Die Massenerhaltung bildet den Bilanzierungsrahmen für die Messung der Entsalzungsleistung. Definieren Sie eine Systemgrenze um die Umkehrosmosemembran, den Verdampfer oder die gesamte Pilotanlage und fordern Sie im stationären Zustand, dass die eintretende Masse der austretenden Masse entspricht. Bilanzen für Gesamtmasse, Wasser und gelöstes Salz ermöglichen es den Bedienern, Produkt- und Solevolumenströme, Salzrückhalt, Wasserrückgewinnung, Konzentrationsänderungen sowie die interne Konsistenz der Messdaten zu berechnen.

Kernerkenntnis: Die Trenneffizienz wird bewertet, indem gemessene Austrittsströme mit auf der Massenerhaltung basierenden Bilanzen verglichen werden. Eine gute Entsalzungseinheit erzeugt die erforderliche Produktqualität und Ausbeute, während sie das Salz in der Sole zurückhält und einen kleinen Fehler in der Gesamt- und Komponentenbilanz aufweist.

Festlegung der Systemgrenze

Definition des Arbeitsvorgangs

Der erste Schritt besteht darin, eine Grenze um die zu bewertende Anlage zu ziehen.

Bei einer Umkehrosmoseanlage kann die Systemgrenze das Membranmodul, die Speisepumpe sowie die zugehörigen Produkt- und Konzentratabgänge umfassen. Bei einem thermischen Prozess kann sie einen einzelnen Verdampfer, mehrere Stufen oder die gesamte Verdampfungs- und Kondensationsstrecke umschließen.

Identifizierung aller Prozessströme

Die Bilanz sollte mindestens Folgendes erfassen:

Speisestrom: in die Anlage eintretendes Meerwasser
Produktstrom: gereinigtes oder kondensiertes Wasser
Konzentratstrom: die Trenneinheit verlassende Sole
Zusätzliche Ströme: Dampf-, Spül-, Rückführungs-, Ablauf- oder Reinigungsströme, sofern zutreffend

Für jeden Strom sind ein Volumenstrom und die relevante Zusammensetzung erforderlich. Das Weglassen eines bedeutenden Stroms kann dazu führen, dass eine scheinbar schlechte Bilanz akzeptabel erscheint oder irreführende Trennkennzahlen entstehen.

Anwendung der Gesamtmassenbilanz

Verwendung der Gesamtmassenerhaltung

Im stationären Zustand entspricht die in das System eintretende Gesamtmasse der aus dem System austretenden Gesamtmasse:

[ F = P + C ]

wobei gilt:

(F) ist der Massenstrom des Speisestroms
(P) ist der Massenstrom des Produktstroms
(C) ist der Massenstrom des Konzentrats oder der Sole

Für ein System mit zusätzlichen Austrittsströmen lautet die Gleichung:

[ \sum \dot{m}{in} = \sum \dot{m}{out} ]

Diese Bilanz bestimmt unbekannte Volumenströme, wenn die Messwerte der übrigen Ströme verfügbar sind.

Überprüfung des Bilanzabschlusses

Gemessene Daten aus Pilotanlagen stimmen selten perfekt überein, da Fehler von Durchflussmessgeräten, Unsicherheiten bei der Probenahme, Leckagen, Verdampfungsverluste und nicht gemessene Verweilbestände auftreten können.

Eine nützliche Diagnose ist der Fehler der Gesamtmassenbilanz:

[ \text{Fehler der Massenbilanz}

\frac{\sum \dot{m}{in}-\sum \dot{m}{out}} {\sum \dot{m}_{in}} \times 100% ]

Ein kleiner Fehler stärkt das Vertrauen in die Messungen. Ein großer Fehler weist darauf hin, dass Daten, Instrumentierung oder Systemgrenze untersucht werden müssen, bevor die Trenneffizienz angegeben wird.

Anwendung von Komponentenbilanzen

Separate Bilanzierung von Wasser und gelöstem Salz

Die Erhaltung der Gesamtmasse allein kann nicht zeigen, ob Salz erfolgreich vom Wasser getrennt wurde. Daher sind Komponentenbilanzen erforderlich.

