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Eine lohnende Investition

Prozeßanalysator zur qualitätsabhängigen Wasserenthärtung
Eine lohnende Investition

Aquacon RH, ein Wasserhärteanalysator, wurde speziell für Anwendungen in der Energietechnik, beispielsweise für Dampferzeuger, Kesselhäuser oder Wasseraufbereitungsysteme, konzipiert. Es ermöglicht mit vergleichsweise geringen Investitionskosten die qualitätsabhängige Steuerung von Enthärtungsanlagen.

Auf Grundlage der geltenden Richtlinien TRD 604, TRD 611, VdTÜV-Merkblatt 1453 hat ein norddeutsches Unternehmen seine Lieferpalette zur Sicherstellung einer kompletten zuverlässigen Wasserkreislaufüberwachung um den Bereich der Prozeßanalytik erweitert. Die automatische, kontinuierliche Überwachung des Speisewassers leistet einen weiteren Beitrag zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit und -sicherheit und ergänzt somit die Kesselwasser- und Kondensatüberwachungsysteme dieses Herstellers. Die wesentlichen Anwendungsbereiche der Prozeßtitratoren der Produktlinie Aquacon (Abb. 1) liegen im Bereich der Energieerzeugung, d.h. Dampferzeuger, Kesselhäuser, Wasseraufbereitung, Kühlwasser, ergänzend zu den großvolumigen induktiven Leitfähigkeitssonde im Bereich der Abwasser- und Kläranlagen. Die angebotenen Kompaktlösungen (komplett auf Montageplatte verrohrt und verdrahtet bzw. auf Wunsch im Analysenschrank) stehen für die in Tabelle 1 zusammengefaßten Parameter zur Verfügung und werden fortlaufend ergänzt.

