
емкости 6 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 134 нагревательного элемента до заданного уровня температуры (например, 50÷60 оС). В емкости 6 также поддерживается,
измеряемый датчиком 44, необходимый уровень десорбирующего раствора
4
передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 132 регулирующего вентиля 11.
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 1 осуществляется передачей с микропроцессора 101 исполнительному механизму
128 регулирующего вентиля 18.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 59 и 72 соответственно на
выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 1 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 128 регулирующего вентиля 18, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/час  м2).
После прохождения раствора через ионннообменную колонну 1 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении
кислотности (например, pH=5,5÷7), контролируемого датчиком 49, и путем
передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 123 регулирующего вентиля 20 удаляется в линию38 из которого по охлаждении до комнатной температуры далее выделяется кристаллический целевой компонент в виде аминокислоты (например, метионин в количестве 75÷80% от сорбированного).
Вытеснение регенерирующего раствора осуществляют передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 101 исполнительному механизму
127 регулирующего вентиля 12 для подачи в ионообменную колонну 1 дистиллята.
По окончании вытеснения нейтрального целевого компонента (например, метионина) рН элюата резко возрастает и быстро достигает исходного
значения (например, pH=12÷12,5). Например, при этом оставшийся метионин
десорбируется в виде метионата и вместе с маточником, полученным при
фильтрации кристаллического метионина, используется при десорбции в
следующем цикле. Одновременно с десорбцией осуществляется регенерация
метионина (перевод в натриевую форму). Чистота выделенного кристаллического метионина характеризовалась содержанием основного продукта и
сульфата натрия (согласно ТУ на метионин), а также данными, полученными
при элементном анализе продукта на содержание углерода, серы и азота.
Одновременно после переключения колонны 1 на регенерацию исходная вода по линии 28 подается в следующую ионообменную колонну 2 и при
этом с помощью датчиков расхода 58 и 64 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 28 производится контроль за ее расходом, который регулируется с помощью исполнительного механизма 126 и вентиля 16.
Фильтрование в ионообменной колонне 2 также производится до достижения в воде определенной остаточной концентрации целевого компо-
5
нента в виде аминокислоты, (например, равной содержанию метионина
0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируемой при помощи датчика концентрации целевого компонента 56, происходит включение
в работу ионообменной колонны 3 путем направления потока обрабатываемой воды из ионообменной колонны 2 в колонну 3 посредством исполнительного механизма 141 и регулирующего вентиля 22. Сточные воды, как и в
первом случае также фильтруются через две предварительно соединенные
колонны 2 и 3. Одновременно осуществляется измерение с помощью датчиков 56 и 57 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты
(например, метионина) соответственно на выходе из колонн 2 и 3. При этом
удаление отработанной воды производится по линии 30 путем переключения
вентиля 22 исполнительным механизмом 141. При достижении концентрации
целевого компонента в виде аминокислоты (например: метионина) на выходе
из колонны 2, равной концентрации на входе (полное насыщение) соответственно контролируемой датчиками концентрации целевого компонента 56 и
54, её переключают на последующие стадии вытеснения и десорбции (т.е. регенерацию).
Вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 2 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее, подогретым до необходимой температуры (например, 70 - 80 оС), контролируемой датчиком 52, дистиллята из
емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 122 регулирующего вентиля 13. На выходе из
ионообменной колонны 2 в дистилляте измеряется кислотность с помощью
датчика 47, а затем он удаляется через линию 34.
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 2
фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t=70 оС) 1% раствор
едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина), предварительно нагретый в
емкости 6 до заданного уровня температуры (например, 50÷60 оС).
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 2 осуществляется передачей с микропроцессора 101 исполнительному механизму
124 регулирующего вентиля 21.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 63 и 71 соответственно на
выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 2 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 124 регулирующего вентиля 21, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/час  м2).
После прохождения раствора через ионннообменную колонну 2 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении
кислотности (например, pH=5,5÷7), контролируемого датчиком 50, и путем
6
передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 140 регулирующего вентиля 23 удаляется в линию38.
Стадию десорбции прекращают при достижении кислотности исходного значения, после чего осуществляют вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом.
Вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом осуществляют
передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 101 исполнительному механизму 122 регулирующего вентиля 13 для подачи в ионообменную
колонну 2 дистиллята.
Одновременно после переключения колонны 2 на регенерацию исходная вода по линии 29 подается в следующую ионообменную колонну 3 и при
этом с помощью датчиков расхода 58 и 67 соответственно на выходе из емкости 4 и в линии 29 производится контроль за ее расходом, который регулируется с помощью исполнительного механизма 141 и вентиля 17.
Фильтрование в ионообменной колонне 3 также производится до достижения в воде определенной остаточной концентрации целевого компонента в виде аминокислоты, (например, равной содержанию метионина
0,5 г/л), которая соответствует точке «проскока» и контролируемой при помощи датчика концентрации целевого компонента 57, после чего вновь происходит включение в работу ионообменной колонны 1, в которой прошли
стадии вытеснения и десорбции (т.е. процесс ее регенерации).
Поток обрабатываемой воды из ионообменной колонны 3 направляют в
колонну 1 путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101
исполнительному механизму 136 регулирующего вентиля 25. Сточные воды,
при этом фильтруются через две соединенные колонны 3 и 1. Одновременно
осуществляется измерение с помощью датчиков 57 и 55 концентрации целевого компонента в виде аминокислоты (например, метионина) соответственно на выходе из колонн 3 и 1. При этом удаление отработанной воды производится по линии 30 путем передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 136 регулирующего вентиля 25.
При достижении концентрации целевого компонента в виде аминокислоты
(например: метионина) на выходе из колонны 3, равной концентрации на
входе (полное насыщение) соответственно контролируемой датчиками концентрации целевого компонента 57 и 54, её переключают на последующие
стадии вытеснения и десорбции (т.е. регенерацию).
Вытеснение кислых сточных вод, оставшихся в колонне 3 после сорбции, осуществляется путем подачи в нее, подогретым до необходимой температуры (например, 70 - 80 оС), контролируемой датчиком 52, дистиллята из
емкости 5 передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 138 регулирующего вентиля 14. На выходе из
7
ионообменной колонны 3 в дистилляте измеряется кислотность с помощью
датчика 48, который затем удаляется через линию 34.
После вытеснения из системы дистиллята в ионообменной колонне 3
фильтруют десорбирующий раствор (например, горячий (t= 60 - 70 оС) 1 %
раствор едкого натра, содержащий 25-30 г/л метионина), предварительно
нагретый в емкости 6 до заданного уровня температуры (например, 70÷80 оС)
Подача десорбирующего раствора в ионообменную колонну 3 осуществляется передачей с микропроцессора 101 исполнительному механизму
137 регулирующего вентиля 24.
При этом с помощью датчиков расхода 69, 66 и 68 соответственно на
выходе из емкости 6, на входе и выходе ионообменной колонны 3 производится контроль за расходом десорбирующего раствора, который регулируется передачей корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 137 регулирующего вентиля 24, для обеспечения оптимальной скорости фильтрации при десорбции (например, 2500 л/час  м2).
После прохождения раствора через ионннообменную колонну 3 он отбирается в виде кислого концентрированного элюата при заданном значении
кислотности (например, pH=5,5÷7), контролируемого датчиком 51, и путем
передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 101 исполнительному механизму 135 регулирующего вентиля 26 удаляется в линию38.
Стадию десорбции прекращают при достижении кислотности исходного значения, после чего осуществляют вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом.
Вытеснение регенерирующего раствора дистиллятом осуществляют
передачей корректирующих сигналов с микропроцессора 101 исполнительному механизму 138 регулирующего вентиля 14 для подачи в ионообменную
колонну 3 дистиллята.
Таким образом, непрерывная схема работы ионообменных колонн 1, 2,
3 предусматривает, что при достижении на выходе из адсорбера 1 концентрации метионина 0,5 г/л, к нему подсоединяется 2-ой адсорбер и т.д. В свою
очередь полностью насыщенные ионообменные колонны переключаются на
последующие стадии вытеснения и десорбции, т.е. каждый отдельный адсор вытеснение кислых сточбер работает по замкнутому циклу: сорбция 
 десорбция и активация катионита 
 вытеснение регенериных вод 
 сорбция и т.д.