Für einen Meerwasser-Speisestrom, der Wasser und gelöstes Salz enthält, gilt:

[ F = F_w + F_s ]

wobei (F_w) und (F_s) die Massenströme von Wasser und Salz im Speisestrom sind.

Die entsprechenden Austrittsbilanzen lauten:

[ F_w = P_w + C_w ]

[ F_s = P_s + C_s ]

Durch Addition der Komponentenbilanzen wird die Gesamtbilanz reproduziert:

[ F_w + F_s = (P_w+P_s)+(C_w+C_s) ]

Verwendung der Zusammensetzung zur Berechnung von Komponentenströmen

Wenn (x_s) der Massenanteil des Salzes in einem Strom ist, gilt:

[ \dot{m}_s = x_s\dot{m} ]

Der Massenanteil des Wassers beträgt:

[ x_w = 1-x_s ]

Für einen beispielhaften Meerwasser-Speisestrom mit etwa 3,5 Gew.-% Salz und 96,5 Gew.-% Wasser gilt:

[ F_s = 0.035F ]

[ F_w = 0.965F ]

Dieselbe Berechnung wird auf den Produkt- und Solestrom angewendet, wobei deren gemessene Salzkonzentrationen verwendet werden.

Berechnung der wichtigsten Trennkennzahlen

Wasserrückgewinnung

Die Wasserrückgewinnung misst, wie viel Speisewasser im Produkt zurückgewonnen wird:

[ R_w = \frac{P_w}{F_w}\times 100% ]

Wenn der Produktstrom als Näherung für das zurückgewonnene Wasser verwendet wird, kann der Ausdruck wie folgt geschrieben werden:

[ R \approx \frac{P}{F}\times 100% ]

Die komponentenbasierte Form ist genauer, wenn das Produkt noch gelöste Reststoffe enthält.

Salzrückhalt

Bei der Membranentsalzung bewertet der Salzrückhalt, wie wirksam die Einheit verhindert, dass Salz in das Produkt gelangt:

[ \text{Salzrückhalt} = \left(1-\frac{C_{s,P}}{C_{s,F}}\right)\times 100% ]

wobei (C_{s,P}) und (C_{s,F}) die Salzkonzentrationen im Produkt und im Speisestrom sind.

Eine Produktspezifikation wie weniger als 0,05 Gew.-% Salz kann direkt anhand der gemessenen Produktzusammensetzung überprüft werden. Diese Konzentration ist ein beispielhaftes Betriebsziel und keine universelle Anforderung für jede Entsalzungsanwendung.

Konzentrationsfaktor der Sole

Die Konzentratbilanz zeigt, wie stark das Salz konzentriert wurde:

[ \text{Konzentrationsfaktor} = \frac{x_{s,C}}{x_{s,F}} ]

Ein höherer Salzanteil in der Sole weist im Allgemeinen darauf hin, dass im Verhältnis zum Salz mehr Wasser entfernt wurde. Er muss jedoch zusammen mit Ausbeute, Produktqualität, Verkalkungsrisiko und Betriebsbedingungen bewertet werden.

Salzdurchtritt

Der Salzdurchtritt ist der Anteil des Speisesalzes, der im Produkt erscheint:

[ \text{Salzdurchtritt} = \frac{P_s}{F_s}\times 100% ]

Bei einer wirksamen Entsalzungstrenneinheit sollte der Salzdurchtritt niedrig sein, während der im Solestrom zurückgehaltene Salzanteil hoch sein sollte.

Anwendung der Bilanzen auf die Umkehrosmose

Analyse der Membran als Trenneinheit

Bei einem Umkehrosmosemodul teilt sich der Speisestrom in Produktwasser und Konzentrat. Die Gesamtbilanz lautet:

[ F=P+C ]

Die Salzbilan z lautet:

[ F x_{s,F}=P x_{s,P}+C x_{s,C} ]

Wenn Speisestrom, Produktstrom, Salzgehalt des Speisestroms und Salzgehalt des Produkts bekannt sind, kann die Bilanz verwendet werden, um den erwarteten Konzentratstrom oder die erwartete Konzentration zu berechnen.

Interpretation der Leistung bei sich ändernden Speiseströmen

Die Wiederholung der Bilanzen bei unterschiedlichen Speiseströmen zeigt, ob Ausbeute und Salzrückhalt stabil bleiben.

