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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit, wobei eine Pumpe einen Feedstrom einer Membraneinheit zuführt und die Membraneinheit den Feedstrom in einen Permeatstrom und einen Retentatstrom trennt, wobei sich der Istwert der Ausbeute der Anlage als Verhältnis von Permeatstrom zu Feedstrom ergibt und der Retentatstrom einer Energierückgewinnungseinheit zugeführt wird, wobei über mindestens einen Sensor Messwerte erfasst und an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden.
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Zur Herstellung von zahlreichen Produkten ist eine Aufbereitung von Flüssigkeiten notwendig. Bei Anlagen und Verfahren entsprechend dem Oberbegriff der Erfindung werden dazu Membrantrennverfahren eingesetzt. Deren besonderer Vorteil besteht darin, dass sie ohne Erhitzen auskommen und somit meist energetisch günstiger sind als thermische Trennverfahren. In der Membrantechnik fallen zwei Fraktionen an, die als Retentat und Permeat bezeichnet werden. Der Retentatstrom wird beim Trennprozess von der Membran zurückgehalten. Den Anteil der Flüssigkeit, der durch die Membran durchtritt, bezeichnet man als Permeat.
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Die Separation mittels Membranverfahren hat sich insbesondere in der Lebensmitteltechnologie, der Biotechnologie und der Pharmazie etabliert. Je nach Art der verwendeten Membranen ist die selektive Abtrennung einzelner Stoffe oder bestimmter Stoffgemische möglich.
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Man unterscheidet die Membrantrennverfahren nach der treibenden Kraft, die der Trennung zugrunde liegt. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um druckgetriebene Prozesse, bei denen vorzugsweise Wasser als Lösungsmittel eingesetzt wird.
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Eine Pumpe führt die noch unbehandelte Flüssigkeit, die als Feedstrom bezeichnet wird, einer Membraneinheit zu. Membraneinheiten lassen sich modular aufbauen, so dass die Anlage stufenweise an den Umfang eines Trennproblems angepasst werden kann. Die Trennung erfolgt mittels einer semipermeablen Membran. Die Pumpe baut einen Druck vor der semipermeablen Membran auf. Dabei werden das Lösungsmittel und häufig ein Teil der gelösten Stoffe durch die Membran gepresst.
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Über die Auswahl der Membran lässt sich die Größe der zurückgehaltenen Stoffe einstellen. Je nach Größe der zurückgehaltenen Moleküle unterscheidet man zwischen Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose.
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Als besonders günstig erweist sich der Einsatz der Erfindung zur Durchführung einer Umkehrosmose, insbesondere zur Meerwasserentsalzung. Wird die konzentrierte Lösung mit einem Druck beaufschlagt, der oberhalb des osmotischen Drucks liegt, diffundieren Wassermoleküle durch die Membran, während die gelösten Salze zurückgehalten werden. Somit wird auf der einen Seite die Salzlösung aufkonzentriert, während auf der anderen Seite salzarmes Wasser gewonnen wird. Zwischen dem angelegten Betriebsdruck und dem sich einstellenden osmotischen Druck stellt sich ein Gleichgewicht ein. Dieser Prozess wird als Umkehrosmose (engt. Reverse Osmosis – RO) bezeichnet und zur Meerwasserentsalzung genutzt.
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Die Meerwasserentsalzung bietet heutzutage eine gute Möglichkeit, Trinkwasser in süßwasserarmen Regionen mit Meeresanbindung kostengünstig in ausreichender Menge zur Verfügung zu stellen. Häufig werden kleinere Pumpanlagen benötigt, da sich ein Trend zur dezentralen Anlage als autarke Trinkwasserversorgung abzeichnet. Die Produktionskapazität der erfindungsgemäßen Anlage beträgt vorzugsweise weniger als 1000 m3 Permeat pro Tag. Als Ausbeute der Anlage bezeichnet man das Verhältnis von Permeat- zu Feedstrom. Der Istwert der Ausbeute kann durch Messung des Permeatstroms und des Feedstroms bestimmt werden.
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Damit eine Umkehrosmose stattfindet und somit ausreichend Trinkwasser produziert wird, muss ein gewisser Arbeitsdruck auf der Seite des Meereswassers aufgebracht werden. Dieser Druck wird mittels einer Hochdruckpumpe bereitgestellt. Es gibt eine Vielzahl von Pumpenarten, die den nötigen Druck erzeugen können. Am häufigsten werden Verdrängerpumpen, insbesondere Kolben- oder Membranpumpen, und Kreiselpumpen verwendet.
