Применение виртуальных тренажеров в процессах электродиализного разделения промышленных растворов

Применение виртуальных тренажеров в области мембранных технологий в последнее время все чаще вызывает интерес, как среди исследователей, так и на промышленных предприятиях [1–4]. Тренажеры позволяют студентам и специалистам ознакомиться с практическими аспектами управления и эксплуатации электрохимических мембранных установок без необходимости непосредственного взаимодействия с реальным промышленным оборудованием. Рассмотрим некоторые преимущества их применения.

Одним из главных преимуществ тренажеров является возможность сократить временные и финансовые затраты, связанные с созданием и обслуживанием реальных мембранных установок [5–7]. Разработка и использование тренажеров не требует значительных вложений в закупку дорогостоящего оборудования и проведение капитальных работ.

При работе с материальными мембранными установками существует риск возникновения нештатных ситуаций, которые могут привести к опасным последствиям – авариям, травмам персонала, повреждению и долговременному простою оборудования в процессе ремонта. Виртуальные тренажеры, в свою очередь, обеспечивают безопасность обучения и исследований [8–10] без необходимости доступа к фактическому оборудованию.

Виртуальные тренажеры обладают гибкостью и возможностью индивидуализации обучения, позволяют пользователям осваивать различные аспекты управления мембранными установками в своем собственном темпе, повторять задания и эксперименты, а также получать мгновенную обратную связь и советы от виртуальных инструкторов [11–13]. Все это способствует более эффективному усвоению материала и повышению уровня профессиональной подготовки.

Важным преимуществом является возможность моделирования различных параметров работы мембранных установок и исследования их воздействия на производительность и эффективность электродиализной установки. В процессе имитации можно изменять расход субстрата, температура, давление и время. Подобные исследования позволяют сократить время и сберечь ресурсы, при определении оптимальных условий работы мембранных установок [14–15].

В настоящее время существует несколько видов виртуальных тренажеров – симуляторы, виртуальные лаборатории и виртуальные тренировочные площадки [16–19].

Тренажеры-симуляторы в области мембранных технологий представляют собой виртуальные модели мембранных установок и разрабатываются в виде программ. Они позволяют пользователям проводить виртуальные эксперименты, взаимодействовать с компонентами установки и наблюдать результаты своих действий. В симуляторах можно моделировать различные условия работы, менять параметры процесса и изучать их воздействие на эффективность и производительность системы. Наиболее продвинутые тренажеры могут имитировать не только физические процессы, но и условия взаимодействия с операторами и анализ данных. Данный вид симуляторов предназначен для профессиональной подготовки и повышения квалификации специалистов в мембранных технологиях.

Более сложную организацию имеют виртуальные лаборатории. Тренажеры данного вида относятся к интерактивным платформам, предоставляющими доступ к виртуальной лабораторной среде, в которой пользователи могут проводить эксперименты с мембранными установками. Виртуальные лаборатории позволяют взаимодействовать с оборудованием и наблюдать результаты своих действий в режиме реального времени [20].

Виртуальные тренировочные площадки являются наиболее крупными программными комплексами среди виртуальных тренажеров. Это комплексные системы, которые объединяют в себе симуляторы и виртуальные лаборатории, предоставляют обучающие материалы, инструкции и руководства. С помощью данных систем пользователь полностью погружается в управление и эксплуатацию мембранных установок, имитируя реальные условия работы и решая сложные задачи, которые могут возникнуть в процессе промышленного использования мембранных установок.

Рассмотренные виды виртуальных тренажеров предоставляют возможность изучать и экспериментировать с мембранными установками, эффективно обучаться и на практике применять полученные знания. Количество доступных тренажеров, моделирующих процессы в электродиализный аппаратах, на данный момент недостаточно, имеющиеся модели не всегда отвечают современным требованиям в области мембранных технологий.

Цель работы – разработка виртуального тренажера, имитирующего работу промышленной электродиализной установки, позволяющего закрепить теоретические знания и получить практические навыки по работе с реальным очистным оборудованием. Тренажер должен соответствовать современным требованиям, предъявляемым к электродиализному оборудованию.

Материалы и методы

В основу разработанного виртуального тренажера легла электродиализная установка, схема которой представлена на рисунок 1. Установка предназначена для разделения электропроводных растворов химических производств. Обеспечивает высокую степень разделения, отличается низким энергопотреблением, не требует введения дополнительных реагентов в процессе эксплуатации.

Данная установка включает в себя четыре отдельные линии для прокачки через них растворов. Сначала необходимые исходные растворы заливают в емкости для католита 1, дилюата 2, концентрата 3 и анолита 4. В электродиализную ячейку 7 растворы из соответствующих емкостей подаются с помощью мембранных пневматических насосов 5 марки AFL, насосы работают в результате подачи на них сжатого воздуха от компрессора 6. Для контроля и регулирования интенсивности циркуляции растворов по линиям используются клапаны 8, расходомеры 9 и манометры 10. Через выпускные краны 13 осуществляется слив отработанных растворов. Краны 12 используются для отбора проб.

