WO2000030750A2 - Method for operating a water softening ion exchanger system with regenerative unit by measuring in situ the water hardness by means of an ion-selective sensory mechanism and arrangement for carrying out such a method - Google Patents

Method for operating a water softening ion exchanger system with regenerative unit by measuring in situ the water hardness by means of an ion-selective sensory mechanism and arrangement for carrying out such a method Download PDF

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ion exchanger
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Winfried Schellbach
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    • G01N33/1853—Hardness of water

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a water softening ion exchanger system with regeneration unit by in-situ measurement of the residual water hardness by means of ion-selective sensors and an arrangement for carrying out such a method.
  • the gate of an ion-sensitive field-effect transistor, to which a membrane of ion-sensitive material is applied be immersed in the ion exchanger. Furthermore, the membrane is essentially made from the exchange substance that is used in the ion exchanger. With the aid of such a sensor, the state with regard to the load on the exchanger can be determined, but no statements can be made regarding the hardness of process water which flows through the ion exchanger.
  • EP 0 154 278 A2 shows a hardness sensor for water softening systems, where the sensor is connected to a filling made of ion-exchanging shrink resin, which has a single free surface, via a piston. With such a sensor, the hardness is determined quasi indirectly via the change in volume of the shrink resin. The measurement itself is relatively slow and cannot be used for control purposes due to its inaccuracy.
  • the softening of water by means of ion exchangers is known, with the flow of water through weakly acidic cation exchange resins the divalent ions, such as calcium and magnesium, being bound to the exchange resin much more than the monovalent sodium ions. This gives a higher sodium than calcium and magnesium concentration at the exit of the ion exchanger.
  • a full demineralization and thus also further softening is possible by connecting them in series, i.e. Cascading of strong cation and anion exchangers can be achieved.
  • a partial flow is branched off from the process water flow, the partial flow should have a minimized leak rate.
  • This partial flow is led via a controllable valve unit to an ion-selective sensor system.
  • control variables for the partial flow are provided according to the invention, a process signal for the control unit of the ion exchanger system being used for this. These control variables arrive at the valve unit, so that the partial flow sets in at the same time as the process water flow.
  • the ionic concentration of the partial stream is monitored with a special sensor system, the regeneration process of the ion exchanger system being triggered and carried out when predetermined limit values are reached and / or exceeded.
  • the partial flow is interrupted and there is preferably the possibility of supplying calibration fluid for calibration and control via the valve unit of the sensor system.
  • the determined ion concentration is correlated with the temperature values of the partial flow in the sample channel.
  • a partial flow duct is present at the outlet of the water softening ion exchanger system with regeneration unit, which branches off from the process water supply.
  • the partial flow channel is connected to at least one valve of a valve group, which in turn forms a valve unit.
  • the outputs of the valves lead to a sample channel, with at least one ion-selective Ca / Mg sensor and a temperature sensor being arranged in the sample channel.
  • the above-mentioned sensors deliver output signals that reach an automatic measuring machine, including an electronic evaluation device.
  • the control unit for the ion exchanger system is connected to the measuring machine in such a way that bidirectional signal exchange can take place.
  • the measuring machine itself supplies control signals to the valve unit.
  • the valve unit also interacts with a memory for holding calibration liquids, with at least one storage vessel leading to at least one valve of the valve group.
  • the sample channel has a small diameter, preferably in the range ⁇ 3 mm.
  • a pump is available for the defined setting and control of the partial flow, which can be activated by the measuring machine.
  • the measuring machine can be connected via a suitable interface to a personal computer for data evaluation and specification of control variables, with the data being able to be transmitted both wirelessly and by wire.
  • a telemetry unit is preferably used for the wireless transmission, and it is possible to use a public GSM, UMTS or DECT standard telecommunication network on the data transmission side.
  • the ion exchanger system with regeneration unit has electrically or hydraulically controllable control valves in order to be able to switch the operational management from softening to regeneration or rinsing.
  • the method according to the invention enables continuous, quality-oriented limit value monitoring with regard to the load on a
  • Ion exchanger based on the determination of the residual hardness, combined with automated operation control of the ion exchanger system itself.