Beispielsweise kann eine Erhöhung des Speisestroms den Produktstrom, den Konzentratstrom, die Druckbedingungen oder den gemessenen Salzdurchtritt verändern. Die Bilanz erklärt nicht jede Ursache selbst, quantifiziert jedoch die daraus resultierende Trennleistung konsistent.

Anwendung der Bilanzen auf die thermische Entsalzung

Bilanzierung jeder Verdampferstufe

In einem Mehrstufenverdampfer wird die flüssige Sole zunehmend konzentrierter, während Wasser verdampft.

Für jede Stufe gilt:

[ L_{in}=L_{out}+V ]

wobei (L) den Flüssigkeitsmassenstrom und (V) das verdampfte Wasser darstellt.

Eine Salzbilanz lautet:

[ L_{in}x_{s,in}=L_{out}x_{s,out} ]

wenn kein Salz mit dem Dampf austritt. Diese Annahme ist für eine idealisierte Verdampfungsbilanz geeignet; in realen Anlagen müssen jedoch möglicherweise Mitriss oder Verschleppung berücksichtigt werden, sofern diese Verluste bedeutend sind.

Bilanzierung des kondensierten Dampfes

Der in jeder Stufe erzeugte Dampf wird kondensiert und als Produktwasser gesammelt. Für das Gesamtsystem gilt:

[ F=P+C ]

Die kombinierte Salzbilanz bleibt:

[ F x_{s,F}=P x_{s,P}+C x_{s,C} ]

Wenn Salz effektiv in der flüssigen Sole zurückgehalten wird, enthält das aus dem Dampf gewonnene Produkt im Vergleich zum Speisestrom sehr wenig Salz. Zur Bewertung der tatsächlichen Leistung ist dennoch eine Messung des Produktsalzgehalts erforderlich.

Verfolgung der Konzentration über die Stufen

Die Anwendung von Bilanzen auf jede Stufe ergibt ein Konzentrationsprofil von der ersten Stufe bis zum finalen Solestrom.

Beispielsweise kann eine Pilotanlage hinsichtlich ihrer Fähigkeit bewertet werden, die Salzkonzentration der Flüssigkeit von etwa 3,5 Gew.-% auf 5,0 Gew.-% zu erhöhen und gleichzeitig die Menge des erzeugten Kondenswassers zu messen. Die Bilanzen zeigen, ob die beobachtete Konzentration und Wasserausbeute mit den Messwerten des Speise- und Austrittsstroms übereinstimmen.

Verwendung der Massenerhaltung als Datenqualitätstest

Vergleich gemessener und berechneter Ströme

In einer Pilotanlage kann der Speisestrom direkt gemessen werden, während der Produkt- oder Solestrom anhand von Tankfüllständen, Pumpenkalibrierung oder Sammelzeit geschätzt wird. Massenbilanzen bieten eine unabhängige Überprüfung.

Wenn die gemessenen Produkt- und Soleströme nicht dem Speisestrom entsprechen, sollten die Bediener Leckagen, nicht gemessenen Dampf, Probenahmeverluste, instationären Betrieb, Tankinhalt und Instrumentenkalibrierung untersuchen.

Unterscheidung zwischen stationärem Zustand und Anfahrverhalten

Die oben genannten einfachen Gleichungen gelten unmittelbar im stationären Zustand, wenn die Akkumulation innerhalb der Einheit vernachlässigbar ist.

Während des Anfahrens, Abschaltens oder bei sich ändernden Betriebsbedingungen muss die Bilanz die Akkumulation einschließen:

[ \text{Eintritt} - \text{Austritt} = \text{Akkumulation} ]

Das Ignorieren dieses Terms kann dazu führen, dass eine ordnungsgemäß arbeitende Einheit fälschlicherweise als ineffizient eingestuft wird.

Verständnis der Zielkonflikte

Ausbeute und Produktqualität sind unterschiedliche Ziele

Eine hohe Wasserrückgewinnung bedeutet nicht automatisch eine hohe Trenneffizienz. Eine Erhöhung der Rückgewinnung kann die Sole konzentrieren und das Verkalkungsrisiko erhöhen, während ein übermäßiger Produktstrom mit einem höheren Salzdurchtritt einhergehen kann.