рующего раствора 
При этом информация о протекании процессом ионообменной сорбции
аминокислот из сточных вод передается с датчиков через вторичные приборы 73-100 в микропроцессор 101, который выдает корректирующие сигналы
через цифроаналоговые преобразователи 102-121 исполнительным механиз-
8
мам 122-141 для изменения параметров работы оборудования в зависимости
от выбранных критериев.
Предлагаемый способ автоматического управления процессом ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод имеет преимущества за счет
того, что дополнительное измерение режимов и изменение параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев позволяет повысить
точность управления и минимизировать энергетические и материальные издержки.
ж). Наличие заказчика (ов) продукции.
На сегодняшний день производством сублимированных пищевых продуктов занимается относительно небольшое количество предприятий как на
внутреннем, так и внешнем рынках. Вот некоторые из них: «ГАЛА-ГАЛА»,
Научно-производственная фирма «Корпорация СтройАльянс», «Сублима»,
LuckyVitamin Code#: Lucky ID: 82306 | UPC: 056828121069.
Сублимированные продукты применяют в качестве основного сырьевого компонента для производства продуктов питания на предприятиях малого бизнеса, а также в наборах для домашнего приготовления (например,
йогуртовые культуры, концентрат пивного сусла), могут использоваться в
качестве биологически активных добавок. Таким образом, основной рынок
сбыта готовой продукции - оптовые покупатели:
- молочные комбинаты - для производства йогуртов с натуральными
наполнителями (персики, дыня, тыква, яблоки и т.п.). В настоящее время
большинство молочных комбинатов работают на сырье, закупаемом за рубежом, которое является не натуральным и не содержит тех витаминов и микроэлементов, которые имеются в натуральном сырье;
- пищекомбинаты - для производства сухих смесей с использованием
порошков ягод, фруктов или овощей (каши и блюда быстрого приготовления);
- кондитерские фабрики и фабрики мороженого (наполнители и красители из порошков ягод и фруктов).
- армия и флот (творог, мясо, овощи, напитки и др.).
ж) Наличие заказчика(ов) продукции, технологии. Имеются заказчики –
ООО «Русская олива» и Компания «Ягоды Карелии»
Описание значимости идеи:
В настоящее время экологические вопросы, особенно вопросы экологии промышленного производства, стали особенно актуальными. В результате возрастания масштабных техногенных воздействий человека на природные процессы происходят глобальные изменения окружающей среды. Происходит накопление оксидов серы, азота, тяжёлых металлов, канцерогенных
9
веществ, разнообразных отходов производств, вызывающих гибель растений
и отрицательно сказывающихся на здоровье людей. Непрерывное загрязнение водоёмов нарушает характер взаимодействия между гидро- и атмосферой. Основная доля вины за такие негативные воздействия падает на пищевую и химическую промышленность. Общеизвестно, что экологическая
напряжённость обусловлена низким уровнем технологий и усугубляется несовершенством очистных сооружений. Экологические проблемы в нашей
стране непрерывно усиливаются на почве экстенсивного способа производства. Для исправления опасных экологических последствий необходимо создание ресурсосберегающих безотходных технологий, перевод производства
на достижение высокого качества продукции на условиях интенсификации
химико-технологических процессов и безотходности, рециркуляции используемых материалов, воды.
Метионин, лизин применяются в различных отраслях народного хозяйства и, являясь незаменимыми аминокислотами, используются в качестве
добавок к кормам сельскохозяйственных животных, фармацевтических целях. Производство микробиологического лизи на и синтетического метионина сопровождается большим объёмом водопотребления, потерями их до 20%
со сточными водами, а соответственно, загрязнением водоёмов.
В связи с этим, разработка способа очистки сточной воды с одновременным извлечением метионина и лизина из культуральных сред является
актуальной задачей, имеющей практическое значение.
2. Научно-техническая проработка инновационной идеи.
а) Научно-техническое обоснование технических решений, идей.
Для реализации системы автоматизации были расчитаны характеристики параметров работы катионообменной колонны.
