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Sensibel und selbst überwachend
Onlineverfahren zur Weichwasserüberwachung

Dipl. Ing. Winfried Schellbach
OFS Online Fluid Sensoric GmbH, Gera

Zur Erzeugung von Weichwasser werden seit Anfang der 60er Jahre verstärkt Ionenaustauscheranlagen mit Natriumchloridregeneration eingesetzt. Die erzeugte Weichwasserqualität und Weichwassermenge hängt dabei von den statischen und dynamischen Eigenschaften der jeweilig eingesetzten Enthärtungsanlage ab.

Die statischen Eigenschaften werden dabei vom Typ der Anlage mit Harzqualität, Harzmenge sowie von den speziellen Regenerationsprozessbedingungen vorgegeben und bilden eine planerische rechnerische Größe der Weichwasserenthärtungskapazität und der dazu erforderlichen Regenerationsmittel. Die dynamischen Eigenschaften werden von der jeweilig vorliegenden Härtekonzentration des zu enthärtenden Rohwassers bestimmt. Diese unterliegt in der Regel natürlichen Schwankungen.

Die dynamischen und die statischen Eigenschaften begrenzen die technische Weichwasserkapazität einer Enthärtungsanlage, welche in der Praxis auf einen maximalen Rohwasserwert geplant werden. Bereits mit Erreichen einer geplanten Durchsatzmenge wird unabhängig der technischen Enthärtungskapazität (Nennkapazität) der Enthärtungsanlage die Regeneration der Anlage gestartet. Die dabei genutzte Enthärtungskapazität (Nutzkapazität) ist geringer, wie die technischen Möglichkeiten es erlauben würden.

Diese Betriebsweise, als quantitative Betriebsweise bezeichnet, arbeitet unabhängig von den konkreten Härtebedingungen am Weichwasserausgang, wobei in der Regel die technischen Kapazitäten der Enthärtungsanlagen, wegen fehlenden kontinuierlichen, prozesssicheren und wirtschaftlichen Weichwasserüberwachungssystemen nicht ausgeschöpft werden können.

Als technischer Standard zur Weichwasserüberwachung hat sich das zyklische photometrische Messverfahren in den letzten 40 Jahren bewährt, um stichprobenartig die technische Funktionsfähigkeit der Enthärtungsanlage zu kontrollieren und diese im Störungsfall zu melden.

Abb. 1: Schematischer Aufbau des Softcontrol Messverfahrens.

Eine qualitative Betriebsweise einer Enthärtungsanlage erfordert jedoch eine selektive kontinuierliche Überwachung der Weichwasserhärte über den gesamten Weichwasserentnahmeprozess. Erst mit Erreichung einer vorgegebenen Weichwasserhärtekonzentration wird die Regeneration der Enthärtungsanlage gestartet, womit ein wesentlich höherer Weichwasserdurchsatz gegenüber der quantitativen Betriebsweise erreicht werden kann, der als Durchsatzgewinn nachfolgend dargestellt ist.

Mit Umstellung einer Enthärtungsanlage von der quantitativen auf eine qualitative Betriebsweise kann in der Praxis ein Durchsatzgewinn von 40 bis 120% erreicht werden, was insbesondere für Anlagen mit hohem Weichwasserdurchsatz von Interesse ist.

Für eine qualitative Betriebsführung der Enthärtungsanlagen konnte sich das photometrische Wasserhärteüberwachungsverfahren nicht durchsetzen. Eine kontinuierliche, zuverlässige und wirtschaftliche Messlösung der Weichwasserhärte war so nicht mehr gegeben: Nachteilig wirkten steigende apparative Geräteanforderungen und der hohe Verbrauch an Indikatormitteln.

Wasserhärte kann nicht nur mit photometrischen sondern auch mit potentiometrischen Messverfahren ähnlich einer pH-Messung bestimmt werden. Das Messverfahren mit ionenselektiven Calcium- oder Magnesiumelektroden stellt hohe Anforderungen an die Kalibrierung und Messdurchführung. Es blieb somit ausschließlich dem chemischen Labor vorbehalten. Bisher war es für praktische Industrieanwendungen und Applikationen, wie einer qualitativen Weichwasserüberwachung ungeeignet.

Mit der Entwicklung eines neuartigen Weichwasserüberwachungsgerätes der Typenfamilie „Softcontrol“ von der OFS GmbH wird ein Mess- und Steuergerät mit potentiometrischem Messverfahren zur kontinuierlichen Weichwasserüberwachung vorgestellt. Dieses löst bisherige Probleme der qualitativen Weichwasserüberwachung mit sehr einfachem Geräteaufbau und wirtschaftlich kontinuierlicher Messfunktion über lange Zeiträume. Das einfache Verfahrensprinzip beruht darauf, dass eine calcium-magnesium-selektive Elektrode ständig die Differenz der Wasserhärte zwischen dem Hart- und Weichwasser bestimmt und zu einem vorgegebenen Grenzwert bewertet.