  • the process water hardness level is constantly monitored and influenced.
  • this can be recognized immediately by determining the degree of hardness and suitable measures can be taken to keep process water that does not meet the requirements from downstream facilities or to switch to redundant ones in good time To cause ion exchangers.
  • the measured values are provided with high accuracy and reproducibly by performing an automated calibration for defined liquids beforehand or cyclically. These liquids are fed to the sample channel by opening or closing the valves or the valve group in the valve unit, which then determines the ion concentration of the calibration liquids in a flow-weighted manner in order to trigger a calibration process or to provide correction values that are taken into account in the subsequent in-situ measurement Find.
  • the connected personal computer offers the possibility of intelligent data evaluation and long-term monitoring of the arrangement described.
  • control valves for the operational management of the ion exchanger system can be controlled via the measuring machines after the master-slave operation, so that the connected regeneration unit can be activated automatically after certain saturation limits of the ion exchanger have been reached, as a result of which an optimal utilization of the performance of the ion exchanger is achieved over a predetermined time interval .
  • the invention is to be explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment and with the aid of a figure.
  • the figure shows a basic representation of the
  • a feed water supply 3 reaches a module for water softening, which comprises at least one ion exchanger 1 and an associated regeneration unit 2. Softened process water 4 is available on the output side of this assembly.
  • a partial flow channel 7 branches off from the process water supply 4.
  • the regeneration unit 2 and the ion exchanger 1 are operated via a control unit 5 which activates control valves (not shown).
  • the quality of the process water 4 from the feed water 3 is determined by continuously monitoring the partial flow in the partial flow channel 7, which flows through the measuring device 6, as it were, based on the process.
  • the partial flow channel 7 leads to a valve unit 9, which comprises several valves or valve groups.
  • a valve unit 9 On the output side of the valve unit 9 there is a sample channel which leads through a sensor unit 11.
  • the flow in the partial flow channel 7 or in the sample channel is either determined with the aid of a pump 10 or is established by the given hydrostatic pressure.
  • the sample channel has a very small diameter
  • the automatic measuring machine integrated in the measuring device 6 forms a further control unit which works bidirectionally with the control device.
  • unit 5 for the regeneration unit 2 or the ion exchanger 1 is connected.
  • the control unit of the measuring machine 8 specifies process-oriented control variables for the valve unit 9, so that the current in the sample channel can be set in a defined manner.
  • At least one ion-selective Ca / Mg sensor 12 with a measuring sensitivity in the range up to 10 mol / 1 and a temperature sensor with a temperature drift ⁇ 0.1 K are arranged, which deliver output signals which are sent to the control unit of the Measuring machines 8 arrive.
  • the partial flow in the partial flow channel 7 or the current in the sample channel is realized analogously to the flow of the process water 4, in that the valve unit 9 is activated at the same time as the control output signals of the control unit 5.
  • the measuring device 6 is self-monitored, by means of the measuring machine 8 and the control located there and the valve unit 9 in connection with the calibration memory 14, calibration cycles with defined calibration liquids are initiated.
  • the valve for the partial flow channel 7 By closing the valve for the partial flow channel 7 and opening the valves connected to the calibration memory or a corresponding valve group, individual liquids then reach the sensor unit 11, if necessary selectively. whereby the desired calibration or the determination of calibration variables for the subsequent in situ measurement can be implemented.
  • a personal computer system 15 can be connected to the control unit of the measuring machine 8 via an interface in order to carry out long-term monitoring, but also a qualitative evaluation of the sensor system in the sensor unit 11.
  • the solution described with the exemplary embodiment enables continuous quality-oriented limit value monitoring, namely the residual hardness of the process water, which is conducted via a water softening ion exchanger system.
  • Load condition of the ion exchanger (s) can be closed in order to initiate a regeneration process in good time.
  • a suitable calibration and calibration process is automatically initiated during pauses in removal so that the desired measuring accuracy can be achieved.
