DE1498508B2

DE1498508B2 - Verfahren und Gerät zur Betriebsüberwachung von Vorrichtungen zur Wasserenthärtung

Info

Publication number: DE1498508B2
Application number: DE19621498508
Authority: DE
Inventors: Heinzgert Dipl.-Ing. 7129 Güglingen Ammer
Original assignee: Ammer, Dr. Ing. Gerhard, 7129 Güglingen
Priority date: 1962-09-05
Filing date: 1962-09-05
Publication date: 1970-11-05
Also published as: BE637043A; GB1054894A; CH497197A; DE1498508A1; NL297498A; SE314226B; US3383310A; DE1498526A1; DE1498526B2; DK119584B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsüberwachung und Steuerung der Regenerierung von Vorrichtungen zur Wasserenthärtung mit einem Alkalimetall-Ionen abgebenden Ionenaustauscher.

Es ist bekannt, Wasser zur Enthärtung durch einen Behälter hindurchzuleiten, in dem ein Ionenaustauschmaterial angeordnet ist, an dem Alkalimetall-Ionen, insbesondere Natrium-Ionen, gebunden sind. Beim Hindurchleiten des Wassers durch ein solches Material werden die im Wasser befindlichen Kalzium- und Magnesium-Ionen von dem Ionenaustauschmaterial aufgenommen, das eine äquivalente Menge Alkalimetall-Ionen abgibt. Durch die Abgabe der Alkalimetall-Ionen und die Anlagerung von Kalzium- und Magnesium-Ionen wird das Ionenaustauschmaterial erschöpft und bedarf einer Regenerierung, die dadurch erfolgen kann, daß durch das Austauschmaterial eine Kochsalzlösung hindurchgeleitet wird, um die Kalzium- und Magnesium-Ionen wieder durch Natrium-Ionen zu ersetzen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Ionenaustauschmaterial erschöpft, ist von der Härte und der Durchflußgeschwindigkeit des Rohwassers abhängig. Es wäre daher möglich, durch laufende Überwachung der Rohwasserhärte und der Messung der Durchfiußgeschwindigkeit den Zeitpunkt zu errechnen, zu dem eine Regenerierung des Ionenaustauschmateriales erfolgen müßte. Dies erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand, zumal eine in üblicher Weise durchgeführte Messung der Rohwasserhärte die Entnahme von Proben und ihre Analyse, beispielsweise durch Titration, kolorimetrische Messung ■ od. dgl. erfordert. Es kann aber auch ausgehend von einer mittleren Rohwasserhärte und einer mittleren Durchflußgeschwindigkeit die Zeit errechnet werden, nach der eine Regeneration des Ionenaustauschmaterials erfolgen muß und die Regenerierung durch auf eine entsprechende Zeit eingestellte Zeitschaltuhren in regelmäßigen Abständen eingeleitet werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß entweder das Austauschmaterial nicht vollständig ausgenutzt wird, was zu einem unwirtschaftlichen Arbeiten der Anlage führt, oder aber die Gefahr besteht, daß das hindurchgeleitete Wasser nicht immer vollständig enthärtet wird, was beispielsweise bei Kesselanlagen zu schweren Schäden führen kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes von Ionenaustauschern zu schaffen, das es ermöglicht, den Erschöpfungszustand des Ionenaustauschmateriales mit Sicherheit festzustellen und in Abhängigkeit von diesem Erschöpfungszustand die Regenerierung des Ionenaustauschmaterials einzuleiten und zu steuern. Dies wird nach der Erfindung dadurch erzielt, daß die Konzentration der vom Ionenaustauscher abgegebenen Alkalimetall-Ionen potentiometrisch gemessen und von dem Meßergebnis Signale zur Einleitung und/oder Steuerung des Regenerierungsverfahrens abgeleitet werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die potentiometrische Messung der Konzentration der vom Ionenaustauscher abgegebenen Alkalimetall-Ionen auf einfache Weise kontinuierlich erfolgen kann, so daß es ohne weiteres möglich ist, die festgestellten Betriebswerte zu jedem Zeitpunkt an einem Instrument abzulesen und auch mit Hilfe eines Schreibers aufzuzeichnen. Im normalen Betriebszustand wird die Konzentration der Alkalimetall-Ionen, die das untersuchte Wasser durch Austausch gegen die Härte bildenden Ionen aufgenommen hat, im wesentlichen konstant sein. Wenn jedoch das Ionenaustauschmaterial alle Natriumionen abgegeben und dafür die äquivalente Menge Magnesium- und Kalziumionen aufgenommen hat, so sinkt die Konzentration der Natriumionen auf den Natriumgehalt des Rohwassers. Dieser Meßpunkt kann dann dazu benutzt werden, um die Regenerierung des Ionenaustauschmaterials einzuleiten, was in der obenerwähnten Weise durch das Behandeln des Ionenaustauschmaterials mit einer Kochsalzlösung erfolgen kann. Nach dem Hindurchleiten des Kochsalzes wird das Ionenaustauschmaterial gespült, um die überschüssigen, nicht am Ionenaustauschmaterial festhaftenden Natriumionen wieder zu entfernen. Sind alle überschüssigen Natriumionen entfernt, so wird das Ionenaustauschmaterial wieder in die Frischwasserleitung eingeschaltet und es dient von neuem zur Enthärtung des Wassers.

