DE202012006932U1

DE202012006932U1 - Radialrohrreaktor

Info

Publication number: DE202012006932U1
Application number: DE201220006932
Authority: DE
Original assignee: Infracor GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-08-31
Anticipated expiration: 2022-07-19

Abstract

Anordnung für die Zugabe von Chlordioxid in eine wasserführende Rohrleitung, umfassend eine zylindrische Reaktionskammer und zwei in die Reaktionskammer mündende Eduktleitungen, über welche zwei Edukte separat von außerhalb der Rohrleitung in die Reaktionskammer förderbar sind, wobei die Reaktionskammer mit einer Austrittsbohrung versehen ist, welche den Austritt von in der Reaktionskammer aus den Edukten gebildetem Chlordioxid in das von der Rohrleitung geführte Wasser gestattet, und wobei die Achse der Austrittsbohrung im Gebrauchszustand in Richtung der Längsachse der Rohrleitung ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer am distalen Ende eines zylindrischen Schaftes angeordnet ist, welcher im Gebrauchszustand radial zur Rohrleitung ausgerichtet ist und sich zumindest abschnittsweise in die Rohrleitung hinein erstreckt, dergestalt, dass sich die Reaktionskammer im Gebrauchszustand vollständig innerhalb der Rohrleitung befindet, und dass beide Eduktleitungen sich von außerhalb der Rohrleitung längs durch den Schaft hindurch bis zur Reaktionskammer hin erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die Zugabe von Chlordioxid in eine wasserführende Rohrleitung, umfassend eine zylindrische Reaktionskammer und zwei in die Reaktionskammer mündende Eduktleitungen, über welche zwei Edukte separat von außerhalb der Rohrleitung in die Reaktionskammer förderbar sind, wobei die Reaktionskammer mit einer Austrittsbohrung versehen ist, welche den Austritt von in der Reaktionskammer aus den Edukten gebildetem Chlordioxid in das von der Rohrleitung geführte Wasser gestattet, und wobei die Achse der Austrittsbohrung im Gebrauchszustand in Richtung der Längsachse der Rohrleitung ausgerichtet ist.
Bekannt ist eine solche Anordnung aus der US4534952 .
Wasser für industrielle und kommerzielle Zwecke muss so aufbereitet sein, dass eine sorgfältige, sichere und umweltfreundliche Desinfektion des Wassers gegeben ist. Kühl- oder Prozesswässer bieten z. B. ideale Bedingungen für die Vermehrung von Mikroorganismen. Besonders Schleim bildende Bakterien bilden sogenannte Biofilme aus, das sind mikrobiologische Verunreinigungen, die bei Kühlwasserleitungen den Wärmeübergang stark stören und Korrosion verursachen.
Als besonders effizientes Mittel für die Wasserdesinfektion bietet sich wegen seiner hohen Wirksamkeit gegen Mikroorganismen Chlordioxid (ClO₂) an. Es ist über einen weiten pH-Bereich wirksam und nicht nur die Behandlung von industriellen Wässern wie insbesondere Kühl- oder Prozesswässer, sondern darf – unter Einhaltung entsprechend geringer Konzentration – auch in der Getränke- und Lebensmittelindustrie, in der Landwirtschaft oder in der Medizintechnik eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsfeld liegt in der Papierindustrie, wo Chlordioxid zum Bleichen der Zellstoff-Pulpe verwendet wird. Schließlich dient Chlordioxid auch zur Desinfektion von Schwimmbad-Wasser.
Die bisher handelsüblichen Anlagen zur Herstellung von Chlordioxid enthalten erhebliche Mengen Chlordioxid mit allen damit verbundenen Risiken für den Betrieb der Erzeugungsanlagen. Das Risiko rührt daher, dass es sich bei Chlordioxid um hochgiftige, explosive Chemikalie handelt, die sich bereits in geringen Konzentrationen explosionsartig zerfällt und dabei Chlor freisetzt.
Auf Grund seiner Gefährlichkeit und geringen Stabilität wird ClO₂ ungern transportiert oder gelagert, stattdessen lieber direkt am Verwendungsort, insbesondere in dem zu behandelnden Wasser synthetisiert. Auf diese Weise wird das Problem der Herstellung und Handhabung von giftigem und explosivem Chlordioxid gelöst. So sind aus verschiedenen Patentschriften Chlordioxid-Reaktoren bekannt, welche das ClO₂ in situ erzeugen und sofort dem zu behandelnden Wasser ohne eine weitere Zwischenlagerung zuführen. Derartige Beispiele finden sich unter WO2009/077309 , WO2009/077160A1 , DE 20 2004 005 755 U1 , US2005/0244328A1 , US4534952 .
Die in-situ-Erzeugung von Chlordioxid (ClO₂) erfolgt gern durch das Chlorit/Salzsäure-Verfahren, bei dem Salzsäure (HCl) mit Natriumchlorit (NaClO₂) zu ClO₂, Wasser (H₂O) und Kochsalz (NaCl) umgesetzt wird: 5NaClO₂ + 4HCl → 4ClO₂ + 5NaCl + 2H₂O
Vorteil dieses Verfahrens ist, dass lediglich zwei Edukte, nämlich Salzsäure (HCl) mit Natriumchlorit (NaClO2) in den Reaktor gefördert werden müssen. Da beide Chemikalien in wässriger Lösung vorliegen, ist dies – von der Korrosivität dieser Medien abgesehen – technisch unproblematisch. In einem Reaktor vermischt reagieren die beiden Edukte sofort und heftig zu dem gewünschten Chlordioxid (ClO₂). Das entstehende Reaktionswasser (H₂O) und die Wasserbestandteile der wässrig zugeführten Edukte schwemmen das Chlordioxid in hochkonzentrierter wässriger Lösung aus dem Reaktor, wo es sich mit dem zu behandelnden Wasser zu ungefährlicher, aber noch biozid wirkenden Konzentrationen verdünnt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist das zwangsläufig anfallende Kochsalz (NaCl), welches bei überschreiten der Lösungsgrenze kristallin ausfällt und den Reaktor verblockt.
Viele in der Patentliteratur bekannten Reaktoren zur in situ-Erzeugung von Chlordioxid innerhalb des zu behandelnden Wassers sind innerhalb von Rohrleitungen angeordnet, welche das zu behandelnde Wasser führen. Hier sind zunächst solche Reaktoren zu nennen, welche eine rohrförmige Reaktionskammer aufweisen, die sich im Wesentlichen längs der Rohrleitung mit dem zu behandelndem Wasser erstreckt und von diesem umspült wird. Ein Beispiel für einen solchen Axialreaktor findet sich in DE 20 2004 005 755 O1 . Ein anderes Beispiel ist in DE 10 2010 027 908 A1 gezeigt. Bei diesen Chlordioxid-Reaktoren erstreckt sich dann die rohrförmige Reaktionskammer längs des Rohres und entlässt das synthetisierte Chlordioxid am distalen Ende des Reaktors durch eine Austrittsöffnung, welche in Längsrichtung des Rohres, also in Fließrichtung des zu behandelnden Wassers gerichtet ist. Die Zuführung der Edukte erweist sich bei derartigen Axialrohrreaktoren als schwierig.
Aus US4534952 ist ein Rohrreaktor zur Erzeugung von Chlordioxid bekannt, welcher in einem Rohrbogen der Rohrleitung mit dem zu behandelndem Wasser angeordnet wird. Im Bereich des Produktaustritts erstreckt sich die Reaktionskammer ebenfalls axial in Fließrichtung. Da der Schaft zumindest Abschnittsweise im Bereich des Rohrbogens quasi radial verläuft, ist die Zuführung der Edukte in die Reaktionskammer einfacher gestaltet. Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass sich die Reaktionskammer abschnittsweise von dem zu behandeltem Wasser gar nicht umspült ist, sondern von Umgebungsluft, da die Vermischung der beiden Edukte noch außerhalb der Rohrleitung erfolgt. Dies bedeutet, dass im Havariefall giftiges Chlordioxid freigesetzt werden kann. Eine solche Konstruktion ist daher aus Sicherheitsgründen abzulehnen.
Aus der deutschen Auslegeschrift DE1203691 ist ein Reaktor zur Chlordioxidsynthese bekannt, dessen Reaktionskammer in Gestalt eines toten Armes an der Rohrleitung ausgeführt ist. In den toten Arm hinein reichen zwei freiliegende Eduktleitungen, über welche die Edukte zur Synthese des Chlordioxids in das Totwasser eindosiert werden.
Dort reagieren die Edukte zu Chlordioxid, welches aus dem Totwasserbereich austritt und von dem über die Rohrleitung anströmenden, zu behandelndem Trinkwasser mitgerissen wird. Diese Ausführungsform erscheint strömungstechnisch ungünstig. Darüber hinaus ist zu befürchten, dass der Boden des toten Arms zunehmend versalzt. Schließlich verlaufen die Eduktleitungen ungeschützt radial durch die Rohrleitung.
Im Lichte dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zur in situ-Chlordioxid-Synthese innerhalb einer das zu behandelnde Wasser führenden Rohrleitung anzugeben, welche eine hohe Betriebssicherheit und strömungsdynamisch günstige Eigenschaften aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe überraschenderweise dadurch, dass die Reaktionskammer am distalen Ende eines zylindrischen Schaftes angeordnet wird, welcher im Gebrauchszustand radial zur Rohrleitung auszurichten ist, sodass er sich zumindest abschnittsweise in die Rohrleitung hinein erstreckt, dergestalt, dass sich die Reaktionskammer im Gebrauchszustand vollständig innerhalb der Rohrleitung befindet, und dass sich beide Eduktleitungen von außerhalb der Rohrleitung längs durch den Schaft hindurch bis zur Reaktionskammer hin erstrecken.
Gegenstand der Erfindung ist mithin eine Anordnung für die Zugabe von Chlordioxid in eine wasserführende Rohrleitung, umfassend eine zylindrische Reaktionskammer und zwei in die Reaktionskammer mündende Eduktleitungen, über welche zwei Edukte separat von außerhalb der Rohrleitung in die Reaktionskammer förderbar sind, wobei die Reaktionskammer mit einer Austrittsbohrung versehen ist, welche den Austritt von in der Reaktionskammer aus den Edukten gebildetem Chlordioxid in das von der Rohrleitung geführte Wasser gestattet, und wobei die Achse der Austrittsbohrung im Gebrauchszustand in Richtung der Längsachse der Rohrleitung ausgerichtet ist, wobei die Reaktionskammer am distalen Ende eines zylindrischen Schaftes ausgerichtet ist, welcher im Gebrauchszustand radial zur Rohrleitung angeordnet ist und sich zumindest abschnittsweise in die Rohrleitung hinein erstreckt, dergestalt, dass sich die Reaktionskammer im Gebrauchszustand vollständig innerhalb der Rohrleitung befindet, und wobei beide Eduktleitungen sich von außerhalb der Rohrleitung längs durch den Schaft hindurch bis zur Reaktionskammer hin erstrecken.
Die Erfindung zeichnet sich also besonders durch den Schaft aus, welcher radial zur Rohrleitung angeordnet ist und sich in diese hinein erstreckt. Innerhalb des Schaftes findet keine Synthese von Chlordioxid statt; diese erfolgt ausschließlich innerhalb der Reaktionskammer, die am distalen Ende des Schaftes angeordnet ist. Der Schaft erfüllt somit zunächst die Funktion, die Reaktionskammer innerhalb der Rohrleitung zu positionieren, damit im Havariefall das Chlordioxid von dem in der Rohrleitung geführten Wasser verdünnt abgeführt wird. Des Weiteren umschließt der Schaft die beiden Eduktleitungen, damit die Edukte sauber voneinander getrennt bis in die Reaktionskammer gefördert werden können und sich erst dort vermischen um zu Chlordioxid reagieren. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung entsteht das Chlordioxid also stets innerhalb der Rohrleitung. Dank seiner zylindrischen Form ist der Schaft strömungstechnisch günstig geformt. Schließlich schützt der Schaft die Eduktleitungen vor Beschädigung, was die Sicherheit der Anlage weiter erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Schaft und Reaktionskammer so bemessen, dass sich die Achse der Austrittsbohrung im Gebrauchszustand koaxial zur Längsachse der Rohrleitung erstreckt. Dies bedeutet, dass Chlordioxid zentral in der Rohrleitung austritt und dadurch eine hervorragende Vermischung mit dem in der Rohrleitung fließenden Wasser ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Reaktionskammer lösbar an dem Schaft befestigt, insbesondere mittels einer Verschraubung. Dies erlaubt den einfachen Aufbau einer Baureihe verschiedener Anordnungen unterschiedlicher Leistungsklassen, die später noch näher erläutert werden wird.
Vorzugsweise besitzt die Reaktionskammer ebenso wie der Schaft eine zylindrische Form, ist zu diesem koaxial angeordnet und weist dessen Außendurchmesser auf, so dass bei aufgesetzter Reaktionskammer sich die zylindrische Form des Schaftes bis zum distalen Ende der Reaktionskammer ohne Querschnittsveränderungen weiter fortsetzt. Diese Ausführungsform führt zu einem geringen hydraulischen Widerstand.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Reaktionskammer nicht nur eine zylindrische Außenform auf, sondern umschließt auch ein zylindrisches Reaktionsvolumen, welches ausschließlich über die beiden Eduktleitungen und die Austrittsbohrung mit der Umgebung in Kontakt steht, wobei die beiden Eduktleitungen voneinander beabstandet an der proximalen Stirnseite der Reaktionskammer münden und die Austrittsbohrung in den Mantel der Reaktionskammer eingebracht ist, wobei die Achse der Austrittsbohrung senkrecht zu den Achsen der Mündungen der Eduktleitungen angeordnet ist, diese Achsen aber nicht schneidet.
Diese Gestaltung der Reaktionskammer führt zu einer hervorragenden Durchmischung der Edukte innerhalb der Reaktionskammer, sodass die Reaktion schnell abläuft. Die damit verbundenen geringen Verweilzeiten erlauben ein geringes Reaktionsvolumen, wodurch der Reaktor preisgünstiger wird und einen geringeren Strömungswiderstand erzeugt.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Austrittsbohrung möglichst dicht an den Mündungen der Eduktleitungen anzuordnen, zumindest in der proximalen Hälfte des Reaktionsvolumens, wenn man das gesamte von der Reaktionskammer umschlossene Reaktionsvolumen gedanklich quer teilt in eine distale Hälfte und in eine proximale Hälfte.
Wie bereits erwähnt, kommt es bei dem Betrieb eines Chlordioxid-Reaktors nach dem nach dem Salzsäure/Chlorit-Verfahren prinzipbedingt zu einer Nebenproduktion von Kochsalz, welches bei ungünstigen Betriebsbedingungen den Reaktor versalzt. Überraschenderweise zeigt die erfindungsgemäß ausgeführte Anordnung im Betrieb nach dem Salzsäure/Chlorit-Verfahren keinerlei Salzablagerungen, wenn für das Verhältnis der stündlich erzeugten Masse Chlordioxid (M) in Gramm zu dem Querschnitt (Q) der Austrittsbohrung in mm² folgende Beziehung gilt: (30 g/h/mm²) < M/Q < (60 g/h/mm²)
Falls der Bohrungsquerschnitt Q in Hinblick auf die Produktionsleistung M zu klein gewählt wird (M/Q > 60 g/h/mm²), setzt sich die Reaktionskammer zu. Bemisst man den Bohrungsquerschnitt indes zu großzügig (M/Q < 30 g/h/mm²), wäscht das durch die Rohrleitung fließende Wasser die Reaktionskammer aus und spült dabei unreagiertes Edukt fort. Der Umsatz der Reaktion und damit die Ressourceneffizienz werden dadurch geschmälert.
Wie bereits erwähnt, lässt sicht aus durch Kombination eines Schaftes mit unterschiedlichen aufschraubbaren Reaktionskammern eine Baureihe erfindungsgemäßer Anordnungen aufsetzen, die mit einer geringen Teileanzahl auskommt. Gegenstand der Erfindung ist mithin auch eine Baureihe umfassend zumindest zwei erfindungsgemäße Anordnungen mit verschraubter Reaktionskammer bei welcher beide Anordnungen unterschiedliche Reaktionsvolumina aufweisen und deren die Schäfte identisch sind.
Da innerhalb der Baureihe dann nur das Reaktionsvolumen und gegebenenfalls auch der Querschnitt der Austrittsbohrung variiert werden muss – die Eduktleitungen können konstant gehalten werden – bietet es sich an, die Baureihe auf einem einheitlichen Schaft aufzubauen, der zur Variation der Umsatzleistung mit verschiedenen Reaktionskammern kombiniert wird. Auf diese Weise wird die Teile-Anzahl innerhalb der Baureihe signifikant verringert, was die Produktionskosten deutlich senkt. Des Weiteren ist es möglich, durch Austausch der Reaktionskammer einen bestehenden Reaktor in eine höhere Leistungsklasse zu überführen.
Vorzugsweise weist die Baureihe nicht nur zwei Anordnungen in zwei Leistungsklassen auf, sondern mehr Leistungsstufen wie beispielsweise vier oder fünf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch die Kombination einer wasserführenden Leitung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Rohrleitung einen Rohrabschnitt aufweist, innerhalb dessen die Rohrleitung linear verläuft und auf welchen die Rohrleitung mit einem toten Arm versehen ist, welcher sich radial zum Rohrabschnitt erstreckt und in welchen der Schaft der Anordnung koaxial eingeführt ist, dergestalt, dass sich die Austrittsbohrung zentral im Rohrabschnitt befindet und deren Achse koaxial zur Längsachse des Rohrabschnittes gewandt ist. In dieser baulichen Vereinigung von Rohrleitung und Reaktor kommt es zu keiner Salzanlagerung am Produktaustritt und der Strömungswiderstand des in die Rohrleitung einragenden Schaftes mit aufgesetzter Reaktionskammer ist vergleichsweise gering.