Nutzkapazität einer Enthärtungsanlage mit quantitativer Betriebsweise.

Nutzkapazität einer Enthärtungsanlage mit qualitativer Betriebsweise.

Entsprechend diesem Grundprinzip ist keine Inline-Messung ähnlich einer pH-Elektrodenmessung möglich. Das Verfahren bedingt eine Bypassmessung.

Eine externe Durchflussmesszelle mit einer calcium-magnesium-selektiven Elektrode füllt sich automatengesteuert mit Hart- bzw. Weichwasser. Nach der Messung verdrängt eine druckbehaftete Neubefüllung das vorher bestimmte Wasser.

Dieses spezielle Verfahren arbeitet bei einfachem Geräteaufbau mit kleinsten Probenschläuchen (Innendurchmesser 2 mm), einem kleinen Füllvolumen der Durchflussmesszelle (ca. 5 ml) in sehr kurzen Messzyklen (15 bis 30 s/Messung). Die Sensorbetriebsdauer ist von den Messzyklen unabhängig. Indikatormitteln sind nicht erforderlich. Das Prinzip ermöglicht erstmals eine effektive quasi-kontinuierliche Überwachung von Enthärtungsanlagen unter wirtschaftlichen Bedingungen.

Das angewandte Differenzverfahren bietet die Möglichkeit Sensordriften auszuschließen sowie die Sensorgüte zu bestimmen. Womit nicht nur die Weichwasserhärte sondern zusätzlich die Messfunktionalität überwacht wird. Das Enthärtungsverfahren und das Messverfahren wird so prozess- und kontrollsicher. Entsprechend dieser Möglichkeiten sind optimale Voraussetzungen für die qualitative Steuerung von Enthärtungsanlagen gegeben. Mit ständiger Überwachung der Weichwasserhärte während der gesamten Weichwasserentnahme kann die ansteigende Weichwasserhärte schon in sehr geringen Konzentrationen erkannt und bewertet werden. Weiterhin wird die Problematik von Standhärte in den Enthärtersäulen über den gesamten Härteanstiegsprozess bei Kapazitätserschöpfung sinnvoll bewertet und entsprechend berücksichtigt. Vorzeitige Regenerationsauslösung kann entsprechend der Härtetrendentwicklung von Standhärteproblemen verhindert und die Weichwasserkapazität optimal genutzt werden.
Abbildung 2 dokumentiert mit Softcontrol einen so genannten Härtedurchbruch an einer Enthärtungsanlage, unabhängig der Weichwasserentnahme. Mit Abschaltung der Weichwasserentnahme ist der Gegenioneffekt auf jeweils höheren Härtenievaus gut zu sehen.

Abb. 2: Härtedurchburch an einer Enthärtungsanlage, gemessen mit Softcontrol.

Entsprechend der hohen Sensorsensitivität und Selektivität können auch Grenzwerte unterhalb von 0,1 °dH ständig überwacht werden. Analog zu anderen chemischen Sensorsystemen ist die Sensorbetriebsdauer begrenzt. Sie wird mit zunehmend kleinerem Härtegrenzwert und störenden Inhaltsstoffen, wie Stoßchlorierungen und Soleschüben von den Enthärtungsanlagen negativ beeinflusst.

Dieser Sensoralterungsprozess wird automatisch vom Messsystem überwacht und mit Unterschreitung einer Mindestqualität dem Anwender zur erforderlichen Auswechselung rechtzeitig signalisiert. Die Auswechselung des Sensors ist die einzige Wartungsarbeit am Messsystem und kann vom Anwender selbstständig und einfach ausgeführt werden. Nur in diesem Servicefall ist im Steuerungsfall einer Enthärtungsanlage automatisch der quantitative Betriebsmodus geschaltet und bleibt bestehen bis die Auswechselung des Sensors vom Messsystem erkannt wurde.

Abb. 3: Betriebskosteneinsparung typischer Enthärtungsanlagen mit Qualitätssteuerung am Beispiel kontinuierlichem mittleren Durchsatz bezogen auf den maximalen Durchsatz und einer schwankenden Rohwasserhärte von 10°dH bis 20°dH (Typische Enthärtungsanlagen mit einem maximalen Durchsatz in m³/h, Annahmen max. Durchsatz mit 1m³/h bei Nennkapazität mit 100 m³xdH; 25 kg Salz = 6 € ; 1 m³ = 4 €, Annahme für Anlagen ab 28 m³/h Nutzung eines eigenen Brunnens, womit keine zusätzlichen Spülwasserkosten entstehen).

Fazit

Das neue Messverfahren bietet, unabhängig bestehender Rohwassermatrixen und sehr hohen Rohwasserhärten, eine neue alternative Möglichkeit zur wirtschaftlichen, kontinuierlichen Weichwasserüberwachung und zu einem Übergang zur qualitativen Betriebssteuerung von Enthärtungsanlagen. Der Einsatz optimiert den Enthärtungsbetrieb bei gleichbleibender Weichwasserqualität und erhöhter Prozess- und Verfahrenssicherheit.