Bei Anwendung des erfmdungsgemäßen Verfahrens wird beim Regenerieren des Ionenaustauschmaterials mit einer Kochsalzlösung eine steigende Natriumionen-Konzentration gemessen. Entspricht der gemessene Wert der Konzentration der zur Regenerierung verwendeten Lösung, beispielsweise einer lO°/oigen Kochsalzlösung, so kann ein zweiter Steuerbefehl ausgelöst werden, der die Ventile des Gerätes wieder so umstellt, daß Spülwasser durch das Ionenaustauschmaterial hindurchgeleitet wird. Hierauf wird durch die Potentialmessung eine mit der Zeit abnehmende Natriumionen-Konzentration festgestellt werden. Wenn nun die Natriumionen-Konzentration auf einem Wert angelangt ist, der nur noch etwas höher ist als der Wert der Natriumionen-Konzentration, die beim Einschalten des Ionenaustauschmaterials in die Frisch- oder Rohwasserleitung hinter dem Ionenaustauscher gemessen wird, so wird ein weiterer Steuerbefehl ausgelöst, der die Ventile des Gerätes so umschaltet, daß das Ionenaustauschmaterial wiederum in die Frischwasserleitung eingeschaltet wird.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens braucht mit der Regenerierung des Ionenaustauschmaterials nicht so lange gewartet zu werden, bis die Natriumionen-Konzentration hinter dem Ionenaustauscher praktisch auf Null absinkt, sondern die Steuerung kann so eingerichtet werden, daß das Ionenaustauschmaterial bereits dann aus der Frischwasserleitung herausgeschaltet und die Regenerierung eingeleitet wird, wenn die Natriumionen-Konzentration unter einem eingestellten Bereich absinkt, innerhalb dem die Härte des Wassers erfahrungsgemäß schwanken kann.

Die Potentialmessung kann hinter dem Behälter durchgeführt werden, in dem das Ionenaustauschmaterial angeordnet ist. In diesem Falle tritt, wenn das Ionenaustauschmaterial erschöpft ist, hartes Wasser durch den Behälter so lange hindurch und in das Röhrensystem ein, das dem weichen Wasser vorbehalten ist, bis die Steueranordnung die Leitung abstellt und den Behälter mit dem Ionenaustauschmaterial aus der Leitung ausgeschaltet und den Regenerierungsvorgang eingeleitet hat. Soll dieses Eintreten von nicht enthärtetem Wasser bei erschöpftem Ionenaustauschmaterial in jedem Falle verhindert werden, so ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Potentialmessung innerhalb des

in Richtung des Wasserbeim letzten Drittel der

Ionenaustauschmaterials
Stromes gesehen etwa
Materialsäule erfolgt.