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der beschriebenen Anordnung zur Behandlung von in der Rohrleitung fließendem Wasser mit Chlordioxid, welches in der Reaktionskammer aus den Edukten synthetisiert wurde. Das Chlordioxid wird insbesondere nach dem Natriumchlorit-Salzsäure-Verfahren synthetisiert. Bei der Behandlung handelt es sich vorzugsweise um eine Biozidbehandlung, also dem Abtöten von im Wasser lebender Mikroorganismen mit ClO₂. Unter Mikroorganismen sind insbesondere Bakterien, Viren, Pilze, Keime, Sporen, Algen oder Kleinlebewesen zu verstehen. Deren Abtötung, also die Desinfektion des Wassers, geschieht aus industrieller Motivation beispielsweise bei der Behandlung von Kühlwässern aber auch aus medizinischen oder veterinärmedizinischen Gründen, etwa bei der Behandlung von Trink- oder Tränkwasser oder Spülwasser bei Eingriffen in den tierischen oder menschlichen Körper.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
1: erste Ausführungsform des Schaftes in Seitenansicht;
2: Reaktionskammer für großes Umsatzvolumen;
3: Schaft aus 1 in der Draufsicht;
4: Reaktionskammer für kleinere Umsätze;
5: zweiter Schaft mit Flansch und aufgeschraubter Reaktionskammer;
6: Einbausituation, frontal;
7a: Austrittposition 180° relativ zu den Eduktleitungen;
7b: Austrittposition 90° relativ zu den Eduktleitungen;
8: Einfluss der Austrittsposition 180° auf den Umsatz;
9: Einfluss der Austrittsposition 90° auf den Umsatz;
10: Einfluss der Größe der Austrittsöffnung auf den Umsatz.
1 zeigt die Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des Schaftes 1. Bei dem Schaft 1 handelt es sich im Wesentlichen um einen Vollzylinder aus PTFE, in welchem in Längsrichtung zwei Eduktleitungen 2a, 2b eingebracht sind. Die Eduktleitungen 2a, 2b erstrecken sich beinahe über die gesamte Länge des Schaftes 1 von dessen proximalen Ende zu dessen distalem Ende. Der Schaft 1 weist nahezu über seine gesamte Länge eine zylindrische Gestalt mit Außendurchmesser D auf. Lediglich an seinem proximalen Ende ist der Schaft 1 hammerkopfförmig ausgebildet und besitzt dort zwei Anschlussmuffen 3a, 3b in welche jeweils eine der beiden Eduktleitungen 2a, 2b münden. Die Anschlussmuffen 3a und 3b dienen dazu mit nicht dargestellten Dosierpumpen verbunden zu werden, über welche die Edukte zur Synthetisierung des Chlordioxids in die Anordnung eingefördert werden. Sofern die Anordnung nach den Salzsäure-Chlorit-Verfahren betrieben wird, wird beispielsweise über die Anschlussmuffe 3a Salzsäure in den Schaft gefördert, währenddessen über die Anschlussmuffe 3b Natriumchlorit eingeleitet wird. Da bei dem vorliegenden Beispiel sowohl die Anschlussmuffen 3a, 3b, als auch die Eduktleitungen 2a, 2b vollkommen identisch ausgeführt sind, ist es egal, welches Edukt an welchem Anschluss angeschlossen wird. Wichtig ist nur, dass beide Edukte sich zu diesem Zeitpunkt noch nicht vermischen, sondern separat voneinander durch den Schaft 1 in Richtung seines distalen Endes gefördert werden. Zu diesem Zwecke sind die beiden Eduktleitungen 2a, 2b getrennt voneinander im Schaft 1 angeordnet und erstrecken sich von dem Hammerkopf am proximalen Ende parallel bis zu dem distalen Ende des Schaftes 1, an welchem ein Außengewinde 4 aufgebracht ist. Am Auslauf des Außengewindes 4 münden die Eduktleitungen 2a, 2b aus dem proximalen Ende des Schafts 1.
Für den Fall, dass die Anordnung mit einer anderen Chemie betrieben wird, kann es auch vorteilhaft sein, unterschiedliche Leitungsquerschnitte vorzusehen, welche wiederum eine genaue Anschlussbelegung erfordern. Um fehlerhafte Anschlussbelegung zu vermeiden, ist es vorteilhaft beide Leitungen identisch auszuführen und eine einfache Chemie zu wählen.
Das Außengewinde 4 ist dafür bestimmt, den Schaft 1 mit der in 2 dargestellten zylindrischen Reaktionskammer 5 zu verschrauben. Zu diesem Zwecke weist die Reaktionskammer 5 ein Innengewinde 6 auf, mit welchem sie auf das Außengewinde 4 des Schaftes 1 aufgeschraubt wird. Da der Außendurchmesser D der Reaktionskammer dem Schaftdurchmesser D entspricht, kommt es an dem Übergang zwischen Schaft und Reaktionskammer zu keiner äußeren Querschnittsänderungen, welche Wirbel in der Rohrleitung auslösen würde.
Im aufgeschraubten Zustand umschließt die Reaktionskammer 5 einen in der Zeichnung 2 gestrichelt dargestellten Reaktionsraum mit dem Reaktionsvolumen V. Unmittelbar hinter dem Auslauf des Innengewindes 6 ist in dem Mantel der Reaktionskammer 5 eine Austrittsbohrung 7 mit dem Querschnitt Q eingebracht. Im aufgeschraubten Zustand steht das Reaktionsvolumen V ausschließlich über die Austrittsbohrung 7 und über die distalen Mündungen der beiden Eduktleitungen 2a und 2b mit der Umwelt in Kontakt. Im Betrieb werden die beiden Edukte über die Anschlussmuffen 3a, 3b entlang der Eduktleitungen 2a und 2b in die Reaktionskammer 5 geleitet und vermischen sich erst dort. Innerhalb des Reaktionsvolumens V findet somit die Reaktion der Produkte zu Chlordioxid statt. Das ausreagierte Chlordioxid wird von den nachgeförderten Edukten aus dem Reaktionsvolumen V verdrängt und verlässt die Reaktionskammer durch die Bohrung 7. Das Reaktionsvolumen V ist so bemessen, dass die Verweilzeit der Edukte innerhalb der Reaktionskammer etwa fünf Sekunden beträgt.
In 4 ist eine alternative Ausführungsform der Reaktionskammer 5 dargestellt, welche sich durch ihr Reaktionsvolumen V von der in 2 dargestellten Reaktionskammer unterscheidet. Dies wird dadurch erreicht, dass die Länge des Reaktionsraumes geringer ist und auch der Innendurchmesser der Reaktionskammer etwas kleiner. Der Querschnitt Q der Bohrung 7 ist größer als bei der Ausführungsform in 2. Da aber der Durchmesser des Innengewindes 6 der in 4 gezeigten Reaktionskammer 5 auch das Außengewinde 4 des in 1 gezeigten Schaft 1 passt, ist es möglich, die Reaktionskammer in 4 auf den Schaft der 1 ohne Durchmessersprung aufzuschrauben. Durch Herabsetzen der Volumenströme der eingeförderten Edukte wird wieder eine Verweilzeit von fünf Sekunden eingestellt, es gilt hier die Formel T = V/W, bei der T für die Verweilzeit steht, V für das Reaktionsvolumen und W für den Volumenstrom der beiden Edukte in die Kammer. Da das Reaktionsvolumen verkleinert wurde, müssen zur Aufrechterhaltung derselben Verweildauer entsprechend die Volumenströme der Edukte herabgesetzt werden.
Im Ergebnis erreicht man durch Kombination der in 4 gezeigten Reaktionskammer mit dem in 1 gezeigten Schaft einen Reaktor, der eine deutlich geringere Syntheseleistung aufweist als die Kombination des Schaftes aus 1 mit der Kammer aus 2. Die Kombination aus 1 und 2 ist für einen Umsatz von 2000 g Chlordioxid pro Stunde ausgelegt, währenddessen die Kombination aus 1 und 4 lediglich für eine Chlordioxid-Produktion von 200 g pro Stunde ausgelegt ist.
Es ist leicht ersichtlich, dass es dank der Verschraubung 4, 6 zwischen Reaktionskammer 5 und Schaft 1 möglich ist, mit einer geringen Anzahl von Teilen eine Baureihe von Reaktoren aufzubauen, die unterschiedliche Leistungsbereiche abdecken. Dabei wird man in der Praxis mehrere Leistungsstufen vorsehen, als die in den Beispielen gezeigten zwei Nenngrößen.
In 5 ist eine alternative Ausführungsform des Schaftes 1 dargestellt, welche durch einen unterhalb der Anschlussmuffen 3a, 3b angeordneten Flansch 8 gekennzeichnet ist. Der Flansch 8 dient zur Befestigung des Schaftes an einem toten Arm an der Rohrleitung, in welcher das zu behandelnde Wasser fließt. Dies wird noch im Detail anhand der 6 erläutert werden. Der übrige konstruktive Aufbau des in 5 gezeigten Schaftes 1 entspricht dem aus 1. Das Außengewinde 4 weist die selbe Größe auf wie von dem Schaft in 1, so dass es möglich ist, beide Reaktionskammern aus 2 und 4 mit dem Schaft in 5 zu kombinieren. Ein Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform in 1 besteht darin, dass die Schaftlänge etwas geringer ist. Unterschiedliche Schaftlängen sind jedoch erforderlich, die Anordnung an unterschiedliche Leitungsquerschnitte der Wasser führenden Rohrleitungen anzupassen.
In 6 ist nun die Einbausituation der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Eine Rohrleitung 9 verläuft auf dem dargestellten Abschnitt linear, das heißt ohne Krümmung. Die Fließrichtung des zu behandelnden Wassers ist also aus der Zeichenebene der 6 hinaus, dem Betrachter entgegen gerichtet. Auf dem gezeigten linearen Abschnitt weist die Rohrleitung 9 einen toten Arm 10 auf, welcher sich radial von der Rohrleitung 9 fort erstreckt. Der tote Arm 10 hat einen deutlich geringeren Durchmesser als der Durchmesser der Rohrleitung 9. Mit aufgeschraubter Reaktionskammer 5 wird der Schaft 1 in den toten Arm 10 eingesteckt. Die Befestigung erfolgt über den am Schaft befindlichen Flansch 8 an einem entsprechenden Gegenflansch 11 am toten Arm 10. Die hierfür erforderliche Flanschverschraubung ist nicht gezeichnet. Zwischen totem Arm 10 und Schaft 1 wird ein Dichtelement eingelegt (ebenfalls nicht dargestellt), welches ein Entweichen von Fluiden aus der Rohrleitung 9 oder dem toten Arm 10 über die Flanschverbindung 8, 11 verhindert. Bei eingestecktem Schaft erstreckt sich der Schaft 1 ebenso wie der tote Arm 10 radial zur Längsachse der Rohrleitung 9. Die Schaftlänge und die Reaktionskammer sind dabei so bemessen, dass sich die Austrittsbohrung 7 auf Höhe der Längsachse der Rohrleitung 9 befindet. Das Chlordioxid tritt in Fließrichtung des zu behandelnden Wassers aus der Reaktionskammer 5 aus. Die erfindungsgemäße Ausrichtung der Achse der Austrittsbohrung 7 koaxial zur Längsachse der Rohrleitung 9 stromabwärts hat sich als ideal herausgestellt. Die dagegen um 90° verdrehte, radiale Ausrichtung des Schaftes 1 zur Längsachse der Rohrleitung und seine zylindrische Form, welche sich über die Reaktionskammer 5 weiter fortsetzt, ist strömungsdynamisch günstig.
Im Betrieb wird über jede Muffe (3a dargestellt, 3b in dem Schnitt der 6 von Betrachter abgewandt und daher nicht ersichtlich) separat ein Edukt in den Schaft gefördert und strömt durch die Eduktleitungen 2a, 2b bis hinein in die Reaktionskammer 5. Innerhalb des Reaktionsvolumens V reagieren die Edukte zu Chlordioxid und verlassen nach vorzugsweise fünf Sekunden Verweilzeit die Reaktionskammer 5 durch die Austrittsöffnung 7. Das hochkonzentrierte Chlordioxid vermischt sich sodann schlagartig mit dem in großen Mengen anströmenden Wasser H₂O, welches durch die Rohrleitung 9 gefördert wird. Stromabwärts weist das mit Chlordioxid behandelte Wasser eine gewisse Konzentration an ClO₂ auf, die Mikroorganismen in dem Wasser H₂O zuverlässig abtötet.
Der gesamte Schaft 1 und die Reaktionskammer 5 sind voll umfänglich aus PTFE gefertigt. Beide Teile sind aus dem vollen Material gedreht, bzw. gefräst.

Tabelle 1 zeigt technische Daten von drei Ausführungsformen der Anordnung in unterschiedlichen Leistungsklassen einschließlich der für die Einhaltung der kurzen Verweildauer notwendigen Betriebsparameter und konstruktiver Maße.

Baugröße		I	II	III
maximale Erzeugungskapazität ClO2 M	(g/h)	400	900	2000
Volumenstrom HCl	(I/h)	2,24	5	11,2
Volumenstrom NaClO₂	(I/h)	2,24	5	11,2
Konzentration HCl	(%)	30	30	30
Konzentration NaClO₂	(%)	25	25	25
molares Verhältnis HCl:NaClO₂	(–)	2,4 bis 3,4	2,4 bis 3,4	2,4 bis 3,4
Differenz Reaktordruck/ Wasserdruck	(bar)	6	6	6
Maximaldruck System	(bar)	9	9	9
Wassertemperatur	(°C)	5 bis 40	5 bis 40	5 bis 40
Durchmesser Eduktleitungen	(mm)	4,5	4,5	4,5
Innendurchmesser Reaktionskammer	(mm)	20	27	26
Länge Reaktionskammer L	(mm)	31	36	65
Reaktionsvolumen V	(mm³)	9739	20611	34509
Verweilzeit	(s)	7,83	7,42	5,55
Durchmesser Austrittsbohrung	(mm)	4	4,5	7,5
Querschnitt Bohrung Produktaustritt Q	(mm²)	12,57	15,90	44,18
Verhältnis M/Q	(g/h/mm²)	32	57	45
Außendurchmesser Reaktionskammer K	(mm)	25	32	32

