Sichere Entsorgung von Emulsionen mit Erdöl

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In vielen Industriebereichen werden Emulsionen aus Wasser und Erdöl
genutzt, beispielsweise für Kühlmittel. Dies macht die Entsorgung
aufwändig, da die Bestandteile dabei wieder getrennt werden müssen. Frank
Ferrick Nokam Waffo hat für seine Masterarbeit gemeinsam mit der HFM Horst
Fuhse Mineralölraffinerie GmbH nach einem Verfahren gesucht, mit dem dies
sicher und automatisiert möglich ist.

Im Alltag sind Emulsionen besonders in Kosmetika oder Lebensmitteln wie
Mayonnaise zu finden. Doch auch Emulsionen mit Erdöl sind in der Industrie
weitverbreitet, beispielsweise in Kühl- oder Schmiermitteln. Dass diese so
nicht in die Natur gelangen dürfen, ist durch europäische und nationale
Abwasserverordnungen streng geregelt. „Um solche Stoffe entsorgen zu
können, müssen zunächst das Öl und das Wasser voneinander getrennt werden.
Dies passiert mithilfe von Zusätzen, die die Emulsion wieder in ihre
Bestandteile zerlegen. Idealerweise ist dann eine deutliche Trennlinie
zwischen beiden Komponenten zu sehen: die Öl- und die Wasserphase. Das
Wasser kann dann abgelassen und getrennt vom Öl entsorgt werden“, weiß
Frank Ferrick Nokam Waffo. Er hat in Bremerhaven Process Engineering and
Energy Technology studiert und sich für seine Masterarbeit bei der HFM
Horst Fuhse Mineralölraffinerie GmbH intensiv mit der Entsorgung von
Emulsionen auf Erdölbasis beschäftigt. Das Unternehmen hat sich auf den
Umgang und die Entsorgung mit Altöl und die Kühlschmierstoffentsorgung
spezialisiert.

Aktuelles Verfahren oft zeitaufwändig

Trotz fortschrittlicher Abwasserbehandlungssysteme ist die genaue
Erkennung der Öl-Wasser-Grenze aufgrund von Faktoren wie Emulsionsbildung,
schwankenden Durchflussraten und unterschiedlichen Ölkonzentrationen
schwierig. Derzeit nehmen Mitarbeitende händisch Probennahmen und
Sichtprüfungen vor. Das ist jedoch sehr fehleranfällig. Gelangt Öl in die
Wasserphase, so hat dies zeitaufwändige, arbeitsintensive und kostspielige
Arbeiten zum Entleeren und Reinigen der betroffenen Teile des
Abwasserbehandlungssystems zur Folge. Eine automatisierte Lösung könnte
Abhilfe schaffen, steht aber vor einer großen Herausforderung: Der dafür
verwendete Sensor muss sicher und genau erkennen, wo die Grenze zwischen
Öl und Wasser verläuft. Dies ist jedoch bei jeder Emulsion anders und
unter anderem abhängig vom Herkunftsland des Öls und dem Ölgehalt. Die
Lösung könnte ein Sensor sein, der erkennt, ob er von Wasser oder von Öl
bedeckt wird, und dementsprechend das magnetische Ablassventil öffnet oder
schließt.

Frank Ferrick Nokam Waffo testete digitale und analoge Sensoren – mit
Erfolg. „Die Ergebnisse zeigen, dass der digitale Sensor durch sorgfältige
Einstellung seiner Schaltpunkt- und Rücksetzpunkteinstellungen die Öl-
Wasser-Grenzflächen trotz Schwankungen in der Emulsionszusammensetzung
effektiv unterscheiden konnte. Diese verfeinerte Kalibrierung führte in
Kombination mit den präzisen Zeitsteuerungsfunktionen zu konsistenten und
wiederholbaren Trennungsergebnissen, wodurch klare Öl- und Wasserphasen
entstanden“, erklärt Waffo. Dennoch habe er einige praktische
Einschränkungen beobachtet: „Der Rücksetzpunkt, der das Ventil steuert,
zeigte ein unregelmäßiges und unvorhersehbares Verhalten, was unter
anderem auf die Komplexität der Emulsionsstabilität zurückzuführen war.
Darüber hinaus neigt das magnetische Ablassventil dazu, bei der Handhabung
hochviskoser Ölemulsionen zu verkleben, was manchmal einen manuellen
Eingriff erforderlich macht.“

