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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Zugabe von Dosiermittel zur Entmischung in einem Behältnis.
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Bei der Dosierung von Fällmittel, im Allgemeinen Dosiermittel, zur Förderung des Absetzverhaltens z. B. zur Entmischung bei der Rohstoffgewinnung kamen bisher nur Verfahren wie etwa eine dauerhaft konstante Dosierung oder eine Dosierung nach Erfahrung zum Einsatz.
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Fällungsmittel werden zuzugeben, damit kleinere Teilchen zu größeren Makroflocken, oder Flocken, agglomerieren.
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Es ist für eine Anwendung im Absetzbecken in einer Kläranlage eine Fällmitteldosierregelung bekannt, welche anhand der Feststoffmessung am Auslauf misst und entsprechend mehr oder weniger Fällmittel zusetzt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass die Reaktionszeit der Regelung aufgrund der Verzögerung relativ schlecht ist.
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Eine bessere Regelung ergibt sich mit einer schnurgebundenen Entnahme einer Probe, die in mehreren Tiefen erfolgt. Nachteilig ist jedoch die Kollision mit einem Räumer, Messdauer, Verschmutzung und Verschleiß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dosierung von Fällmittel zu optimieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte: Senden von Ultraschallwellen im Wesentlichen senkrecht in das Behältnis; Empfangen von Echosignalen der ausgesendeten Ultraschallwellen über das gesamte vertikale Profil des Behältnisses; Bestimmen eines Dichteprofils über das vertikale Profil des Behältnisses anhand der Echosignale; und Zugeben von Dosiermittel basierend auf dem Dichteprofil.
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Wie erwähnt ist es nötig, Flockungsmittel oder Fällungsmittel, im Allgemeinen Dosiermittel, zuzugeben um eine Entmischung zur erreichen. Dadurch entstehen Flocken bzw. eine Flockung. Durch diese Flockung werden feinste suspendierte oder kolloidale Fremdbestandteile des Wassers koaguliert, um sie so durch Sedimentation oder Filtration besser aus dem Wasser abscheiden und entfernen zu können.
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Das beanspruchte „Dichteprofil“ ist somit eine Konzentration der Flocken über der Tiefe des Behältnisses, d.h. ein Maß darüber wo und wie viele Flocken sich entlang der Tiefe befinden.
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Kennt man die Verteilung der Flocken über der Tiefe, ist es möglich genau so viel Dosiermittel einzubringen wie auch tatsächlich nötig ist. Weder entsteht „Überflockung“ noch entsteht gar keine Flockung. Es ergibt sich bei gleichbleibender Qualität ein geringerer Verbrauch an Dosiermittel.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass Dosiermittel in einer bestimmten Tiefe eingebracht wird. In einer Ausgestaltung wird das Dosiermittel im Bereich des Bodens des Behältnisses eingebracht. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Dosiermittel eine geringere Dichte aufweist als das Medium im Behältnis. In einer Ausgestaltung wird das Dosiermittel durch ein Zulaufrohr zugegeben. In einer Ausgestaltung wird das Dosiermittel mittels eines Skimmers eingebracht. Durch den Skimmer wird die Ausflockung entfernt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Geschwindigkeit wie schnell sich die Flocken bewegen ermittelt wird.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass vor dem Bestimmen des Dichteprofils eine erste Menge an Dosiermittel in das Behältnis gegeben wird. Dadurch entstehen eine Anzahl an Flocken, wobei diese Konzentration als „Dichteprofil“ gemessen wird.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Dichteprofil über seinen zeitlichen Verlauf gemessen wird, und das Zugeben von Dosiermittel zusätzlich basierend auf dem zeitlichen Verlauf des Dichteprofils erfolgt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei Dosiermittel um Fällmittel oder Flockungsmittel handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Menge, insbesondere die Menge pro Zeiteinheit, an Dosiermittel mittels Methoden der Künstlichen Intelligenz oder der Mustererkennung bestimmt wird.