Hauptkriterien bei der Realisierung dieser Systeme waren:
• ein günstiges Nutzen-/Kostenverhältnis,
• einfachste Bedienung durch µP-gesteuerten Analysenablauf,
• einstellbare Grenzwerte,
• einstellbare Pausenzeiten zwischen zwei Analysen von 1 bis 99 min,
• hohe Meßwertauflösung,
• skalierbarer Stromausgang 0/4….20 mA,
• zuverlässiger und wartungsarmer Betrieb durch automatische Funktionsüberwachung,
• geringer Wasserverbrauch und Reagenzverbrauch sowie
• die Möglichkeit zum externen Analysenstart.
Bei Betrachtung einzelner Parameter und deren möglichen Auswirkungen wird deutlich, wo die Verbesserung, d. h Erhöhung der Anlagensicherheit gegenüber der Handmessungen liegt.
Die einzelnen Parameter
Durch einen unzulässigen Anstieg der Resthärte (Summe der Erdalkalien) setzt sich fester, harter Kesselstein im Dampfkessel ab. Da dieser die Wärme schlecht leitet, tritt Überhitzung der Kesselwände, Flammrohre usw. ein, was zur Zerstörung von Kesselbauteilen führen kann. Weitere Folgen dieser Beläge sind die Verschlechterung des Wirkungsgrades sowie die Gefahr der rascheren Korrosion.
Kieselsäure hat die unangenehme Eigenschaft, in Hochdruckdampfkesseln unter bestimmten Voraussetzungen dampfflüchtig zu sein. Dieses kann, bevorzugt im Temperaturbereich von 230 bis 270 °C, zu Abscheidungen auf Turbinenschaufeln führen. Im Kesselwasser bildet die Kieselsäure mit ungelösten Verunreinigungen stark wärmedämmende Beläge, was zu Schäden in der Anlage führen kann. Im Bereich von Vollentsalzungsanlagen ist Silicium das erste Durchbruchselement, d.h. bei empfindlichen Verbrauchern (Turbinen, direkt dampfbeheizte Produkte usw.) erfolgt die Erkennung eines Durchbruches mit der Silikatüberwachung früher als mit der Leitfähigkeitsmessung. Zu hohe Phosphatgehalte hingegen können zum Schäumen des Kesselwassers und damit zu Schäden im Dampf- und Kondensatnetz bzw. an direkt dampfbeheizten Produkten führen. Unzulässige Abweichungen der Säurekapazität können vor allem im Kondensatnetz zu Korrosion führen.
Der Resthärtemessung (z. B. gem. TRD 604, 72-h-Betrieb bei salzhaltigem Speisewasser) durch die Prozeßtitratoren der Produktlinie Aquacon kommt in diesem Gesamtkomplex eine Schlüsslrolle zu. Neben der Sicherheit stand auch bei diesem System die Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt.
Prozeßanalytik
Die Prozeßtitratoren führen automatisch eine diskontinuierliche komplexometrische Härtebestimmung im Untersuchungswasser durch. Der Analysenablauf, einschließlich Füllen und Spülen der Meßzelle, wird durch einen Mikroprozessor gesteuert. Eine speziell auf das System abgestimmte Einkomponentenreagenz (Indikator, Puffer und Titrationsmittel) wird durch eine hochgenaue Peristaltikpumpe in die Meßkammer dosiert und mit dem Meßmedium vermischt. Der Endpunkt der Titration ist erreicht, wenn der Indikator seine Farbe von rot nach blau ändert. Dieser Farbwechsel wird durch ein photometrisches Detektionssystem erkannt. Aus der Anzahl der benötigten Pumpenumdrehungen läßt sich die verbrauchte Reagenzmenge und dadurch der Härtegrad des Wassers berechnen. Das Analysenergebnis wird in Deutschen Härtegraden (1° dH = 0,18 mmol/l Summe Erdalkalien) angezeigt.
Der Mikroprozessor überwacht den Funktionsablauf und meldet Fehler, wie Reagenzmangel, Meßkammerverschmutzung oder fehlendes Probenwasser, über ein Alarmrelais. Für anwenderspezifische Meß- und Steueraufgaben sind die Prozeßtitratoren mit einem Grenzwertrelais und einem Stromausgang 0/4….20 mA ausgestattet. Bei bicarbonathaltigem Probewasser mit einer Härte >10° dH kann es zu Ablagerungen in der Meßkammer kommen. Eine optional erhältliche zweite Peristaltikpumpe säuert in den Pausenzeiten zwischen zwei Analysen das Wasser an. Dadurch wird das Entstehen von Ablagerungen wirksam verhindert.
Einsparungspotentiale
Die Enthärtung wird in einer Ionentauschanlage durchgeführt, d. h. die unerwünschten Härtebildner (Calcium- und Magnesiumionen) werden gegen Natriumionen ausgetauscht. Hat das Ionenaustauschharz seine Aufnahmekapazität für die Härtebildner erreicht, muß es durch Rückspülen, Besalzen und Auswaschen regeneriert werden. Dabei werden die während der Enthärtung aufgenommenen Ionen wieder durch Natriumionen ersetzt.
Die Auslösung der Regeneration eines Ionenaustauschers kann auf verschiedene Arten erfolgen:
• Bei der zeitabhängigen Steuerung wird die Regeneration nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit durchgeführt. Dieses Verfahren verbraucht ohne Rücksicht auf die Beladung des Ionenaustauschers konstante Mengen an Salz und Wasser.
• Bei der mengenabhängigen Steuerung, dem verbreitetsten Verfahren, wird nach Durchlauf einer berechneten Wassermenge mit einer bekannten Wasserhärte regeneriert. Aus Sicherheitsgründen wird dabei die berechnete Kapazität der Ionenaustauscher nur zu ungefähr 80% ausgenutzt.
• Bei der qualitätsabhängigen Steuerung wird durch eine Qualitätskontrolle des enthärteten Wassers die Regeneration erst bei voller Ausnutzung der Aufnahmekapazität des Ionenaustauschers ausgelöst. Da bei diesem Verfahren die gesamte Kapazität des Ionenaustauschers ausgenutzt wird, läßt sich gegenüber der mengenabhängigen Steuerung jede 5. Regenerationen einsparen.
Für die kontinuierliche Kontrolle des enthärteten Wassers bei einer qualitätsabhängigen Steuerung ist ein automatisch arbeitendes Analysengerät notwendig. Das Analysengerät Aquacon RH analysiert in einstellbaren Zeitabständen die Härte des Wassers und erkennt so frühzeitig den Endpunkt der Beladung von Ionenaustauschern. In Tabelle 2 ist für eine Enthärtungsanlage mittlerer Größe der Verbrauch an Salz und Frischwasser bei mengen- und qualitätsabhängiger Steuerung gegenübergestellt. Für jede Regeneration werden ca. 40 kg Salz und 4 m³ Frischwasser benötigt. Durch die qualitätsabhängige Steuerung wird bei dieser Enthärtungsanlage (konstante Wasserhärte) die umweltbelastende Einleitung von Salz um 8,6 t/a und der Verbrauch an Frischwasser um ca. 880 m³/a gesenkt.
Wird Rohwasser aus verschiedenen Quellen mit wechselnden Wasserhärten verwendet, so wird bei einer mengenabhängig gesteuerten Enthärtungsanlage von der höchsten vorkommenden Wasserhärte ausgegangen. Bei Verwendung von Rohwasser mit niedrigeren Wasserhärten wird die Kapazität des Ionenaustauschers zu weniger als 80% ausgenutzt und trotzdem eine Regeneration durchgeführt. Unter diesen Voraussetzungen werden unnötigerweise ca. 2400 m³ Frischwasser und ca. 23 t Salz pro Jahr verbraucht.
Neben der deutlichen Entlastung der Umwelt führt die qualitätsabhängige Steuerung von Enthärtungsanlagen auch zu beträchtlichen Betriebskosteneinsparungen, wie Tabelle 3 für die als Beispiel gewählte Enthärtungsanlage belegt.
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