Enthärtungsanlagen

»       Auslegungsdetails und Betriebsbedingungen

Bei der Auslegung der Enthärtungsanlagen (EH-Anlagen) wird grundsätzlich unterschieden zwischen Ein- und Zwei- bzw. Mehrstraßenanlagen. Nur die Zwei-/Mehrstraßen-Enthärtungsanlage bietet zu jeder Zeit enthärtetes Wasser. Die Einstraßen-Enthärtungsanlage liefert während der Regeneration für etwa zwei Stunden kein enthärtetes Wasser.

Die Straßenkapazität K_erf [mol] der Enthärtungsanlage wird durch den geforderten Volumenstrom  [m³/h], die Summe der Erdalkalien im Rohwasser c(Erdalkalien) [mol/m³] und die geforderte Standzeit [h] berechnet. Die empfohlene Mindeststandzeit beträgt dabei 8 Stunden.

K_erf = x c(Erdalkalien) x Standzeit

Bei der Auslegung der Anlage ist zu berücksichtigen, dass die maximale lineare Strömungsgeschwindigkeit im Druckbehälter in dem sich das Ionenaustauscherharz befindet - 40 m/h beträgt. Der dazugehörige Volumenstrom im Druckbehälter muss immer größer als der geforderte Volumenstrom sein (bzw. genauso großlter

Die Rohrleitungsnennweite hingegen ist durch den höchstzugelassenen Volumenstrom im Rohrleitungssystem _Rmax [m³/h] festgelegt. _Rmax  lässt sich ermitteln, indem man von einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit von 2m/h im Rohrleitungssystem ausgeht. Bei höheren Geschwindigkeiten kommt es zu unverhältnismäßig stark ansteigenden Strömungswiderständen. Der geforderte Volumenstrom darf maximal den Wert _Rmax erreichen.

Bei den Rohr- und Armaturwerkstoffen stehen sich hohe Umweltverträglichkeit mit höheren Kosten für PP und niedrige Kosten für PVC gegenüber. Daneben bietet PP eine bessere Beständigkeit gegen höhere Temperaturen und organische Lösungsmitteln. Bei der Verwendung von Edelstahl werden die Vorteile von PP durch die Möglichkeit, eine Sterilisation der Rohrleitungen auch mit chemischen Mitteln durchzuführen, erweitert.

Die Regeneration der Enthärtungsanlagen erfolgt mit Kochsalzlösung. Die Regenerationsauslösung bei den Enthärtungsanlagen kann zeit-, mengen- oder qualitätsabhängig erfolgen. Bei industriellen Anlagen und konstanter Rohwasserqualität wird gewöhnlich die mengenabhängige Regenerationsauslösung gewählt, wobei eine Resthärtemessung mittels Prozesstitrator als Qualitätsüberwachung eingesetzt werden kann.

Bei wechselnden Rohwasserqualitäten wird eine qualitätsabhängige Regenerationsauslösung empfohlen. Die Regeneration erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen im Gegenstrom.

Standardmäßig werden hochwertige Ionenaustauscherharze monosphärischer Qualität verwendet. Diese Harze ermöglichen eine fast vollständige Beladung bis zum Härtedurchbruch, eine optimale Regeneriermittelausnutzung und eine um ca. 30% geringere Spülwassermenge im Vergleich zu herkömmlichen Ionenaustauscherharzen. Bei durchschnittlichen Wasserqualitäten beträgt die Abwassermenge nur ca. 1% der erzeugten Reinwassermenge.

Die unter strengen Qualitätsnormen hergestellten Druckbehälter mit PE - Innenverkleidung genügen chemisch, mechanisch und hygienisch höchsten Ansprüchen. Sie sind beständig im Sinne des deutschen Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetzes und für Betriebstemperaturen bis 50°C und Betriebsdrücken bis 10 bar ausgelegt. Die Lebensdauer bei Druck - Entspannung im Bereich von 0 bis 10,5 bar beträgt mindestens 250.000 Zyklen.

Für die Steuerung des Betriebs- und Regenerationsablaufes stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Vorzugsweise werden über eine Folientastatur programmierbare Mikroprozessorsteuerungen mit dauerhafter Speicherung der Betriebsdaten eingesetzt, aber auch eine individuell auf die Kundenanforderung abgestimmte speicherprogrammierbare Steuerung ist möglich.

»        Anlagen - Fließschema

In der nachfolgenden Abb. 3 ist das Fließschema einer Zweistraßen - Enthärtungsanlage dargestellt.

Die betriebsbereite Anlage besteht aus folgenden Baugruppen:

1.      Druckbehälter mit Austauscherharzfüllung und innerem Verteilersystem

2.      Gestell mit Verrohrung

3.      Zentralsteuerventilen

4.      Salzlöse- bzw. Solebehälter mit Einbauten

5.      Salzlöseventilen

6.      Betriebsventilen

7.      Kontaktwassermengenzähler

8.      Rohrtrenner als Sicherheitsarmatur nach DIN 1988 zum Schutz des Trinkwassers vor dem Rückfließen von Betriebswasser

9.      Feinfilter zum Schutz der Anlage bei besonders trübstoffreichem Wasser

10.  Absperrarmaturen, Manometern, Probenahmehähne

11.  Mikroprozessorsteuerung (optional SPS)

Es sind insgesamt 3 Volumenströme vorhanden: das Einspeisewasser, das enthärtete Wasser und das Abwasser, welches bei der Regeneration anfällt.

