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Verfahren und Vorrichtung zur Messung, Betriebsüberwachung und Steuerung der Wasserenthärtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsüberwachung und Steuerung der Wasserenthärtung mit Hilfe eines Alkalimetall-Ionen abgebenden lonenaustauschers sowie zur Steuerung des zur Regenerierung des erschöpften Ionenaustauschers dienenden Vorganges.
Es ist bekannt, Wasser zur Enthärtung durch einen Behälter hindurchzuleiten, in dem ein lonenaustauschmaterial angeordnet ist, an dem Alkalimetall-Ionen, insbesondere Natriumionen gebunden sind. Beim Hindurchleiten des Wassers durch ein solches Material werden die im Wasser befindlichen Calcium- und Magnesiumionen von dem Ionenaustauschmaterial aufgenommen, das eine äquivalente Menge Alkalimetall-Ionen abgibt. Durch die Abgabe der Alkalimetall-Ionen und die Anlagerung von Calcium- und Magnesiumionen wird das lonenaustauschmaterial erschöpft und bedarf einer Regenerierung, die dadurch erfolgen kann, dass durch das Austauschmaterial eine Kochsalzlösung hindurchgeleitet wird, um die Calcium- und Magnesiumionen wieder durch Natriumionen zu ersetzen.
Die Geschwindigkeit, mit der sich das lonenaustauschmaterial erschöpft, ist von der Härte und der Durchflussgeschwindigkeit des Rohwassers abhängig. Es wäre daher möglich, durch laufende Überwachung der Rohwasserhärte und der Messung der Durchflussgeschwindigkeit den Zeitpunkt zu errechnen, zu dem eine Regenerierung des lonenaustauschmaterials erfolgen müsste. Dies bedarf jedoch eines erheblichen Arbeits- und Zeitaufwandes, zumal zu einer in üblicher Weise durchgeführten Messung der Rohwasserhärte die Entnahme von Proben und ihre Analyse, beispielsweise durch Titration, kolorimetrische Messung od. dgl., erforderlich ist.
Es kann aber auch, ausgehend von einer mittleren Rohwasserhärte und einer mittleren Durchflussgeschwindigkeit, die Zeit errechnet werden, nach der eine Regeneration des lonenaustauschmaterials erfolgen muss, und die Regenerierung durch auf eine entsprechende Zeit eingestellte Zeitschaltuhren in regelmässigen Abständen eingeleitet werden. Dies hat jedoch wieder den Nachteil, dass entweder das Austauschmaterial nicht vollständig ausgenutzt wird, was zu einem unwirtschaftlichen Arbeiten der Anlage führt, oder aber die Gefahr besteht, dass das hindurchgeleitete Wasser nicht immer vollständig enthärtet wird, was beispielsweise bei Kesselanlagen zu schweren Schäden führen kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes von Ionenaustauschern zu schaffen, das es ermöglicht, den Erschöpfungszustand des
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findung dadurch erzielt, dass die Konzentration der vom Ionenaustauscher abgegebenen AlkalimetallIonen, die der Ionenaustauscher bei der Aufnahme der die Wasserhärte bildenden Ionen abgibt, durch eine Potentialmessung festgestellt und von der Messvorrichtung Signale zur Einleitung und/oder Steuerung des Regenerierungsverfahrens, gegebenenfalls einschliesslich eines Spülvorganges, abgegeben werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die potentiometrische Messung der Konzentration
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der vom Ionenaustauscher abgegebenen Alkalimetall-Ionen auf einfache Weise kontinuierlich erfolgen kann, so dass es ohne weiteres möglich ist, die festgestellten Betriebswerte zu jedem Zeitpunkt an einem Instrument abzulesen und auch mit Hilfe eines Schreibers aufzuzeichnen. Im normalen Betriebszustand wird die Konzentration'der Alkalimetall-Ionen, die das untersuchte Wasser durch Austausch gegen die Härte bildenden Ionen aufgenommen hat, im wesentlichen konstant sein. Wenn jedoch das lonenaustauschmaterial alle Natriumionen abgegeben und dafür die äquivalente Menge Magnesium- und Calciumionen aufgenommen hat, so sinkt in dem untersuchten Wasser die Konzentration der Natriumionen auf den Natriumgehalt des Rohwassers.