  • the capacity of the ion exchange resin can be optimally utilized and the consumption of water for rinsing and the regeneration processes mentioned can be minimized, so that the economy of corresponding softening systems increases.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a water softening-ion exchanger system with regenerative unit by measuring in situ the water hardness by means of an ion-selective sensory mechanism. According to the inventive method, a partial current of the process water which current has a minimized leak rate is branched off. Said branched-off partial current is guided to a sensory mechanism via a controlled valve unit. The control variables for the partial current are determined on the basis of a process signal which in turn is determined by a control unit for the ion exchanger. Said control variables are correlated with the valve units in such a manner that the partial current is adjusted simultaneously with the process water current. The ion-selective sensory mechanism continuously monitors the concentration ratios in the partial current. When defined threshold values are approached or exceeded, the regenerative process of the ion exchanger is initiated. Outside the tapping hours of process water the partial current is interrupted and the sensory mechanism is provided with a calibrating liquid by the valve unit for calibration and control.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs- lonentauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels ionenselektiver Sensorik sowie Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens Method for operating a water softening ion exchanger system with regeneration unit by measuring the residual water hardness in situ by means of ion-selective sensors and arrangement for carrying out such a method
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs-lonentauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-Messung der Wasserresthärte mittels ionenselek- tiver Sensorik sowie eine Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for operating a water softening ion exchanger system with regeneration unit by in-situ measurement of the residual water hardness by means of ion-selective sensors and an arrangement for carrying out such a method.
Aus der DE 32 35 808 AI ist ein Sensor zum Messen des Austauschzustands eines Ionenaustauschers sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors bekannt.DE 32 35 808 AI a sensor for measuring the exchange state of an ion exchanger and a method for producing such a sensor is known.
Gemäß dortiger Lösung wird vorgeschlagen, daß das Gate eines ionensensitiven Feldeffekttransistors, auf welches eine Membran ionensensitiven Materials aufgebracht ist, in den Ionenaustauscher eintaucht. Weiterhin wird die Membran im wesentlichen aus der Austauschersubstanz hergestellt, die im Ionenaustauscher 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.According to the solution there, it is proposed that the gate of an ion-sensitive field-effect transistor, to which a membrane of ion-sensitive material is applied, be immersed in the ion exchanger. Furthermore, the membrane is essentially made from the exchange substance that is used in the ion exchanger. With the aid of such a sensor, the state with regard to the load on the exchanger can be determined, but no statements can be made regarding the hardness of process water which flows through the ion exchanger.
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 Regenerationsprozeß 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 .Furthermore, a method for the cyclical regeneration of a water softening system is previously known from US Pat. No. 4,379,057, the regeneration process being initiated in accordance with the solution there at predetermined time intervals, taking into account the initial hardness of the feed water. The measure described above, however, makes optimal or only limited use of the ion exchanger resins possible, and statements about the residual water hardness cannot be obtained. Ultimately, EP 0 154 278 A2 shows a hardness sensor for water softening systems, where the sensor is connected to a filling made of ion-exchanging shrink resin, which has a single free surface, via a piston. With such a sensor, the hardness is determined quasi indirectly via the change in volume of the shrink resin. The measurement itself is relatively slow and cannot be used for control purposes due to its inaccuracy.
Wie oben anhand des bekannten Standes der Technik exemplarisch dargelegt, ist die Enthärtung von Wasser mittels Ionenaustauscher bekannt, wobei mit dem Durchfluß des Wassers durch schwachsaure Kationen Austauscherharze die zwei-wertigen Ionen, wie Calcium und Magnesium, wesentlich stärker an das Austauschharz 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.As exemplified above on the basis of the known prior art, the softening of water by means of ion exchangers is known, with the flow of water through weakly acidic cation exchange resins the divalent ions, such as calcium and magnesium, being bound to the exchange resin much more than the monovalent sodium ions. This gives a higher sodium than calcium and magnesium concentration at the exit of the ion exchanger. A full demineralization and thus also further softening is possible by connecting them in series, i.e. Cascading of strong cation and anion exchangers can be achieved.
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 .Depending on the resin affinity to the hardness formers, degrees of hardness <0.1 ° dH can be achieved for the treated water. As the concentration difference between the exchange ions decreases, the exchange process in the ion exchanger becomes slower until a corresponding chemical equilibrium has been established.
