DE4331102C2

DE4331102C2 - Umkehrosmoseanlage und Verfahren zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage

Info

Publication number: DE4331102C2
Application number: DE4331102A
Authority: DE
Inventors: Karl Walther; Ulrich Taibon; Josef Herberger; Ines Balthes
Original assignee: DWA DIALYSE WASSER AUFBEREITUN
Current assignee: DWA DIALYSE-WASSER-AUFBEREITUNGSANLAGEN GMBH & CO.
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2013-09-15
Also published as: DE4331102A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Permeat, insbesondere für die Dialyse. Derartige Umkehrosmoseanlagen dienen der Auf bereitung des Dialysewassers in Hämodialysestationen von Kliniken.

Kern einer Umkehrosmoseanlage ist ein Umkehrosmosemodul mit einer semi permeablen Membran. Dem Modul wird Leitungswasser zugeführt, in dem Sub stanzen wie anorganische Salze gelöst sind. Um aus dem zugeführten Rohwasser das benötigte Reinwasser zu erzeugen, wird mittels einer Hochdruckpumpe auf der einen Seite der Membran ein hydrostatischer Druck aufgebracht, der größer ist als der osmotische Druck im Rohwasser. In Umkehrung des Vorgangs der na türlichen Osmose diffundiert hierdurch das Lösungsmittel - also das reine Was ser - durch die Membran hindurch, während sich auf der anderen Seite des Systems die im Wasser gelösten Substanzen aufkonzentrieren. Das so erzeugte Reinwasser wird als Permeat bezeichnet, die aufkonzentrierte Lösung als Kon zentrat.

Umkehrosmoseanlagen, die speziell für medizinische Zwecke ausgelegt sind, sollten nicht mit Vorrats- oder Puffertanks ausgerüstet sein, um strömungslöse Totzonen möglichst zu vermeiden und das Verkeimungsrisiko gering zu halten. In Dialysestationen werden deshalb totzonenfreie Ringleitungen verlegt, in de nen das erzeugte Permeat ständig im Kreis fließt und nach Bedarf entnommen wird.

In einer Dialysestation schwankt der Bedarf an Permeat sehr stark. Zwischen Spülphase der angeschlossenen Dialysegeräte und dem sukzessiven Abhängen der Patienten nach der Behandlung können Schwankungen bis zu 75 Prozent auf treten. Üblicherweise wird die Umkehrosmoseanlage deshalb nur bei 60 bis 70 Prozent ihrer Leistungsgrenze betrieben. Ein Teil des überfließenden Konzentrats kann über eine Rückführleitung zur Pumpe rückgeführt und erneut in das Um kehrosmosemodul eingespeist werden, wodurch Energie gespart wird. Über schüssiges Konzentrat, das nicht rückgeführt werden kann, muss aber in den Ab fluss geleitet werden. Das bedeutet, dass ein nicht unbedeutender Anteil des aus dem Zufluss entnommenen Trinkwassers nutzlos als Konzentrat verworfen wird.

Der Systemwirkungsgrad einer Umkehrosmoseanlage der hier in Rede stehenden Art ist definiert durch das Verhältnis zwischen der Menge des erzeugten - und entnommenen - Permeats und der Zulaufmenge von Rohwasser. Der vorliegen den Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Systemwirkungsgrad einer an eine Ringleitung angeschlossenen Umkehrosmoseanlage zu erhöhen.

Bei der Lösung dieses technischen Problems wird ausgegangen von einer Um kehrosmoseanlage mit einem Zufluss für ungereinigtes Rohwasser, einem eine semipermeable Membran enthaltenden Umkehrosmosemodul, einer zwischen Zufluss und Umkehrosmosemodul angeordneten Pumpe zum Aufbau eines ho hen hydrostatischen Drucks vor der Membran, einer ausgangsseitig an das Um kehrosmosemodul angeschlossenen Ringleitung, einer Rückführleitung zur Rückführung über fließenden Konzentrats zur Pumpe und einem Abfluss für überschüssiges Konzentrat. Die EP 0 600 825 A1 offenbart eine Umkehrosmose anlage dieser Art mit Membran-Trennverfahren, bei der mittels eines Stellglieds das Verhältnis der Durchflussraten des Rohwassers und Reinstwassers konstant gehalten wird. Eine weitere, insbesondere für Dialysestationen geeignete Um kehrosmoseanlage ist beispielsweise aus der EP 0 436 098 A2 bekannt.