Dieser Messpunkt kann dann dazu benutzt werden, um die Regenerierung des Ionenaustauschmaterials einzuleiten, was in der oben erwähnten Weise durch das Behandeln des lonenaustauschmaterials mit einer Kochsalzlösung erfolgen kann. Nach dem Hindurchleiten der Kochsalzlösung wird das lonenaustauschmaterial gespült, um die überschüssigen, nicht am lonenaustauschmaterial adsorbierten Natriumionen wieder zu entfernen. Sind alle überschüssigen Natriumionen entfernt, so wird das lonenaustauschmaterial wieder in die Frischwasserleitung eingeschaltet und es dient von neuem zur Enthärtung des Wassers.
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens wird beim Regenerieren des Ionenaustauschmaterials mit einer Kochsalzlösung eine steigende Natriumionen-Konzentration gemessen. Entspricht der gemessene Wert der Konzentration der zur Regenerierung verwendeten Lösung, beispielsweise einer lOigen Kochsalzlösung, so kann ein zweiter Steuerbefehl ausgelöst werden, der die Ventile des Gerätes wieder so umstellt, dass Spülwasser durch das Ionenaustauschmaterial hindurchgeleitet wird. Hierauf wird durch die Potentialmessung eine mit der Zeit abnehmende Natriumionen-Konzentration festgestellt werden.
Wenn nun die Natriumionen-Konzentration auf einem Wert angelangt ist, der nur noch etwas höher ist als der Wert der Natriumionen-Konzentration, die beim Einschalten des Ionenaustauschmaterials in die Frisch- oder Rohwasserleitung hinter dem Ionenaustauscher gemessen wird, so wird ein weiterer Steuerbefehl ausgelöst, der die Ventile des Gerätes so umschaltet, dass das Ionenaustauschmaterial wieder in die Frischwasserleitung eingeschaltet wird.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt weiterhin darin, dass die Messung der Konzentration der Natriumionen in dem enthärteten Wasser beim Normalbetrieb, also bei noch voll aktionsfähigem Austauschmaterial, ein genaues Mass für die Menge an Härte bildenden Ionen ist, die dem Rohwasser entzogen worden sind, also ein Mass für die Härte des Wassers. Die nach der Erfindung zur Betriebsüberwachung vorgesehene Messung der Konzentration der von dem lonenaustausch abgegebenen Alkalimetall-Ionen liefert also zugleich ein Mass für die Härte des Rohwassers und es ist deshalb in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass an Hand der im Normalbetrieb bei unerschöpftem Ionenaustausch gemessenen Konzentration der abgegebenen Alkalimetall-Ionen die Härte des Rohwassers bestimmt wird.
Dieses Verfahren zur Bestimmung der Härte des Rohwassers hat den bereits oben erwähnten Vorteil, dass mit hoher Genauigkeit eine kontinuierliche Messung stattfinden kann, ohne dass Proben entnommen und analysiert werden müssen. Es versteht sich, dass eine derartige Härtebestimmung mit Hilfe einer potentiometrischen Messung der Konzentration der von einem Basenaustausch abgegebenen Alkalimetall-Ionen auch dann stattfinden kann, wenn eine Enthärtung des Wassers nicht beabsichtigt ist, indem beispielsweise der für diese Härtebestimmung erforderliche Ionenaustauscher in dem Nebenstrom einer Wasserleitung angeordnet wird, so dass nur ein geringer Bruchteil des zu überwachenden Wassers den Ionenaustauscher durchfliesst.
Bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens braucht mit der Regenerierung des Ionenaustauschmaterials nicht so lange gewartet zu werden, bis die Natriumionen-Konzentration hinter dem Ionenaustauscher praktisch auf Null absinkt, sondern die Steuerung kann so eingerichtet werden, dass das Ionenaustauschmaterial bereits dann aus der Frischwasserleitung herausgeschaltet und die Regenerierung eingeleitet wird, wenn die Natriumionen-Konzentration unter einem eingestellten Bereich absinkt, innerhalb dem die Härte des Wassers erfahrungsgemäss schwanken kann.
Die Potentialmessung kann hinter dem Behälter durchgeführt werden, in dem das Ionenaustauschmaterial angeordnet ist. In diesem Falle tritt, wenn das Ionenaustauschmaterial erschöpft ist, hartes Wasser durch den Behälter solange hindurch und in dasjenige Röhrensystem ein, das dem weichen Wasser vorbehalten ist, bis die Steueranordnung die Leitung abstellt und den Behälter mit dem Ionenaustauschmaterial aus der Leitung ausgeschaltet und den Regeneriervorgang eingeleitet hat.
Soll dieses Eintreten von nicht enthärtendem Wasser bei erschöpftem lonenaustauschmaterial in jedem Falle verhindert werden, so ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Potentialmessung innerhalb des Ionenaustauschmaterials, in Richtung des Wasserstromes gesehen, etwa beim letzten Drittel der Materialsäule erfolgt.
