Industrie & Technik

<h2>Borealis zufrieden mit dem Jahr 2015</h2><p>Die österreichische Borealis setzte im Jahr 2015 mit Polyolefinen und Basischemikalien knapp 8 Mrd. Euro um und damit 8 % weniger als im Jahr zuvor. Der Nettogewinn stieg aber von 571 Mio. Euro auf 988 Mio. Euro. Dies basierte auf größeren Gewinnspannen im Polyolefingeschäft sowie auf höheren Beiträgen der Basischemikalien und von Borouge, dem Joint Venture mit der Abu Dhabi National Oil Company in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Hier startete eine Hochdruckpolyethylen-Anlage. Bei voller Leistung wird Borouge mit einer Kapazität von 4,5 Mio. Tonnen die größte integrierte Polyolefinanlage der Welt sein. Borealis und Borouge werden gemeinsam über eine Kapazität von etwa 8 Mio. Tonnen Polyolefinen verfügen.</p><p>Für Mark Garrett, Vorstandsvorsitzenden von Borealis, war das Jahr 2015 „finanziell gesehen ein sehr gutes Jahr, in dem wir ein herausragendes Ergebnis einfahren konnten und den im Jahr 2014 aufgestellten Rekord noch einmal verbessert haben. Wir erwarten im Jahr 2016, dass die branchenweite Polyolefin-Gewinnspanne solide bleiben wird. Darüber hinaus erwarten wir weitere Verbesserungen im Pflanzennährstoffbereich, während Borouge weiterhin mit dem schwachen Preisumfeld in Asien konfrontiert sein wird. Generell erwartet Borealis für das Jahr 2016 eine solide, wenngleich geringere Ertragskraft des Unternehmens als im Jahr 2015, wobei unsere Strategie, die drei Profit-Center Polyolefine, Basischemikalien und Borouge weiter auszubauen, zur Wettbewerbsfähigkeit und Resilienz des Unternehmens beitragen wird.“</p><p>Foto: Borealis</p>

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Borealis: Polyolefine vorn

Borealis zufrieden mit dem Jahr 2015Die österreichische Borealis setzte im Jahr 2015 mit Polyolefinen und Basischemikalien knapp 8 Mrd. Euro um und damit 8 % weniger als im Jahr zuvor. Der Nettogewinn stieg aber von 571 Mio. Euro auf 988 Mio. Euro. Dies basierte auf größeren Gewinnspannen im Poly...