Принимаем следующие параметры катионита КУ-2: полная обменная емкость X 0 =4,75 ммоль экв/г; удельный объем  0 =3,0 см 3 /г; средний диаметр
гранулы d=0,6 мм; насыпная плотность  нас =800 кг/м 3 .
Уравнение изотермы сорбции для обмена равнозарядных ионов Н  на
Na  на основе закона действующих масс записывается следующим образом:
X 
KX 0 C / C н
1  ( K  1)C / Cн
где X 0  4,75  22,98  10 3  0,11 кг/кг; C н  4,35  22,98  10 3  0,1 кг/м 3 ;
K р =1,2 - константа равновесия в системе катионит КУ-2 - ионы.
С учетом приведенных значений концентраций и константы равновесия получим:
10
X   1,32С /(1  2C )
Скорость потока жидкости.
Фиктивную скорость жидкости в псевдоожиженном слое находят из
уравнения, связывающего критерии Re, Ar с порозностыо слоя  :
Re = Ar 
4 , 75
/(18 + 0,61 Ar 4,75
Порозность слоя в ионообменных аппаратах с псевдоожиженным слоем
можно определить из данных эксплуатации промышленных ионообменных
установок, согласно которым высота псевдоожиженного слоя в 1,5  2 раза
превышает высоту неподвижного слоя. С учетом этих данных, принимая порозность неподвижного слоя  0 = 0,4, получим интервал изменения порозности в  =0,6  0,7. Принимаем порозность слоя в этом интервале:  = 0,65.
Плотность частицы набухшего катионита:
 x   нас /(1   0 )  800 /(1  0,4)  1333,3 кг/м 3 .
Плотность КЖ:
 у  1160 кг/м 3
Критерий Архимеда:
Ar=d 3  у (  x   у )q /  2 =
(0,6 10 3 ) 3 1160  (1333,3  1160)  9,81 /(10 3 ) 2  189,32 ,
Находим критерий Re:
Rе = 2384(0,65) 189,32  (0,65) 4,75 /(18  0,61 (189,32  0,614,75 )  1,16
Скорость жидкости
  Re  y /( d y )  1,16  0,6 10 3 /(0,60 10 3 1160)  0,00167 м/с.
Диаметр аппарата
D = V /(0,785)  10 /(3600  0,785  0,00167)  1,5 м.
Принимаем Д = 1,6 м.
Уточним значение скорости и Re:
  10 /(3600  0,785  1,6 2 )  0,0014 м/с;
Re = 0,0014  0,6 10 3 1160 / 10 3  0,64
Значение порозности, соответствующее уточненному значению Re, получим из уравнения:
  (18  Re  0,36  Re 2 / Ar ) 0, 21  (18  0,64  0,36  0,64 2 / 189,32) 0, 21  0,56
(1)
Определение лимитирующего диффузионного сопротивления.
Фазу, в которой сосредоточено лимитирующее диффузионное сопротивление, можно определить по значению критерия Био:
11
Вi "   с  R /(  н  Dэ  Г ) ,
где R — радиус частицы, м;  с .— коэффициент внешней массоотдачи, м/с;
Dэ — эффективный коэффициент диффузии в частице, м2/с; Г — тангенс угла
наклона равновесной линии, м 3 / кг ;  н — плотность ионита, кг/м .
3
При Bi "  20 общая скорость массопереноса определяется внутренней
диффузией, тогда как при Bi "  1,0 преобладающим является внешнее диффузионное сопротивление.
Коэффициент внешней массоотдачи  с определяем по критериальному
уравнению:
Nu "  2,0  1,5  (Pr) 0,33[(1   )  Re] 0,5 ,
(2)
где

Pr "   у /  у  D у  1,5 10 3 /(1160  1,17  10 9 )  1105,22 ;
Dy  1,17 10 9 м2/с.
Тогда
Nu "  2,0  1,5  (1105,22) 0,33[(1  0,56)  0,64]0,5  10,07 .
Коэффициент внешней массоотдачи:
 с  Nu " Dy / d  10,07 1,17 10 9 /(0,6 10 3 )  19,6 10 6 м/с.
