In the context of this diploma thesis the following tasks should be solved:
- to develop a mathematical model of a continuously working OSMO ECO reverse
osmosis plant of the company OSMO SISTEMI (Italy);
- to implement this mathematical model as an input/output system with assistance of
Matlab/Simulink/Stateflow;
- to validate the Matlab/Simulink/Stateflow model with the OSMO ECO reverse
osmosis plant;
- to test different controls at the model and discuss results.
Because of the influence of unforeseeable events these tasks were changed. It does
not become the OSMO ECO reverse osmosis plant specified above, but on the basis
fixed characteristics a new system was theoretically designed. The following must be
considered thereby: According to the possibility with only one reverse osmosis unit
from the dirty water (max. 10000 ppm TDS) get as much as possible pure water (TDS
< 150 ppm).
There are different kinds of RO units. Here, only two usually common types of RO–
modules are considered: the hollow fiber module as well as the spiral wounded
module. The obtained simulation results as well as the model based controller design
carried out by using the model, which was developed in this work, are satisfactory
and open several perspectives for the future work. Because the plant was not
available during the development of this work, it was not possible to compare the
results of the simulation with the data from the real plant.
Inhaltsverzeichnis
1. Die verfahrenstechnischen, chemischen, physikalischen und regelungstechnischen Grundlagen
1.1 Struktur von Flüssigkeiten
1.2 Wasser als eine chemisch-physikalische Lösung fester Stoffe
1.2.1 Definition einer Lösung und ihre allgemeinen Eigenschaften
1.2.1.1 Konzentration und molare Masse
1.2.1.2 Chemische Potential und Löslichkeit
1.2.1.3 Volumen, thermodynamische Temperatur
1.2.1.4 Der osmotische Druck
1.2.1.5 Nichtideales Verhalten konzentrierter Lösungen
1.2.1.6 Osmolarität
1.2.1.7 Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen
1.2.1.8 Definition von pH-Wert
1.2.2 Die Stoffbilanzgleichung für den Transport des Stoffes im Fluid: Diffusion und Konvektion
1.2.3 Die Impulserhaltung für das Verhalten von Strömungen in inkompressiblen Flüssigkeiten
1.3 Das Membranenelement
1.3.1 Selektiv permeable Membran und ihre allgemeine Eigenschaften
1.3.1.1 Selektivität, Fluss und Rückhalt
1.3.1.2 Transportwiderstände an der Membran
1.3.2 Strukturen, Werkstoffe und Herstellung von organischen synthetischen festen nicht porösen assymetrischen Membranen
1.3.3 Klassifizierung von Membranelementen nach Konstruktion
1.3.3.1 Das Hohlfasermodul
1.3.3.2 Der Spiral-Wickelmodul
1.3.4 Membranbeständigkeit und -verblockung infolge von Scaling und / oder Fouling
1.4 Entwurf linearer Regelungskreise
1.4.1 Empirische Einstellregeln für PI-Regler nach Ziegler und Nichols
1.4.2 Entwurf linearer Regelungskreise im Zustandsraum
1.4.2.1 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit linearer Systeme
1.4.2.2 Zustandsgrößenrückführung
1.4.2.3 Zustandsgrößenrückführung mit zusätzlichem I – Regler
1.4.3 Stabilität linearer Systeme
2. Methoden von Wasserentsalzung
2.1 Thermale Verfahren
2.1.1 Mehrstufige Entspannungsverdampfung
2.1.2 Solare Wasserdistillation
2.1.3 Thermische Entsalzung mit Niedertemperaturwärme
2.2 Membranverfahren
2.2.1 Umkehrosmose
2.2.2 Elektrodialyse
3. Betriebsparameter und die Funktionsweise einer Umkehrosmoseanlage
3.1 Betriebsparameter einer Umkehrosmoseanlage