Рисунок 1. Электродиализная установка: 1, 2, 3 и 4 – емкости для католита, дилюата, концентрата и анолита соответственно; 5 – пневматический мембранный насос; 6 – компрессор; 7 – контрольный клапан; 8 – расходомер; 9 – манометр; 10 – разделительная мембранная ячейка; 11 – источник питания; 12 – выпускной кран для сбора; 13 – выпускной кран для слива [1]

Figure 1. Electrodialysis unit: 1, 2, 3 and 4 – containers for catholyte, dilute, concentrate and anolyte, respectively; 5 – pneumatic diaphragm pump; 6 – compressor; 7 – control valve; 8 – flow meter; 9 – pressure gauge; 10 – separation membrane cell; 11 – power supply; 12 – outlet faucet for collecting; 13 – outlet faucet for draining

Результаты и обсуждение

Графический интерфейс, доступный обучающимся при работе с виртуальным тренажёром, представленный на рисунке 2, содержит параметры, характеризующие работу электродиализной установки в данный момент времени. На главном экране воспроизводятся показания манометров и расходомеров, характеристики тока, положение задвижек кранов, количество жидкости в емкостях и ее температура. Данные отображаются с целью обеспечения оператора всей необходимой информацией для принятия решений в реальном времени и бесперебойной работы системы.

Панель управления разработанного виртуального тренажера (рисунок 3) позволяет организовывать работу электродиализной установки, изменяя функциональные параметры. Оператору доступно включение и выключение насосов или всей установки, в том числе экстренное, изменение расхода растворов, подача и сброс рабочих растворов для управления процессом подачи и сброса рабочих растворов, подача воды для охлаждения емкостей с рабочими растворами.

Одной из особенностей разработанного виртуального тренажера является возможность отработки действий в аварийных ситуациях (рисунок 3). Для этого в тренажере есть возможность выбора предварительно загруженных сценариев аварийных ситуаций или загрузки собственноручно разработанных. Например, возможен выход из строя одного из насосов установки. Обучающемуся в этом случае необходимо проанализировать аварийную ситуацию, локализовав возникшую неисправность и определив ее причины, а также выполнить ряд мероприятий по устранению неисправности.

Рисунок 2. Визуальная панель виртуального тренажера в выключенном состоянии

Figure 2. The visual panel of the virtual simulator is turned off

Simultaneous start of pumps

Рисунок 3. Вид панели управления в момент возникновения неисправности в работе линии концентрата,

запрограммированной в сценарии

Figure 3. View of the control panel at the time of a malfunction in the operation of the concentrate line programmed in the scenario

На панелях виртуального тренажера присутствует кнопка «Справка», позволяющая в процессе обучения задавать вопросы, получать обратную связь и руководство от системы. При нажатии на нее откроется дополнительная панель (рисунок 4). В всплывающем окне отображается текстовая и графическая информация, подробное руководство по управлению и применению виртуального тренажера. Можно

Обучающую программу в виде сценариев можно адаптировать к требуемой скорости усвоения информации и уровню понимания материала, включая моменты оценки уровня знаний, склонностей и индивидуальных потребностей через процесс адаптации и дифференциации ознакомиться с теоретическим материалом по о учения.

электродиализному разделению, включающим

Anolyte

Oiluate

The term "electrodialysis" and a brief description of the method

Concentrate

Catholyte

Pure water

Католит

Анолит

Концентрат

Войс Эля промыйония злектроЭоб

Электродиализ - это процесс при котором ионы перемещаются через мембрану под воздействием электрического поля причем скорость массопереноса можно регулировать с помощью силы тока. Процесс массопереноса в таком методе можно осуществлять против градиента концентрации. Процесс разделения проводится путем использования специальной ячейки, разделенной на секции при помощи ионообменных мембран, которые задерживают соответствующие ионы электролита. С помощью последовательного расположения двух типов мембран (катионообменных и анионообменных) создается множество отсеков, одни из которых впоследствии содержат рассол, а другие - обессоленный раствор. Это обеспечивается тем. что мембраны селективно препятствуют движению ионов, т.е. ионы, двигаясь под действием электрического поля, останавливаются на ближайшей мембране, соответствующей их заряду, и тем самым задерживаются в камере между двумя мембранами. В результате этого процесса концентрация ионов в растворе между соседними парами мембран изменяется - повышается между одной парой мембран, но снижается между этой парой и соседней. В большинстве случаев электродиализаторы представляют собой непрерывные аппараты, в которых исходный раствор подается постоянно, а разделенные концентрат и дилюат сливаются. На рисунке показана принципиальная схема электродиализа.

Очищенная ВоЗа

' S0 т он

^<-г—з so. R -

,SO

1 Lu )

Near-electrode solution flu/iBOfn

Рисунок 4. Одна из страниц справочной панели

Figure 4. One of the help panel pages

Заключение

Разработан виртуальный тренажер, имитирующий работу промышленной электродиализной установки. Тренажер предназначен для обучения студентов, повышения квалификации специалистов, проведения исследований. Программа позволяет моделировать не только штатную работу электродиализной установки, но и аварийные ситуации.

Представленный подход к обучению приобретает особую важность для пользователей виртуального тренажера, поскольку позволяет им приобрести фундаментальные знания и выработать навыки без необходимости доступа к фактическому оборудованию. В результате они могут ознакомиться со сложными процессами управления установкой и приобрести опыт, который может быть полезен в контексте реального применения знаний в области электрохимических технологий.

Выполнено в рамках проведения исследований по государственному заданию, проект № FEMU-2024-0011 и при поддержке гранта Тамбовской области для молодых учёных № МУ2023/02-17