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Das Auffinden eines Algorithmus für die Menge an Dosiermittel anhand des Dichteprofils erfordert großen Aufwand. Die Verwendung einer Methode der künstlichen Intelligenz ist somit vorteilhaft. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Methode der Künstlichen Intelligenz um Künstliche Neuronale Netze handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Künstliche Intelligenz als Eingabedatensatz zumindest einen der Parameter Dichteprofil, Verlauf des Dichteprofils, Geschwindigkeit der Flocken, insbesondere an der Oberfläche, oder Absinkprofil umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass für das Künstliche Neuronale Netze als Lernmethode Überwachtes Lernen oder Bestärkendes Lernen verwendet wird.
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Als Ausgabe der Berechnung ergibt sich eine Dosieranweisung für einen Strom, insbesondere einen Massenstrom, an Dosiermittel für das Behältnis.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Empfangen von Echosignalen der ausgesendeten Ultraschallwellen mittels eines Ultraschallsensor erfolgt, und der Ultraschallsensor im Behältnis und im zu messenden Medium angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Verwendung des Verfahrens wie oben beschrieben in der Wasseraufbereitung, insbesondere in einer Kläranlage.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Verwendung des Verfahrens wie oben beschrieben bei der Flotation, insbesondere bei der Rohstoffgewinnung.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figur näherer erläutert.
- 1 zeigt eine mögliche Anwendung des beanspruchten Verfahrens.
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1 zeigt ein Behältnis 7, etwa ein Becken. Darin befindet sich Medium 3. Es handelt sich etwa um ein Becken zur Wasseraufbereitung oder um ein Becken, das bei der Rohstoffgewinnung benötigt wird (siehe unten).
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Jeder Anwendung gemein ist das Vorhandensein verschiedener Schichten 6a, 6b, 6c sowie einer „untersten Schicht“ 5. Die Schichten 5, 6a-c sind nicht unbedingt eindeutig abgrenzbar und scharf trennbar wie dargestellt, sondern gehen fließend ineinander über. Es liegt in der Regel eine Suspension oder Dispersion vor verschiedener Partikel vor.
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Im Medium 3 können kolloidale Partikel (Durchmesser < 1 µm), beispielsweise Plankton, Huminstoffe, Tone, Hydroxide etc. vorliegen. Dann unterliegen sie stärker der Brownschen Molekularbewegung, so dass sie nicht durch Sedimentation absinken. Die Teilchen sind an ihrer Oberfläche meist negativ geladen und stoßen sich durch elektrostatische Effekte ab.
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Wie erwähnt ist es somit nötig, Flockungsmittel oder Fällungsmittel, im Allgemeinen Dosiermittel, zuzugeben.
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Werden die oben genannten Kräfte durch Zugabe von Flockungshilfsmittel überwunden, so agglomerieren die kleinen Teilchen zu größeren Makroflocken, die durch die Brownsche Molekularbewegung weniger beeinflusst werden und deshalb sedimentieren.
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Durch Flockung werden feinste suspendierte oder kolloidale Fremdbestandteile des Wassers koaguliert, um sie so durch Sedimentation oder Filtration besser aus dem Wasser abscheiden und entfernen zu können.
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Fällungsreaktionen nennt man chemische Reaktionen, bei denen die Reaktanten im Lösungsmittel gelöst vorliegen und mindestens ein Produkt der Reaktion in diesem Lösungsmittel un- oder schwerlöslich ist oder die Lösung durch Abkühlen übersättigt wird. Fällungsmittel sind Stoffe oder Stoffgemische, welche die Ausfällung gelöster Stoffe zu unlöslichen Feststoffen bewirken.
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Der auszuscheidende Stoff sinkt somit zu Boden und kann über einen Auslass 4 abgelassen werden. Dies erfolgt entweder kontinuierlich, oder wenn die unterste Schicht 5 eine bestimme Dicke erreicht.
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Es ist wichtig das richtige Maß des Dosiermittels zu finden.