Die Erfahrung hat nämlich gezeigt, daß in einem in einer Richtung durchströmten Behälter nicht die gesamte Oberfläche des Ionenaustauschmaterials gleichzeitig und gleichmäßig mit ausgetauschten Ionen belegt wird, sondern daß die Grenze, die das erschöpfte Ionenaustauschmaterial von dem noch

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einem Natriumionen abgebenden Ionenaustauschermaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Potentialmessung ein Elektrodenpaar vorgesehen ist, das eine an sich bekannte Glaselektrode mit starkem Alkalifehler und eine Kalomelektrode aufweist. Je nach der Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, zu dessen Anwendung das Gerät ausgebildet ist, kann das Elektrodenpaar

nicht erschöpften Ionenaustauschmaterial trennt, in io am Ausgang des Behälters angeordnet sein, der das der Richtung des Wasserstromes fortschreitet. Wenn Ionenaustauschmaterial erhält, oder aber in Richtung das Meßelektrodenpaar irgendwo im letzten Drittel des Wasserstromes gesehen etwa im letzten Drittel des das Ionenaustauschmaterial enthaltenden Behäl- der Säule des Ionenaustauschmaterials. Es ist auch ters angeordnet wird, so wird dort bereits ein möglich, an der gewünschten Stelle des Ionenauserschöpftes Ionenaustauschmaterial gemessen, wenn 15 tauschmaterials, also insbesondere im letzten Drittel noch Schichten mit nicht erschöpftem Ionenaustauschmaterial am hinteren Ende des Behälters vorhanden
sind. In diesem Falle tritt nach wie vor enthärtetes
Wasser aus dem Behälter aus, der Regeneriervorgang
kann jedoch bereits eingeleitet werden, um zu ver- 20 einzuschalten.

hindern, daß die erwähnte Grenze bis zum Ende Die Erfindung wird an Hand von Ausführungs-

des Behälters vordringt und damit nichtenthärtetes Wasser in das Leitungssystem gelangt, in das nur enthärtetes Wasser einfließen soll.

Der potentiometrisch gemessene Wert ändert sich jedoch nicht nur dann, wenn sich die Konzentration der zu messenden Alkalimetall-Ionen ändert, wenn also die Grenze zwischen dem erschöpften und dem nicht erschöpften Ionenaustauschmaterial in den

Bereich der Meßstelle vordringt, sondern auch bei- 30 Behälters 1 ist über eine Leitung 4 und über ein spielsweise dann, wenn sich eine Konzentration von Ventil 5 mit dem Leitungsnetz verbunden, dem nur Ionen ändert, die durch das Ionenaustauschmaterial
nicht beeinflußt werden. Diese Einflüsse auf den
Meßwert sind mehr oder weniger stark, je nachdem

der Materialsäule eine Abzweigung vorzusehen, die durch eine Leitung mit einer in den Wasserstrom eingeschalteten Saugdüse verbunden ist, und in diese Leitung das Elektrodenpaar zur Potentialmessung

beispielen erläutert. In

F i g. 1 ist schematisch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt;

F i g. 2 zeigt eine Einzelheit einer anderen Ausführungsform.

Ein ein Ionenaustauschmaterial 13 enthaltender Behälter 1 ist über ein Ventil 2 mit einer Roh- oder Frischwasserleitung 3 verbunden. Der Ausgang des

weiches Wasser zugeführt werden soll. An die Rohwasserleitung 3 ist zwischen dem Ventil 2 und dem Eingang des Behälters 1 eine Leitung 6 angeschlos-

es gelingt, die Elektrodenanordnung so auszuwählen, 35 sen, die über ein Ventil 7 zu einem Behälter 8 für daß sie selektiv nur auf die Konzentration der Alkali- die Regenerierlösung, z. B. 10%ige Kochsalzlösung, metall-Ionen anspricht. In den Meßwert eingehende führt. Dieser Behälter 8 ist über eine Leitung 9 und Ionenkonzentrationen können beispielsweise von den
Ionenaustauscher vorgeschalteten Geräten zur Ent-

ein Ventil 10 mit der Rohwasserleitung 3 verbunden. An die Leitung 4 ist noch ein zu einem Ablauf