Gleichzeitig steigt die Konzentration der Härtebildner amAt the same time, the concentration of hardening agents increases
Ausgang der lonentauscheranlage stetig an. Bei Überschreitung einer vorgegebenen Härteobergrenze muß die Anlage außer Betrieb genommen werden und es ist eine Regeneration der Ionenaustauscher notwendig.Output of the ion exchanger system steadily on. If a specified upper hardness limit is exceeded, the system must be taken out of operation and the ion exchanger must be regenerated.
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.As exemplified by US 4,379,057, the control of an automatic switch between operation and regeneration of the exchanger system takes place via methods which are very imprecise and uneconomical in relation to the monitoring residual hardness are. For example, the flow rates of the systems must be monitored and switched prematurely for safety reasons in accordance with the specified dimensioning regulations.
Alternativ zur zitierten Lehre nach EP 0 154 278 A2 ist eine fotometrische Bestimmung der Resthärte am Ausgang einer lonentauscheranlage vorgeschlagen worden. Die gegebene begrenzte optische Auflösung verbunden mit den diskontiunierlichen Meßverfahren gestatten jedoch keine wirtschaftliche und kon- tinuierliche Resthärteüberwachung im gegebenen Grenzbereich.As an alternative to the teaching cited according to EP 0 154 278 A2, a photometric determination of the residual hardness at the outlet of an ion exchanger system has been proposed. The given limited optical resolution combined with the discontinuous measuring methods, however, do not allow economical and continuous monitoring of the residual hardness in the given limit range.
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 Folgeprozesse ist. Dieser Zeitpunkt läßt sich jedoch nicht wie vorgeschlagen statistisch vorausbestimmen, da die im Ionenaustauscher ablaufenden Vorgänge komplexer chemischer Natur sind, wobei zusätzlich dynamische Prozesse der Ionenaustauscherkinematik, wie Ionenstärke, Harzaffinität, Diffusions- und Fließgeschwindigkeiten eine entscheidende Bedeutung haben.From the cited prior art it can be seen that the detection of increasing concentration of the hardness formers at the outlet of an ion exchanger before a predetermined upper limit is exceeded is decisive for economical operation and the required high operational reliability of the subsequent processes. However, this point in time cannot be statistically predicted as suggested, since the processes taking place in the ion exchanger are complex chemical in nature, with dynamic processes of ion exchange kinematics, such as ionic strength, resin affinity, diffusion and flow rates, being of crucial importance.
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 .It is therefore an object of the invention to provide a method for operating a water softening ion exchanger system with regeneration unit by in-situ measurement of the water residual hardness by means of ion-selective sensors, which allows the capacity of the ion exchanger resins in the system to be used optimally, the water consumption for rinsing - and to minimize regeneration processes and ultimately to increase the cost-effectiveness and operational reliability for downstream processes.
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. 7The object of the invention is achieved with a method as defined in patent claim 1 and with an arrangement comprising the features according to patent claim 4, the subclaims representing at least expedient refinements and developments. 7
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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.According to the invention, a partial flow is branched off from the process water flow, the partial flow should have a minimized leak rate. This partial flow is led via a controllable valve unit to an ion-selective sensor system.
Weiterhin werden erfindungsgemäß Steuergrößen für den Teilstrom bereitgestellt, wobei hierfür auf ein Prozeßsignal für die Steuereinheit der lonentauscheranlage zurückgegriffen wird. Diese Steuergrößen gelangen auf die Ventileinheit, so daß sich der Teilstrom zeitgleich zur Prozeßwasserströmung einstellt .Furthermore, control variables for the partial flow are provided according to the invention, a process signal for the control unit of the ion exchanger system being used for this. These control variables arrive at the valve unit, so that the partial flow sets in at the same time as the process water flow.
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 lonentauscheranlage ausgelöst und durchgeführt wird.The ionic concentration of the partial stream is monitored with a special sensor system, the regeneration process of the ion exchanger system being triggered and carried out when predetermined limit values are reached and / or exceeded.
