DE19854651C1 - Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels ionenselektiver Sensorik sowie Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels ionenselektiver Sensorik sowie Anordnung zur Durchführung eines derartigen VerfahrensInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels ionenselektiver Sensorik. Erfindungsgemäß wird ein Abzweigen eines eine minimierte Leckrate aufweisenden Teilstroms des Prozeßwassers vorgenommen, wobei der Teilstrom über eine steuerbare Ventileinheit auf eine Sensorik gelangt. Weiterhin erfolgt ein Festlegen von Steuergrößen für den Teilstrom auf der Basis eines von einer Steuereinheit für die Ionentauscheranlage vorgegebenen Prozeßsignals, wobei diese Steuergrößen auf die Ventileinheit geführt sind, derart, daß der Teilstrom sich zeitgleich zur Prozeßwasserströmung einstellt. Die ionenselektive Sensorik dient der laufenden Überwachung von Konzentrationsverhältnissen im Teilstrom, wobei mit Erreichen oder Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Regenerationsprozeß der Ionentauscheranlage durchgeführt wird. Außerhalb von Entnahmezeiten von Prozeßwasser wird der Teilstrom unterbrochen und über die Ventileinheit der Sensorik Kalibrierflüssigkeit zur Eichung und Kontrolle zugeführt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit
durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels ionenselek
tiver Sensorik sowie eine Anordnung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens.
Aus der DE 32 35 808 A1 ist ein Sensor zum Messen des Aus
tauschzustands eines Ionenaustauschers sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines derartigen Sensors bekannt.
Gemäß dortiger Lösung wird vorgeschlagen, daß das Gate eines
ionensensitiven Feldeffekttransistors, auf welches eine Membran
ionensensitiven Materials aufgebracht ist, in den Ionenaus
tauscher eintaucht. Weiterhin wird die Membran im wesentlichen
aus der Austauschersubstanz hergestellt, die im Ionenaus
tauscher verwendet wird. Mit Hilfe eines derartigen Sensors
kann der Zustand bezüglich der Belastung des Austauschers
bestimmt werden, jedoch können keine Aussagen hinsichtlich der
Härte von Prozeßwasser, welches durch den Ionenaustauscher
fließt, erfolgen.
Weiterhin ist ein Verfahren zur zyklischen Regeneration einer
Wasserenthärtungsanlage aus der US 4,379,057 vorbekannt, wobei
gemäß dortiger Lösung in vorgegebenen Zeitintervallen unter
Beachtung der Eingangshärte des Speisewassers der Regenera
tionsprozeß eingeleitet wird. Durch die vorstehend beschriebene
Maßnahme ist jedoch eine optimale Ausnutzung der Ionentau
scherharze nicht oder nur eingeschränkt möglich, wobei Aussagen
über die Restwasserhärte nicht gewonnen werden können.
Letztendlich zeigt die EP 0 154 278 A2 einen Härtefühler für
Wasserenthärtungsanlagen, wobei dort der Fühler mit einer
Füllung aus ionenaustauschendem Schrumpfharz, welche eine
einzige freie Oberfläche aufweist, über einen Kolben in
Verbindung steht. Mit einem derartigen Fühler wird die Härte
quasi indirekt über die Volumenveränderung des Schrumpfharzes
bestimmt. Die Messung selbst ist relativ träge und aufgrund
ihrer Ungenauigkeit für Steuerungs- und Regelungszwecke nicht
verwendbar.
Wie oben anhand des bekannten Standes der Technik exemplarisch
dargelegt, ist die Enthärtung von Wasser mittels Ionenaus
tauscher bekannt, wobei mit dem Durchfluß des Wassers durch
schwachsaure Kationen Austauscherharze die zwei-wertigen Ionen,
wie Calcium und Magnesium, wesentlich stärker an das Aus
tauschharz gebunden werden, als die ein-wertigen Natriumionen.
Damit erhält man am Ausgang des Ionenaustauschers eine höhere
Natrium- als Calcium- und Magnesiumkonzentration. Eine
Vollentsalzung und damit auch weitere Enthärtung ist durch
Hintereinanderschaltung, d. h. Kaskadenbildung von starken
Kationen- und Anionenaustauschern erzielbar.
Entsprechend gegebener Harzaffinität zu den Härtebildnern
können für das aufbereitete Wasser Härtegrade < 0,1° dH erzielt
werden. Mit abnehmender Konzentrationsdifferenz zwischen den
Austauschionen wird der Austauschvorgang im Ionenaustauscher
langsamer, bis sich ein entsprechendes chemisches Gleichgewicht
eingestellt hat.