Gelöst wird das gestellte technische Problem durch die kennzeichnenden Merk male des Patentanspruchs 1 sowie die analogen Verfahrensschritte des auf die Angabe eines Verfahres zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage der erwähnten Art gerichteten Patentanspruchs 4.

Zur Anpassung des Systemwirkungsgrades an die aktuelle Betriebssituation sind erfindungsgemäß zwei separate Regeleinrichtungen vorgesehen. Die Pumpenre gelung regelt in Abhängigkeit der Messwerte des zugehörigen Drucksensors die Motorleistung der Pumpe so, dass ein Druckabfall in der Ringleitung infolge der Entnahme von Permeat sofort ausgeglichen wird, wodurch der Druck in der Ringleitung konstant gehalten wird. Die Konzentratregelung steuert in Abhän gigkeit der Signale von den Durchfluss-Sensoren die angeordneten Regelventile in der Rückführleitung bzw. vor dem Abfluss so, dass immer die maximal zuläs sige Menge überströmenden Konzentrats zur Pumpe rückgeführt und möglichst we nig in den Abfluß geleitet wird. Die gemäß der Erfindung geregelte Umkehros moseanlage zeichnet sich durch einen optimierten Systemwirkungsgrad aus, das heißt, es wird immer gerade so viel Permeat erzeugt, wie von der Dialysestation aus der Ringleitung entnommen wird. Um eine möglichst lange Standzeit der se mipermeablen Membran zu erreichen, wird die Anlage dabei nur bis zu einem bestimmten Systemwirkungsgrad, der von der Qualität des zulaufenden Roh wassers abhängt, betrieben.

Eine weitere Verfeinerung der Regelungscharakteristik kann erreicht werden, wenn zusätzlich der hydrostatische Druck vor der Membran des Umkehrosmose moduls gemessen und der Konzentratregelung als weitere Steuergröße zugeführt wird. Eine erhöhte Betriebssicherheit ergibt sich, wenn darüberhinaus die Menge des entnommenen Permeats laufend mittels eines an der Ringleitung vorgesehe nen Durchflußsensors erfaßt und somit überwacht wird.

Obwohl die Pumpenregelung und die Konzentratregelung meßtechnisch vonein ander unabhängig sind, ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung durch die physikalischen Parameter Druck und Durchflußmenge. Wird beispielsweise die Pumpenleistung infolge der Entnahme von Permeat aus der Ringleitung erhöht, ergibt sich dadurch zwangsweise ein erhöhter Flüssigkeitsdurchsatz, auf den die Konzentratregelung reagiert. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wer den deshalb die Mengen rückgeführten bzw. verworfenen Konzentrats und die Regelung der Pumpe mittels eines Kennlinienfeldes so aufeinander abgestimmt, daß das Verhältnis zwischen der Menge des zulaufenden Rohwassers und des aus der Ringleitung entnommenen Permeats stets möglichst groß ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefüg ten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Umkehrosmoseanlage für eine Dialysestation in einem stark vereinfachten Prinzipbild;

Fig. 2 die Regelung der Anlage von Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellten Umkehrosmoseanlage wird ungereinig tes Rohwasser über einen Zufluß Zu aus der Trinkwasserleitung zugeführt. Kern der Anlage ist ein Umkehrosmosemodul UOM, dessen semipermeable Membran das überfließende Konzentrat von dem durch die Membran hindurchdiffundier ten Permeat trennt. Zwischen Zufluß Zu und Umkehrosmose Modul UOM ist eine Pumpe P angeordnet, die einen hohen hydrostatischen Druck vor der Mem bran aufbaut. Ausgangsseitig ist mit dem Umkehrosmosemodul UOM eine Rin gleitung Ri verbunden, aus der die angeschlossenen Dialysegeräte nach Bedarf Permeat entnehmen. Überfließendes Konzentrat gelangt über eine Rückführlei tung Rü zur Pumpe P zurück. Überschüssiges Konzentrat, das nicht rückgeführt werden kann, wird in einen Abfluß Ab geleitet.