Außerhalb von Entnahmezeiten von Prozeßwasser wird der Teil- strom unterbrochen und es besteht in bevorzugter Weise die Möglichkeit, über die Ventileinheit der Sensorik Kalibrierflüssigkeit zur Eichung und Kontrolle zuzuführen.Outside of the withdrawal times of process water, the partial flow is interrupted and there is preferably the possibility of supplying calibration fluid for calibration and control via the valve unit of the sensor system.
Zum Erreichen der gewünschten Meßgenauigkeiten wird die bestimmte Ionenkonzentration mit erfaßten Temperaturwerten des Teilstroms im Probenkanal korreliert.In order to achieve the desired measuring accuracies, the determined ion concentration is correlated with the temperature values of the partial flow in the sample channel.
Anordnungsseitig ist gemäß der Erfindung am Ausgang der Wasserenthärtungs-lonentauscheranlage 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.On the arrangement side, according to the invention, a partial flow duct is present at the outlet of the water softening ion exchanger system with regeneration unit, which branches off from the process water supply. The partial flow channel is connected to at least one valve of a valve group, which in turn forms a valve unit.
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 lonentauscheranlage 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.The outputs of the valves lead to a sample channel, with at least one ion-selective Ca / Mg sensor and a temperature sensor being arranged in the sample channel. The above-mentioned sensors deliver output signals that reach an automatic measuring machine, including an electronic evaluation device. The control unit for the ion exchanger system is connected to the measuring machine in such a way that bidirectional signal exchange can take place. The measuring machine itself supplies control signals to the valve unit. On the arrangement side, the valve unit also interacts with a memory for holding calibration liquids, with at least one storage vessel leading to at least one valve of the valve group.
Um möglichst geringe Leckraten bezüglich der Prozeßwasserströmung zu erreichen, besitzt der Probenkanal einen geringen Durchmesser, bevorzugt im Bereich < 3mm.In order to achieve the lowest possible leak rates with regard to the process water flow, the sample channel has a small diameter, preferably in the range <3 mm.
Zum definierten Einstellen und Steuern des Teilstroms ist eine Pumpe vorhanden, welche vom Meßautomaten aktivierbar ist.A pump is available for the defined setting and control of the partial flow, which can be activated by the measuring machine.
Alternativ besteht die Möglichkeit, daß sich die Teilströmung hydrostatisch einstellt.Alternatively, there is the possibility that the partial flow is set hydrostatically.
Der Meßautomat kann über eine geeignete Schnittstelle mit einem Personal Computer zur Datenauswertung und Vorgabe von Steuergrößen verbunden werden, wobei die Datenübertragung sowohl drahtlos als auch drahtgebunden erfolgen kann. Für die drahtlose Übertragung wird bevorzugt eine Telemetrieeinheit verwendet, und es besteht die Möglichkeit, datenübertragungsseitig ein öffentliches GSM-, UMTS- oder DECT-Standard-Telekommunikationsnetz zu nutzen.The measuring machine can be connected via a suitable interface to a personal computer for data evaluation and specification of control variables, with the data being able to be transmitted both wirelessly and by wire. A telemetry unit is preferably used for the wireless transmission, and it is possible to use a public GSM, UMTS or DECT standard telecommunication network on the data transmission side.
Die lonentauscheranlage mit Regenerationseinheit besitzt elektrisch oder hydraulisch ansteuerbare Stellventile, um die Betriebsführung von Enthärten auf Regenerieren respektive Spülen umstellen zu können.The ion exchanger system with regeneration unit has electrically or hydraulically controllable control valves in order to be able to switch the operational management from softening to regeneration or rinsing.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in Verbindung mit der zugehörigen Anordnung eine kontinuierliche, qualitätsorien- tierte Grenzwertüberwachung bezüglich der Belastung einesIn conjunction with the associated arrangement, the method according to the invention enables continuous, quality-oriented limit value monitoring with regard to the load on a
Ionenaustauschers auf der Grundlage der Ermittlung der Rest- härte, verbunden mit einer automatisierten Betriebssteuerung der lonentauscheranlage 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 fernzuhalten bzw. um ein rechtzeitiges Umschalten auf redundant vorhandene Ionenaustauscher zu veranlassen.Ion exchanger based on the determination of the residual hardness, combined with automated operation control of the ion exchanger system itself. Thus, with commissioning of the softening system for the subsequent process, immediately and the process water hardness level is constantly monitored and influenced. In particular, if the systems have already been exposed for a longer period of time, this can be recognized immediately by determining the degree of hardness and suitable measures can be taken to keep process water that does not meet the requirements from downstream facilities or to switch to redundant ones in good time To cause ion exchangers.