Abbildung 3: Fließschema einer Zweistraßen Enthäen

Die Entcarbonisierungsanlage arbeitet im 2-Straßen-Pendelbetrieb. Das vom Rohwassereingang eintretende Hartwasser fließt der in Betrieb befindlichen Straße (z.B. Straße 1) zu und gelangt über das Zentralsteuerventil in das obere Verteilersystem des Druckbehälters. Das Wasser durchströmt das Harzbett von oben nach unten, wobei die Härte bildenden Ionen Ca˛⁺ und Mg˛⁺ dem Wasser entzogen und gegen Na^+--Ionen ausgetauscht werden. Im unteren Teil des Harzbettes tritt das enthärtete Wasser aus und wird über das untere Verteilersystem aus der Druckflasche befördert. Über den Weichwasserausgang des Zentralsteuerventils fließt das Wasser zum Verbraucher. Sobald die Straße erschöpft ist, wird automatisch eine Regeneration ausgelöst und die in Reserve stehende Straße geht in Betrieb.

Die Regeneration der erschöpften Straße findet in 3 Schritten statt. Im ersten Schritt wird das Harzbett von unten nach oben über das Zentralsteuerventil mit Wasser rückgespült. Im zweiten Schritt findet die Regeneration ebenfalls von unten nach oben mit NaCl-Lösung statt. Hierfür wird gesättigte Sole (24%ig) über einen im Zentralsteuerventil vorhandenen Injektor angesaugt und mit Wasser verdünnt. Die erforderliche Solemenge wird am Soleventil über einen Schwimmer eingestellt. Bei einer Vollbesalzung wird die Sole bis zu einer Höhe des Einlaufs am unteren Ventilkörper abgesaugt  (ca. 10 cm oberhalb des Behälterbodens).

Wenn die gesamte Solemenge abgesaugt worden ist, schließt das Soleventil. Über den gleichen Weg wird die Sole aus dem Harzbett langsam ausgewaschen.

Um sicher zu gehen, dass keine restliche Sole zum Verbraucher gelangt, wird das Filtermaterial im letzten Schritt mit erhöhter Wassermenge in Betriebsrichtung gespült.

Je nach Regenerationsschritt werden im Zentralsteuerventil unterschiedliche Fließwege geöffnet. Das während der Regeneration verbrauchte Wasser gelangt ins Abwasser.

»      Anwendungsbereiche

Trinkwasseraufbereitung bei hartem Wasser

Trinkwasser mit hohem Gehalt an Erdalkaliionen (in der Regel ab 2,5 mol/m³, entspr. einem sog. Härtegrad von 7°dH) neigen zur Wassersteinbildung in Versorgungsleitungen, Warmwassererzeugern und sanitären Einrichtungen. Für die Trinkwasserversorgung in größeren Gebäuden ist daher eine Enthärtung mit Verschneidung auf mind. 1,5 mol/m³ zu empfehlen.

Speisewasseraufbereitung für Dampferzeuger

Beim Kesselbetrieb für Dampferzeugung ist die Betriebsweise mit erdalkalifreiem Wasser im Interesse einer ablagerungsfreien Betriebsweise zwingend vorgeschrieben. Wenn auf Grund hoher Alkalität im Rohwasser eine wirtschaftliche Eindickung nicht betrieben werden kann, ist zusätzlich eine Entcarbonisierung vorzuschalten.

Speisewasser für Heißwasserkreisläufe

Zur Vermeidung von Steinbildung in Warmwasserheizanlagen ist das Speisewasser gem. Richtlinie VDI 2035 in Abhängigkeit von Kesselleistung und Steinbildungstendenz aufzubereiten. Eine kostengünstige Maßnahme ist dabei die Enthärtung. Bei hohen Salzgehalten im Rohwasser ist eine Entsalzung, z.B. durch Umkehrosmose, vorzuziehen.

Speisewasseraufbereitung für Rückkühlwerke und Luftwäscher

Der entscheidende Kostenfaktor bei dem Betrieb von Rückkühlwerken und Luftwäschern ist der Verbrauch (die Verschwendung) von Wasser und Abwasser. Enthärtetes Wasser erlaubt in der Regel den Betrieb mit höherem Eindickungsfaktor. Mittels einer Verschneidevorrichtung muss das Speisewasser auf ein Optimum zwischen Ablagerungstendenz und Korrosivität eingestellt werden. Rohwasser mit hoher Alkalität sollte aus wirtschaftlichen Gründen eher entcarbonisiert oder entsalzt werden.

Enthärtung als Vorstufe zur Umkehrosmose

Die Umkehrosmose ist ein technisch wenig aufwendiges Entsalzungsverfahren, bei dem das Speisewasser aufkonzentriert wird. Die vorgeschaltete Enthärtung zur Vermeidung von Kalkablagerungen auf der Membranoberfläche erlaubt eine hohe Aufkonzentrierung (Permeatausbeute) und minimiert daher die Abwasserkosten. Ein weiterer Vorteil der Umkehrosmose: Entfernung von Bariumionen, die schon in Spuren schwerlösliche Bariumsulfatablagerungen verursachen können.

Prozess- und Spülwasser

Für Prozessbäder und für Spülwasser, z.B. in der Oberflächenbehandlung von Metallen (Entfettungs- und Phosphatieranlagen) genügt enthärtetes Wasser oftmals den geforderten Qualitätsansprüchen.

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