Modellierung und Implementierung von Regelungen einer Umkehrosmosanlage

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

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.