专利名称：一种多级超滤浓缩分离的自动控制设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超滤浓缩分离控制技术，特别涉及一种多级超滤浓縮分离的自动 控制设备。
背景技术：
膜分离技术是推动国家支柱产业发展、改善人类生存环境、提高人们生活质量的一项 崭新的分离技术，具有效率高、能耗低以及污染少等优点，其操作条件温和，适于处理热 敏性物质，可直接分离一些按常规方法难以分离的体系。自20世纪60年代第一张具工业应 用价值的反渗透膜面世以来，现代膜分离技术得到了迅速的发展，目前，己广泛应用于医 药、生物化工、食品和水处理等领域。超滤是一种典型的膜分离手段，在所有膜分离技术(如微滤、超滤、渗透、电渗析及 气体膜分离)中，超滤技术的应用最广泛，也最成熟。现代中药、生化制品及食品等行业 对超滤浓縮分离系统的需求R益迫切。然而，在目前工业化应用的超滤浓縮分离系统中，普遍存在着分离效果较差、生产速度和效率难以有效提高的问题。产生这一问题的原因主要在于以下几个方面(1)超滤过 程中存在着浓差极化和膜污染，使得分离效果和效率难以有效提高；(2)在工业生产中， 为了增加分离速度、提高产品质量，必须定期对膜组件及管道进行清洗，但目前基本上都 是靠人工判断是否需要清洗，而且清洗都采用手动操作，不但存在主观性，而且会导致生 产过程的中断，使系统生产成本增加；(3)系统的工艺路线长，自动化程度低，整个流程 基本上都采用手动操作，缺乏灵活性和可操作性，降低了生产效率。发明内容本实用新型的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种自动化程度高，操作 稳定性好，具有人机操作接口、动态模拟、在线显示等功能的多级超滤浓縮分离的自动控 制设备，在生产过程中通过控制电动阀门来实现自动化生产，并对管道和膜组件的清洗以 及各回路的温度进行自动控制；同时，自动切换单级超滤模式和两级超滤模式来进行生产， 大大提高生产效率和操作灵活性。本实用新型的多级超滤浓縮分离的自动控制设备包括控制器、原料过滤回路、 一级超 滤回路、二级超滤回路、清洗回路、热交换回路；控制器对原料过滤回路、 一级超滤回路和二级超滤回路、清洗回路和热交换回路进行自动控制；如图1所示，其中原料储罐l、手动球阀2、电动球阀3、不锈钢离心泵4、袋式真空过滤器5、 一级换热器7构成原料过滤回路；内装液位开关13的一级储罐9、手动球阀IO、电动球阀ll、不锈钢离心泵12、电动 三通球阀14、含流量传感器的比例阀15、 二级换热器16、温度传感器19、现场压力显示 表20、 一级超滤膜组件21、手动取样球阀22、三通电磁阀23和24构成一级超滤回路；内装液位开关29的二级储罐25、手动球阀26、电动球阀27、不锈钢离心泵28、电动 三通球阔30、含流量传感器的比例阀31、三级换热器32、温度传感器35和现场压力显示 表36、 二级超滤膜组件37、手动取样球阀38、三通电磁阀39和40、手动球阈41和三级 储罐42构成二级超滤回路；酸、碱、水储罐44、 48和52，电动球阀43、 46、 47、 49、 51、 53，手动球阀45、 50、 54和防腐离心泵55构成清洗回路；内配温度传感器56、现场压力显示表66和发热管58的热水储罐57，手动球阀59， 电动球阀60,热水泵61，含流量传感器的比例阀62，电动球阀63、 64和65构成热交换 回路。