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Wasseraufbereitungsanlage akkurat berechnet

Engineeringsoftware für Umkehrosmose- und Ionentauschersysteme
Wasseraufbereitungsanlage akkurat berechnet

Kaum ein Markt ist in den vergangenen Jahren so konstant gewachsen wie der für Membranelemente für die Umkehrosmose. Einer der Gründe, die zum Durchbruch dieser Technologie zur Entsalzung und Reinigung von Wasser führten, war die Entwicklung geeigneter Auslegungssoftware. Ein solches Tool hilft, Fehler bei der Auslegung zu reduzieren und die Leistung von Umkehrosmoseanlagen zuverlässig zu kalkulieren.

Mit dem Markt für Umkehrosmoseanlagen sind auch die Anforderungen an die Auslegungssoftware gewachsen. Es werden heute neben dem Anlagendesign und den -grunddaten ganze Konzepte für die Wasserbehandlung erwartet, um nicht nur die Genauigkeit der Berechnungen zu erhöhen, sondern auch eine Optimierung der Wasseraufbereitungsanlagen hinsichtlich Betriebs- (Opex) und Investitionskosten (Capex) zu erzielen. Darüber hinaus wünscht sich die Branche, je nach Projekt, einen direkten Vergleich mit alternativen Technologien, beispielsweise Ionenaustauschern, oder gleich die Auslegung eines gesamten Prozesses mit Enthärtung, Umkehrosmose und Mischbett. Diesem Wunsch hat Lanxess mit der Auslegungssoftware Lewaplus Rechnung getragen. Das frei verfügbare Software-Tool kann einen Prozess mit beiden Technologien – Umkehrosmose (UO) und Ionentauscher (IEX) – berechnen.