Vielversprechende Ergebnisse

Trotz der Einschränkungen ist Waffo sehr zufrieden mit seinen Ergebnissen.
„Es ist möglich, ein praktikables, automatisiertes
Emulsionsabscheidesystem unter Verwendung von Standard-SPS-Technologie und
kapazitiver Füllstandsmessung zu erschaffen. Dieses lässt sich durch
systematische Abstimmung der Sensoren an unterschiedliche
Emulsionseigenschaften anpassen. Noch müssen die Sensoren immer neu
kalibriert werden. Ein wirklich autonomes System müsste sich an eine
Kombination von Parametern anpassen, die die Stabilität der Emulsion
bestimmen“, erklärt der Absolvent. Neben der Ölsorte gehöre dazu die
Temperatur, die Viskosität, der pH-Wert, der ursprüngliche Wassergehalt
sowie die Dauer und Intensität des Mischvorgangs. Ein zweistündiger
Mischvorgang mit unterschiedlichen Geräten könne zu sehr unterschiedlichen
Ergebnissen führen: Eine höhere Intensität erzeuge kleinere Tröpfchen, was
zu wesentlich stabileren Emulsionen führe, die sich schwerer trennen
lassen. Es sei auch wichtig zu beachten, dass Emulsionen je nach
Herkunftsland des Öls variieren. „Verschiedene Öle haben unterschiedliche
Verhältnisse von Komponenten wie Asphaltenen oder Harzen, die als
natürliche Emulgatoren wirken. Diese Komponenten stabilisieren die
Grenzfläche zwischen Öl und Wasser und verändern das Verhalten der
Emulsion während des automatisierten Trennungsprozesses erheblich.“

Auch die richtige Technologie sei in dem Zusammenhang wichtig. „Ein
zukunftssicheres System sollte idealerweise Sensorfusion verwenden und
kapazitive Messungen mit anderen Technologien, wie Dichte- oder optischen
Sensoren, kombinieren. Durch den Einsatz von Algorithmen für maschinelles
Lernen könnte sich das System automatisch an diese kombinierten Parameter
anpassen und pneumatische Aktuatoren verwenden, um hochviskose Emulsionen
zuverlässig und ohne manuelles Eingreifen zu verarbeiten“, sagt Waffo, der
nach seinem Abschluss als stellvertretender technischer Betriebsleiter
weiterhin bei der HFM Horst Fuhse Mineralölraffinerie GmbH tätig ist,
abschließend.

Zum Studiengang

Im internationalen, englischsprachigen Masterstudiengang Process
Engineering and Energy Technology werden aktuelle Themen im Wissensgebiet
der Verfahrenstechnik tiefergehend vermittelt. Die Verfahrenstechnik
untersucht und entwickelt technische Verfahren, die Stoffe nach ihrer Art,
ihren Eigenschaften und ihrer Zusammensetzung auf chemischem,
physikalischem oder biologischem Wege zu gebrauchsfähigen Zwischen- oder
Endprodukten umwandelt. Hierzu gehört auch die Entwicklung, Konstruktion,
Fertigung und Wartung der dazu erforderlichen Apparate und Anlagen sowie
deren optimaler Betrieb. Neben der naturwissenschaftlich-technischen
Dimension sind für Herstellungsverfahren und deren Produkte, unter
Berücksichtigung der gesetzlichen Regelungen, die wirtschaftliche und
ökologische Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung. So ist die
Verfahrenstechnik auch für die Gestaltung und Weiterentwicklung des Klima-
und Umweltschutzes sowie der Material- und Energieeffizienz unentbehrlich.
Im Studium bilden theoretische Kenntnisse die Grundlage für das
Verständnis praktisch ablaufender Vorgänge. Dabei ist die Wahrung des
Praxisbezugs wichtig. Nicht selten kommen die Aufgabenstellungen daher von
kooperierenden Wirtschaftsunternehmen, die selbst auch zur Lösung der
Probleme beitragen.