图1示出了各部件的优选连接方式原料储罐l的出口和电动球阀3连接，再连接到不锈钢离心泵4，与袋式真空过滤器 5连接，经过一级换热器7后与一级储罐9连接，原料储罐的下端有出口连接手动球阀2， 实现对残余物的排放；内装液位开关13的一级储罐9的出口和手动球阀10、电动球阀11连接，再连接到不 锈钢离心泵12，经过电动三通球阀14和比例阀15，与二级换热器16连接，再接入一级超 滤膜组件21;膜组件的前端安装了温度传感器19和现场压力显示表20;膜组件的出液口接手动取样球阀22后再接三通电磁阀23，然后与一级储罐9相连； 一级超滤膜组件的膜下出液口与二级储罐25相连；内装液位开关29的二级储罐25 的出口和手动球阀26、电动球阀27相连，电动球阀27再与不锈钢离心泵28、电动三通球 阀30、比例阀31、三级换热器32、温度传感器35、现场压力显示表36、 二级超滤膜组件 37相连；膜组件的出液口和手动取样球阀38相连，经过三通电磁阀39后回流到二级储罐25中； 二级超滤膜组件的膜下出液口与底部有手动球阀41的三级储罐42相连； 3个清洗液储罐44、 48和52分别和电动球阀46、 49和53相连后并入一根管道， 再进入防腐离心泵55，然后分别接入三通电磁阀24和40;
清洗的回流液分别经过电动三通球阀M和30后，并入一根管道，再分别和电动球阀 43、 47和51相连；手动球阀45、 50和54分别连接清洗液储罐44、 48和52。连接了手动球阀59的热水 储罐57的出口经电动球阀60与热水泵61相连，再经过比例阀62后分别和电动球阀63、 64、 65相连，管道A、 B、 C再分别与一级、二级、三级换热器的热水进口 8、 18、 34连 接，热水出口6、 17、 33与热水储罐57的进水口相连； 控制器由上位机和下位机构成；本实用新型优选P4工业级计算机作为控制系统的上位机，PLC作为控制系统的下位机， 并配备可触摸屏，提供人性化的人机操作接口，并可在线显示生产状态。上位机和下位机的 接口采用RS-232接口 。通信协议采用串行通信协议。 本实用新型的工作原理如下在原料过滤回路实现对料液的初步过滤。将料液加入原料储罐1，混合均匀后，打开 电动球阀3，料液经过不锈钢离心泵4，在袋式真空过滤器5内进行一级过滤后，滤过液经 一级换热器7后流入一级储罐9。过滤残余物由原料储罐下端的出口 (接手动球阀2)排出。 该回路中电动球阀、离心泵和原料储罐内料液的搅拌均由控制系统实现开关控制。在一级超滤回路， 一级储罐9内的溶液经电动球阀11后，由不锈钢离心泵12泵入二 级换热器16。系统控制器控制二级换热器16的温度，待溶液温度达到设定值后，进入一 级超滤膜组件21进行一级超滤。膜上液经三通电磁阀23回流到一级储罐9，膜下液则流 入二级储罐25。回路中设置了电动三通球阀14和比例阀15，在超滤膜组件的进液口一侧 还安装了流量传感器，以检测回路流量并通过比例阔实现回路流量的控制。在一级超滤膜 组件21的进液口一侧安装了温度传感器19和现场压力显示表20，以检测并控制进入膜组 件的溶液的温度，并对操作压力进行自动调节。经过一级超滤的溶液由二级储罐25经电动球阀27后，连接到不锈钢离心泵28。利用 电动三通球阀30和比例阀31调节流量后，进入二级换热器32进行保温。再经温度传感器 35和现场压力显示表36后，进入二级超滤膜组件37进行二级超滤。膜上液经三通电磁阀 39回流到二级储罐25，膜下液则流入三级储罐42。二级超滤回路与一级超滤回路的工作方式和控制原理基本相同。两个超滤回路采用串 联方式进行连接。在生产过程中，可根据需要选择单级回路进行超滤，也可选择两级回路 进行超滤。这个过程由系统自动选择切换。只要在两个超滤回路的膜组件中釆用不同孔径 的超滤膜，由系统选择不同级别的超滤模式，便可得到不同相对分子质量及纯度的产品。在清洗回路中，控制系统中根据物料的性质及生产过程中膜通量及截留率的变化，智 能判断哪个回路需进行管道清洗。