Ein weiterer Vorteil liegt erfindungsgemäß darin, daß eineAnother advantage of the invention is that a
Eigenüberwachung durch das Verfahren möglich ist, wobei hier auf eine automatische Eichung und Kalibrierung außerhalb der Enthärtungszeiten zurückgegriffen wird.Self-monitoring by the method is possible, whereby automatic calibration and calibration outside of the softening times is used here.
Demnach werden die Meßwerte mit hoher Genauigkeit und reproduzierbar bereitgestellt, indem vorab bzw. zyklisch eine automatisierte 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 Korrekturwerte bereitzustellen, die bei nachfolgender in situ-Messung Berücksichtigung finden.Accordingly, the measured values are provided with high accuracy and reproducibly by performing an automated calibration for defined liquids beforehand or cyclically. These liquids are fed to the sample channel by opening or closing the valves or the valve group in the valve unit, which then determines the ion concentration of the calibration liquids in a flow-weighted manner in order to trigger a calibration process or to provide correction values that are taken into account in the subsequent in-situ measurement Find.
Durch den angeschlossenen Personal Computer besteht die Möglichkeit einer intelligenten Datenauswertung sowie zum Langzeitmonitoring der beschriebenen Anordnung.The connected personal computer offers the possibility of intelligent data evaluation and long-term monitoring of the arrangement described.
Über den Meßautomaten können die Stellventile zur Betriebsführung der lonentauscheranlage nach dem Master-Slave-Betrieb angesteuert werden, so daß automatisch nach Erreichen bestimmter Sättigungsgrenzen der Ionenaustauscher die angeschlossene Regenerationseinheit aktivierbar ist, wodurch sich insgesamt eine optimalere Ausnutzung des Leistungsvermögens der Ionenaustauscher über ein vorgegebenes Zeitintervall einstellt. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei- spiels sowie unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert werden .The control valves for the operational management of the ion exchanger system can be controlled via the measuring machines after the master-slave operation, so that the connected regeneration unit can be activated automatically after certain saturation limits of the ion exchanger have been reached, as a result of which an optimal utilization of the performance of the ion exchanger is achieved over a predetermined time interval . The invention is to be explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment and with the aid of a figure.
Die Figur zeigt hierbei eine prinzipielle Darstellung desThe figure shows a basic representation of the
Aufbaus einer Anordnung, mit deren Hilfe ein Betreiben einer Wasserenthärtungs- lonentauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ-Messung der Wasserhärte erfolgen kann.Construction of an arrangement with the aid of which a water softening ion exchanger system with a regeneration unit can be operated by measuring the water hardness in situ.
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.A feed water supply 3 reaches a module for water softening, which comprises at least one ion exchanger 1 and an associated regeneration unit 2. Softened process water 4 is available on the output side of this assembly.
An geeigneter Stelle zweigt ein Teilstromkanal 7 von der Prozeßwasserführung 4 ab.At a suitable point, a partial flow channel 7 branches off from the process water supply 4.
Die Regenerationseinheit 2 und der Ionenaustauscher 1 werden über eine Steuereinheit 5, die nicht gezeigte Stellventile aktiviert, betrieben.The regeneration unit 2 and the ion exchanger 1 are operated via a control unit 5 which activates control valves (not shown).
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 .The quality of the process water 4 from the feed water 3 is determined by continuously monitoring the partial flow in the partial flow channel 7, which flows through the measuring device 6, as it were, based on the process.
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 zumThe partial flow channel 7 leads to a valve unit 9, which comprises several valves or valve groups. On the output side of the valve unit 9 there is a sample channel which leads through a sensor unit 11. The flow in the partial flow channel 7 or in the sample channel is either determined with the aid of a pump 10 or is established by the given hydrostatic pressure. The sample channel has a very small diameter
Gewährleisten einer minimalen Leckrate, bevorzugt < 3mm 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 Ionenaustauschern 1 verbunden ist .Ensure a minimum leak rate, preferably <3mm. The automatic measuring machine integrated in the measuring device 6 forms a further control unit which works bidirectionally with the control device. unit 5 for the regeneration unit 2 or the ion exchanger 1 is connected.
Die Steuereinheit des Meßautomaten 8 gibt prozeßorientiert Steuergrößen für die Ventileinheit 9 vor, so daß der Strom im Probenkanal definiert einstellbar ist .The control unit of the measuring machine 8 specifies process-oriented control variables for the valve unit 9, so that the current in the sample channel can be set in a defined manner.
In der Sensoreinheit 11 ist mindestens ein ionenselektiver Ca- /Mg-Sensor 12 mit einer Meßempfindlichkeit im Bereich bis zu 10- mol/1 sowie ein Temperatursensor mit einer Temperaturdrift < ± 0,1 K angeordnet, welche Ausgangssignale liefern, die auf die Steuereinheit des Meßautomaten 8 gelangen.In the sensor unit 11, at least one ion-selective Ca / Mg sensor 12 with a measuring sensitivity in the range up to 10 mol / 1 and a temperature sensor with a temperature drift <± 0.1 K are arranged, which deliver output signals which are sent to the control unit of the Measuring machines 8 arrive.
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.Via a bidirectional data exchange between the control unit 5 and the measuring machine 8, the partial flow in the partial flow channel 7 or the current in the sample channel is realized analogously to the flow of the process water 4, in that the valve unit 9 is activated at the same time as the control output signals of the control unit 5.
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.In the event that an reached maximum load of the ion exchanger 1 due to a changed degree of hardness can be determined by means of the sensor unit 11, a switchover command is sent to the control unit 5 via the measuring machine 8, so that the regeneration process can be initiated.
Hierdurch ist sichergestellt, daß die lonentauscheranlage vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet und der Regenerationsprozeß zu einem optimalen Zeitpunkt und im gewünschten Umfang eingeleitet wird.This ensures that the ion exchanger system does not exceed predetermined limit values and that the regeneration process is initiated at an optimal time and to the desired extent.
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.Outside of the withdrawal times of the process water 4, the measuring device 6 is self-monitored, by means of the measuring machine 8 and the control located there and the valve unit 9 in connection with the calibration memory 14, calibration cycles with defined calibration liquids are initiated. By closing the valve for the partial flow channel 7 and opening the valves connected to the calibration memory or a corresponding valve group, individual liquids then reach the sensor unit 11, if necessary selectively. whereby the desired calibration or the determination of calibration variables for the subsequent in situ measurement can be implemented.
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.A personal computer system 15 can be connected to the control unit of the measuring machine 8 via an interface in order to carry out long-term monitoring, but also a qualitative evaluation of the sensor system in the sensor unit 11.
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.As an alternative or via the PC system 15, there is the possibility of remote maintenance or for telemetric data transmission by connecting the provided interface on the measuring machine 8 to a suitable modem, which permits data transfer via public telecommunications networks.
