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 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 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. Mit Hilfe der Sensor-Skalierung in GI.bench werden die Messdaten von Encoder und Wägezelle von der Schrittzahl [#] in Position [m] und Dehnung [V] in 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.

Programming a test.con routine in the Q.monixx has benefited the test results significantly.
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.

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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, A novel sensor measuring local voidage profile inside a fluidised bed reactor, Journal of Water Process Engineering 41C (2021), pp. 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 Eingaben von einfachen Sensoren umwandelt und sie kombiniert, um die Ausgabe eines komplexeren Sensors zu imitieren.
(2) Die Leere ist der Anteil des Gesamtvolumens der Wirbelschicht, der als freier Raum für die Strömung der Fluide zur Verfügung steht.}