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Der Retentatstrom wird nach Verlassen der Membraneinheit einer Energierückgewinnungseinheit zugeführt. Diese dient der Rückgewinnung der im Retentat vorhandenen potentiellen Energie. Durch das Zurückführen dieser Energie ist es möglich, den Energiebedarf einer Meerwasserentsalzungsanlage zu verringern. Dabei sind unterschiedlichste Konfigurationen von Pumpen und Energierückgewinnungseinheiten im Einsatz. Eine weit verbreitete Form ist eine Konfiguration mit einer Booster-Pumpe und einem Drucktauscher.
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Membranverfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten sind häufig automatisiert. Über Sensoren werden Messwerte erfasst und an eine Auswerteeinheit weitergeleitet. Bei den Sensoren handelt es sich um Messaufnehmer bzw. Messfühler. Die Messgrößen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in weiterverarbeitbare Größen, meist elektrische Signale, umgeformt. Der Begriff Aufnehmer, bzw. Messgrößen-Aufnehmer, wird verstanden als der Teil einer Messeinrichtung, der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht.
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Die Auswerteeinheit kann einzelne Komponenten der Anlage ansteuern. Als Auswerteeinheiten können handelsübliche Regler, beispielsweise PID-Regler, eingesetzt werden. Auch der Einsatz einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ist möglich.
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Die
WO 2007/090406 A1 zeigt eine Umkehrosmose-Anlage zur Bereitstellung von Süßwasser aus Salzwasser. Eine Pumpe bringt das Salzwasser auf den in einer Membraneinheit erforderlichen Druck. Nach der Membraneinheit fließt das Retentat durch eine Druckrückgewinnungseinheit. Die Druckrückgewinnungseinheit ist mit einer Pumpe verbunden. Über Drucksensoren wird der Druck vor Eintritt des Feedstroms in die Membraneinheiten und nach Austritt des Retentatstroms aus den Membraneinheiten gemessen. Die Drehzahl eines Motors, der in Wirkverbindung mit der Pumpe und der Druckrückgewinnungseinheit steht, wird in Abhängigkeit der Differenz dieser Drücke geregelt. Bei solchen Anlageregelungen, nach dem Stand der Technik, werden zahlreiche Faktoren, welche den Umkehrosmose Prozess beeinflussen, nicht berücksichtigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelung für Anlagen zur Aufbereitung von Flüssigkeiten durch Membrantrennverfahren zur Verfügung zu stellen, die zu einer Reduzierung der Betriebskosten beiträgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auswerteeinheit als Sollwert eine optimale Ausbeute ermittelt, bei der sich die Anlage mit einem minimalen spezifischen Energiebedarf betreiben lässt, wobei die Auswerteeinheit die Abweichung des Istwerts vom Sollwert errechnet und in Abhängigkeit dieser Abweichung, die Ausbeute variiert.
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Bei der vorliegenden Erfindung ermittelt die Auswerteeinheit die optimale Ausbeute, bei der sich die Anlage mit einem minimalen spezifischen Energiebedarf betreiben lässt. Erfindungsgemäß wird die für den spezifischen Energiebedarf optimale Ausbeute als Führungsgröße zugrunde gelegt.
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Als wesentliche Einflussparameter auf den spezifischen Energiebedarf der Anlage werden der Förderdruck, die Reibungsverluste, der Wirkungsgrad der Pumpe und der Rückgewinnungseinheit, die Ausbeute und der Rückhalt herangezogen.
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Zur Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen dem spezifischen Energiebedarf der Anlage und der Ausbeute, wird der Wirkungsgradverlauf der Pumpe und der Energierückgewinnungseinheit mittels eines Testlaufes der Pumpe bestimmt und als Funktion des Förderdrucks ausgedrückt. Mittels des osmotischen Druckes und den Reibungsverlusten wird der erforderliche Förderdruck bestimmt. Erfindungsgemäß wird eine Funktion für den spezifischen Energieverbrauch der Anlage bereitgestellt, die von der Ausbeute, der Temperatur und dem Salzgehalt abhängt.
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Ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem spezifischen Energiebedarf und der Ausbeute wird vorzugsweise über die folgende Gleichung hergestellt:
(Gleichung 1).
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Im osmotischen Koeffizienten b ist die Temperatur T berücksichtigt. Ein zweckmäßiger Zusammenhang ist durch folgende Gleichung gegeben: b = b'· T / 298K (Gleichung 2).