In der Ringleitung Ri ist ein Drucksensor P1 vorgesehen, der die Druckschwan kungen in der Ringleitung infolge Permeatentnahme erfaßt. Mit diesem Druck sensor P1 steht eine elektronische Pumpenregelung PR in Wirkverbindung. Diese regelt die Motorleistung der Pumpe P so, daß der Druck in der Ringleitung Ri möglichst konstant bleibt.

In der Rückführleitung Rü ist ein erster Durchflußsensor S1 vorgesehen, der die Menge des zur Pumpe P rückgeführten Konzentrats erfaßt. Ein zweiter Durch flußsensor S2 erfaßt die Menge des in den Abluß Ab geleiteten Konzentrats. Den beiden Durchflußsensoren S1 und S2 ist jeweils ein Regelventil V1 bzw. V2 zuge ordnet. Eine mit den beiden Durchflußsensoren S1 und S2 sowie den beiden Re gelventilen R1 und R2 in Wirkverbindung stehende elektronische Konzentratre gelung KR steuert die Menge des rückgeführten Konzentrats und die Menge des verworfenen Konzentrats. Ein zusätzlicher Drucksensor P2 mißt den hydrostati schen Druck vor der Membran des Umkehrosmosemoduls UOM und gibt ein entsprechendes Signal als weitere Steuergröße an die Konzentratregelung KR ab.

Ein weiterer, an der Ringleitung Ri vorgesehener Durchflußsensor S3 erfaßt die tatsächlich zu Dialysezwecken entnommene Menge an Permeat. Dieser Wert wird einer Überwachungseinheit ÜE zugeführt, welche die gesamte Anlage über wacht.

Die Regelung der Anlage anhand vorgegebener Istwerte und der erfaßten Soll werte verdeutlicht das Diagramm von Fig. 2.

Die Pumpenregelung PR reagiert auf eine Abweichung des vom Drucksensor P1 gemessenen Ist-Drucks in der Ringleitung Ri vom vorgegebenen Soll-Druck durch eine Erhöhung der Motorleistung der Pumpe P1 und damit des hydrostati schen Drucks vor der Membran des Umkehrosmosemoduls UOM.

Die Konzentratregelung KR reagiert auf Abweichungen der vom Durchflußsen sor S1 gemessenen Ist-Menge des rückgeführten Konzentrats bzw. der Istmenge des über den Abfluß Ab verworfenen Konzentrats von den entsprechenden vor gegebenen Soll-Mengen. Die beiden Regelventile V1 und V2 werden entspre chend gesteuert.

Die Pumpenregelung PR und die Konzentratregelung KR sind mittels eines Kennlinienfeldes so aufeinander abgestimmt, daß das Verhältnis zwischen der Menge des zulaufenden Rohwassers und des entnommenen Permeats möglichst groß ist. Dies soll folgendes Beispiel erläutern: Eine Umkehrosmoseanlage, die bis zu 1.000 Liter Permeat pro Stunde erzeugen kann, versorgt eine Dialyse station, die nur 500 Liter pro Stunde benötigt. Die Pumpenregelung PR regelt deshalb die Motorleistung der Pumpe P auf ungefähr die Hälfte ihrer Nennlei stung herunter. Der hydrostatische Druck innerhalb des Umkehrosmosemoduls UOM stellt sich dabei auf 50 bis 60 Prozent des maximal zulässigen Betriebs druckes ein. Für diesen Druckbereich gibt es einen optimalen Wert für die an der semipermeablen Membran vorbeifließende Menge von Konzentrat. Um einen Sy stemwirkungsgrad von 90 Prozent zu erreichen, darf in diesem Fall höchstens 46 Liter Konzentrat pro Stunde in den Abfluß Ab geleitet werden. Die Pumpenrege lung PR steuert die Regelventile V1 und V2 so, daß sich das vorgegebene Ver hältnis zwischen rückgeführtem und verworfenem Konzentrat einstellt. Die Kon zentratregelung muß ferner die Randbedingung beachten, daß mindestens 800 Liter Konzentrat pro Stunde aus dem Umkehrosmosemodul UOM abfließen muß, um die empfindliche Membran vor einer Überkonzentration und ausfallen den Salzen zu schützen.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

