经济有效的水质比例混合技术

作者:Egon Huefner 博士 发布时间:2020-09-07
饮用水不光是人类赖以生存的必需品,也是许多工业产品和工业生产过程中必不可少的重要组成部分,例如在食品、饮料、制药行业

饮用水不光是人类赖以生存的必需品,也是许多工业产品和工业生产过程中必不可少的重要组成部分,例如在食品、饮料、制药行业——水能引导和控制工业生产过程,例如在制造业、能源生产、通风采暖、制冷技术领域。但无论是在哪一个行业领域中,来自自来水管或者水井中的水通常都不能直接使用,都必须根据具体的使用要求进行水处理。常用的水处理方法是将原水与已经处理好的水按照一定的比例直接混合起来达到所需标准的水质。采用最先进的独立解决方案(配用了混合控制器)可以在不中断工业生产过程的情况下完成水处理,并能对水处理过程进行监控,这就大大提高了生产过程用水的经济性。


水处理中将不同比例水质混合的主要目的是混合出标准水质的混合水,例如具有一定硬度、电导率、硫酸盐或者氯化物含量的水。原则上,生产混合水的方法主要有两种:比例控制和水质控制。在比例控制中,原水和纯水(例如软化水)按照正确的体积比成比例的混合起来,这里的前提条件是进行混合的两种水的水质恒定不变。而水质控制则不同,是将两种不同水质的水混合到一起保证最终混合后的水达到规定的水质要求。混合后,需要连续不断地对水质(例如电导率)进行测量,并相应地调节混合水的混合比例。


具体使用哪种水处理方法主要取决于混合水的类型,以满足相应行业和应用的要求。室内通风换气技术(空气调节装置)领域中的冷却设备通常会对水的硬度、电导率或者磷酸盐、氯化物的含量有一定的考量。在农业灌溉领域中,水的含盐量是衡量水质、避免土壤盐碱化的一个重要指标。在食品生产领域,例如在啤酒酿造厂中,保持啤酒品牌口感、风味始终如一的参数则是最重要的水质指标,这里会涉及到酸碱度pH值、硬度、硫酸盐含量和其他的一些参数。


水处理方法决定混合原则

如果在水处理过程中利用反渗透法去除水中溶解的盐,则得到的水为纯水,这种水因缺少离子而难以导电。因此,可以通过电导率测量技术非常准确地测定混合水中的盐含量,并将这一检测技术用于调节混合水系统(参见图1)。

图1 水质控制方式的混合水模块结构示意图,图中的混合水模块反渗透后采用了电导率测量技术(所有图片来源:Bürkert公司)


如果混合水使用了离子交换工艺,则电导率检测就没有意义了。因为离子交换处理水的电导率几乎恒定不变,仅仅是离子在“交换”。此时就要采用其他解决方案,或者,如果可能的话,采用比例控制的方法生产混合水(参见图2)。

图2 比例控制方式的混合水模块结构示意图,图中混合水比例控制模块配有离子交换器

为了获得一定硬度的混合水,假设两种混合方法的原水水质都基本保持不变。如果原水的硬度发生了变化,则比例控制和水质控制两种方法相结合的硬度调节才是最佳的解决方案。此时,利用在线测量技术检测原水的硬度,利用混合控制器精确计算出原水和被处理水的比例,以保持混合水的正确硬度(参见图3)。无论发生怎样的情况,控制都必须做到精确和快速,即便是条件出现变化(例如体积流量出现了变化)时,也要保持混合水的质量尽可能的接近所要求的数值,保持生产条件的稳定性。

图3 水质和比例控制方式混合水模块的结构示意图,图中离子交换器后配有硬度调节装置


实用的混合解决方案

根据水处理的生产过程——原水水质是否恒定还是不断变化——都有合适的水处理方法可供选用。因此,单机解决方案就是一种非常实用的解决方案,而且也省去了用户对水处理系统的干预。方案的核心是混合控制器,既可使用电导率传感器对混合水的电导率进行控制、调节,也可以作为不同水的比例控制器使用,或者结合其他检测数据(例如原水的硬度)保证其按照正确的比例将不同水质的水混合在一起。如果需要与过程控制系统相互通信,它还可以与模拟式和数字式接口配套使用。