Die Leistung sollte daher anhand mehrerer Kennzahlen angegeben werden, darunter Ausbeute, Salzrückhalt oder Salzdurchtritt, Produktsalzgehalt, Solekonzentration und Bilanzabschluss.

Die Gesamtbilanz allein ist nicht ausreichend

Eine Einheit kann die Gesamtmassenbilanz erfüllen und dennoch eine falsche Salzverteilung zwischen Produkt und Sole aufweisen.

Aus diesem Grund sollten Gesamtmassen-, Wasser- und Salzbilanz gemeinsam ausgewertet werden.

Annahmen zur Zusammensetzung beeinflussen das Ergebnis

Die Annahme, dass Meerwasser ungefähr 96,5 Gew.-% Wasser und 3,5 Gew.-% Salz enthält, ist für eine grundlegende Berechnung in einer Pilotanlage hilfreich. Tatsächliches Meerwasser enthält mehrere gelöste Spezies, sodass detaillierte Studien möglicherweise eine umfassendere Stoffbilanz oder eine Salinitätsmessung erfordern, die den gesamten Gehalt an gelösten Stoffen und nicht nur NaCl erfasst.

Thermische Systeme weisen zusätzliche Verluste auf

In Verdampfern können Dampfmitriss, Leckagen, unvollständige Kondensation und nicht gemessenes Kondensat die scheinbare Bilanz beeinflussen.

Eine Systemgrenze um die gesamte Verdampfungs- und Kondensationsanlage ist häufig vorzuziehen, wenn die Gesamtrückgewinnung des Produkts bewertet wird, während Bilanzen einzelner Stufen hilfreich sind, um die Ursache von Verlusten zu diagnostizieren.

Anwendung auf Ihre Pilotanlage

Verwenden Sie den folgenden Ablauf, um eine Entsalzungseinheit objektiv zu bewerten:

Wenn Ihr Hauptfokus auf der Wasserrückgewinnung liegt: Messen Sie die Speise-, Produkt- und Soleströme, berechnen Sie anschließend (R_w=P_w/F_w) und überprüfen Sie den Abschluss der Gesamtmassenbilanz.
Wenn Ihr Hauptfokus auf der Salzentfernung liegt: Messen Sie die Salinität des Speise- und Produktstroms und berechnen Sie anschließend Salzrückhalt und Salzdurchtritt mithilfe der Komponentenbilanz.
Wenn Ihr Hauptfokus auf der Solekonzentration liegt: Wenden Sie eine Salzbilanz auf jeden Austrittsstrom oder jede Verdampferstufe an und vergleichen Sie die vorhergesagte Konzentration mit dem Messwert.
Wenn Ihr Hauptfokus auf der Zuverlässigkeit der Pilotanlage liegt: Beziehen Sie jeden relevanten Strom ein, berücksichtigen Sie die Akkumulation während instationärer Zustände und untersuchen Sie jeden bedeutenden Fehler der Massenbilanz, bevor Sie die Effizienz interpretieren.
Wenn Ihr Hauptfokus auf dem Vergleich von Betriebsbedingungen liegt: Wiederholen Sie dieselben Gesamt- und Komponentenbilanzen für jeden Speisestrom, jede Rückgewinnungseinstellung oder jede Stufenkonfiguration.

Eine klar definierte Massenbilanz macht aus Messungen einer Pilotanlage belastbare Belege dafür, wie effektiv die Entsalzungseinheit Wasser von gelösten Salzen trennt.

Übersichtstabelle:

Kennzahl	Formel oder Prüfung	Was sie zeigt
Gesamtmassenbilanz	F = P + C	Ob die gemessenen Ströme vollständig und konsistent sind
Wasserrückgewinnung	Rw = Pw / Fw x 100%	Prozentsatz des als Produkt zurückgewonnenen Speisewassers
Salzrückhalt	(1 - Cs,P / Cs,F) x 100%	Wie wirksam Salz in der Sole zurückgehalten wird
Salzdurchtritt	Ps / Fs x 100%	Anteil des Speisesalzes, der in das Produkt gelangt
Konzentrationsfaktor der Sole	xs,C / xs,F	Grad der Salzkonzentration in der Sole
Bilanzfehler	(Eintritt - Austritt) / Eintritt x 100%	Zuverlässigkeit der Messungen und Systemgrenzen

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