Gleichzeitig steigt die Konzentration der Härtebildner am
Ausgang der Ionentauscheranlage stetig an. Bei Überschreitung
einer vorgegebenen Härteobergrenze muß die Anlage außer Betrieb
genommen werden und es ist eine Regeneration der Ionenaus
tauscher notwendig.
Wie exemplarisch anhand der US 4,379,057 dargelegt, erfolgt die
Steuerung eines automatischen Umschaltens zwischen Betrieb und
Regeneration der Austauscheranlage über Verfahren, die in bezug
zur überwachenden Resthärte sehr ungenau und unwirtschaftlich
sind. So müssen beispielsweise nach vorgegebenen Dimensionie
rungsvorschriften die Durchflußmengen der Anlagen überwacht und
sicherheitsbezogen vorzeitig umgeschaltet werden.
Alternativ zur zitierten Lehre nach EP 0 154 278 A2 ist eine
fotometrische Bestimmung der Resthärte am Ausgang einer Ionen
tauscheranlage vorgeschlagen worden. Die gegebene begrenzte
optische Auflösung verbunden mit den diskontiunierlichen Meß
verfahren gestatten jedoch keine wirtschaftliche und kon
tinuierliche Resthärteüberwachung im gegebenen Grenzbereich.
Aus dem zitierten Stand der Technik ist ersichtlich, daß das
Erkennen ansteigender Konzentration der Härtebildner am Ausgang
eines Ionenaustauschers vor dem Überschreiten einer vorgege
benen Obergrenze maßgeblich für den wirtschaftlichen Betrieb
respektive die geforderte hohe Betriebssicherheit der Folge
prozesse ist. Dieser Zeitpunkt läßt sich jedoch nicht wie
vorgeschlagen statistisch vorausbestimmen, da die im Ionenaus
tauscher ablaufenden Vorgänge komplexer chemischer Natur sind,
wobei zusätzlich dynamische Prozesse der Ionenaustauscherkine
matik, wie Ionenstärke, Harzaffinität, Diffusions- und Fließ
geschwindigkeiten eine entscheidende Bedeutung haben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
einer Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerations
einheit durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels
ionenselektiver Sensorik anzugeben, das es gestattet, die
Kapazität der Ionentauscherharze in der Anlage optimal zu
nutzen, den Wasserverbrauch für Spül- und Regenerierungs
prozesse zu minimieren und letztendlich die Wirtschaftlichkeit
und die Betriebssicherheit für nachgeordnete Prozesse zu
erhöhen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Ver
fahren gemäß Definition nach Patentanspruch 1 sowie mit einer
Anordnung umfassend die Merkmale nach Patentanspruch 4, wobei
die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen darstellen.
Erfindungsgemäß wird aus der Prozeßwasserströmung ein Teilstrom
abgezweigt, wobei der Teilstrom eine minimierte Leckrate
besitzen soll. Dieser Teilstrom wird über eine steuerbare
Ventileinheit auf eine ionenselektive Sensorik geführt.
Weiterhin werden erfindungsgemäß Steuergrößen für den Teilstrom
bereitgestellt, wobei hierfür auf ein Prozeßsignal für die
Steuereinheit der Ionentauscheranlage zurückgegriffen wird.
Diese Steuergrößen gelangen auf die Ventileinheit, so daß sich
der Teilstrom zeitgleich zur Prozeßwasserströmung einstellt.
Der Teilstrom wird hinsichtlich seiner Ionenkonzentration mit
einer speziellen Sensorik überwacht, wobei mit dem Erreichen
und/oder dem Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Rege
nerationsprozeß der Ionentauscheranlage ausgelöst und durch
geführt wird.
Außerhalb von Entnahmezeiten von Prozeßwasser wird der Teil
strom unterbrochen und es besteht in bevorzugter Weise die
Möglichkeit, über die Ventileinheit der Sensorik Kalibrier
flüssigkeit zur Eichung und Kontrolle zuzuführen.
Zum Erreichen der gewünschten Meßgenauigkeiten wird die
bestimmte Ionenkonzentration mit erfaßten Temperaturwerten des
Teilstroms im Probenkanal korreliert.
Anordnungsseitig ist gemäß der Erfindung am Ausgang der
Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit
ein Teilstromkanal vorhanden, welcher von der Prozeßwasser
führung abzweigt. Der Teilstromkanal steht mit mindestens einem
Ventil einer Ventilgruppe, die wiederum eine Ventileinheit
bildet, in Verbindung.
Die Ausgänge der Ventile führen auf einen Probenkanal, wobei im
Probenkanal mindestens ein ionenselektiver Ca-/Mg-Sensor sowie
ein Temperatursensor angeordnet sind. Die vorstehend genannten
Sensoren liefern Ausgangssignale, die an einen Meßautomaten,
umfassend eine elektronische Auswerteeinrichtung gelangen.
Die Steuereinheit für die Ionentauscheranlage ist mit dem
Meßautomaten so verbunden, daß ein bidirektionaler Signal
austausch erfolgen kann. Der Meßautomat selbst liefert
Steuersignale zur Ventileinheit.
Anordnungsseitig wirkt die Ventileinheit weiterhin mit einem
Speicher zur Aufnahme von Kalibrierflüssigkeiten zusammen,
wobei jeweils mindestens ein Speichergefäß auf mindestens ein
Ventil der Ventilgruppe führt.
Um möglichst geringe Leckraten bezüglich der Prozeßwasser
strömung zu erreichen, besitzt der Probenkanal einen geringen
Durchmesser, bevorzugt im Bereich ≦ 3 mm.
Zum definierten Einstellen und Steuern des Teilstroms ist eine
Pumpe vorhanden, welche vom Meßautomaten aktivierbar ist.
Alternativ besteht die Möglichkeit, daß sich die Teilströmung
hydrostatisch einstellt.
Der Meßautomat kann über eine geeignete Schnittstelle mit einem
Personal Computer zur Datenauswertung und Vorgabe von Steuer
größen verbunden werden, wobei die Datenübertragung sowohl
drahtlos als auch drahtgebunden erfolgen kann. Für die draht
lose Übertragung wird bevorzugt eine Telemetrieeinheit verwen
det, und es besteht die Möglichkeit, datenübertragungsseitig
ein öffentliches GSM-, UMTS- oder DECT-Standard-Telekommuni
kationsnetz zu nutzen.
Die Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit besitzt
elektrisch oder hydraulisch ansteuerbare Stellventile, um die
Betriebsführung von Enthärten auf Regenerieren respektive
Spülen umstellen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in Verbindung mit der
zugehörigen Anordnung eine kontinuierliche, qualitätsorien
tierte Grenzwertüberwachung bezüglich der Belastung eines
Ionenaustauschers auf der Grundlage der Ermittlung der Rest
härte, verbunden mit einer automatisierten Betriebssteuerung
der Ionentauscheranlage selbst. So kann mit Inbetriebnahme der
Enthärtungsanlage für den nachfolgenden Prozeß sofort und
ständig der Prozeßwasser-Härtegrad überwacht und beeinflußt
werden. Insbesondere dann, wenn die Anlagen bereits längeren
Standzeiten ausgesetzt waren, kann dies über die Bestimmung des
Härtegrads sofort erkannt werden und es können geeignete
Maßnahmen getroffen werden, um nicht den Anforderungen Genüge
tragendes Prozeßwasser von nachgeordneten Einrichtungen fern
zuhalten bzw. um ein rechtzeitiges Umschalten auf redundant
vorhandene Ionenaustauscher zu veranlassen.
Ein weiterer Vorteil liegt erfindungsgemäß darin, daß eine
Eigenüberwachung durch das Verfahren möglich ist, wobei hier
auf eine automatische Eichung und Kalibrierung außerhalb der
Enthärtungszeiten zurückgegriffen wird.
Demnach werden die Meßwerte mit hoher Genauigkeit und repro
duzierbar bereitgestellt, indem vorab bzw. zyklisch eine auto
matisierte Kalibrierung für definierten Flüssigkeiten erfolgt.
Diese Flüssigkeiten werden durch entsprechendes Öffnen oder
Schließen der Ventile bzw. der Ventilgruppe in der Ventilein
heit dem Probenkanal zugeführt, welcher dann temperaturbewertet
im Durchfluß die Ionenkonzentration der Eichflüssigkeiten
bestimmt, um einen Eichprozeß auszulösen respektive Korrektur
werte bereitzustellen, die bei nachfolgender in situ-Messung
Berücksichtigung finden.
Durch den angeschlossenen Personal Computer besteht die
Möglichkeit einer intelligenten Datenauswertung sowie zum
Langzeitmonitoring der beschriebenen Anordnung.
Über den Meßautomaten können die Stellventile zur Betriebs
führung der Ionentauscheranlage nach dem Master-Slave-Betrieb
angesteuert werden, so daß automatisch nach Erreichen bestimm
ter Sättigungsgrenzen der Ionenaustauscher die angeschlossene
Regenerationseinheit aktivierbar ist, wodurch sich insgesamt
eine optimalere Ausnutzung des Leistungsvermögens der Ionen
austauscher über ein vorgegebenes Zeitintervall einstellt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei
spiels sowie unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert
werden.
Die Figur zeigt hierbei eine prinzipielle Darstellung des
Aufbaus einer Anordnung, mit deren Hilfe ein Betreiben einer
Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit
durch in situ-Messung der Wasserhärte erfolgen kann.
Eine Speisewasserzuführung 3 gelangt auf eine Baugruppe zur
Wasserenthärtung, welche mindestens einen Ionenaustauscher 1
und eine zugeordnete Regenerationseinheit 2 umfaßt. Ausgangs
seitig dieser Baugruppe steht enthärtetes Prozeßwasser 4 zur
Verfügung.
An geeigneter Stelle zweigt ein Teilstromkanal 7 von der
Prozeßwasserführung 4 ab.
Die Regenerationseinheit 2 und der Ionenaustauscher 1 werden
über eine Steuereinheit 5, die nicht gezeigte Stellventile
aktiviert, betrieben.
Die Güte des Prozeßwassers 4 aus dem Speisewasser 3 wird durch
eine kontinuierliche Überwachung der Teilströmung im Teil
stromkanal 7, der durch die Meßeinrichtung 6 fließt, quasi am
Prozeß orientiert ermittelt.
Der Teilstromkanal 7 führt auf eine Ventileinheit 9, welche
mehrere Ventile oder Ventilgruppen umfaßt. Ausgangsseitig der
Ventileinheit 9 befindet sich ein Probenkanal, der durch eine
Sensoreinheit 11 hindurchführt. Die Strömung im Teilstromkanal
7 bzw. im Probenkanal wird entweder mit Hilfe einer Pumpe 10
bestimmt oder stellt sich durch den gegebenen hydrostatischen
Druck ein.
Der Probenkanal weist einen sehr kleinen Durchmesser zum
Gewährleisten einer minimalen Leckrate, bevorzugt ≦ 3 mm auf.
Der in der Meßeinrichtung 6 integrierte Meßautomat bildet eine
weitere Steuereinheit, welche bidirektional mit der Steuerein
heit 5 für die Regenerationseinheit 2 bzw. den Ionenaus
tauschern 1 verbunden ist.
Die Steuereinheit des Meßautomaten 8 gibt prozeßorientiert
Steuergrößen für die Ventileinheit 9 vor, so daß der Strom im
Probenkanal definiert einstellbar ist.
In der Sensoreinheit 11 ist mindestens ein ionenselektiver Ca-
/Mg-Sensor 12 mit einer Meßempfindlichkeit im Bereich bis zu
10-7 mol/l sowie ein Temperatursensor mit einer Temperaturdrift
< ±0,1 K angeordnet, welche Ausgangssignale liefern, die auf
die Steuereinheit des Meßautomaten 8 gelangen.
Über einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen der Steuer
einheit 5 und dem Meßautomaten 8 wird analog zur Strömung des
Prozeßwassers 4 der Teilstrom im Teilstromkanal 7 bzw. der
Strom im Probenkanal realisiert, indem die Ventileinheit 9
zeitgleich mit Steuerausgangssignalen der Steuereinheit 5
aktiviert wird.
In dem Fall, wenn eine erreichte Grenze maximaler Belastung der
Ionenaustauscher 1 durch geänderten Härtegrad mittels der
Sensoreinheit 11 ermittelbar ist, wird über den Meßautomaten 8
der Steuereinheit 5 ein Umschaltbefehl zugeleitet, so daß der
Regenerationsprozeß eingeleitet werden kann.
Hierdurch ist sichergestellt, daß die Ionentauscheranlage vor
gegebene Grenzwerte nicht überschreitet und der Regenerations
prozeß zu einem optimalen Zeitpunkt und im gewünschten Umfang
eingeleitet wird.
Außerhalb von Entnahmezeiten des Prozeßwassers 4 erfolgt eine
Eigenüberwachung der Meßeinrichtung 6, indem mittels des
Meßautomaten 8 und der dort befindlichen Steuerung und der
Ventileinheit 9 in Verbindung mit dem Kalibrierspeicher 14
Eichzyklen mit definierten Kalibrierflüssigkeiten veranlaßt
werden. Durch Schließen des Ventils für den Teilstromkanal 7
und Öffnen der mit dem Kalibrierspeicher verbundenen Ventile
oder einer entsprechenden Ventilgruppe gelangen dann, ggfs.
selektiv einzelne Flüssigkeiten in die Sensoreinheit 11,
wodurch die gewünschte Eichung bzw. das Ermitteln von
Kalibriergrößen für die nachfolgende in situ-Messung
realisierbar ist.