然后通过电磁阀控制放置在3个清洗液储罐44、 48和52中的一种或多种清洗液(酸、碱或水)，开启相应的电动球阀46、 49或53，使清洗液流 入相连的管道，进入防腐离心泵55，再由三通电磁阀24和/或40进入相应的回路，反向流 经热交换器后，再经过电动三通球阀14和/或30,由电动球阀43、 47或51回流到原来的 储罐中，完成一次自动清洗过程。在热交换回路，热水储罐57中的热水流经电动球阀60后，由热水泵61经电动球阀 63、 64和65后泵入管道A、 B、 C，分别由热水进口 8、 18、 34进入三个换热器，进行热 交换后由热水出口6、 17、 33经热水储罐57的进水口进入热水储罐。热水储罐中装有温度 传感器，利用它可检测出水温度，并通过温度信号来控制热水储罐57内发热管58的开闭。 通过比例阔和PID表来控制热交换回路中的热水流量，可达到控制溶液温度的目的。一级储罐9和二级储罐25内安装了液位开关，用于检测储罐内的液位，实现对液位的 控制及报警。系统控制器采用采用分级控制方式，以P4工业级计算机作为上位机，PLC作为下位机。 原料过滤回路、 一级超滤回路、二级超滤回路、热交换回路和清洗回路中设置了多个温度传 感器、压力传感器、流量传感器、液位开关、比例阀、电磁阀等，下位机采集各回路的流量、 压力和温度等信号，并控制各回路的电磁阀、离心泵等执行器的动作输出。上位机接收下位 机信息，将信息通过触摸屏显示出来，并根据接收到的信息经计算后确定下位机的相应动作 指令，然后将指令下传到下位机，从而实现对操作过程中温度、压力、流量的自动控制。上 位机和下位机的接口采用RS-232接口。通信协议采用串行通信协议。 本实用新型与现在技术相比具有如下的优点及效果(1) 釆用了多种传感器进行信息的在线釆集，通过工业级计算机和PLC分级控制的全 自动控制方式，提高了系统的自动化程度和超滤的效率；(2) 通过对单级超滤回路和两级超滤回路进行自动切换，可同时或分别进行单级或多 级超滤，获得不同相对分子质量和纯度的产品；(3) 系统包括了自动清洗回路，可以根据需要选择不同的清洗液实现各回路的自动清 洗，有效改善了膜污染，提高了超滤效率；同时，管路的清洗不会导致生产过程的中断；(4) 系统通过温度传感器和比例阀来检测回路温度、调节热交换回路中水的流量，有 效提高了系统的温度控制精度。
图1是所述的多级超滤浓縮分离系统的总体结构框图；图中，l一原料储罐，2—手动 球阀，3—电动球阀，4一不锈钢离心泵，5—袋式真空过滤器，6—热水出口， 7—一级换 热器，8—热水进口， 9—一级储罐，10—手动球阀，ll一电动球阀，12—不锈钢离心泵， 13—液位开关，14一电动三通球阀，15—比例阀，16—二级换热器，17—热水出口， 18—
热水进口， 19一温度传感器，20—现场压力显示表，21—一级超滤膜组件，22—手动取样 球阀，23—三通电磁阀，24—三通电磁阀，25—二级储罐，26—手动球阀，27—电动球阀， 28—不锈钢离心泵，29—液位开关，30—电动三通球阀，31—比例阀，32—三级换热器， 33—热水出口， 34—热水进口， 35—温度传感器，36—现场压力显示表，37—二级超滤膜 组件，38—手动取样球阀，39—三通电磁阀，40—三通电磁阀，41一手动球阀，42—三级 储罐，43—电动球阀，44一清洗液储罐1， 45—手动球阀，46—电动球阀，47—电动球阀， 48—清洗液储罐2， 49一电动球阀，50~手动球阀，51—电动球阀，52—清洗液储罐3， 53 一电动球阀，54—手动球阀，55—防腐离心泵，56—温度传感器，57—热水储罐，58—发 热管，59—手动球阀，60—电动球阀，61—热水泵，62—比例阀，63—电动球阀，64—电 动球阀，65—电动球阀，66—现场压力显示表；图2是所述的多级超滤浓縮分离自动控制系统的控制系统框图。
具体实施方式
图1和2示出了本实用新型的一种实施方式。由图1可见，多级超滤浓縮分离系统包 括原料过滤回路、 一级超滤回路、二级超滤回路、热交换回路和清洗回路。从图2可见，系 统的自动控制由控制器根据传感器所采集的流量、压力和温度等信息，通过控制电动阀门来 实现。实施流程如下-(1) 原料过滤回路a. 人工将原料放进原料储罐。b. 开动不锈钢离心泵抽料，原料从袋式真空过滤器——一级换热器一一级储罐。c. 离心泵前的阀门为手动不锈钢球阀，保持常开状态，只是进行维修或清洗储罐时关闭。d. 料液流经一级换热器的温度调节由控制器根据预设温度，通过比例阀和PID表来控 制热水进口流量加以实现。(2) —级超滤回路a. 开动不锈钢离心泵，使储罐中的料液经过泵一一二级换热器——一级超滤膜组件 ——回流至一级储罐，完成第一级的超滤浓缩分离。待取样合格后，再将所得膜上液通过三 通电磁阀输送至二级储罐。b. 二级换热器及一级超滤膜组件后的阀门(共2个)均为电动三通阀门。c. 进一级超滤膜组件的溶液温度调节也由控制器通过比例阀和PID表来控制实现。(3) 二级超滤回路a.开动不锈钢离心泵，使储罐中的料液经过泵——三级换热器——二级超滤膜组件 ——回流至二级储罐，完成第二级的超滤浓缩分离。待取样合格后，再将所得膜上液通过三
通电磁阀输送至三级储罐。b. 三级换热器及二级超滤膜组件后的阀门(共2个)均为电动三通阀门。c. 进二级超滤膜组件的溶液温度同样由比例阀和PID表通过控制热水进口流量而实现调节。根据原料性质和目的产物成分的不同，在一级超滤之后，可选用串联的二级超滤回路 进行第二级的超滤浓縮分离。这个过程由控制系统自动选择切换。回路中使用热电偶温度传 感器、压力传感器、流量传感器、液位开关等对过程参数进行在线测量。(4) 热交换回路热交换回路供应热交换器所需要的热量，保证超滤浓縮分离时料液的温度。a. 热水是通过热水储罐中的发热管来加热的。发热管通过温度信号来控制开闭。可任 意设定热水的温度，并可实现温度自动控制。热水储罐按工业标准设有安全装置。b. 将热水通过热水泵分别输送到各换热器，由比例阀和PID表来控制热水流量，以达 到控制溶液温度的目的。各个换热器可分别进行控制。(5) 清洗回路a. 控制器根据膜通量和截留率的变化来决定是否需要进行清洗。清洗回路的阀门全部 为电动阀门，实现了全自动化。b. 当系统管路、超滤膜组件等需要清洗时，控制系统根据超滤物质性质的不同，选择 不同的一种或多种清洗液，然后控制不同回路的电磁阀开闭，视需要将酸、碱或水泵入回路实现清洗。
权利要求1、 一种多级超滤浓缩分离的自动控制设备，其特征是包括控制器、原料过滤回路、 一级超滤回路、二级超滤回路、清洗回路、热交换回路；控制器对原料过滤回路、 一级超 滤回路和二级超滤回路、清洗回路和热交换回路进行自动控制；其中原料储罐(1)、手动球阀(2)、电动球阀(3)、不锈钢离心泵(4)、袋式真空过滤器 (5)、 一级换热器(7)构成原料过滤回路；内装液位开关(13)的一级储罐(9)、手动球阀(10)、电动球阀(11)、不锈钢离心 泵(12)、电动三通球阀(14)、含流量传感器的比例阀(15)、 二级换热器(16)、温度传 感器(19)、现场压力显示表(20)、 一级超滤膜组件(21)、手动取样球阀(22)、三通电 磁阀(23)和(24)构成一级超滤回路；内装液位开关(29)的二级储罐(25)、手动球阀(26)、电动球阀(27)、不锈钢离心 泵(28)、电动三通球阀(30)、含流量传感器的比例阀(31)、三级换热器(32)、温度传 感器(35)和现场压力显示表(36)、 二级超滤膜组件(37)、手动取样球阀(38)、三通电 磁阀(39和40)、手动球阀(41)和三级储罐(42)构成二级超滤回路；酸、碱、水储罐(44、 48和52)，电动球阀(43、 46、 47、 49、 51、 53)，手动球阀 (45、 50、 