3.1.1 Feed-Salzgehalt und der transmembrane Druck
3.1.2 Einfluss der Feed-Temperatur
3.1.3 Permeat-Rückgewinnungsfaktor
3.2 Funktionsweise und Regelungen einer Umkehrosmoseanlage
4. Design einer Umkehrosmoseanlage mit einem Modul
4.1 Die gestellten Anforderungen
4.2 Anlage mit einem Spiral-Wickelmodul BW30-4040 Firma Filmtec
4.3 Anlage mit einem Hohlfasermodul B9 Firma Dow
5. Modellformulierung und –implementierung
5.1 Berechnung der molaren Feed-Konzentration, des pH-Wertes und des Temperatur-Einflusses
5.2 Das mathematische Modell einer Umkehrosmoseanlage auf Basis von gewöhnlichen differentialen und algebraischen Gleichungen
5.2.1 Das physikalische Modell mit einem Hohlfasermodul
5.2.2 Das physikalische Modell mit einem Spiral-Wickelmodul
6. Untersuchung der Systemeigenschaften des Modells mit dem Hohlfasermodul B9
6.1 Modell-Funktionalität, Identifikation
6.2 Untersuchungen des linearisierten Modells mit Matlab und der Control System Toolbox
7. Regelerentwurf und Simulation für das Modell mit dem Hohlfasermodul B9
7.1 PI-Reglerentwurf nach der empirischen Einstellregel
7.1.1 Simulation der sprunghaften Änderung der Führungsgröße
7.1.2 Simulation der Temperatur-Änderung
7.1.3 Simulation der Störungen am Messfühler und am Ventil-Stellglied
7.2 Reglerentwurf eines Zustandsreglers ohne Vorfilter mittels Polplatzierung
7.2.1 Simulation der sprunghaften Änderung der Führungsgröße
7.2.2 Simulation der Temperatur-Änderung
7.2.3 Simulation der Störungen am Messfühler und am Ventil-Stellglied
7.3 Reglerentwurf eines Zustandsreglers mit zusätzlichem I-Regler
7.3.1 Simulation der sprunghaften Änderung der Führungsgröße
7.3.2 Simulation der Temperatur-Änderung
7.3.3 Simulation der Störungen am Messfühler und am Ventil-Stellglied
7.4 Regler-Vergleich
8. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Forschungsgegenstand
Die Diplomarbeit widmet sich der Modellierung und Implementierung von Regelungen für eine Umkehrosmoseanlage, um trotz variierender Eingangsbedingungen einen konstanten Permeatstrom bei hoher Wasserqualität zu gewährleisten. Der Fokus liegt dabei auf der theoretischen Konzeption, Simulation und dem Reglervergleich zweier Modultypen (Hohlfaser- und Spiral-Wickelmodul) unter Verwendung von Matlab/Simulink.
- Mathematische Modellierung der Stofftransport- und Strömungsvorgänge in Umkehrosmoseanlagen.
- Implementierung der Anlagensteuerung mittels PI-Reglern sowie verschiedenen Zustandsreglern.
- Analyse und Vergleich der Regelungsdynamik bei Störungen wie Temperaturänderungen oder Sensorausfällen.
- Optimierung des Betriebsverhaltens unter Verwendung von Gütefunktionen.
- Untersuchung der Auswirkung verschiedener Membranbauarten auf die Regelbarkeit des Systems.
Auszug aus der Arbeit
1.3.3.1 Das Hohlfasermodul
Bei den RO-Entsalzungsanlagen wurden die Hohlfasermodule (Abb. 1.12) oft angewandt, sie wurden jedoch von technisch fortschrittlichen Wickelmodulen überholt.
Das die fast eine Million Faser durchströmende Feed-Wasser wird in das Modul zentral geleitet. Das Permeat verlässt das Modul auf der anderen Seite, so dass mehrere Module leicht in Reihe geschaltet werden können (Abb. 1.13).
Hohlfasermodule haben eine Packungsdichte von <10000 m2/m3 und einen Innendurchmesser von 40 – 1400 µm [15]. Die in dieser Arbeit behandelte Einheit hat einen Innendurchmesser von 42 µm. Ein großer Vorteil der Hohlfasermodule ist, dass diese permeatseitig spülbar sind.