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<p>Die typische Wasserbehandlung beginnt mit der physikalischen Beseitigung von Verunreinigungen durch Sedimentation, durch die sich kontaminierte Materialien oder Verunreinigungen am Tankboden absetzen. Koagulation der Verunreinigungen erhöht die Sedimentationsgeschwindigkeit und macht den Vorgang so für die tägliche Wasseraufbereitung praktikabel.</p><p>Verunreinigungen im Wasser sind in der Regel anionisch und stabilisieren die Suspension. Positiv geladene Additive wie Aluminiumsulfat, kationische Polymere und andere kationische Gruppen neutralisieren die Oberflächenladung dieser Wasserverunreinigungen, wodurch die meisten Verunreinigungen effektiv koagulieren. Je nach Methode setzt sich diese Ausflockung direkt ab oder wird durch Filtration abgetrennt.</p><h2>Koagulations- und Flockungssteuerung</h2><p>Die Steuerung der Koagulation und Flockung ist angesichts der schwankenden Rohwasserqualität entscheidend für eine optimale Wasseraufbereitung. Die Eigenschaften der Flocken wirken auf nachgeschaltete Prozesse: Neigen sie etwa dazu zu brechen, gelangen sie vermehrt auf den Filter, Partikelbelastungen bis hin zur Trübung des Filtrats und reduzierte Filterlaufzeiten sind die Folge. Wie ein Flockungsprozess verläuft, hängt auch von den chemischen Zusätzen ab. Um ihre Zugabe zu steuern, ist eine entsprechende Messtechnik erforderlich.</p><p>In Wasseraufbereitungsanlagen wurde bisher das Flockungsverhalten durch den konventionellen Jar-Test beurteilt, der Koagulationsprozesse simuliert und bis zu zwei Stunden dauert. Routinemäßig werden auch Trübungstests durchgeführt, um organische Bestandteile zu kontrollieren und zu bewerten. Beide Techniken versagen, wenn es um eine schnelle Rückkopplung geht, und bieten nur begrenzte Informationen. Die Messung des Strömungspotenzials wird online zwar inzwischen oft durchgeführt, ist jedoch von verschiedenen Variablen abhängig.<sup>1–3)</sup></p><h2>Das Zetapotenzial</h2><p>Das Zetapotenzial ist ein Maß für die Stärke der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Partikeln an der das Teilchen umgebenden Grenzschicht (Abbildung 1). Es quantifiziert also das Gleichgewicht der Abstoßungs- und Anziehungskräfte, die die Teilchen erfahren, wenn sie sich einander nähern. Bei einem Zetapotenzial nahe Null ist ein System instabil und anfällig für Aggregation. Ein ausgesprochen negatives oder positives Zetapotenzial (+/– 30 mV) ist ein Hinweis auf ein elektrostatisch stabiles System.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/XhfHGQLTymLapyz8nC1g"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Partikel im Wasser sind von innerer Stern-Schicht und äußerer diffuser Schicht umgeben, welche die Oberflächenladung bestimmen. Das Zetapotenzial ist ein Maß für die Oberflächenladung und somit ein Indikator für das Koagulationsverhalten.</figcaption></figure>
<p>Das Zetapotenzial korreliert mit der Koagulation, daher sind Labormessungen des Zetapotenzials in der Wasseraufbereitung weit verbreitet. Sie werden dazu genutzt, die Zugabe der chemischen Flockungsmittel zu optimieren. Für eine schnelle Reaktion auf Schwankungen reichen Labormessungen aber nicht aus.</p><p>Durch Online-Zetapotenzialbestimmung lässt sich der Prozess kontinuierlich überwachen. Dadurch kann man die Chemikalienzugabe direkt anpassen und auch automatisch steuern.</p><p>Das Zetapotenzial wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Probe der Suspension gemessen. Aufgrund ihres Zetapotenzials wandern die Teilchen in der Suspension in Richtung der Elektrode mit entgegengesetzter Ladung, die Wanderungsgeschwindigkeit ist proportional zur Größe des Zetapotenzials. Diese Geschwindigkeit wird mit Laser-Doppler-Anemometrie gemessen, welche die Frequenz- oder Phasenverschiebung eines einfallenden Laserstrahls durch die sich bewegenden Partikel bestimmt, woraus sich die Partikelmobilität ergibt. Mit den Angaben über die Viskosität der Suspension wird die Partikelmobilität dann mit der Smoluchowski- oder Huckle-Theorie in Zetapotenzialwerte umgewandelt.</p><p>Die Steuerung des Zetapotenzials in Wasserbehandlungsanlagen beeinflusst die Flockung. Typisches Rohwasser zeigt ein Zetapotenzial von etwa –15 mV und ist so von Natur aus nicht besonders anfällig für Aggregation.</p><h2>Den Prozess in einer Wasseraufbereitungsanlage steuern</h2><p>Die Aurora Wasseraufbereitungsanlage wurde im Jahr 2012 mit einem Online-Zetapotenzialmesssystem von Malvern Instruments ausgestattet, um die Leistung der Anlage zu überwachen. Aurora Water liefert Wasser für rund 340 000 Menschen und verfügt über drei Wasseraufbereitungsanlagen in Denver-Aurora, Colorado, USA.</p><p>Aurora Water betreibt im Labor den Zetasizer für Entwicklung und Qualitätssicherung und hat den Zetasizer Nano WT in das Wasserreinigungsverfahren integriert. Das Online-Zetapotenzialsystem produziert Daten für das operative Team. Die Messungen zeigen die Antwort des Systems auf Prozessänderungen.</p><p>Ein Zetapotenzial zwischen +3 mV und –3 mV erwies sich als günstig für die Flockung. Sobald das Zetapotenzial zu stark in den negativen Bereich tendiert, erhöht sich die Chemikaliendosierung; verschiebt sich das Zetapotenzial gegen hohe positive Werte, sinkt die Dosierung. Die hohe, automatisierte Messfrequenz mit sofortiger Rückmeldung der Zetapotenzialwerte ist entscheidend für die erweiterte Anlagensteuerung. Sie senkt die Kosten für manuelle Arbeiten und optimiert die Dosierung von Chemikalien.