Zu Zufluß
UOM Umkehrosmosemodul
P Pumpe
Ri Ringleitung
Rü Rückführleitung
Ab Abfluß
P1 Drucksensor (an Ri)
P2 Drucksensor (an UOM)
S1 Durchflußsensor (in Rü)
S2 Durchflußsensor (vor Ab)
S3 Durchflußsensor (in Ri)
V1 Regelventil
V2 Regelventil
PR Pumpenregelung
KR Konzentratregelung
ÜE Überwachungseinheit

Claims

1. Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Per meat, insbesondere für die Dialyse, umfassend
einen Zufluß für ungereinigtes Rohwasser;
ein Umkehrosmosemodul mit einer semi permeablen Membran, die das Konzentrat vom Permeat trennt;
eine zwischen Zufluß und Umkehrosmose modul angeordnete Pumpe zum Aufbau eines hohen hydrostatischen Drucks vor der Mem bran;
eine ausgangsseitig an das Umkehrosmose modul angeschlossene Ringleitung, aus der laufend nach Bedarf Permeat entnommen wird;
eine Rückführleitung zur Rückführung überfließenden Konzentrats zur Pumpe;
einen Abfluß für überschüssiges Konzen trat;
gekennzeichnet durch
einen Drucksensor (P1) zur Messung des Drucks in der Ringleitung (Ri);
eine mit dem Drucksensor (P1) in Wirkver bindung stehende elektronische Pumpenrege lung (PR) zur Regelung der Motorleistung der Pumpe (P);
einen ersten Durchflußsensor (S1), der die Menge des zur Pumpe (P) rückgeführten Kon zentrats erfaßt;
einen zweiten Durchflußsensor (S2), der die Menge des in den Abfluß (Ab) geleiteten Kon zentrats erfaßt;
ein erstes Regelventil (V1) in der Rückführ leitung (Rü);
ein zweites Regelventil (V2) vor dem Ab fluß (Ab);
eine mit den beiden Durchflußsensoren (S1) und (S2) sowie den beiden Regelventilen (V1) und (V2) in Wirkverbindung stehende elektro nische Konzentratregelung (KR) zur Steue rung der Menge des rückgeführten Konzen trats und der Menge des verworfenen Kon zentrats.

2. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch einen zusätzlichen, am Umkehros mosemodul (UOM) vorgesehenen und mit der Konzentratregelung (KR) in Wirkverbindung ste henden Drucksensor (P2) zur Messung des hydro statischen Drucks vor der Membran.

3. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen dritten, an der Ringlei tung (Ri) vorgesehenen Durchflußsensor (S3) zur Erfassung der Menge des entnommenen Permeats.

4. Verfahren zur Regelung einer Umkehrosmose anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1, gekennzeichnet durch die Verfahrens schritte:

- Messen des Drucks in der Ringleitung;
- Erfassen der Menge des zur Pumpe rückge führten Konzentrats;
- Erfassen der Menge des in den Abfluß gelei teten Konzentrats;
- Steuerung der Menge des rückgeführten Konzentrats und der Menge des verworfenen Konzentrats;
- Regelung der Motorleistung der Pumpe in Abhängigkeit des Drucks in der Ringleitung und der Mengen rückgeführten bzw. verwor fenen Konzentrats.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der hydrostatische Druck vor der Membran des Umkehrosmosemoduls gemessen und der Konzentratregelung als Steuergröße zuge führt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Menge des aus der Ringlei tung entnommenen Permeats erfaßt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Mengen rückgeführten bzw. verworfenen Konzen trats und die Regelung der Pumpe mittels eines Kennlinienfeldes so aufeinander abgestimmt wer den, daß das Verhältnis zwischen der Menge des zulaufenden Rohwassers und des aus der Ringlei tung entnommenen Permeats stets möglichst groß ist.