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Der Füllstandsensor 1 sendet dazu Ultraschallwellen 2 in das Medium 3. Der Sensor 1 empfängt die Echosignale der ausgesendeten Ultraschallwellen 2 über das gesamte vertikale Profil des Behältnisses 7. Der Ultraschallsensor 1 ist mit einer Datenverarbeitungseinheit verbunden, oder diese ist in den Sensor 1 eingebaut, welche das Dichteprofils über das gesamte vertikale Profil des Behältnisses 7 anhand der Echosignale bestimmt. Basierend darauf wird Dosiermittel zugegeben.
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Dadurch, dass das Medium 7 als Suspension vorliegt, ergeben sich sehr viele Echosignale. Anhand der Vielzahl an Echosignalen wird dann das Dichteprofil erstellt. Es erfolgt also eine Transformation der Vielzahl an Echos auf das tatsächliche Dichteprofil. „Dichteprofil“ im Sinne dieser Anmeldung ist die Konzentration der Flocken über den vertikalen Verlauf des Behältnisses 7.
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Das Dichteprofil wird über seinen zeitlichen Verlauf gemessen, und das Zugeben von Dosiermittel basiert zusätzlich auf dem zeitlichen Verlauf des Dichteprofils.
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Je nach Dichteprofil, aber auch je nach Verlauf des Dichteprofils, Geschwindigkeit der Flocken, insbesondere an der Oberfläche, oder Absinkprofil, d.h. wie schnell und ob überhaupt die Flocken zu Boden sinken, muss mehr oder weniger Dosiermittel zugegeben werden. Das Zugeben des Dosiermittels kann über eine Regelung erfolgen, wobei es nicht darauf ankommt, die richtige Menge an Dosiermittel zu dosieren, sondern auch mit der richtigen Geschwindigkeit. Dadurch wird eine hohe Regelgüte erreicht und Schwingungen vermieden. Ziel ist es die Standzeit der Medien im Absetzbecken zu verkürzen. Dadurch wird ein größerer Durchlauf und damit eine höhere Produktion erzielt.
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Die Menge, insbesondere die Menge pro Zeiteinheit, an Dosiermittel wird mittels Methoden der Künstlichen Intelligenz oder der Mustererkennung bestimmt. Zu nennen sind hier beispielsweise (Künstliche) Neuronale Netze.
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Im Folgenden soll noch kurz auf die Flotation als eine Anwendung beispielsweise bei der Rohstoffgewinnung eingegangen werden.
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Nach der Zerkleinerung von erzhaltigem Gestein wird dieses einem Flotationsprozess zugeführt. In diesem Prozess wird das Mineral von dem „Abfallgestein“ getrennt. Abhängig davon ob es sich um direkt oder indirekte Flotation handelt, wird entweder das Mineral oder das „Abfallgestein“ durch Zugabe eines „Collector-Mittels“ und Luft durch Schaumbildung die Oberfläche des Beckens gebracht.
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Das Mineral kommt danach in einen Eindicker („Thickener“). Dort wird es aufkonzentriert. Es entsteht Konzentrationsgefälle von der Beckenoberfläche nach unten hin ansteigend. Je nach „Thickener“-Typ entstehen dabei tiefenabhängig zwei bis mehrere Schichten unterschiedlicher Konzentration. Speziell bei sogenannten „High-Speed Thickener“ können viele Zwischenschichten entstehen. Durch Zugabe von Flockungsmittel wird der Sedimentationsprozess beschleunigt. Das am Beckenboden gesammelte Konzentrat wird schließlich nach unten abgepumpt und den weiteren Verarbeitungsprozessen zugeführt.
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Das Abfallgestein wird in einen anderen Eindicker geleitet. Dort findet ebenfalls ein Sedimentationsprozess statt, der gegebenenfalls durch Zugabe von Flockungsmittel beschleunigt wird. Das aufkonzentrierte Abfallgestein wird dann dem Entsorgungsprozess zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllstandsensor
- 2
- Ultraschall
- 3
- Medium
- 4
- Auslass
- 5
- unterste Schicht
- 6a/b/c
- einzelne Schichten
- 7
- Becken