Säuerung und Enteisung mit halbgebrannten DoIo- 40 führendes Leitungsstück 11 angeschlossen, in das ein

miten, Kalk-Entkarbonisierungsanlagen, Wasserstoff- Ventil 12 eingeschaltet ist.

Austauscher od. dgl. herrühren. Auch sind Änderun- In dem Behälter 1 ist zur Potentialmessung ein

gen in der Natrium-Ionenkonzentration des dem Elektrodenpaar 15 angeordnet, vorzugsweise in dem

Alkalimetall-Ionenaustauscher zugeführten Wassers dem Auslauf benachbarten Drittel des Basenaustau-

möglich, z. B. durch eine Vorbehandlung mit Na- 45 schers. Eine der Elektroden 15 ist eine an sich betriumphosphaten, Silikaten od. dgl. Es ist daher möglich, daß bei einer derartigen Vorbehandlung gleichzeitig Schwankungen im pH-Wert, in der Härte und

kannte Glaselektrode, die einen verhältnismäßig großen Alkalifehler aufweist und für Natriumionen empfindlich ist, die andere Elektrode 15 ist eine Kalomelelektrode. Das Elektrodenpaar 15 ist mit Diese Einflüsse können bei Bedarf dadurch elimi- 50 einem Meßinstrument 16 verbunden, das einstellbare

niert werden, daß in Abhängigkeit von der Konzen- Schaltpunkte aufweist. Die Schaltpunkte sind in eine

tration an Ionen, die den Meßwert verfälschen, auf den Meßwert ein Einfluß ausgeübt wird.

im Natriumgehalt auftreten.

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Steuerschaltung 17 eingeschaltet, die die Ventile 2, 5, 7, 10 und 12 schaltet.

Bei Normalbetrieb sind die Ventile 7, 10 und 12 Verfahrens wird zu diesem Zweck die Leitfähigkeit 55 geschlossen und die Ventile 2 und 5 geöffnet. Das des Rohwassers gemessen. Härteschwankungen des Rohwasser durchströmt das Ionenaustauschmaterial Wassers ergeben Schwankungen der Leitfähigkeit.
Diese Schwankungen der Leitfähigkeit des Rohwassers zur Kompensation der Schwankungen der
Anzeige der Natriumionen-Konzentration, die durch 60 Behälter 1 nahezu erschöpft, so zeigt das Meßdie schwankende Wasserhärte erzeugt wird. Da die instrument 16 nur noch wenig Natriumionen an. Messung der Natriumionen-Konzentration nur dazu Hierdurch wird ein Steuerbefehl an die Schaltung 17 dient, die Regenerierung des Ionenaustauschmaterials abgegeben, die die Ventile 2 und 5 schließt und die rechtzeitig einzuleiten, können auch andere Verfah- Ventile 10, 7 und 12 öffnet. Dadurch wird die Regeren angewandt werden, um Schwankungen der Härte 65 nerierlösung aus dem Behälter 8 in den Behälter 1