Tabelle 1: Baugrößen und Betriebsdaten innerhalb einer Baureihe

Experiment 1: Einfluss der Position des Produktaustritts auf dem Umsatz

In einer Versuchsreihe wurde bei einer in 6 gezeigten Kombination aus Rohrleitung und Reaktor der Einfluss der Position der Bohrung (180° und 90°) hinsichtlich des Umsatzes bei einem Bohrungsdurchmesser von 2 mm bzw. 3 mm untersucht. Bei der in 7a gezeigten Position 180° weist die Bohrungsachse in Richtung der Längsachse der Rohrleitung, bei der in 7b Position 90° ist sie quer zur Rohrachse angeordnet. Durch Verdrehen der Reaktionskammer war es somit einfach möglich, die Stellung der Austrittsöffnung auf 180° (7a) mit einem erfindungsgemäßen Reaktor (90°, 7b) zu vergleichen. Die Ergebnisse sind in den 8 und 9 dargestellt.

Versuch	molares Verhältnis (HCl:NaClO₂)	Verweilzeit	⌀ Austrittsbohrung		Fläche Austrittsöffnung	Position Austrittsöffnung	Ausbeute
06.12.2011-2	3:1	5 sek.	2x	2 mm	6,3 mm²	180°	97%
06.12.2011-3	3,1:1	5 sek.	2x	3 mm	14,1 mm²	180°	86%

Tabelle 2: Versuchsparameter der in Figur 8 abgebildet Versuche

Versuch 06.12.2011-2 wurde mit 2 mm Bohrungen durchgeführt. Die Ausbeute betrug ca. 100% bevor der Umsatz komplett einknickte und auch unter 20% absank. Das ist wahrscheinlich auf Salzklumpen zurück zu führen, die, die beiden Löcher verstopft haben.

Versuch 06.12.2011-3 wurde mit 3 mm Bohrungen durchgeführt. Die Ausbeute des Umsatzes schwankt zwischen ca. 75%–ca. 90%

Versuch	molares Verhältnis (HCl:NaClO₂)	Verweilzeit	⌀ Austrittsbohrung		Fläche Austrittsöffnung	Position Austrittsöffnung	Ausbeute
06.12.2011-1	3,1:1	5 sek.	2x	2 mm	6,3 mm²	90°	91%
06.12.2011-4	3,1:1	5 sek.	2x	3 mm	14,1 mm²	90°	77%

Tabelle 3: Versuchsparameter der in Figur 9 abgebildet Versuche

Versuch 06.12.2011-1 wurde mit 2 mm Bohrungen durchgeführt. Die Ausbeute schwankte zwischen ca. 80% bis 100%.
Versuch 06.12.2011-4 wurde mit 3 mm Bohrungen durchgeführt. Die Ausbeute steigt schwankend von ca. 40% auf ca. 90%.
Aus den Ergebnissen kann gefolgert werden, dass nach Möglichkeit die Position der Austrittsöffnung in 90°, also quer zur Längsachse der Rohrleitung anzubringen ist, da mit stabileren, höhere Umsätze zu rechnen ist.
Experiment 2: Einfluss des Bohrungsdurchmesser auf dem Umsatz

Es sollte untersucht werden, ob die Größe des Durchmessers der Bohrung des Produktaustritts bei der in 6 dargestellten Anordnung einen Einfluss auf dem Umsatz hat. Hintergrund ist der, dass, je größer der Lochdurchmesser ist, ein möglicher Druckanstieg im Reaktorinnenraum besser abgeführt werden kann bzw. wenn sich Salz bildet, dieses leichter aus dem Reaktorinnenraum rausgespült werden kann. Der Eingesetze Reaktor hatte eine Produktionskapazität von 2000 g/h.

Versuch	molares Verhältnis (HCl:NaClO₂)	Verweilzeit	⌀ Austrittsbohrung		Fläche Austrittsöffnung	Position Austrittsöffnung	Ausbeut
11.01.2012-1	3,1:1	5 sek.	1x	4,5 mm	15,9 mm²	90°	96%
11.01.2012-2	2,9:1	5 sek.	1x	5,5 mm	23,7 mm²	90°	97%
12.01.2012-1	2,7:1	5 sek.	1x	7 mm	38,5 mm²	90°	96%

Tabelle 4: Versuchsparameter der in Figur 10 abgebildet Versuche

Bei Versuch 11.01.2012-1 schwankt die Ausbeute zwischen ca. 90% und ca. 100%
Bei Versuch 11.01.2012-2 schwankt die Ausbeute zwischen ca. 90% und ca. 100%
Bei Versuch 12.01.2012-1 schwankt die Ausbeute zwischen ca. 90% und ca. 100%
Bei diesem Versuch sind die Schwankungen weniger stark ausgeprägt als bei den beiden anderen Versuchen.
Experiment 2 zeigt, dass kleine Löcher durch Salz verstopft werden können, dass größere Löcher die Gasabfuhr und damit den Umsatz verbessern, und dass Wasser durch zu große Löcher den Reaktorinhalt ausschwemmen und/oder verdünnen kann und dass den Umsatz einknicken lässt.
Experiment 3

Es sollte untersucht werden, wie sich der Einfluss des Verhältnisses der Querschnittsfläche Q der Austrittsöffnung zu der Produktionsleistung M des Reaktors verhält und ob sich dieses Verhältnis als Auslegungsgröße für eine Baureihe mit unterschiedlichen Reaktorleistungsklassen eignet. Hierzu wurden Umsatzversuche mit verschiedenen Bohrungsquerschnitten und verschiedenen Erzeugungsleistungen vorgenommen; das molare Verhältnis der Edukte und die Verweilzeit wurden nicht variiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgetragen.