54)和防腐离心泵(55)构成清洗回路；内配温度传感器(56)、现场压力显示表(66)和发热管(58)的热水储罐(57)，手 动球阀(59)，电动球阀(60)，热水泵(61)，含流量传感器的比例阀(62)，电动球阀(63、 64和65)构成热交换回路； 各部件连接关系如下原料储罐(1)的出口和电动球阀(3)连接，再连接到不锈钢离心泵(4)，与袋式真空过滤器(5)连接，经过一级换热器(7)后与一级储罐(9)连接，原料储罐的下端有出口连接手动球阀(2)，实现对残余物的排放；内装液位开关(13)的一级储罐(9)的出口和手动球阀(10)、电动球阀(11)连接，再连接到不锈钢离心泵(12)，经过电动三通球阀(14)和比例阀(15)，与二级换热器(16)连接，再接入一级超滤膜组件(21);膜组件的前端安装了温度传感器(19)和现场压力显示表(20); 膜组件的出液口接手动取样球阀(22)后再接三通电磁阀(23)，然后与一级储罐(9) 相连； 一级超滤膜组件的膜下出液口与二级储罐(25)相连；内装液位开关(29)的 二级储罐(25)的出口和手动球阀(26)、电动球阀(27)相连，电动球阀(27)再与 不锈钢离心泵(28)、电动三通球阀(30)、比例阀(31)、三级换热器(32)、温度传 感器(35)、现场压力显示表(36)、 二级超滤膜组件(37)相连； 膜组件的出液口和手动取样球阀(38)相连，经过三通电磁阀(39)后回流到二级储 罐(25)中；二级超滤膜组件的膜下出液口与底部有手动球阀(41)的三级储罐(42) 相连；3个清洗液储罐(44、 48和52)分别和电动球阀(46、 49和53)相连后并入一根管道，再进入防腐离心泵(55)，然后分别接入三通电磁阀(24和40);清洗的回流液分别经过电动三通球阀(14和30)后，并入一根管道，再分别和电动球 阀(43、 47和51)相连；手动球阀(45、 50和54)分别连接清洗液储罐(44、 48和52)。连接了手动球阀(59) 的热水储罐(57)的出口经电动球阀(60)与热水泵(61)相连，再经过比例阀(62)后 分别和电动球阀(63、 64、 65)相连，管道(A、 B、 C)再分别与一级、二级、三级换热 器的热水进口 (8、 18、 34)连接，热水出口 (6、 17、 33)与热水储罐(57)的进水口相 连；控制器由上位机和下位机构成。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于选用P4工业级计算机作为控制系统的上 位机，PLC作为控制系统的下位机，并配备可触摸屏，提供人性化的人机操作接口，在线显 示生产状态；上位机和下位机的接口采用RS-232接口；通信协议采用串行通信协议。
专利摘要本实用新型涉提供一种多级超滤浓缩分离的自动控制设备，其特点在于包括控制器、原料过滤回路、一级超滤回路、二级超滤回路、清洗回路、热交换回路；所述控制器由上位机和下位机构成，上位机采用P4工业级计算机，下位机采用PLC；控制器通过上述回路中的电动球阀和传感器对原料过滤回路、一级超滤回路和二级超滤回路、清洗回路和热交换回路进行自动控制，自动切换单级和多级超滤模式，实现管路的自动清洗，并精确控制过程温度。本实用新型提供的多级超滤浓缩分离的自动控制设备具有人机操作接口、动态模拟、在线显示等功能，采用分级控制方式，超滤浓缩分离过程的自动化水平高，并具有很大的操作灵活性，生产效率及产物质量得到显著提高。
文档编号B01D61/22GK201020343SQ200620155008
公开日2008年2月13日 申请日期2006年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者余稳胜, 傅晓琴, 冰 李, 琳 李, 李晓玺, 玲 陈 申请人:华南理工大学