В области сравнительно низких концентраций равновесная зависимость
близка к линейной. Приближенно можно принять изотерму сорбционного
обмена линейной с тангенсом угла наклона, равным
X " (Сcp ) / Ccp ,
где C cp - средняя концентрация ионов Na
+
. Среднюю концентрацию ионов
Na+ в потоке можно найти как среднюю логарифмическую:
Cp 
Cн  Ск
20  0,5

 5,286 кг/м 3 .
ln( C н / C к ) ln( 20 / 0,5)
Концентрация ионов Na+ в смоле, находящейся в равновесии с жидкостью, имеющей концентрацию С cp , равна
X  (Ccp )  1,32  5,286 /(1  2  5,286)  0,603 кг/кг.
Средний тангенс угла наклона равновесной зависимости:
Г = X  (Ccp ) / Ccp  0,603 / 5,286  0,11 .
Критерий Био:
12
Bi " 
с R
 н Dэ Г

19,6  10 6  4,5  10 4
 0,607
555,5  2,3  10 10  0,11
где Dэ  2,3  10 10 м2/с;
 н   01 /(1   0 )  333,3  (1  0.4)  555,5 кг/м3.
Полученное значение критерия Bi " показывает, что процесс ионного обмена протекает во внешнедиффузионной области.
Среднее время пребывания частиц ионита в аппарате. Степень отработки
зерна ионита сферической формы, находящегося в течение времени  в жидкой среде концентрацией С cp при Bi  0, определяется следующим выражением:
 3   c
Xк
 1  exp(
),
н  Г  R
X (C cp )

где Хк — конечная концентрация ионов Na+ в катионите, кг/кг.
Ввиду того, что в цилиндрических аппаратах с псевдоожиженным слоем
твердая фаза полностью перемешана, плотность распределения частиц ионита по времени пребывания определяется соотношением:
P( ) 
1
 сз
exp( 

)
 cp
Считая, что равновесная концентрация в ионите соответствует средней
концентрации в потоке жидкости (С cp ), найдем среднюю по всему слою степень отработки ионита:

 3  c  1
R  н  Г
Xк

  [1  exp(
)]
exp( )  d   

 н  Г  R  ср
 ср
3   с  с  R   н  Г
X (Ccp ) 0
Конечную концентрацию ионов Na+ в катионите найдем из материального баланса, определив предварительно минимальный и рабочий расход ионита. Минимальный расход находим из условия равновесия твердой фазы с
раствором, покидающим аппарат:
Gx min 
V  (C н  Ск ) 10  (20  0,5)

 591 кг/ч,
0,33
X  (C к )
где X  (С к )= 1,32  0,5/(1 + 2  0,5) =0,33 кг/кг.
Рабочий расход сорбента по опытным данным в 1,05  1,1 раза превышает
минимальный. Приняв соотношение рабочего и минимального расходов,
равное 1,05, получим рабочий расход катионита:
13
Gx  1,05  Gx min  1,05  591  620,6 кг/ч.
Конечная концентрация катионита
Х к =10  (20-0,5)/620,6 =0,3143 кг/кг.
Найдем среднее время пребывания частиц катионита:
 ср 
R   н  Г  X к / X  (C р )
3   с  [1  X к / X  (C p )]
)
Подставив известные величины в уравнение, получим:
 ср
0,45  10 3  555,5 * 0,11  3143 / 0,60

 526,29 с.
3  19,6  10 6  (1  0,3143 / 0,6)
Объемный расход ионита
V x  G x /  н  620,5 /(3600  555,5)  31,1  10 5 м3/с
Объем псевдоожиженного слоя
Vс  Vл /  ср (1   )  31,1 10 5  526,9 /(1  0,56)  0,369 м3.
При D  1,6 м. имеем площадь S =2 м2, а при D  0,8 м. (наиболее применяемый диаметр колонн) площадь S =0,5 м2. Примем общее количество колонн
n=2, при D  0,8 м, тогда соответственно площадь S=2 м2
Высота псевдоожиженного слоя
H c  Vc / 0,785  D 2  0,369 /( 0,785  0,8 2 )  0,73 м.
Примем D  0,8 м. Высота сепарационной зоны должна быть выше предельной, при которой возможно существование псевдоожиженного слоя.