Versuch-Nr	Erzeugungsleistung M	molares Verhältnis (HCl/NaClO2)	Verweilzeit	Anzahl Bohrungen	Durchmesser Bohrung	Austrittsfläche Q	Verhältnis Q/M	Ausbeute
[–]	g/h	[–]	s	[–]	mm	mm²		[%]
11.07.2012-2	2000	2,8:1	5	1	9	63,6	31	92
11.07.2012-1	900	2,7:1	5	1	6	28,3	32	100
10.07.2012-1	400	2,7:1	5	1	4,5	15,9	25	89
21.12.2011-3	900	2,7:1	5	1	4,5	15,9	57	97
11.01.2012-2	2000	2,9:1	5	1	5,5	23,8	84	97
12.01.2012-1	2000	2,7:1	5	1	7	38,5	52	96
25.01.2012-1	2000	2,6:1	5	1	5	19,6	102	88
25.01.2012-2	2000	2,6:1	5	1	5	19,6	102	52
20.01.2012-1	2000	2,7:1	5	1	5	19,6	102	81
20.01.2012-2	2000	2,6:1	5	1	5	19,6	102	73
20.01.2012-3	2000	2,6:1	5	1	5	19,6	102	66
20.01.2012-4	2000	2,6:1	5	1	5	19,6	102	69
20.04.2012-1	2000	2,7:1	6	1	8	50,3	40	98

Tabelle 5: Versuchsergebnisse Variation des Verhältnisses Q/M

Aus den in Tabelle 5 dargestellten Versuchen lässt sich ablesen, dass bei einem Verhältnis von Q/M zwischen 30 und 60 eher hohe Umsätze über 90% erreicht werden als außerhalb dieses Bereiches.
Bezugszeichenliste

1: Schaft
2a: erste Eduktleitung
2b: zweite Eduktleitung
3a: erste Anschlussmuffe (HCL)
3b: zweite Anschlussmuffe (NaCl)
4: Außengewinde
5: Reaktionskammer
6: Innengewinde
7: Austrittsbohrung
8: Flansch
9: Rohrleitung
10: toter Arm
11: Gegenflansch
D: Außendurchmesser Reaktionskammer und Schaft
M: Stündlich erzeugte Masse Chlordioxid
Q: Querschnitt Austrittsbohrung
V: Reaktionsvolumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4534952 [0002, 0006, 0010]
WO 2009/077309 [0006]
WO 2009/077160A1 [0006]
DE 202004005755 U1 [0006]
US 2005/0244328 A1 [0006]
DE 202004005755 [0009]
DE 102010027908 A1 [0009]
DE 1203691 [0011]

Claims

Anordnung für die Zugabe von Chlordioxid in eine wasserführende Rohrleitung, umfassend eine zylindrische Reaktionskammer und zwei in die Reaktionskammer mündende Eduktleitungen, über welche zwei Edukte separat von außerhalb der Rohrleitung in die Reaktionskammer förderbar sind, wobei die Reaktionskammer mit einer Austrittsbohrung versehen ist, welche den Austritt von in der Reaktionskammer aus den Edukten gebildetem Chlordioxid in das von der Rohrleitung geführte Wasser gestattet, und wobei die Achse der Austrittsbohrung im Gebrauchszustand in Richtung der Längsachse der Rohrleitung ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer am distalen Ende eines zylindrischen Schaftes angeordnet ist, welcher im Gebrauchszustand radial zur Rohrleitung ausgerichtet ist und sich zumindest abschnittsweise in die Rohrleitung hinein erstreckt, dergestalt, dass sich die Reaktionskammer im Gebrauchszustand vollständig innerhalb der Rohrleitung befindet, und dass beide Eduktleitungen sich von außerhalb der Rohrleitung längs durch den Schaft hindurch bis zur Reaktionskammer hin erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Austrittsbohrung im Gebrauchszustand koaxial zur Längsachse der Rohrleitung angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer lösbar an dem Schaft befestigt ist, insbesondere mittels einer Verschraubung.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionskammer und Schaft koaxial zueinander ausgerichtet sind, und dass der Außendurchmesser der Reaktionskammer (5) dem Außendurchmesser des Schaftes (1) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer ein zylindrisches Reaktionsvolumen umschließt, welches ausschließlich über die beiden Eduktleitungen und die Austrittsbohrung mit der Umgebung in Kontakt steht, wobei die beiden Eduktleitungen voneinander beabstandet an der proximalen Stirnseite der Reaktionskammer münden und die Austrittsbohrung in den Mantel der Reaktionskammer eingebracht ist, wobei die Achse der Austrittsbohrung senkrecht zu den Achsen der Mündungen der Eduktleitungen angeordnet ist, diese Achsen aber nicht schneidet.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei das Reaktionsvolumen gedanklich in eine distalen Hälfte und in eine proximale Hälfte quer geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Austrittsbohrung in der proximalen Hälfte des Reaktionsvolumens befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis der stündlich erzeugten Masse Chlordioxid (M) in Gramm zu der Querschnittsfläche (Q) der Austrittsbohrung in mm² folgende Beziehung gilt: (30 g/h/mm²) < M/Q < (60 g/h/mm²)
Baureihe umfassend zumindest zwei Anordnungen nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Anordnungen unterschiedliche Reaktionsvolumina aufweisen und dass die Schäfte der beiden Anordnungen identisch sind.
Kombination einer wasserführenden Rohrleitung und einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Rohrleitung einen Rohrabschnitt aufweist, innerhalb dessen die Rohrleitung linear verläuft und auf welchem die Rohrleitung mit einem toten Arm versehen ist, welcher sich radial zum Rohrabschnitt erstreckt und in welchen der Schaft der Anordnung koaxial eingeführt ist, dergestalt, dass sich die Austrittsbohrung zentral im Rohrabschnitt befindet und ihre Achse koaxial zur Längsachse der Rohrleitung auf dem Rohrabschnitt angeordnet ist.
Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Behandlung von in der Rohrleitung fließendem Wasser mit in der Reaktionskammer synthetisiertem Chlordioxid.
Verwendung nach Anspruch 10, wobei es sich bei der Behandlung des Wassers um eine Abtötung von im Wasser lebender Mikroorganismen handelt.
Verwendung nach Anspruch 11, bei welcher die Mikroorganismen aufgrund medizinischer oder veterinärmedizinischer Indikation abgetötet werden.