13 in dem Behälter 1 und tritt über die Leitung 4 in das dem Weichwasser vorbehaltene Leitungssystem ein. Ist das Ionenaustauschmaterial in dem

des Rohwassers und sonstige das Meßergebnis beeinflussende Größen zu eliminieren.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gerät zur

mit dem Ionenaustauschmaterial 13 gedrückt und über die Leitung 11 in den Auslauf geführt. Wenn das Elektrodenpaar 15 anzeigt, daß die Natrium-

ionen-Konzentration am Ausgang des Basenaustauscher der Konzentration der Regenerierlösung entspricht, so gibt das Instrument 16 einen weiteren Steuerbefehl an die Schaltung 17 ab, die die Ventile 10 und 7 schließt, das Ventil 2 jedoch öffnet. Dadurch tritt Rohwasser durch den Behälter 1 hindurch und spült das Ionenaustauschmaterial. Das Spülwasser geht über die Leitung 11 und das Ventil 12 in den Ablauf. Wird mit dem Elektrodenpaar 15 nunmehr eine Natriumionen-Konzentration gemessen, die der Härte des Rohwassers etwa entspricht oder die nur · noch wenig größer als die Härte des Rohwassers ist, so gibt das Instrument 16 einen weiteren Steuerbefehl an die Schaltung 17, die das Ventil 12 schließt und das Ventil 5 öffnet. Damit ist die Regenerierung und Spülung des Ionenaustauschmaterials 13 beendet und dieses Material wieder zwischen die Rohwasserleitung und die Weichwasserleitung für den normalen Betrieb eingeschaltet.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist der Behälter 1, der mit Ionenaustauschmaterial 13 gefüllt ist, in der Nähe seines unteren Endes eine Abzweigleitung 18 auf, die über ein Gefäß 19 mit einer Saugdüse 20 verbunden ist, die in die Rohwasserleitung 3 zu dem Behälter 1 eingeschlossen ist. Zu beiden Seiten des Gefäßes 19 sind Absperrventile 21 und 22 eingeschaltet. In dem Gefäß 19 ist das Elektrodenpaar 15 angeordnet.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform nur dadurch, daß das Elektrodenpaar 15 nicht unmittelbar in der Säule des Ionenaustauschmaterials 13 angeordnet ist, sondern an einer bestimmten Stelle Wasser zwischen dem Ionenaustauschmaterial herausgesaugt wird und dieses herausgesaugte Wasser dann untersucht wird.

Der Zeitpunkt, in dem die Regenerierlösung abgeschaltet und der Spülvorgang eingeschaltet wird, kann auch gegenüber dem Zeitpunkt, in dem das Meßinstrument 16 den entsprechenden Meßwert anzeigt, etwas verzögert sein, um zu gewährleisten, daß auch das unterhalb des Elektrodenpaars 15 im Behälter angeordnete Ionenaustauschmaterial 13 vollständig regeneriert wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Betriebsüberwachung und Steuerung der Regenerierung von Vorrichtungen zur Wasserenthärtung mit einem Alkalimetall-Ionen abgebenden Ionenaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der vom Ionenaustauscher abgegebenen Alkalimetall-Ionen potentiometrisch gemessen und von dem Meßergebnis Signale zur Einleitung und/oder Steuerung des Regenerierungsverfahrens abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der durch die Schwankungen der Wasserhärte bedingten Schwankungen des durch die Alkalimetall-Ionen hervorgerufenen Meßwertes die Werte einer Leitfähigkeitsmessung des Wassers verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialmessung innerhalb des Ionenaustauschmaterials in Richtung des Wasserstromes gesehen etwa beim letzten Drittel der Materialsäule erfolgt.

4. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem Natrium-Ionen abgebenden Ionenaustauschmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zur Potentialmessung ein Elektrodenpaar (15) vorgesehen ist, das eine an sich bekannte Glaselektrode mit starkem Alkalifehler und eine Kalomelelektrode aufweist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpaar (15) in dem Ionenaustauschmaterial (13) in Richtung des Wasserstromes gesehen etwa im letzten Drittel einer Säule des Ionenaustauschmaterials (13) angeordnet ist.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß etwa im letzten Drittel der Säule des Ionenaustauschmaterials (13) ein Behälter (1) eine Abzweigleitung (18) aufweist, die durch eine Leitung mit einer in den Wasserstrom eingeschalteten Saugdüse (20) verbunden ist, und daß in diese Leitung das Elektrodenpaar (15) zur Potentialmessung eingeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen