DE19520917A1 - Umkehrosmoseanlage sowie Verfahren und Vorrichtung zu ihrer Regelung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umkehrosmoseanlage nach dem Obergriff des Hauptanspruches. Solche Anlagen werden unter anderem in Verbindung mit Hämodialysegeräten benötigt, um zur Herstellung der Dialysierflüssigkeit ausreichend reines, möglichst keimfreies Wasser zur Verfügung zu haben. Das Einsatzgebiet der Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt.

Das Funktionsprinzip von Umkehrosmoseanlagen besteht bekannt­ lich darin, daß das aufzubereitende Wasser in einem Filtermo­ dul unter hohem Druck an der Oberfläche einer semipermeablen Membran entlanggeführt wird, wobei ein Teil des Wassers, das sogenannte Permeat, durch die Membran tritt und auf der anderen Seite der Membran gesammelt und der Verbrauchsstelle zugeführt wird. Der nicht durch die Membran tretende, mit zurückgehaltenen Stoffen angereicherte Teil des Rohwassers, das sogenannte Konzentrat, fließt am Ende der Strömungs­ strecke des Primärraumes aus dem Membranmodul aus.

Beim Betrieb von Umkehrosmoseanlagen, z. B. bei der Versorgung einer Dialysestation, kann der Bedarf an aufbereitetem Wasser starken Schwankungen unterliegen, so daß die Anlage oft nur zu einem Teil ihrer Kapazität ausgelastet wird. Ein bekanntes Verfahren, diesen Kapazitätsüberschuß sinnvoll zu nutzen, besteht darin, das überschüssig produzierte Permeat in den Rohwasserkreislauf zurückzuleiten. Das so gebildete und dem Filtermodul zugeführte Mischwasser hat eine verminderte eine entsprechend höhere Qualität erreicht.

Es ist darüber hinaus bekannt, einen Teil des abfließenden Konzentrats in den Rohwasserzufluß zurückzuleiten. Diese Maßnahme führt zwar zu einer Qualitätsverschlechterung des Permeats im Sinne einer Zunahme des Schadstoffgehalts, aber anderseits zu einer vorteilhaften Verminderung des Rohwasser­ bedarfs für eine bestimmte erzeugte Permeatmenge.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Umkehrosmosean­ lage so auszustatten, daß die tendenziell entgegengesetzten Forderungen (a) nach einer dem Anwendungszweck entsprechenden Qualität des erzeugten Permeats und (b) nach bestmöglicher Ausnutzung des Rohwassers auch bei wechselnder Auslastung der Anlage berücksichtigt wird. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 12 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Abbildungen.

Es zeigt

Fig. 1 das Schema einer Umkehrosmoseanlage mit Ausstat­ tungsmerkmalen entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 eine andere Einrichtung gemäß der Erfindung zur Veränderung des Konzentratrückflusses in Abhängig­ keit vom Permeatrückfluß (Rückflußregler),

Fig. 3 eine spezielle Bauart des Rückflußreglers in sche­ matischer Darstellung,

Fig. 4 das Schema einer Einrichtung zur Veränderung der Charakteristik des Rückflußreglers in Abhängigkeit von Betriebsmeßgrößen der Umkehrosmoseanlage.

Die prinzipielle Einrichtung einer Umkehrosmoseanlage mit Gestaltungsmerkmalen entsprechend der Erfindung ist rein schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das über die Leitung 10a, b zugeführte Rohwasser gelangt über die Pumpe 11 und die Lei­ tung 12 in das Filtermodul 13, dessen Primärraum 13a durch eine semipermeable Membran 14 von dem Sekundärraum 13b ge­ trennt ist. Das Permeat fließt aus dem Sekundärraum in die Verbraucherleitung 15, von der Stichleitungen 15a, 15b, usw. zu den einzelnen Verbrauchsstellen abzweigen. Überschüssiges Permeat wird über die Rückführungsleitung 16 zum Eingang der Anlage zurückgeleitet und vermischt sich mit dem über die Leitung 10a zugeführten Rohwasser. Durch einen zwischen der Verbraucherleitung und der Rückführungsleitung eingefügten Strömungswiderstand, z. B. in Form eines selbsttätig den Eingangsdruck regelnden Druckhalteventils 18, wird ein geeig­ neter Betriebsdruck in der Verbraucherleitung 15 eingestellt.

Ein anderes Druckhalteventil 19 am Ausgang des Primärraumes des Filtermoduls bestimmt den im Primärraum herrschenden, für die Filtration notwendigen Druck. Die Konzentratleitung 20 ist zu einem Strömungsteiler 21 geführt, durch die ein Teil des Konzentrats über die-Leitung 22 in die Rohwasserleitung 10a, b zurückgeführt wird und der übrige Teil über die Leitung 23 in den Abfluß 24 gelangt.

Der Strömungsteiler besteht prinzipiell aus zwei Strömungswi­ derständen 24 und 25, von deren Widerstandsverhältnis das Verhältnis zwischen dem rückgeführten und dem in den Abfluß geleiteten Konzentratanteil abhängt.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der rückgeführte Permeatfluß gemessen und der rückgeführte Konzentratanteil aufgrund des Ergebnisses der Messung automatisch so angepaßt wird, daß mit zunehmendem Permeatrückfluß auch der rückge­ führte Konzentratanteil steigt. Dabei handelt es sich um eine Art "Rückflußsteuerung", für die nach der Terminologie der Regelungstechnik nicht der Begriff "Regelung" im eigentlichen Sinne anzuwenden ist, da eine rückwirkende Abhängigkeit des Permeatrückflusses vom Konzentratrückluß praktisch nicht besteht. Vereinfachend kann dennoch die von dem Meßglied und dem in Abhängigkeit von dem Meßergebnis gesteuerten Stell­ glied einschließlich der für die Kopplung notwendigen Zwi­ schenglieder gebildete Funktionseinheit als "Rückflußregler" bezeichnet werden.

Eine wichtige Eigenschaft des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Rückflußregler praktisch unverzögert den Konzentratrückfluß reduziert, wenn aufgrund einer Zunahme der Auslastung der Umkehrosmoseanlage der Permeatrückfluß sprunghaft absinkt. Dies ist zum Schutz des Filtermoduls vor unzulässig hohen Konzentrationen gelöster Stoffe auf der Primärseite der Membran von Bedeutung, bei denen es in kurzer Zeit zu Ausfällungen auf der Membranoberfläche und einer dadurch bedingten "Verstopfung" der Membran kommen kann. Andere Meßgrößen, z. B. die elektrische Leitfähigkeit des Wassers, reagieren auf Veränderungen des Betriebszustandes der Anlage nur mit einer gewissen Trägkeit und/oder sind für den in Frage stehenden Zusammenhang nur von begrenzter Aussa­ gekraft, weil z. B. die an den Ausfällungen beteiligten Ionen (Calcium, Magnesium, Mangan, Eisen) nur einen relativ kleinen Beitrag zur gemessenen Leitfähigkeit liefern.

Die Charakteristik des Rückflußreglers kann näherungsweise durch die Beziehung q2 = q20 + a×q1 beschrieben werden, wobei q1 den rückgeführten Permeatfluß und q2 den rückgeführ­ ten Anteil des Konzentratflusses angibt. q20 ist ein von der Grundeinstellung des Stellgliedes abhängiger Flußanteil, a bezeichnet den u. a. von der Meßempfindlichkeit abhängigen Proportionalitätsfaktor zwischen Permeatrückfluß-Zunahme und Konzentratrückfluß-Zunahme.

Zu dem genannten Zweck ist gemäß Fig. 1 in die rückführende Permeatleitung 16 ein Durchfluß-Meßwandler 27 üblicher Bauart eingefügt, der über eine Zwischenschaltung 27a ein dem Durch­ fluß proportionales elektrisches Signal liefert. Dieses Signal gelangt über die Steuerleitung 28 an einen Stellmotor (Servomotor) 29, mit dem das Teilungsverhältnis des Strö­ mungsteilers 21 eingestellt wird. Der zum Abfluß führende Strömungswiderstand 26 ist als vom Stellmotor 29 angetriebe­ nes Regelventil (Schieberventil, Drossel) ausgebildet, wäh­ rend der mit dem Rohwasserzufluß in Verbindung stehende Strömungswiderstand 25 ein federbelastetes Rückschlagventil ist. Bei Veränderung der Einstellung des Regelventils verän­ dert sich automatisch auch der Strömungswiderstand des Rück­ schlagventils, und zwar im entgegengesetzten Sinne, so daß eine separate, von außen einwirkende Steuerung hierfür nicht notwendig ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Rückschlagventil eine umgekehrte Durchströmung nicht zuläßt, so daß ein Ausfließen von Rohwasser in den Abfluß unter allen Umständen vermieden wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht das Meßglied aus einer Differenzdruck-Meßdose 30 in Verbindung mit einer Drossel 31. Die an der Drossel durch das über die Leitung 16 rückgeführte Permeat auftretende Druckdifferenz treibt den Stößel 32 entgegen der Kraft der Druckfeder 33 nach unten und verschiebt dabei den Ventilkegel 34 so, daß der Strömungswi­ derstand zwischen der Konzentratleitung 20 und der Abflußlei­ tung 23 zunimmt. Infolgedessen steigt bei zunehmendem Perme­ atrückfluß der Anteil des rückgeführten Konzentrats an, der über das Rückschlagventil 25 in die mit der Rohwasserleitung verbundene Rückführungsleitung 22 gelangt.

Bei einem bevorzugten weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, sind das Meßglied zur Erfassung des Permeatrückflusses und das Stellglied, das den Anteil des rückgeführten Konzentrats bestimmt, in dem gemein­ samen Gehäuse 40 vereinigt. Das Meßglied besteht aus dem in dem zylindrischen Raum 41 beweglichen Kolben 42 in Verbindung mit der Drossel 31. Das rückzuführende Permeat tritt über den Anschluß 15 ein und gelangt über den Anschluß 16 zur Rohwas­ serleitung. Die durch die Strömung des Permeats erzeugte Druckdifferenz treibt den Kolben entgegen der Kraft der Federn 33a, b nach unten und betätigt dabei das als Strömungs­ teiler wirkende Stellglied für die Konzentratrückführung. Dieses besteht aus einem Schieber 43, der über eine Stange 44 mit dem Kolben verbunden ist. Der Schieber kann, wie in Fig. 3 angedeutet, in einfachster Ausführung die Form einer Platte haben, die den Querschnitt des zylindrischen Steuerraumes 45 annähernd verschließt. Die Zuführungsleitung 20 für das Konzentrat mündet seitlich in den zylindrischen Raum 45, und zwar so, daß in einer mittleren Stellung des Schiebers etwa gleiche Anteile des Konzentrats in die Räume oberhalb und unterhalb des Schiebers geleitet werden. Der Raum unterhalb des Schiebers ist mit der Abflußleitung 23 verbunden, der Raum oberhalb des Schiebers mit der Konzentrat-Rück­ führungsleitung 22, die sich in der gezeigten Ausfüh­ rungsform mit der Permeat-Rückführungsleitung 16 unmittelbar vereinigt. Die gemeinsame Leitung 16, 22 steht, zweckmäßiger­ weise über ein Rückschlagventil, mit der Rohwasserleitung in Verbindung.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß ihre Funktion nicht von Präzisionsbauteilen abhängt. Unter anderem dürfen der Kolben 42 und der Schieber 43 rela­ tiv großes Spiel in den zugehörigen Zylindern haben. Da außerdem die Übertragung der als Meßsignal wirkenden Kraft ohne Dichtungselemente erfolgt, arbeitet das System praktisch reibungsfrei, so daß eine gute Reproduzierbarkeit und Be­ triebssicherheit gegeben ist.

Die Charakteristik der beschriebenen Anordnung hängt von dem Spannungszustand der Federn 33a und 33b und dem Strömungswi­ derstand der Drossel 31 ab. Durch Einstellung dieser Parame­ ter können der Grundanteil des rückgeführten Konzentrats und der Proportionalitätsfaktor zwischen Permeat- und Konzentrat-Rück­ fluß (Übertragungsgrößen nullter und erster Ordnung) variiert werden. Beispielsweise ist der Spannungszustand der Federn dafür maßgebend, ob bereits bei geringem Permeatrück­ fluß ein erheblicher Anteil des Konzentrats zurückgeführt wird, oder ob die Konzentrat-Rückführung erst ab einem be­ stimmten Mindestwert des Permeatrückflusses einsetzen soll. Die Einstellung der Drossel bestimmt, in welchem Maße bei steigendem Permeatrückfluß auch der Konzentratrückfluß zunimmt. Zu diesen Zwecken sind Einstellvorrichtungen 46 und 47 für die genannten Parameter vorgesehen.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, die Einstellung der genannten Übertragungsgrößen selbsttätig zu verändern, wenn bestimmte Betriebszustände dies notwendig machen. Bei manchen Umkehrosmoseanlagen ist z. B. die Pumpe 11 (Fig. 1) als Tauch­ pumpe ausgeführt, wobei die Kühlung der Pumpe einschließlich ihres Antriebsmotors durch das zufließende Rohwasser bzw. durch das vom Rohwasser und rückgeführtem Permeat und Konzen­ trat gebildete Mischwasser erfolgt. Wenn die Anlage mit nur geringer Permeatentnahme (im Leerlauf) betrieben wird und entsprechend der hohen Permeatrückführung und gleichzeitig hohen Konzentratrückführung der Rohwasserzufluß nur sehr gering ist, kann ein unzulässiger Temperaturanstieg auftre­ ten. Eine geeignete Korrekturmaßnahme besteht darin, die Konzentratrückführung vorübergehend zu vermindern. Für diesen Fall sieht die weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Übertragungscharakteristik der Rückflußreglers entspre­ chend angepaßt wird, indem der Durchflußwiderstand der Dros­ sel 31 vermindert und/oder die Spannung der Federn 33a, b erhöht wird. Hierzu werden die Einstellvorrichtungen 46, 47 als Stellantriebe mit Stellmotoren ausgestattet. Bei dem in Fig. 4 angegebenen Schema einer entsprechenden Steuerungsein­ richtung erfolgt die Steuerung des Stellantriebes durch einen Temperatursensor 50 über eine entsprechende elektronische Anpassungsschaltung 51, vorzugsweise so, daß der Stellantrieb 46 mit zunehmender Temperatur oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur die Drossel 31 weiter öffnet und damit die Position der Teile 42, 43, 44 nach oben verlagert wird.

Die Möglichkeit, die Charakteristik des Rückflußreglers mit Hilfe von Stellmotoren in der beschriebenen Weise zu verän­ dern, ist auch vorteilhaft nutzbar, um Schwankungen der Wasserqualität auszugleichen. Bei längerem Stillstand einer Umkehrosmoseanlage tritt durch Diffusion eine relativ große Menge gelöster Stoffe aus dem Primärraum durch die Membran in den Sekundärraum über, so daß in der ersten Phase nach der Inbetriebnahme die Qualität des Permeats erheblich ver­ schlechtert ist. Eine geeignete Maßnahme, diesen Zustand möglichst rasch zu überwinden, besteht darin, die Konzentrat­ rückführung in dieser ersten Betriebsphase zu reduzieren. Dies kann mittels einer Schaltuhr 52 bewirkt werden, die für eine vorwählbare Dauer eine entsprechend veränderte Einstel­ lung der Stellantriebe 46, 47 wirksam werden läßt. Alternativ hierzu kann die elektrischen Leitfähigkeit des Permeats überwacht und die Konzentratrückführung reduziert werden, bis diese einen ausreichend niedrigen Grenzwert erreicht hat. Ahnlich kann eine automatisierte Verstellung der Regelcharak­ teristik dazu dienen, die Konzentratrückführung dann zu reduzieren und damit den dem Filtermodul zugeführten Rohwas­ seranteil zu erhöhen, wenn die Leitfähigkeit des Konzentrats übermäßig hoch ist, um auf diese Weise der Tendenz zur Bil­ dung von Ablagerungen im Filtermodul entgegenzuwirken. Eine ähnliche Schutzwirkung ist durch Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit des dem Filtermodul zugeführten Mischwassers, das aus Rohwasser und rückgeführtem Permeat und Konzentrat gebildet und dem Filtermodul zugeführt wird, und entsprechen­ de Anpassung der Charakteristik des Rückflußreglers erreich­ bar. Bei dem Schema nach Fig. 4 ist zu den genannten Zwecken der Leitfähigkeitssensor 53 vorgesehen, dessen Meßsignal über die elektronische Anpassungsschaltung 51 die Stellung der Stellantriebe 46, 47 beeinflußt.

Das in Abb. 4 gezeigte Schema ist sinngemäß auch auf die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und Fig. 2 übertragbar.

Claims (14)

1. Umkehrosmoseanlage mit einem Filtermodul zur Trennung von zugeführtem Rohwasser in filtriertes Reinwasser (Permeat) und unfiltriertes, mit zurückgehaltenen Stoffen angereichertes Abfallwasser (Konzentrat) und mit Einrichtungen zur Rückfüh­ rung von überschüssig erzeugtem, nicht benötigtem Permeat in den Rohwasserzufluß und Rückführung eines variablen Anteils des Konzentrats ebenfalls in den Rohwasserzufluß, wobei der nicht rückgeführte Teil des Konzentrats verworfen und dem Abfluß zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur selbsttätigen Einstellung des Anteils des rückgeführten Konzentrats in Abhängigkeit vom Permeatrückfluß ("Rückflußregler") mit einem den Permeatrückfluß erfassenden Meßglied (27) und einem hiervon gesteuerten Stellglied (21), das den Anteil des rückgeführten Konzentrats bestimmt.

2. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Meßglied von einer durch Strömungskräfte des rückgeführten Permeats betätigten Differenzdruck-Meß­ einrichtung (30; 41, 42) gebildet wird.

3. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Meßglied eine Kolben-Zylinder-Anordnung (42, 41) aufweist, bei der ein durch Strömungskräfte des rückgeführten Permeats erzeugter Differenzdruck auf die beiden Seiten des Kolbens (42) wirkt.

4. Umkehrosmoseanlage nach einem der vorausgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Differenz­ druckes ein vom rückgeführten Permeat durchflossener Strö­ mungswiderstand in Form einer Drossel (31) vorgesehen ist.

5. Umkehrosmoseanlage nach einem der vorausgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (21) aus einem Strömungsteiler mit einem zuführenden Strömungsweg (20) und zwei abführenden Strömungswegen besteht, wobei der zufüh­ rende Strömungsweg mit dem Konzentratauslaß des Filtermoduls, der erste abführende Strömungsweg (22) mit der Rohwasserlei­ tung und der zweite abführende Strömungsweg (23) mit der Abflußleitung in Verbindung steht, der Strömungsteiler einen in einem zylindrischen Gehäuse (45) angeordneten, axial beweglichen Schieber (43) aufweist und der zuführende Strö­ mungsweg (20) in der Neutralstellung des Schiebers seitlich in das Gehäuse einmündet, während die beiden abführenden Strömungswege beiderseits des Schiebers angeschlossen sind.

6. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung (42, 41) und der Strömungsteiler ein gemeinsames Gehäuse (40) aufweisen und der Kolben (42) des Meßgliedes und der Schieber (43) des Strömungsteilers mechanisch miteinander so in Verbindung stehen, daß eine Verschiebung des Kolbens entgegen der Kraft mindestens einer Federn (33a, b) zu einer entsprechenden Bewe­ gung des Schiebers des Strömungsteilers führt.

7. Umkehrosmoseanlage nach einem der vorausgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückflußregler mit Einrichtungen (46, 47) zur Einstellung seiner Übertragung­ scharakteristik ausgestattet ist.

8. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtungen (46, 47) zur Einstellung der Übertragungscharakteristik als elektrisch steuerbare Ein­ stelleinrichtungen ausgebildet sind.

9. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen (50, 51) zur temperaturabhängigen Einstellung der Übertragungscharakteristik des Rückflußreglers.

10. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen (51, 52) zur zeitabhängigen Einstellung der Übertragungscharakteristik des Rückflußreglers.

11. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen (51, 53) zur leitfähigkeitsabhängigen Einstel­ lung der Übertragungscharakteristik des Rückflußreglers.

12. Verfahren zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage, die ein Filtermodul zur Trennung von zugeführtem Rohwasser in fil­ triertes Reinwasser (Permeat) und unfiltriertes, mit zurück­ gehaltenen Stoffen angereichertes Abfallwasser (Konzentrat) und Einrichtungen zur Rückführung von überschüssig erzeugtem, nicht benötigtem Permeat in den Rohwasserzufluß und Rückfüh­ rung eines variablen Anteils des Konzentrats in den Rohwas­ serzufluß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß des rückgeführten Permeats gemessen und der Fluß des rückgeführ­ ten Konzentratanteils in Abhängigkeit vom Ergebnis der Messung gleichsinnig verändert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskennlinie, die die Abhängigkeit des rückge­ führten Konzentratanteil vom Permeatrückfluß beschreibt, durch zusätzliche Steuerungssignale unterschiedlichen Be­ triebszuständen der Umkehrosmoseanlage anpaßbar ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskennlinie in Abhängigkeit von für den Be­ triebszustand der Umkehrosmoseanlagen charakteristischen Meßwerten der Temperatur und/oder Leitfähigkeit selbsttätig angepaßt wird.