Предельная высота псевдоожиженного слоя определяется уносом самых
мелких частиц смолы КУ-2. Минимальный размер частиц смолы КУ-2 составляет 0,3 мм. Скорость уноса определяется из уравнения:
Re  Ar /(18  0,61 Ar )
При d = 0,3 мм
Ar  [(0,3 10 3 ) 3  1000  (1333,3  1160)  9,81] /(10 3 ) 2  45,9
Скорость уноса найдем из уравнения (3):

10 3
 0,069
3
(18  0,61 45,9 ) 0,3  10  1000
45,9

Скорость уноса больше рабочей скорости: 0,069>0,0014.
Значение Re, рассчитанное при d = 0,6 и соответствующее скорости
уноса, равно:
(3)
14
Re  0,069  0,06  10 3 1160 / 10 3  4,81
Порозность слоя, соответствующая Re=4,81 равна:
  [(18  4,81  0,36  4,812 ) / 189]0, 21  0,87
Высота слоя, соответствующая началу уноса:
H у  0,33  (1  0,56) /(1  0,87)  1,08 м.
Для достаточной сепарации частиц примем высоту слоя на 50 % больше
H y , т. е. H  1,5  1,08  1,6 м.
Объем псевдоожиженного слоя и его высоту можно также определить
интегрированием уравнения массопередачи, записанного для псевдоожиженного слоя бесконечно малой высоты. Такой подход дает следующую
расчетную формулу для объема псевдоожиженного слоя:
Vc 
C  С(X к )
V
ln н
К vc С к  С  ( X к )
(4)
где K vc —объемный коэффициент массопередачи, e 1 .
С учетом того, что лимитирующее сопротивление массопередачи сосредоточено в жидкой фазе, получим:
К vc   c a  (  c (1   )  6) / d  (37  10 6 (1  0,56)  6) /( 0,6  10 3 )  0,101 с 1 . (5)
Величину C  ( X к ) определим из уравнения изотермы:
C  ( X к )  0,3143 /(1,32  2  0,3143)  0,4545 кг/м3.
С учетом найденных величин К vc и C  ( X к ) получим на основе уравнения
массо-передачи объем псевдоожиженного слоя ионита:
Vc 
10
20  0,4545
ln
 0,421 . м 3 .
3600  0,101 0,5  0,4545
Эта величина на 14% превышает найденный ранее объем псевдоожиженного слоя (0,369 м3).
3. Патентоспособность
а) Наличие патента, заявки на техническое решение. По теме данной
научной идеи получен патент на изобретение.
б) План действий по защите прав на интеллектуальную собственность.
Планируется к регистрации интеллектуальная собственность: «Программа для ЭВМ математической модели автоматического управления процессом
ионообменной сорбции аминокислот из сточных вод»
в) Патентная чистота, патентный поиск.
Предложенная в идее система управления является новой с точки зрения патентной чистоты.
15
4. Коммерциализация идеи
а) Информация о наличии опытного образца, действующей модели и их
описание.
Для подтверждения модельных представлений процесса и проверки
адекватности был осуществлен ряд экспериментов с различными условиями
их проведения.
б) План коммерциализации инновационной идеи.
1. Горизонтальный метод продвижения технологий – это метод
партнерства и кооперации, при котором ведущее предприятие является
организатором инноваций, а функции по созданию и продвижению
инновационной технологии распределены между другими участниками
коммерциализации технологий.
2. Использование Интернет-инструментов для продвижения идеи
коммерциализации системы управления. В Интернете можно не только
искать информацию о возможных партнерах и инвесторах, так и выставлять
информацию
о
продвигаемой
идеи
коммерциализации
способа
автоматического управления непрерывной дефростации токами высокой
частоты продуктов в блоках. При этом можно пользоваться традиционными
инструментами, такими как web-сайт, электронная почта, поисковые
системы, так и специфическими, такими как сети трансфера технологий.
3. Технологическое брокерское событие – это серия предварительно
организованных в одном месте встреч между теми компаниями, которые
предлагают новые технологии, и теми компаниями, которые ведут поиск
новых технологий.
в) Маркетинговая стратегия реализации идеи.
Для разработки маркетинговой стратегии использовалась матрица
«товар - рынок».
Матрица образует четыре поля, характеризующие положение
предприятия в зависимости от сочетания двух факторов (развития и
обновления рынка и товара).
Основной рынок сбыта продукции – предприятия, в сточных водах
которых присутствуют аминокислоты и может быть использовано в
микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой
промышленности. При этом целью предприятия является создание нового
или модифицированного товара в расчете на прежних покупателей и
увеличение емкости рынка; создание высокотехнологического производства
Маркетинговая стратегия в данном случае - стратегия разработки товара.
Рекомендуется, когда предприятие выступает на существующем рынке,
осуществляет модернизацию товара. Появление нового продукта с высокими
качественными характеристиками часто вызывает дополнительный рост
16
спроса. Однако необходимы поддерживающие маркетинговые мероприятия, в
частности активная реклама, усиленные акции по продвижению продукции,
например организация выставок-продаж, презентаций продукции, реализация
продукцию через Интернет, международный рекламно-информационный
еженедельник «Товары и цены». Дополнительным преимуществом Интернета
для проведения мероприятий по стимулированию сбыта является отсутствие
затруднений при учете общей суммы покупок данного клиента в течение
определенного периода и других действий пользователей на сайте компании
(регулярность посещения, заполнение анкет и т. п.). На базе такого учета
возможно создание достаточно сложных, многоуровневых систем бонусов и
скидок, создание клубных систем и т. п.
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих
эффективность деятельности предприятия, является ценовая политика на
товарных рынках. Цены обеспечивают предприятию запланированную
прибыль, конкурентоспособность продукции, спрос на нее.
Через цены реализуются конечные коммерческие цели, определяется
эффективность деятельности всех звеньев производственно-сбытовой
структуры предприятия.
В условиях конкуренции иногда допустимо применять убыточные цены
для завоевания новых рынков сбыта, если маркетинговая политика
предприятия направлена на вытеснение конкурирующих фирм и привлечения
новых потребителей.
Существенное значение имеют и условия продаж. Чем скорее наступает
оплата в соответствии с заключенными договорами, тем быстрее
предприятие способно вовлечь средства в хозяйственный оборот и получить
дополнительные преимущества, а также снизить вероятность неплатежей.
Поэтому реализация по сниженным ценам при условии предоплаты или
оплаты по факту отгрузки для предприятия часто выглядит
предпочтительнее, чем, например, отгрузка продукции по более высоким
ценам, но на условиях отсрочки оплаты. Торговая политика предлагаемого
производства должна быть построена на изучении спроса и расширении
географии сбыта продукции.
д) Анализ основных видов рисков коммерциализации.
Внедрение системы автоматизации управления является сложным
процессом, требующим от участников внедрения (заказчика и исполнителя)
максимальных усилий для достижения положительного результата. Успешное
внедрение напрямую зависит от того, насколько своевременно и эффективно
будут сняты основные риски проекта.
К основным рискам внедрения системы автоматизации управления
можно отнести:
17
автоматизация не регламентированных бизнес-процессов;
необходимость в частичной или полной реорганизации структуры
предприятия;
необходимость изменения технологии бизнеса в различных аспектах;
сопротивление сотрудников предприятия;
временное увеличение нагрузки на сотрудников во время внедрения
системы;
необходимость в формировании квалифицированной группы
внедрения, выбор влиятельного руководителя группы.
Поэтому грамотная постановка задач менеджмента является
важнейшим фактором, влияющим на успех проекта автоматизации.
Таким образом, на основании выше приведенного плана реализации
идеи, полагаем, что даже при условии отсутствия дополнительных
инвестиционных средств цель идеи будет достигнута в соответствии с
графиком поэтапного выполнения работ.
5. Публикации автора по теме идеи
1. Патент 2379107 (Российская Федерация), МКИ В 01 J 47/14,
G 05 D 27/00 Способ автоматического управления процессом ионообменной
сорбции аминокислот из сточных вод / С.Т. Антипов, А.И. Штаньков,
Н.И. Глянцев,
С.В. Шахов,
Н.В. Горбатов
Заявл.
22.10.2008,
№ 2008141923/15, опубл. 20.01.2010 в Б.И. № 2