Das Aräometer

Blick ins Innere eines Trinkwasserreaktors

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 Dynamik eines Wirbelbetts von außerhalb des Reaktors vollständig zu erfassen. Waternet, der Wasserversorger für Amsterdam und Umgebung, hatte sich zum Ziel gesetzt, einen innovativen Soft-Sensor (1) – das Hydrometer – zu entwickeln, der den Zustand des Wirbelbetts im Inneren des Reaktors kontinuierlich überwachen kann. Diese Forschung war eine gemeinsame Initiative mit der Hochschule für angewandte Wissenschaften 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 Kalzitgranulat gefüllt sind. Das Wasser wird nach oben gepumpt und hält das Pelletbett in einem fluidisierten Zustand. Natronlauge wird als Reagenz für die Kristallisation von Kalziumkarbonat an der Oberfläche von Kalzitpellets zugesetzt. Durch die Kristallisation wachsen die Pellets und sinken auf den Boden des Reaktors. Größere Pellets verringern die verfügbare Oberfläche, was sich nachteilig auf die Kristallisationsleistung 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 Natronlauge und beugen damit negativen Auswirkungen auf die Wasserqualität, die Nachhaltigkeit der Prozesse und die Kosten vor. Der Hydrometer-Soft-Sensor zielt darauf ab, Längsinformationen in einem Wirbelschichtreaktor zu erhalten und anschließend das Längshohlraum- (2) und Partikeldurchmesserprofil anhand eines empirischen Modells zu bestimmen.

Aräometer – Nachweis des Konzepts

Der Hydrometer-Soft-Sensor basiert auf dem Unterwasser-Wägeverfahren, auch bekannt als archimedisches Prinzip. Archimedes fand heraus, dass die nach oben 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 Inneren des Zylinders. Der Schrittmotor, der Encoder und die Wägezelle sind an ein Datenerfassungs- und Regelung der Q.serie angeschlossen, das aus einem Q.monixx Controller und einem digitalen Eingangsmodul Q.bloxx D101 besteht.

Der intelligente Rollensensor besteht aus vier Komponenten, die das Objekt auf dem Zylinder auf und ab bewegen und sein Gewicht und seine Position messen. Das schwimmende Objekt ist an einer dünnen, geflochtenen Angelschnur befestigt. Die Leine wird über die erste Umlenkrolle gespannt, die mit einem Drehgeber ausgestattet ist, der die Anzahl der Schritte von einem eingestellten Nullpunkt an das Messmodul Q.bloxx D101 überträgt. Die geflochtene Schnur verläuft unter der zweiten Rolle, die mit einer Kraftmesszelle ausgestattet ist, die die Dehnung in Spannung misst. Diese gemessene Dehnung steht in einem linearen Zusammenhang mit der Masse des schwimmenden Objekts. Die geflochtene Leine wird zur Unterstützung über die dritte Umlenkrolle gefädelt. Er ist mit dem Schrittmotor verbunden, der das schwebende Objekt im Zylinder auf und ab bewegt.

Die Konfiguration des Testsystems und die Datenaufzeichnung erfolgen mit der GI.bench. Q.monixx überträgt kontinuierlich Daten an die GI.bench, die auf einem PC läuft. Mithilfe der Sensorskalierungsfunktion in GI.bench werden die Messdaten des Encoders und der Wägezelle von der Schrittzahl [#] in die Position [m] und von der Dehnung [V] in die Masse [kg] umgerechnet. Online-Dashboards ermöglichen es den Bedienern, die Prüfung 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 schwebende Objekt in vordefinierten Schritten auf verschiedene Höhen im Zylinder zur Messung. test.con ist die kostenlose visuelle Programmiersprache von Gantner, mit der Ingenieure individuelle Anwendungen für die Testautomatisierung und -analyse erstellen können. Mit dem Aräometer-Versuchsaufbau 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 sind der Echtzeit-Zugang zum Verhalten des Partikelbetts und eine größere Flexibilität bei wechselnden Wasserdurchfluss- und Prozessbedingungen.

Nach dem Proof-of-Concept-Test 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 mehrere Aspekte weiter entwickelt werden. Dazu gehören die Optimierung der Messgenauigkeit in den unteren Bereichen des Wirbelbetts, der Einsatz von Differenzdrucksensoren zur Verbesserung der Modellvalidierung und die Anwendung von CFD (Computational Fluid Dynamics) zur besseren Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Partikeln, Flüssigkeit und Objekten.

Die Programmierung einer „test.con“-Routine in Q.monixx hat zu einer deutlichen Verbesserung der Testergebnisse geführt.
Waternet

Neben der Anzahl der Datenpunkte konnte auch das optimale Intervall zwischen den Messungen bestimmt werden, was die Zeiteffizienz der Tests verbesserte. Sie kann Wasseraufbereitungsprozesse erheblich verbessern, z. B. durch flexiblere Betriebsabläufe, bessere Wasserqualität, geringere Risiken für unerwünschte Fluidisierungszustände und geringeren Chemikalienverbrauch.

Möchten Sie mehr über Testautomatisierung und die vielen anderen Funktionen von test.con erfahren?

Weitere Informationen

O.J.I. Kramer, C. van Schaik, J.J. Hangelbroek, P.J. de Moel, M.G. Colin, M. Amsing, E.S. Boek, W.P. Breugem, J.T. Padding, J.P. van der Hoek, Ein neuartiger Sensor zur Messung des lokalen Hohlraumprofils im Inneren eines Wirbelschichtreaktors, Journal of Water Process Engineering 41C (2021), S. 1–15, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102091

Sehen Sie sich das folgende Video an, um die Entwicklung des Aräometer-Sensors in Aktion zu erleben.

_{Fußnote:
(1) Ein „Soft-Sensor“ ist ein virtuelles Modell, das verschiedene Eingangsgrößen von einfachen Sensoren umwandelt und diese kombiniert, um die Ausgangsgröße eines komplexeren Sensors nachzubilden.
(2) Der Hohlraumanteil ist der Anteil am Gesamtvolumen des Fließbetts, der als freier Raum für die Strömung von Fluiden zur Verfügung steht.}