</p><h2>Erkenntnisse aus einem Zwischenfall</h2><p>Wichtige Erkenntnisse, die schließlich zu einem optimierten Prozess führten, brachte die Online-Messung des Zetapotenzials während eines Störfalls bei Aurora Water: Durch einen Fehler in den speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) fiel das komplette Steuerungssystem der Wasseraufbereitungsanlage aus. Das Zetapotenzial stieg unmittelbar auf stark positive Werte (Abbildung 2). Gleichzeitig nahm der Anteil der suspendierten Teilchen auf den Filtern zu, was zu einem Filterbruch führte.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/Vaxe4h68TTinxvP1wwjY"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Online-Zetapotenzialmessung: Nach dem Shutdown der Steuerung (A) steigt das Zetapotenzial (B); der Anteil der Partikel nimmt zu, bis der Filter versagt (C); durch Reduktion der Koagulantien (D) sinkt das Zetapotenzial auf den ursprünglichen Wert (E).</figcaption></figure>
<p>Ohne Hinweis auf eine Veränderung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Wassers vermutete das operative Team die Ursache des Problems zunächst bei einer falsch angezeigten Wasserdurchflussrate. In dem Fall wäre man von einem höheren Volumen des ankommenden Rohwassers ausgegangen, das die höheren Feststoffmengen verursacht hätte. Fälschlicherweise hätte man dann zu viele Chemikalien zugefügt und ein hohes positives Zetapotenzial erzielt.</p><p>Da aber die Ausgangszetapotenzialwerte bekannt waren, wurde die Konzentration des Koagulationsmittels gesenkt, um das Zetapotenzial wieder gegen Null zu bringen. Bereits durch die erste Änderung bewegte sich der Prozess in die richtige Richtung. Schließlich wurden die Chemikalien um 17 Prozent gegenüber der Menge vor dem Steuerungsausfall reduziert. Dadurch sank die Partikelkonzentration auf den Ursprungswert, Trübungsmesswerte verbesserten und Filterlaufzeiten verlängerten sich. Der Wasserdurchsatz, der zu Beginn irrtümlich als Ursache angenommen wurde, hatte sich nicht verändert.</p><h2>Einfluss des Rührers</h2><p>Wie weitere Prüfungen ergaben, lief der Schnellmischer, der die Ausflockung stimulierte, nach dem Neustart der Anlage weiter im manuellen Modus und war nicht zugeschaltet. Wie bisher üblich wurde dieser gestartet und in den Prozess integriert. Anschließend driftete das Zetapotenzial zu stark negativen Werten (Abbildung 3). Letztlich zeigte sich, dass der Schnellmischer den Flockungsprozess störte und zu erhöhter Chemikaliendosierung führte, sodass er schließlich abgestellt wurde. Die Literatur unterstützt die Erkenntnis,<sup>4,5)</sup> dass eine langsamere Ausflockung vorteilhaft sein kann.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/viIQ1uUQbucnbgpB05hZ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Online-Zetapotenzialmessung nach Reset des Mixers (A): Bei laufendem Mixer wird das Zetapotenzial stark negativ (B). Nach Abstellen des Mixers (C) bewegt es sich gegen Null.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/RRJ416bVQE6RN6LVJYCi"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Malvern Instruments Zetasizer Nano.</figcaption></figure>
<p>Bill Fulbright ist Anlagenbetreiber und Hart Krumrine leitender Anlagenbetreiber bei Aurora Water in Denver, USA. Kirk Watson überwacht dort die Wasseraufbereitung. Alan Vaisman ist bei Malvern Instruments Manager Produktentwicklung für Prozessüberwachungssysteme, Ana Morfesis ist technische und wissenschaftliche Beraterin und Oliver Schmitt Prozess-Spezialist bei Malvern. <a href="mailto:info@malvern.de">info@malvern.de</a></p><h2>Quergelesen</h2><p>Messungen des Zetapotenzials unterstützen die Flockungsprozesse bei der Wasseraufbereitung.</p><p>Mit Online-Messungen lassen sich Anlagen automatisiert überwachen und steuern.</p><p>Durch eine Online-Messung reduzierte die Anlage Aurora Water die Menge an chemischen Koagulanzien.</p><p>Gleichzeitig erkannten die Prozessingenieure anhand der Messung, dass ein Schnellmischer für den Flockungsprozess nicht erforderlich ist und schalteten ihn ab.</p>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup>S. Dentel, K. Kingery, AWWA research foundation report: Evaluation of Streaming Current Detectors, 25, (Erscheinungsort, Erscheinungsjahr)</li><li>
<sup>2 </sup>S. Dentel, A. Thomas, K. Kingery, Water Res. 1989, 23, 423–430.</li><li>
<sup>3 </sup>A. Adgar, C. Cox, C. Jones, Bioprocess Biosyst. Eng. 2005, 27, 349–357</li><li>
<sup>4 </sup>A. Amirtharajah, Kirk M. Mills, J. Am. Water Works Assoc., 1982, 210–216.</li><li>
<sup>5 </sup>James K. Ezwald, J. Water Supply Res. T. 2013, 62.2, 67–77.</li><li>
<sup>6 </sup><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.malvern.com/de/products/" target="_blank">www.malvern.com/de/products/</a> product-range/zetasizer-range/ zetasizer-wt/default.aspx;</ext-link><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.materials-talks.com/" target="_blank">www.materials-talks.com/</a></ext-link></li></ul>


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