Insgesamt ermöglicht die mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Lösung eine kontinuierliche qualitätsorientierte Grenz - wertüberwachung, nämlich der Resthärte des Prozeßwassers, welches über eine Wasserenthärtungs-lonentauscheranlage geführt wird. Durch laufende Messung der Härtewerte kann auf denOverall, the solution described with the exemplary embodiment enables continuous quality-oriented limit value monitoring, namely the residual hardness of the process water, which is conducted via a water softening ion exchanger system. By continuously measuring the hardness values, the
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. Load condition of the ion exchanger (s) can be closed in order to initiate a regeneration process in good time. A suitable calibration and calibration process is automatically initiated during pauses in removal so that the desired measuring accuracy can be achieved. Ultimately, using the process, the capacity of the ion exchange resin can be optimally utilized and the consumption of water for rinsing and the regeneration processes mentioned can be minimized, so that the economy of corresponding softening systems increases.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Wasserenthärtungs- und Ionenaustauscheranlage mit Regenerationseinheit durch in situ- Messung der Wasserresthärte mittels ionenselektiver Sensorik, gekennzeichnet durch1. Method for operating a water softening and ion exchange system with regeneration unit by in situ measurement of the water residual hardness by means of ion-selective sensors, characterized by
Abzweigen eines eine Minimale Leckrate aufweisenden Teilstroms des Prozeßwassers, wobei der Teilstrom über eine steuerbare Ventileinheit auf die Sensorik gelangt; - Festlegen von Steuergrößen für den Teilstrom auf der Basis eines von einer Steuereinheit für die lonentauscheranlage vorgegebenen Prozeßsignals, wobei diese Steuergrößen auf die Ventileinheit geführt sind, so daß der Teilstrom sich zeitgleich zur Prozeßwasserströmung einstellt, und - laufende Überwachung von Ionenkonzentrationen im Teilstrom mittels der Sensorik, wobei mit Erreichen oder Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Regenerationsprozeß der lonentauscheranlage durchgeführt wird.Branching off a partial flow of the process water having a minimum leak rate, the partial flow reaching the sensor system via a controllable valve unit; - Specifying control variables for the partial flow on the basis of a process signal specified by a control unit for the ion exchanger system, these control variables being fed to the valve unit so that the partial flow is set at the same time as the process water flow, and - Continuous monitoring of ion concentrations in the partial flow by means of the sensors , the regeneration process of the ion exchanger system being carried out when predetermined limit values are reached or exceeded.
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.2. The method according to claim 1, characterized in that the partial flow is interrupted outside the removal times of process water and calibration liquids are supplied for calibration and control via the valve unit of the sensors.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Ionenkonzentration mit erfaßten Temperaturwerten des Teilstroms im Probenkanal korreliert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the measured ion concentration is correlated with detected temperature values of the partial flow in the sample channel.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß - ausgangsseitig der Wasserenthärtungs- lonentauscheranlage mit Regenerationseinheit (1; 2) aus der Prozeßwasserführung (4) ein Teilstromkanal (7) abzweigt, wobei der Teilstromkanal (7) mit einer steuerbaren Ventileinheit (9) verbunden ist, 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, die Steuereinheit (5) für die lonentauscheranlage mit dem Meßautomaten (8) zum bidirektionalen Signalaustauisch verbunden und der Meßautomat (8) mit der Ventileinheit (9) verbunden ist und - weiterhin der Ventileinheit (9) ein Speicher (14) zur Aufnahme von Kalibrierflüssigkeiten vorgeschaltet ist.4. Arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that - on the output side of the water softening ion exchanger system with regeneration unit (1; 2) from the process water supply (4) branches off a partial flow channel (7), the partial flow channel (7 ) is connected to a controllable valve unit (9), the outputs of the valves lead to a sample channel and at least one ion-selective Ca / Mg sensor (12) and a temperature sensor (13) are arranged in the sample channel, which supply output signals which reach an automatic measuring machine (8), the control unit (5) for the ion exchanger system is connected to the measuring machine (8) for bidirectional signal exchange and the measuring machine (8) is connected to the valve unit (9) and - furthermore the valve unit (9) is connected upstream of a memory (14) for receiving calibration liquids.
5. Anordnung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Probenkanal zum Gewährleisten kleiner Leckraten einen Durchmesser im Bereich von vorzugsweise ≤ 3mm aufweist .5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the sample channel to ensure small leak rates has a diameter in the range of preferably ≤ 3mm.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (10) zur Steuerung des Teilstroms in der Meßeinrichtung (6) vorhanden ist.6. Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that a pump (10) for controlling the partial flow in the measuring device (6) is present.
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.7. Arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized in that the measuring machine (8) is connected via an interface to a personal computer (15) for data evaluation and specification of control variables.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lonentauscheranlage mit Regenerationseinheit (1; 2) elektrisch oder hydraulisch ansteuerbare Stellventile zur Betriebsführung aufweist. 8. Arrangement according to one of claims 4 to 7, characterized in that the ion exchanger system with regeneration unit (1; 2) has electrically or hydraulically controllable control valves for operational management.
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