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Die Auswerteeinheit ermittelt zu dieser Funktion die Ausbeute, bei welcher die Anlage einen minimalen spezifischen Energiebedarf besitzt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ausbeute über das Schluckvolumen der Energierückgewinnungseinheit variiert. Dazu kann der Hub und/oder der Verdrängerraum der Energierückgewinnungseinheit variiert werden. Ebenfalls ist es vorgesehen, die Ausbeute über das Verdrängungsvolumen der Pumpe zu variieren. Dazu werden vorzugsweise Verdrängerpumpen eingesetzt, bei denen der Hub und/oder der Verdrängerraum variiert werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ermittelt die Auswerteeinheit das Minimum des Energieverbrauchs mittels eines Algorithmus, der über eine Extremwertberechnung das Minimum der Funktion errechnet. Um die optimale Ausbeute hinsichtlich der Energieeffizienz herauszufinden, wird der spezifische Energiebedarf der Anlage nach der Ausbeute abgeleitet und die Extremwertberechnung durchgeführt.
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Erfindungsgemäß dient diese, durch Extremwertberechnung ermittelte, optimale Ausbeute als Führungsgröße zur Steuerung der Anlage. In einem nächsten Schritt errechnet die Auswerteeinheit die Abweichung des Istwerts vom Sollwert. In Abhängigkeit dieser Abweichung werden das Verdrängungsvolumen der Pumpe, insbesondere der Hub der Pumpe, und/oder das Schluckvolumen der Energierückgewinnungseinheit, insbesondere der Hub der Energierückgewinnungseinheit, geregelt. Bei Kreiselpumpen kann eine Schaufelverstellung der Laufräder zur Änderung und/oder Regelung des Volumenstroms führen.
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Bei Kreiselpumpen und bei Verdrängerpumpen kann zusätzlich eine Regelung des Volumenstroms und/oder des Druckes über die Drehzahl des Motors, der die Pumpe antreibt, erfolgen. Dazu ist der Motor vorzugsweise mit einem Frequenzumrichter ausgestattet. Der Frequenzumrichter dient zusätzlich beim Anfahren der Pumpe dazu, die Membran zu schonen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Temperatur und der Salzgehalt im Feedstrom gemessen und an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Vorzugsweise erfolgt die Messung mit Sensoren, die in einer Zuleitung vor der Pumpe positioniert sind. Der Druck der Flüssigkeit ist vor der Pumpe deutlich geringer als nach der Pumpe. Dadurch können Niederdruckmessgeräte eingesetzt werden, die preiswerter sind als Sensoren, die für hohe Drücke ausgelegt sind.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung wird der Druck des Feedstroms am Eintritt in die Membraneinheit erfasst. An dieser Stelle hat die Pumpe die Flüssigkeit auf das für die Umkehrosmose erforderliche Druckniveau gebracht. Druckverluste sind an dieser Stelle noch nicht aufgetreten. Weiterhin kann der Druck des Retentatstroms am Austritt aus der Membraneinheit gemessen werden, bevor das Retentat in die Energierückgewinnungseinheit eintritt. Die Signale der Sensoren werden an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Auswerteeinheit errechnet den Druckverlust in der Membraneinheit, der sich als Differenz der beiden erfassten Drücke ergibt.
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Bei einer weiteren Variante der Erfindung wird mittels eines Sensors der Druck des Retentatstroms nach der Energierückgewinnungseinheit erfasst und ebenfalls an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Dadurch kann der Grad der Energierückgewinnung ermittelt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung der Anlage,
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2 ein Diagramm, in dem die spezifische Energie in Abhängigkeit der Ausbeute bei zwei verschiedenen Salzkonzentrationen im Feed aufgetragen ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage zur Meerwasseraufbereitung. Eine Pumpe 1 führt einen Feedstrom 2 einer Membraneinheit 3 zu. Die Membraneinheit 3 trennt den Feedstrom 2 in einen Permeatstrom 4 und einen Retentatstrom 5. Der Retentatstrom 5 wird anschließend einer Energierückgewinnungseinheit 6 zugeführt.
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Ein Sensor 10 erfasst den Salzgehalt und die Temperatur des Feedstroms 2 vor der Pumpe 1. Zusätzlich kann der Druck der Flüssigkeit vor der Pumpe 1 gemessen werden. Sämtliche Messwerte werden an die Auswerteeinheit 7 weitergeleitet.
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Die Auswerteeinheit 7 ermittelt die optimale Ausbeute, bei der die Anlage betrieben werden sollte. Zur Ermittlung der tatsächlichen Ausbeute können der Feedstrom 2 und der Permeatstrom 4 ebenfalls gemessen werden und deren Messwerte an die Auswerteeinheit 7 weitergeleitet werden. Die Auswerteeinheit 7 errechnet den Istwert der Ausbeute als Verhältnis von Permeatstrom 4 zu Feedstrom 2. Weiterhin ermittelt die Auswerteeinheit 7 mittels eines Algorithmus eine optimale Ausbeute als Sollwert, bei der die Anlage mit einem minimalen Energiebedarf betrieben werden kann. Die Abweichung des Istwertes vom Sollwert ergibt eine Regeldifferenz.
