In den Niederlanden werden jährlich mehr als 400 Millionen m³ Wasser in Trinkwasseraufbereitungsanlagen enthärtet. Die Enthärtung ist ein komplizierter physikalischer und chemischer Prozess in Wirbelschichtreaktoren. In einem Wirbelbett werden Partikel mit einer Größe von etwa 1 mm durch einen aufwärts gerichteten Wasserstrom angehoben, wodurch eine große Oberfläche entsteht. Die Aufrechterhaltung optimaler Prozessbedingungen erfordert Echtzeitinformationen über den Zustand des Wirbelbetts. Bis vor kurzem war es unmöglich, die Wirbelschichtdynamik von außerhalb des Reaktors vollständig zu erfassen. Waternet, das Wasserversorgungsunternehmen für Amsterdam und Umgebung, wollte einen innovativen weichen Sensor (1) – das Hydrometer – entwickeln, der den Zustand des Wirbelbetts im Reaktor kontinuierlich überwachen kann. Diese Forschung war eine gemeinsame Initiative mit der Hochschule für angewandte Wissenschaft Utrecht, der Queen Mary University of London, der TU Delft, Bienfait, und Gantner Instruments.

Optimierung des Wasserenthärtungsprozesses

Der Enthärtungsprozess findet in Wirbelschichtreaktoren statt, die teilweise mit Saatgut wie Sand, Granat und Calcitpellets gefüllt sind. Das Wasser wird nach oben gepumpt, wobei das Pelletbett in einem fluidisierten Zustand gehalten wird. Natronlauge wird als Reagenz für die Kristallisation von Kalziumkarbonat auf der Oberfläche der Kalzitpellets zugegeben. Die Kristallisation bewirkt, dass die Pellets wachsen und zum Boden des Reaktors sinken. Größere Pellets verkleinern die verfügbare Oberfläche, was sich nachteilig auf die Kristallisationseffizienz auswirkt. Die Aufrechterhaltung optimaler Prozessbedingungen erfordert Echtzeitinformationen über den Wirbelzustand des Pelletbetts, um die für einen optimalen Kristallisationsprozess erforderliche Natronlaugemenge zu bestimmen. Diese Echtzeitinformationen verhindern auch eine Überdosierung von Ätznatron, was sich negativ auf die Wasserqualität, die Nachhaltigkeit des Prozesses und die Kosten auswirkt. Der Hydrometer-Soft-Sensor zielt darauf ab, Längsinformationen in einem Wirbelschichtreaktor zu erhalten und anschließend das Längshohlraum- (2) und Partikeldurchmesserprofil mithilfe eines empirischen Modells zu bestimmen.

Hydrometer-Konzeptnachweis

Der Hydrometer-Soft-Sensor basiert auf dem Unterwasserwägeverfahren, das auch als archimedisches Prinzip bekannt ist. Archimedes fand heraus, dass die aufwärts gerichtete Auftriebskraft auf einen untergetauchten Körper gleich der Masse der verdrängten Flüssigkeit ist. Das verdrängte Volumen ist gleich dem Volumen des in die Flüssigkeit eingetauchten Körpers. Das Aräometer ist so konzipiert, dass es einen eingetauchten schwimmenden Gegenstand in verschiedenen Höhen in einem fluidisierten Calcit-Pellet-Bett hängen lässt und die Auftriebskraft an diesen Positionen misst.

Um die Machbarkeit des Hydrometers zu demonstrieren, entwarfen Waternet und die Hochschule Utrecht einen Versuchsaufbau mit einem transparenten Zylinder, der mit Glasperlen und Kalzitpellets gefüllt ist und den Enthärtungsreaktor simuliert. Ein von Bienfait entwickelter intelligenter Rollensensor ist oberhalb des Zylinders angebracht, um ein schwimmendes Objekt, das von einem Schrittmotor gesteuert wird, vertikal durch das Wirbelbett zu bewegen. Eine Wägezelle (P100/3W, Gicam) und ein inkrementaler Drehgeber (Rotapulse I28, Lika Electronics) messen das Gewicht und die Position des schwebenden Objekts im Zylinder. Der Schrittmotor, der Encoder und die Wägezelle sind an ein Datenerfassungs- und Steuerungssystem der Q.series angeschlossen, das aus einem Q.monixx Controller und einem digitalen Eingangsmodul Q.bloxx D101 besteht.

Der intelligente Rollensensor besteht aus vier Komponenten, um das Objekt auf dem Zylinder auf und ab zu bewegen, um sein Gewicht und seine Position zu messen. Das schwimmende Objekt ist an einer dünnen, geflochtenen Angelschnur befestigt. Die Leine wird über die erste Rolle gespannt, die mit einem Drehgeber ausgestattet ist, der die Anzahl der Schritte von einem festgelegten Nullpunkt an das Messmodul Q.bloxx D101 überträgt. Die geflochtene Leine läuft unter der zweiten Umlenkrolle, die mit einer Wägezelle ausgestattet ist, die die Dehnung in Spannung misst. Diese gemessene Dehnung ist linear mit der Masse des schwebenden Objekts korreliert. Die geflochtene Leine wird zur Unterstützung über die dritte Umlenkrolle gefädelt. Sie ist mit dem Schrittmotor verbunden, der das schwimmende Objekt im Zylinder auf und ab bewegt.

Die Konfiguration des Testsystems und die Datenaufzeichnung erfolgen mit der Datenerfassungssoftware GI.bench. Der Q.monixx überträgt kontinuierlich Daten an die GI.bench-Software, die auf einem PC läuft. Mit Hilfe der Sensor-Skalierung in GI.bench werden die Messdaten von Encoder und Kraftmessdose von der Schrittzahl [#] in Position [m] und Dehnung [V] in Masse [kg] umgerechnet. Online-Dashboards ermöglichen es den Bedienern, den Test in Echtzeit zu überwachen, und benutzerkonfigurierbare Datenlogger schreiben die Messdaten mit der optimalen Abtastrate in eine Datei.

Die Ingenieure von Waternet entwickelten eine test.con-Routine, um den Test zu automatisieren und wiederholbare und vergleichbare Testergebnisse zu gewährleisten. Die Routine bewegt das schwimmende Objekt in vordefinierten Schritten auf verschiedene Höhen im Zylinder zur Messung. test.con ist die kostenlose visuelle Programmiersprache von Gantner, mit der Ingenieure benutzerdefinierte Anwendungen zur Testautomatisierung und -analyse erstellen können. Für den Versuchsaufbau des Hydrometers erreichte Waternet 20 Messungen pro Testlauf innerhalb von etwa 30 Minuten.

Erworbene Kenntnisse

Der neu entwickelte Hydrometer-Soft-Sensor hat sich als zeitsparende Methode zur Erfassung des hydraulischen Zustands in Wirbelschichtreaktoren im Vollmaßstab erwiesen. Die Vorteile eines Längssensors für die tägliche Prozesskontrolle liegen im Echtzeit-Zugriff auf das Partikelbettverhalten und in der größeren Flexibilität bei wechselndem Wasserfluss und Prozessbedingungen. 

Nach dem Proof-of-Concept-Test (POC) des Hydrometers konnte in Kombination mit einem datengesteuerten Modell der Hohlraum mit einem Fehler von 5 % und die Partikelgröße mit etwa 10 % geschätzt werden. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Aräometers weiter zu verbessern, müssen verschiedene Aspekte weiter entwickelt werden. Dazu gehören die Optimierung der Messgenauigkeit in den unteren Bereichen des Wirbelbetts, die Hinzufügung von Differenzdrucksensoren zur Verbesserung der Modellvalidierung und die Anwendung von CFD (Computational Fluid Dynamics) zur besseren Modellierung der Partikel-Fluid-Objekt-Wechselwirkungen.

Die Programmierung einer test.con-Routine in Q.monixx hat die Testergebnisse erheblich verbessert.

Waternet

Die Programmierung einer test.con-Routine in Q.monixx hat die Testergebnisse erheblich

Die Programmierung einer test.con-Routine in Q.monixx hat die Testergebnisse erheblich verbessert.

Waternet

verbessert.

Waternet