为了满足众多不同的要求,Bürkert流体控制系统公司按照模块化的原理设计了几乎涵盖所有应用领域的混合水控制单元。用户能够从该公司提供的、性能匹配完美的产品组合中受益。根据混合时的水流流量,该公司设计了直径较小(DN 6 mm)至大直径(DN 100 mm)的流量计和流量控制阀。包括传感器在内的所有元器件使用的材料都可以由用户自行选择,如塑料、黄铜、不锈钢等。另外,还有许多按照电磁感应原理、采用了超声波技术或者叶轮原理的测量仪。在调节阀和控制阀中,既有电力驱动的或者气动驱动的座阀类控制调节阀,也有电力驱动的球阀类的控制调节阀。这样,每一家设备制造商都会有适合自己设计的产品可以选用,并有成套的仪器仪表可以组成成套的控制调节和检测单元。无论是小型的、手工生产的精酿啤酒生产厂还是大型水处理厂,Bürkert公司都能为其提供量身定制的过程控制解决方案。


快速的现场安装使用

组装好的模块有两个进水口和一个混合水接口,使用时只需将其安装到现有的给水供水系统中,或者将其视为成套组件集成到用户现有的水处理系统中去。由于这一控制器的所有元器件,包括传感器使用的都是24 V直流电,因此只需接好电源就可以进行调试了。利用控制模块事先设置好比例控制或者水质控制的参数,混合控制器单元即可立即开始水处理工作。


酿造用水的水混合处理

啤酒酿造企业的水处理就是这种单机水处理系统应用的实例。啤酒的口味和质量与啤酒酿造用水有着非常密切的关系,许多小型和大型啤酒厂所在地都是某种天然水源的所在地。为了长期保持某种啤酒的特殊风味和口感并达到规定的质量标准,预先进行水处理是必不可少的。其中,决定性的因素是水质的硬度,软水是开发出啤酒香气的先决条件。瑞士的一家啤酒厂就很清楚这一点:“我们非常幸运,因为我们有自己水源,在进行啤酒酿造水处理之前这些水就具有很高的质量和纯净度。我们过去遇到的主要问题是水中的钙含量较高,这会使得水在受热时析出晶体钙,继而引发一系列的问题,从而导致工作量增加。”


水处理设备供应商的任务就是:为啤酒酿造企业量身定制一套能够完成啤酒生产用水混合任务的单机解决方案。这一解决方案应是独立于啤酒生产过程控制系统的单机解决方案,并且为后续啤酒酿造生产奠定可靠的基础,以确保合格的酿造用水的供应。


利用Bürkert公司研发生产的混合水模块(参见图4)出色地完成了这一任务。在水处理设备中,原水分成两股水流流入其中:一股是常规流入的水,另一股是经过反渗透流入的水。常规流入的水按照恒定(可调节)比例加入到无盐的反渗透水中,由于原水的水质非常稳定,因此以这种固定比例的混合水调配足以保证啤酒酿造用水的水质了。混合调节时使用的是8611型紧凑型调节阀,反应速度极快的8011型和S030型流量检测仪分别测量两股水流的流量,这就保证了混合水能够可靠地达到所需的水质。

图4 瑞士啤酒酿造厂用Bürkert公司的混合器作为单机解决方案


高质量的酿造用水同样能优化啤酒酿造厂的运营成本

在使用了这种单机解决方案之后,所需的反渗透无盐水的水量也明显减少了。在节约反渗透设备的生产成本的同时,还延长了这些设备的维护保养周期和反渗透系统的工作寿命,同时也提高了啤酒厂的产品质量和啤酒厂的盈利能力。酿造技师说道:“采用这一全新的水处理系统之后,我们在水处理设备卫生清洁、除钙、维护保养和设备维修方面的费用都明显降低了。我们还改用了板式热交换器,由于热传导过程的改进优化,自然也减少了能源费用。”由于这一系统是按照批次方式工作运行的,也就是说,它们不时地会将酿造水水罐灌满,以保障啤酒生产的连续性,因此可以在不中断啤酒生产过程的情况下对这一单机系统进行维护保养。在啤酒酿造生产过程中始终可以获得质量恒定的酿造用水,也就是说,即使不对现有设备进行调整,也能保证每种不同配方的啤酒有着始终如一的口感和风味。


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