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Die Erfahrung hat nämlich gezeigt, dass in einem in einer Richtung durchströmten Behälter nicht die gesamte innere Oberfläche des Ionenaustauschmaterials gleichzeitig und gleichmässig mit ausgetauschten Ionen belegt wird, sondern dass die Grenze, die das erschöpfte lonenaustauschmaterial von dem noch nicht erschöpften Ionenaustauschmaterial trennt, in der Richtung des Wasserstromes fortschreitet. Wenn das Messelektrodenpaar irgendwo im letzten Drittel des das Ionenaustauschmaterial enthaltenden Behälters angeordnet wird, so wird dort bereits ein erschöpftes lonenaustauschmaterial gemessen, wenn noch Schichten mit nicht erschöpftem lonenaustauschmaterial am hinteren Ende des Behälters vorhanden sind.
In diesem Falle tritt nach wie vor enthärtetes Wasser aus dem Behälter aus, der Regenerierungsvorgang kann jedoch bereits eingeleitet werden, um zu verhindern, dass die erwähnte Grenze bis zum Ende des Behälters vordringt und damit nichtenthärtetes Wasser in das Leitungssystem gelangt, in das nur enthärtetes Wasser einfliessen soll.
Der potentiometrisch gemessene Wert ändert sich jedoch nicht nur dann, wenn sich die Konzentration der zu messenden Alkalimetall-Ionen ändert, wenn also die Grenze zwischen dem erschöpften und dem nicht. erschöpften Ionenaustauschmaterial in den Bereich der Messstelle vordringt, sondern auch beispielsweise dann, wenn sich die Konzentration einer Ionenart ändert, die vom Ionenaustauschmaterial nicht adsorbiert wird. Diese Einflüsse auf den Messwert sind mehr oder weniger stark, je nachdem es gelingt, die Elektrodenanordnung so auszuwählen, dass sie selektiv nur auf die Konzentration der Alkalimetall-Ionen anspricht.
In den Messwert eingehende lonenkonzentrationen können beispielsweise von den Ionenaustauschern vorgeschalteten Geräten zur Entsäuerung und Enteisenung mit halbgebrannten Dolomiten, Kalk-Entcarbonisierungsanlagen, Wasserstoffionen-Austauschern od. dgl. herrühren. Auch sind Änderungen in der Natriumionen-Konzentration des dem Alkalimetall-Ionenaustauscher zugeführten Wassers möglich, z. B. durch eine Vorbehandlung mit Natriumphosphaten, Silikaten od. dgl. Es ist daher möglich, dass bei einer derartigen Vorbehandlung gleichzeitig Schwankungen im pH-Wert, in der Härte und im Natriumgehalt auftreten.
Diese Einflüsse können bei Bedarf dadurch kompensiert werden, dass der Messwert in Abhängigkeit von der Konzentration an den Messwert verfälschenden Ionen korrigiert wird.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird zu diesem Zweck die Leitfähigkeit des Rohwassers gemessenr Härteschwankungen des Wassers ergeben Schwankungen der Leitfähigkeit.
Diese Schwankungen der Leitfähigkeit des Rohwassers dienen zur Kompensation der Schwankungen der Anzeige der Natriumionen-Konzentration, die durch die schwankende Wasserhärte erzeugt wird. Insbesondere dann, wenn die Messung nur dazu dient, die Regenerierung des lonenaustauschmaterials rechtzeitig einzuleiten, können auch andere Verfahren angewendet werden, um eine Auswirkung von Schwankungen der Härte des Rohwassers und sonstigen normalerweise das Messergebnis beeinflussenden Grössen auf das Messergebnis zu verhindern.
Bei einer bevorzugten Form des erfindungsgemässen Verfahrens werden Potentialmessungen an mindestens zwei verschiedenen Stellen, von denen eine vor oder hinter und eine andere innerhalb des lonenaustauschmaterials liegt, vorgenommen, und es wird die Differenz der gemessenen Werte zur Einleitung und/oder Steuerung des Regenerierungsverfahrens, Spülverfahrens und/oder zur Härtebestimmung verwendet. Auf diese Weise wird mit Sicherheit erreicht, dass diejenigen der im Wasser enthaltenen Komponenten, die durch den Ionenaustauscher nicht eliminiert werden, sich in der gleichen Weise an der ersten und an der zweiten Stelle auswirken, so dass sich ihre Einflüsse gegeneinander aufheben, wenn nur die Differenz zwischen den an den beiden Stellen gemessenen Werten zur Auslösung eines Steuerbefehls oder zur Härtebestimmung verwendet wird.
Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt also darin, dass Schwankungen in der lonenkonzentration des Rohwassers sich nicht mehr auf das Messergebnis auswirken können und insbesondere gewährleistet ist, dass der Steuerbefehl zum Einleiten der Regenerier- und Spülarbeitsgänge stets dann ausgelöst wird, wenn das lonenaustauschmaterial bis zu einem bestimmten Grad und Umfang erschöpft ist.
Schliesslich hat dieses Verfahren noch den weiteren Vorteil, dass es für die Güte und Genauigkeit des Verfahrens nicht mehr entscheidend darauf ankommt, dass die Elektrodenanordnung für die zu messende Ionenart sehr stark selektiv empfindlich ist, also z. B. ein aus einer sogenannten Alkali-Glaselektrode und einer Kalomelektrode bestehendes Elektrodenpaar verwendet wird, das für Natriumionen selektiv empfindlich ist. Vielmehr können bei diesem Verfahren auch weniger selektive Elektrodenanordnungen verwendet werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gerät zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in Verbindung mit einem Natriumionen abgebenden Ionenaustauscher. Bei diesem Gerät findet zur Potentialmessung ein Elektrodenpaar Verwendung, das eine an sich bekannte Glaselektrode mit starkem
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Alkalifehler und eine Kalomelektrode aufweist.
Je nach der Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, zu dessen Anwendung das Gerät ausgebildet ist, kann das Elektrodenpaar am Ausgang des Behälters angeordnet sein, der das Ionenaustauschmaterial erhält, oder aber, in Richtung des Wasserstromes gesehen, etwa im letzten Drittel der Säule des Ionenaustauschmaterials. Es ist auch möglich, an der gewünschten Stelle des lonenaustauschmaterials, also insbesondere im letzten Drittel der Materialsäule eine Abzweigung vorzusehen, die durch eine Leitung mit einer in den Wasserstrom eingeschalteten Saugdüse verbunden ist, und in diese Leitung das Elektrodenpaar zur Potentialmessung einzuschalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines für eine Differenzmessung geeigneten Gerätes nach der Erfindung ist ausserdem im letzten Drittel der Säule des Ionenaustauschmaterials angeordneten Elektrodenpaar ein weiteres Elektrodenpaar in Strömungsrichtung des Rohwassers hinter den Ionenaustauscher in den Wasserstrom eingeschaltet. Die Differenz zwischen den Messwerten der beiden Messelektrodenpaare wird einer Vorrichtung zur Steuerung der Spül-und/oder Regeneriervorgänge zuge- führt.
Bei einer Ausführungsform eines zwei Elektroden aufweisenden Gerätes nach der Erfindung sind die beiden Elektrodenanordnungen an eine Brückenschaltung angeschlossen, wobei der Differenzstrom dieser Brückenschaltung zur Änderung des Widerstandes mindestens eines Brückenzweiges dient. Diese Ausführungsform der Erfindung kann dahingehend weiter ausgebildet sein, dass als Stromquelle für die Brückenschaltung ein Hochfrequenzgenerator vorgesehen ist und dass in den beiden Brückenzweigen einer zwischen den Polen des Hochfrequenzgenerators liegenden Brückenhälfte Kapazitätsdioden eingeschaltet sind, deren Widerstandswert sich durch den Differenzstrom ändert. Der Brückenausgang kann über einen Verstärker an eine Relaisstufe angeschaltet sein.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass an jeder Messstelle nur zwei Elektroden verwendet werden, vielmehr können an einer 1\lessstelle auch mehr als zwei Elektroden vorgesehen sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungs- form der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die einzelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.
In den Zeichnungen sind die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile und Schaltungen und Kennlinien dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung, Betriebsüberwachung und Steuerung der Wasserenthärtung mit Hilfe eines Alkalimetall-lonen abgebenden Ionenaustauschers sowie zur Steuerung des zur Regenerierung des erschöpften Ionenaustauschers dienenden Vorganges, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der vom Ionenaustauscher abgegebenen Alkalimetall-Ionen, die der Ionenaustauscher bei der Aufnahme der die Wasserhärte bildenden Ionen abgibt, durch eine Potentialmessung festgestellt und von der Messvorrichtung Signale zur Einleitung und/oder Steuerung des Regenerierungsverfahrens, gegebenenfalls einschliesslich eines Spülvorganges abgegeben werden.