Hohlfasermodule werden überall dort eingesetzt, wo große Membranflächen benötigt werden, und eine dichte Packung der Module aufgrund eines geringen Verblockungspotenzials des Feedgemisches zulässig ist. Bei der Realisierung großtechnischer Anlagen zur Wasseraufbereitung wird zur Optimierung des Anlagenbaus häufig mit bis zu 6 m langen Druckrohren gearbeitet, in die mehrere mit Hohlfasern bestückte Elemente von in der Regel 1 m Länge in Reihe geschaltet werden. Dieses Konzept wurde von großtechnischen Umkehrosmoseanlagen mit Wickelmodulen übernommen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Die verfahrenstechnischen, chemischen, physikalischen und regelungstechnischen Grundlagen: Vermittlung der physikalisch-chemischen Basiskenntnisse, die für das Verständnis der Osmose und der Membranprozesse notwendig sind.
2. Methoden von Wasserentsalzung: Übersicht über verschiedene thermische und membranbasierte Verfahren zur Entsalzung von Meer- und Brackwasser.
3. Betriebsparameter und die Funktionsweise einer Umkehrosmoseanlage: Erläuterung der maßgeblichen Kennzahlen wie Permeatfluss, Salzgehalt und der Einflussfaktoren wie Druck und Temperatur.
4. Design einer Umkehrosmoseanlage mit einem Modul: Vorstellung der zwei untersuchten Modulkonfigurationen für die Simulation, basierend auf Hohlfaser- und Spiral-Wickeltechnologie.
5. Modellformulierung und –implementierung: Beschreibung der mathematischen Herleitung des Anlagenmodells und dessen Umsetzung in der Software Matlab/Simulink.
6. Untersuchung der Systemeigenschaften des Modells mit dem Hohlfasermodul B9: Qualitative Analyse des Systemverhaltens durch Simulation bei verschiedenen Betriebspunkten.
7. Regelerentwurf und Simulation für das Modell mit dem Hohlfasermodul B9: Ausführliche Vorstellung und Vergleich der drei implementierten Reglerstrukturen anhand der definierten Gütefunktion.
8. Zusammenfassung und Ausblick: Kritische Reflexion der Ergebnisse und Diskussion möglicher Ansätze für zukünftige Forschungsarbeiten in diesem Bereich.
Schlüsselwörter
Umkehrosmose, Membran, Wasserentsalzung, Simulation, Matlab, Simulink, Reglerentwurf, Zustandsregler, PI-Regler, Stofftransport, Diffusionsmodell, Permeat, Konzentrat, Hohlfasermodul, Spiral-Wickelmodul.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
In dieser Arbeit geht es um die mathematische Modellierung einer Umkehrosmoseanlage und den Entwurf sowie die Simulation verschiedener Regelungsstrukturen für diese Anlage.
Welche Anlagentypen werden untersucht?
Die Untersuchung konzentriert sich auf Anlagen, die entweder mit einem Hohlfasermodul oder einem Spiral-Wickelmodul bestückt sind.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, den Permeatstrom trotz auftretender Störungen oder Änderungen der Führungsgröße optimal zu regeln und dabei eine vorgegebene Wasserqualität zu halten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mathematische Modelle auf Basis von Differentialgleichungen hergeleitet und diese in der Software Matlab/Simulink implementiert, um durch Simulationen das dynamische Verhalten zu untersuchen.
Welche Regler werden verglichen?
Verglichen werden ein klassischer PI-Regler nach Ziegler-Nichols, ein Zustandsregler ohne Vorfilter sowie ein Zustandsregler, der um einen I-Anteil erweitert wurde.
Was sind die wichtigsten Charakteristika der Arbeit?
Die Arbeit zeichnet sich durch die Kombination von verfahrenstechnischen Grundlagen mit modernen Methoden der Regelungstechnik im Zustandsraum aus.
Warum wird eine Gütefunktion für den Reglervergleich verwendet?
Die Gütefunktion ermöglicht eine objektive Bewertung der Reglerqualität, indem sie sowohl die Regelabweichung als auch die aufgewendete Stellenergie quantitativ berücksichtigt.
Welchen Vorteil bietet der Zustandsregler mit zusätzlichem I-Regler?
Dieser Regler kombiniert die Vorteile des Zustandsreglers hinsichtlich der Dynamik mit der Fähigkeit des I-Reglers, eine bleibende Regelabweichung stationär vollständig zu eliminieren.
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- Dipl.-Ing (FH), Dipl.-Inf. Andre Krasnik (Author), 2006, Modellierung und Implementierung von Regelungen einer Umkehrosmosanlage, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/87582