Anwenderfreundliche Software
Ein Entwicklungsziel war, die Software möglichst anwenderfreundlich zu gestalten. Für eine Auslegung der Anlage werden lediglich eine Wasseranalyse, die Wasserquelle, die Permeat- oder Feedmenge und die Temperatur benötigt. Auf Basis dieser Daten wird ein Vorschlag für eine UO-Anlage berechnet. Ausgegeben werden u. a. Empfehlungen für das Membranmodul und das Anlagendesign sowie der benötigte Druck, die Prozessströme und Informationen zu Salzablagerungen (Scaling). Darüber hinaus lassen sich Betriebs- und Investitionskosten berechnen. Für eine Optimierung oder die Anpassung an besondere Prozessgegebenheiten bietet Lewaplus mehrere Konfigurationsmöglichkeiten.
Um Worst-Case-Szenarien zu simulieren und den Prozess entsprechend auszulegen, lassen sich Parameter variieren, die einen signifikanten Einfluss auf die Auslegung haben, wie Temperatur und Zusammensetzung des Speisewassers, und anschließend wird die Veränderung im Prozess bewertet. Dies ist nicht nur wichtig, um einen stabilen Prozess auszulegen, sondern auch um Garantien bezüglich der Permeatqualität geben zu können. Denn Temperaturschwankungen beispielsweise, die durch die unterschiedlichen Jahreszeiten unvermeidbar sind, haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Permeatqualität und auf den benötigten Anwendungsdruck.
Auslegung des UO-Prozesses
Die Auslegung einer UO-Anlage ist relativ einfach, wenn die entsprechenden Grunddaten vorliegen. Dabei rechnet die Software mit hinterlegten Durchschnittswerten für bestimmte Wasserquellen – unabhängig vom jeweiligen Membrantyp. Dieser Fluss hängt wesentlich vom Fouling ab, d. h., wie stark sich nicht organische Verschmutzungen oder Mikroorganismen auf der Membranoberfläche ablagern. So haben Wasserqualitäten mit einem ähnlichen Foulingverhalten auch vergleichbare Durchschnittsflüsse.
Zusätzlich sind zu jeder Wasserquelle in der Software noch weitere Daten hinterlegt, die teilweise direkt in die Berechnungen eingehen, z. B. die Ausbeute oder Anzahl der Stufen, also der hintereinander geschalteten Druckrohre. Zur Berechnung des Anlagendesigns sind außerdem die benötigte Menge an Permeat, die Membranfläche des Elements und die gewünschte Ausbeute erforderlich. Während die benötigte Permeatmenge vom Anwender eingegeben werden muss, sind die Membranflächen der Elemente sowie die empfohlene Ausbeute in der Software bereits hinterlegt. Mit diesen Daten wird die Anzahl der Elemente für eine entsprechende Wasserquelle berechnet. Der nächste Schritt ist nun die Berechnung der benötigten Druckrohre für das System. Je nach Anlagengröße werden pro Druckrohr fünf bis sieben Elemente verwendet. Das Auslegungsprogramm rechnet für die erste Auslegung mit sechs Elementen pro Druckrohr, was aber anschließend modifiziert werden kann.
Der letzte Schritt zur Auslegung des Basisprofils einer UO-Anlage ist die Berechnung der Anzahl der Stufen, also wie viele Druckrohre hintereinander geschaltet werden müssen, um die gewünschte Ausbeute zu erreichen. Ein limitierender Faktor ist dabei der osmotische Druck, der sich durch die Aufkonzentrierung von Salz im Feed aufbaut. Bei stark salzhaltigem Speisewasser kann der Druck am Ende des Prozesses Größen erreichen, die einen Betrieb der Anlage im Verhältnis zur Ausbeute nicht mehr wirtschaftlich machen. In der Regel wird pro Stufe mit einer empfohlenen Ausbeute von ca. 50 % gerechnet, sodass folgender Zusammenhang für die Stufen und Ausbeuten entsteht: bei einer Stufe Ausbeuten 61 %, zwei Stufen 81 %, drei Stufen 91 % und vier Stufen 91 %. So wird Meerwasser oder stark salzhaltiges Brackwasser meistens ein- oder zweistufig mit Ausbeuten um 50 bis 60 % betrieben, Brackwasseranwendungen häufig mit zwei oder drei Stufen. Da sich der Feed nach jeder Stufe etwa halbiert, nachdem das Permeat entfernt wurde, halbiert sich die Anzahl an Druckrohren in den aufeinanderfolgenden Stufen. Es entsteht ein sogenanntes Weihnachtsbaum-Arrangement. Zwar kann Lewaplus eine Auslegung empfehlen, jedoch ist eine Optimierung durch einen erfahrenen Ingenieur oder Anlagenbetreiber angeraten. So kann es beispielweise notwendig sein, bei einer gewünschten Ausbeute von 80 % statt des berechneten zweistufigen Prozesses einen dreistufigen zu wählen, damit eine ausreichende Anströmung erreicht wird.
Berechnung eines Basisprofils
Anhand eines Beispiels lässt sich das Prinzip einer ersten Berechnung eines Basisprofils für eine UO-Anlage verdeutlichen: Aus einem Brackwasserbrunnen sollen 400 m³/h aufbereitet werden. Es wird ein Durchschnittsfluss von 29 l/m²h angesetzt. Das Datenblatt gibt eine Membranfläche von 37,2 m² für das ausgewählte Element an. Es werden nach einer ersten Berechnung 371 Elemente benötigt. Bei sechs Elementen pro Druckrohr entspricht das 62 Druckrohren. Für eine Ausbeute von 80 % wird ein zweistufiges System empfohlen. Das bedeutet 42 Druckrohre in der ersten Stufe und 20 Druckrohre in der zweiten Stufe. Diese Rechnungen lassen sich noch einfach nachrechnen und zeigen, dass die Faustformel „pro Element wird ein Kubikmeter Permeat pro Stunde produziert“ für viele Brackwasseranwendungen stimmt. Jedoch benötigt man für Informationen zu dem benötigten Anwendungsdruck oder der Permeatqualität eine Auslegungssoftware.
Zusätzlich können spezielle Vorgaben oder Umstände es erfordern, das System durch weitere Konfigurationen anzupassen. Dies ist meist erforderlich, wenn nur wenig Speisewasser mit einer hohen Tendenz zum Fouling zur Verfügung steht oder wenn die Leistung des ersten Elements in einem Druckrohr zu hoch ist. Letzteres ist wichtig, um Fouling zu reduzieren. Da das erste Element im Prozess den höchsten Anwendungsdruck erfährt, werden Substanzen verstärkt auf die Oberfläche gedrückt. Eine gleichmäßige Verteilung der Arbeitsleistung in einem Druckrohr wirkt dem entgegen und reduziert die Ausfallwahrscheinlichkeit der Elemente. Lewaplus bietet neben diesen Konfigurationen weitere Möglichkeiten wie die unterschiedliche Bestückung von Druckrohren oder die Energierückgewinnung mittels „Energy Recovery Devices“. Zudem lassen sich ganze Prozesse berechnen mit Enthärtung, UO und Mischbett. Lewaplus kann unter http://lpt.lanxess.de kostenlos heruntergeladen werden.
Halle A2, Stand 309

Dr. Jens Lipnizki
Leiter Technical Marketing Membrane, BU Liquid Purification Technologies, Lanxess

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