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Das Schluckvolumen der Energierückgewinnungseinheit 6 wird beispielsweise über deren Hub in Abhängigkeit dieser Regeldifferenz variiert. Alternativ oder ergänzend kann auch das Verdrängungsvolumen der Pumpe 1, beispielsweise über den Hub der Pumpe 1, variiert werden, um die Ausbeute zu optimieren.
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Weiterhin kann die Drehzahl des Motors 9 variiert werden. Der Motor 9 der Pumpe 1 ist mit einem Frequenzumrichter 8 versehen. Die Auswerteeinheit 7 steht in Wirkverbindung mit dem Frequenzumrichter 8.
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Bei der in 1 dargestellten Anlage erfasst ein Sensor 11 den Druck in der Zuführleitung des Feedstroms 2 von der Pumpe 1 zur Membraneinheit 3. Ein weiterer Sensor 12 misst den Druck in der Abführleitung des Retentatstroms 5 von der Membraneinheit 3 zur Energierückgewinnungseinheit 6. Die Energierückgewinnungseinheit 6 steht über ein Verbindungselement 13 in Wirkverbindung mit der Pumpe 1. Mittels eines Sensors 14 wird der Salzgehalt und der Druck im Permeatstrom 4 erfasst, der die Membraneinheit 3 verlässt. Ein weiterer Sensor 15 misst den Druck des Permeatstroms 5 nach der Energierückgewinnungseinheit 6.
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Die Datenverarbeitung in der Auswerteeinheit 7 erfolgt nach dem folgenden Schema:
- 1.) Vor Eintritt in die Pumpe 1 wird das Meerwasser analysiert. Dabei werden die Temperatur T und der Salzgehalt w gemessen. Die Daten werden an die Auswerteeinheit 7 weitergeleitet.
- 2.) Mittels der Temperatur T und des Salzgehalts w und einem frei gewählten Startwert für die Ausbeute Φ1, vorzugsweise ein Wert zwischen 30 und 50%, wird der osmotische Druck am Ende der Membran errechnet.
- 3.) Unter Berücksichtigung der Druckverluste wird der Druck am Ausgang der Pumpe 1 bestimmt. Wenn die Druckverluste nicht gemessen werden, kann ein bestimmter Wert angenommen werden.
- 4.) Die Wirkungsgrade der Pumpe 1 und der Energierückgewinnungseinheit 6 werden von der Auswerteeinheit 7 mittels eines Programms berechnet. Dazu werden die im Programm hinterlegten Wirkungsgradverläufe herangezogen.
- 5.) Alle ermittelten Daten werden in die abgeleitete Funktion des spezifischen Energiebedarfs eingesetzt. Das Programm gibt eine Zahl x aus.
- 6.) Wenn die Zahl x in einer vorgegebenen Umgebung um 0 liegt, dann ist die Ausbeute optimal, und die Auswertung geht bei Schritt 9.) weiter.
- 7.) Wenn die Zahl x größer als die vorgegebene Umgebung um 0 ist, dann wird Φ1 herunter gesetzt. Wenn die Zahl x kleiner als die vorgegebene Umgebung um 0 ist, dann wird Φ1 hoch gesetzt.
- 8.) Bei einer Änderung von Φ1 wird der Vorgang ab Punkt 2.) wiederholt.
- 9.) Die optimale Ausbeute ist errechnet. Die Auswerteeinheit stellt über das Schluckvolumen der Energierückgewinnungseinheit 6 die errechnete Ausbeute Φ1 ein.
- 10.) Die Anlage läuft solange im optimalen Punkt, bis sich der Salzgehalt w bzw. die Temperatur T ändern. Dann wird wieder bei Punkt 1.) angefangen. Wenn die Druckverluste gemessen werden und eine Änderung der Druckverluste auftritt, dann wird ebenfalls wieder bei Punkt 1.) angefangen. Wenn der Vordruck gemessen wird und sich dieser ändert, dann wird ebenfalls wieder bei Punkt 1.) angefangen.
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2 zeigt den Verlauf des spezifischen Energiebedarfs der Anlage bei verschiedenen Ausbeuten. Dieser wird mit den in 2 angegebenen Randbedingungen nach Gleichung 1 berechnet.
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Der spezifische Energieverbrauch weist bei einer Ausbeute von ca. 40% ein Minimum auf. Bei einem kleineren Salzgehalt ist der spezifische Energieverbrauch niedriger als bei höheren Salzgehalten. Das Minimum des spezifischen Energieverbrauchs verschiebt sich um ca. 0,2 kWh/m3, wenn sich die Gesamtsalzkonzentration um 5000 mg/L ändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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