Geflockte Partikelsysteme vor der Filtrierendstufe online zu messen und zu bewerten, hat eine ganze Reihe von Vorteilen. Die Messwerte ermöglichen die Regelung der vorgeschalteten Flockungshilfsmittelzugabe. Die Polymerzugabe lässt sich minimieren und die mechanische Trennung optimieren. Der photooptische Sensor FlocSens liefert schnelle und reproduzierbare Ergebnisse. Er basiert auf einer CCD-Zeilenkamera und bewertet die Flocken anhand empirischer Korrelationen.
Der Autor: Dr. Christian Schröder Geschäftsführer, Aquen aqua-engineering
Polymer-initiierte Filtrierprozesse sind seit langer Zeit ein zentraler Bestandteil der Verfahrensführung in der Trennbehandlung. In jüngerer Zeit werden Flockungsprozesse auch zunehmend in anderen Bereichen genutzt, um aus einem Medium bestimmte Inhaltsstoffe abfiltrieren zu können, so zum Beispiel in der Papierindustrie. Das Augenmerk lag jedoch bisher primär auf den Filtrationsmaschinen selbst. Wenig Beachtung dagegen fand im Regelfall die Erzeugung der optimalen Flocke für den nachfolgenden Separationsprozess. Heute rückt die Flockenbildung als ein zentraler Prozessbestandteil in das Blickfeld. Mit Kenntnis der Flockengüte im Filtrier- und Trennprozess ist eine höhere Leistung bei reduziertem Polymereinsatz sicher möglich. Die Flockengüte (Flockenausprägung) wirkt auf:
- die Effektivität (Menge und Qualität) von Flockungshilfsmitteln (Einfluss auf die Flockenbildung)
- die Entwässerbarkeit der konditionierten Suspensionen (Erhöhung der Filtriergüte und der -geschwindigkeit)
- die Trennqualität der nachgeschalteten Trennstufe (zur Minimierung der Restschwebstoffe im Trennfluid)
Grundlage für die Realisierung einer optimalen und reproduzierbaren Flockenstruktur ist die messtechnische Erfassung. Dabei sind die wichtigsten Kriterien für die Beurteilung der Filtrierbarkeitsgüte die Flockengrößenverteilung und deren zeitliche Änderung und die Scherstabilität der Flocken.
Flockenmessung und -bewertung
Der photooptische Flockungssensor ist ein onlinemessgerät, das zur Größen- und Strukturcharakterisierung von dispergierten und nicht dispergierten Feststoffsystemen dient. FlocSens arbeitet in situ, er kann sowohl direkt in eine bestehende Förderleitung bzw. Förderung eingebaut als auch im Bypass betrieben werden. Der Sensor misst die Reflexion, wobei die Messfläche durch ein Auflichtverfahren beleuchtet wird. Das zu untersuchende Gut wird durch ein Sichtfenster aufgenommen und analysiert. Eine CCD-Zeilenkamera misst aufrecht und quer zur Strömungsrichtung das Partikelsystem. Der Messbereich erstreckt sich von 50 μm bis 2,9 cm. Die Auswertung ist eindimensional und sehnenlängenorientiert, daher robust und wenig störanfällig. Die Berechnung von spezifischen Merkmalen basiert auf Sehnenlängenanzahl, -dichte und -summenverteilungen.
Diese werden durch das Messsystem sehr schnell in hoher Zahl berechnet, sodass außerordentlich zeitnah statistisch abgesicherte Partikel- bzw. Strukturmerkmale vorliegen. Aus den Rohdaten des Sensors werden in einer nachgeschalteten Recheneinheit die relevanten Prozessgrößen berechnet und optisch in einer Größenverteilung dargestellt. Normierte Werte können an Steuerungs- und Regelungssysteme übergeben werden.
Dazu ein praktisches Beispiel. Bild 1 zeigt Flockenhaufen, wie sie typischerweise in der täglichen Praxis vorkommen. Die linke Seite zeigt einen Flockenhaufen, der schlecht zu entwässern ist. Die Anzahl an Kleinstflocken ist hoch, die Restflüssigkeit trüb. Die Flockung rechts dagegen ist leichter entwässerbar, die Restflüssigkeit ist klar, die Flockenpellettierung gut. Dazu gehören die Messkurven in Bild 2. Die linke Grafik zeigt die hohe Anzahl von Kleinstflocken und Schwebstoffen (Peak bei sehr kleinen Flockenlängen), die rechte eine gut erkennbar „grobe“ Pelettierung der Flocken, Voraussetzung für leicht entwässerbaren Klärschlamm. Die Software der Bildauswertung ist modular und skalierbar aufgebaut, sodass die Auswertungsroutinen an verschiedenste Stoffsysteme angepasst werden können. Die errechneten Werte sind prozessspezifisch und können für den speziellen Anwendungsfall kalibriert werden.
Neben einer Messwerterfassung, beispielsweise zur Qualitätskontrolle der Flockung, ist mithilfe des photooptischen Sensors FlocSens auch eine Prozessregelung möglich. Der Sensor erfasst verschiedene spezifische Flockenmerkmale wie Flockengröße und Strukturmerkmale getrennt. Eine Regelung von einzelnen Aktoren eines struktur- oder zusätzlich formgebenden Systems kann somit realisiert werden. Anhand von Installationen konnte nachgewiesen werden, dass der Flockungssensor die Güte der Konditionierung hinsichtlich der Filtrierfähigkeit des behandelten Mediums ermitteln kann. Die Korrelation der Sensorberechnungen zu den tatsächlich erreichten Entwässerungs-/Filtrationskennwerten liegt bei >0,95, hat also eine hohe Vorhersagekraft.
Für Labor und Prozess
Das Messsystem FlocSens ist sowohl für die stationäre Anwendung im Prozess (Bild 3) wie auch als Laborapplikation (Bild 4) verfügbar. Im stationären Einbau arbeitet der Sensor in situ, er kann sowohl direkt in eine bestehende Förderleitung bzw. Förderung eingebaut als auch im Bypass betrieben werden. Für diesen Einsatzfall sind Betriebsdrücke bis max. 65 bar zulässig.
In der Laboranwendung werden die Flockengrößenverteilungen und/oder die Scherstabilität in Abhängigkeit von eingesetzten Flockungshilfsmitteln analysiert. Somit kann ein reproduzierbares Screening durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind sehr gut auf den großtechnischen Einsatz übertragbar.
Anwendungen sind überall dort denkbar, wo geflockt und filtriert wird, beispielsweise in der Papierindustrie, in der Fruchtsaftherstellung, bei der Abwasser- und bei der Schlammbehandlung und -aufbereitung.
prozesstechnik-online.de/cav0412455
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