Ein Personal Computer-System 15 kann über eine Schnittstelle an
die Steuereinheit des Meßautomaten 8 angeschlossen werden, um
ein Langzeitmonitoring, aber auch eine qualitative Bewertung
des Sensorsystems in der Sensoreinheit 11 durchzuführen.
Alternativ oder über das PC-System 15 besteht die Möglichkeit
der Fernwartung oder zur telemetrischen Datenübertragung, indem
die vorgesehene Schnittstelle am Meßautomaten 8 mit einem
geeigneten Modem verbunden wird, welches einen Datentransfer
über öffentliche Telekommunikationsnetze gestattet.
Insgesamt ermöglicht die mit dem Ausführungsbeispiel beschrie
bene Lösung eine kontinuierliche qualitätsorientierte Grenz
wertüberwachung, nämlich der Resthärte des Prozeßwassers,
welches über eine Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage geführt
wird. Durch laufende Messung der Härtewerte kann auf den
Belastungszustand des oder der Ionenaustauscher geschlossen
werden, um einen Regenerationsprozeß rechtzeitig einzuleiten.
In Entnahmepausen wird automatisch über geeignete Einrichtungen
ein Eich- und Kalibrierprozeß eingeleitet, so daß die ge
wünschten Meßgenauigkeiten erreicht werden können. Letztendlich
gelingt unter Anwendung des Verfahrens, die Kapazität des
Ionentauscherharzes optimal auszunutzen und den Verbrauch von
Wasser für Spül- und die erwähnten Regenerationsprozesse zu
minimieren, so daß sich die Wirtschaftlichkeit entsprechender
Enthärtungsanlagen erhöht.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs- und
Ionenaustauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-
Messung der Wasserresthärte mittels ionenselektiver Sensorik,
gekennzeichnet durch
- 1. Abzweigen eines eine Minimale Leckrate aufweisenden Teilstroms des Prozeßwassers, wobei der Teilstrom über eine steuerbare Ventileinheit auf die Sensorik gelangt;
- 2. Festlegen von Steuergrößen für den Teilstrom auf der Basis eines von einer Steuereinheit für die Ionentauscheranlage vorgegebenen Prozeßsignals, wobei diese Steuergrößen auf die Ventileinheit geführt sind, so daß der Teilstrom sich zeit gleich zur Prozeßwasserströmung einstellt, und
- 3. laufende Überwachung von Ionenkonzentrationen im Teilstrom mittels der Sensorik, wobei mit Erreichen oder Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Regenerationsprozeß der Ionen tauscheranlage durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
außerhalb der Entnahmezeiten von Prozeßwasser der Teilstrom
unterbrochen wird und über die Ventileinheit der Sensorik
Kalibrierflüssigkeiten zur Eichung und Kontrolle zugeführt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die gemessene Ionenkonzentration mit erfaßten Temperaturwerten
des Teilstroms im Probenkanal korreliert wird.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. ausgangsseitig der Wasserenthärtungs-Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit (1; 2) aus der Prozeßwasserführung (4) ein Teilstromkanal (7) abzweigt, wobei der Teilstromkanal (7) mit einer steuerbaren Ventileinheit (9) verbunden ist,
- 2. die Ausgänge der Ventile auf einen Probenkanal führen und im Probenkanal mindestens ein ionenselektiver Ca-/Mg-Sensor (12) sowie ein Temperatursensor (13) angeordnet sind, welche Ausgangssignale liefern, die in einen Meßautomaten (8) gelangen,
- 3. die Steuereinheit (5) für die Ionentauscheranlage mit dem Meßautomaten (8) zum bidirektionalen Signalaustausch ver bunden und der Meßautomat (8) mit der Ventileinheit (9) verbunden ist und
- 4. weiterhin der Ventileinheit (9) ein Speicher (14) zur Auf nahme von Kalibrierflüssigkeiten vorgeschaltet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Probenkanal zum Gewährleisten kleiner Leckraten einen
Durchmesser im Bereich von vorzugsweise ≦ 3 mm aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Pumpe (10) zur Steuerung des Teilstroms in der Meßein
richtung (6) vorhanden ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Meßautomat (8) über eine Schnittstelle mit einem Personal
Computer (15) zur Datenauswertung und Vorgabe von Steuergrößen
verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ionentauscheranlage mit Regenerationseinheit (1; 2)
elektrisch oder hydraulisch ansteuerbare Stellventile zur
Betriebsführung aufweist.
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