DE4421352C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit Wasser - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit WasserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdünnen eines Flüs
sigkonzentrats insbesondere eines Flockungshilfsmittels in Form
eines Flüssigpolymers, mit Wasser, gemäß Oberbegriff des An
spruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Verdünnen
eines Flüssigkonzentrats, insbesondere eines Flockungshilfs
mittels in Form eines Flüssigpolymers mit Wasser, gemäß Ober
begriff des Anspruchs 5.
Derartige Verfahren oder Vorrichtungen werden dem Grunde nach in
einer Vielzahl von Anwendungsgebieten benötigt. Ein speziell
hier interessierendes Gebiet betrifft die Fest-/Flüssig-Trennung
in Klär- und Entwässerungsprozessen, die sich durch Einsatz von
beispielsweise organischen, hochmolekularen Flockungsmitteln
wesentlich beschleunigen läßt. So wird durch Koagulation die
Absetzgeschwindigkeit der Feststoffe erheblich erhöht, so daß
sich die Klärfläche bzw. das Bauvolumen um bis zu 90% und mehr
reduzieren läßt.
Derartige Flockungshilfsmittel in Form von Flüssigpolymeren
sind beispielsweise organische Polyelektrolyte. Die polymere
Wirksubstanz ist in einer Weißölphase emulgiert und als
hochkonzentrierte wäßrige Lösung erhältlich. Für die Anwen
dung ist es deshalb erforderlich, die Emulsion durch sog.
Invertierung bzw. Phaseninversion zu zerstören und mit
Wasser zu verdünnen. Auf diese Weise können sich die einge
schlossenen Makromoleküle entfalten, recken und hydratisie
ren.
In der Praxis kommt deshalb dem Invertieren eine starke
Bedeutung zu, da diese maßgeblich die Polymerausnutzung und
damit die Wirtschaftlichkeit beeinflußt. Grundsätzlich
bewährt haben sich in diesem Zusammenhang sog. Inline-Syste
me, bei denen das Flüssigkonzentrat einem Wasserstrom zudo
siert wird. Hierfür ist ein Misch- oder Invertierungsblock
vorgesehen, der ein den Wasserstrom führendes Mischrohr
aufnimmt. In das Mischrohr mündet eine Einspritzdüse, durch
die das Flüssigkonzentrat dosiert zugeführt wird. Durch das
Einspritzen des Flüssigkonzentrats quer zur Hauptströmungs
richtung des Wassers soll zum einen eine möglichst gute und
gleichmäßige Verdünnung des Konzentrats erreicht werden.
Andererseits wird die Emulsion durch in dem Flüssigkeitskon
zentrat enthaltenen Aktivator gebrochen.
Hierfür geeignete Vorrichtungen und Verfahrensführungen sind
beispielsweise dem Firmenprospekt der Allied Colloids Manu
facturing GmbH "ACM-Zetamat und Zetamat-Combi" bzw. dem
Prospekt der C.W. Lorenz GmbH "Nalmat-Dosiersystem für
Flüssigpolymere" zu entnehmen, von denen die Erfindung
ausgeht.
Als nachteilig hat sich bislang erwiesen, daß häufig nicht
vollständig aufgelöstes Flockungshilfsmittel dem Flockungs
prozeß zugeführt wird, so daß dieses nicht optimal ausge
nutzt wird. Dies hat zur Folge, daß beispielsweise das Klärbecken
nicht die konzipierte Absetzleistung erreicht und damit
nicht mehr optimal zu betreiben ist. Eine erhöhte Zudosierung
von Flockungshilfsmittel zur Kompensation der Leistungseinbuße
ist nicht unproblematisch, da sie neben erhöhten Kosten zu
einer verstärkten Umweltbelastung führt. Der Grund liegt darin,
daß die verwendeten Substanzen, wie z. B. kationische Polyacryl
amide, biologisch nicht abbaubar sind und eine hohe Toxizität
besitzen.
Aus der DE 28 44 983 A1, von der die Erfindung ausgeht, ist eine
Vorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden bekannt, bei der einem
ersten Fluid, welches durch ein rohrförmiges Hauptteil strömt,
mit einem zweiten Fluid vermischt werden soll. Hierzu ist ein
Düsenrohr vorgesehen, welches senkrecht zum Hauptteil angeordnet
ist und eine Vielzahl von Düsen aufweist. Die Düsenbohrungen
sind in Hauptströmungsrichtung ausgerichtet, so daß das durch
die Düsen austretende zweite Fluid weitgehend in Richtung der
Hauptströmung austritt.
Eine derartige Vorrichtung verbessert zwar gegenüber den ein
gangs beschriebenen Vorrichtungen das Mischergebnis, ist jedoch
für den hier vorliegenden Zweck des Verdünnens eines Flüssigkon
zentrats noch immer unzureichend.
Der Erfindung lag deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiter
zuentwickeln, daß sie die geschilderten Nachteile nicht mehr
aufweisen. Insbesondere sollte ein verbesserter Wirkungsgrad bei
der Polymerausnutzung erzielt werden.
Gelöst wird dieses Problem durch ein Verfahren, das die Merkmale
des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind
durch die Merkmale der nachgeordneten, abhängigen Ansprüche
angegeben.
Das Problem wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den Merk
malen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der
Vorrichtung sind durch die nachgeordneten, abhängigen Ansprüche
definiert.
Die Erfindung basiert auf der Idee, Flüssigkonzentrat an der
Dosierstelle derart zuzuführen, daß sich lokal ein Geschwindig
keitsfeld ergibt, das weitgehend an das Geschwindigkeitsfeld des
Wasserstroms angenähert ist. Um dies zu erreichen, wird der
Wasserstrom dem Mischrohr soweit beruhigt zugeführt, daß im
Bereich der Dosierstelle ein laminarer Strömungszustand
herrscht. Die Geschwindigkeitsverteilung im Axialschnitt stellt
sich parabelförmig ein. Demnach wird durch entsprechende Maß
nahmen erfindungsgemäß Sorge getragen, daß das an der Dosier
stelle einströmende Flüssigkonzentrat ebenfalls eine parabelför
mige Geschwindigkeitsverteilung aufweist und derjenige des Was
sers weitgehend angenähert ist.
Damit ist ein optimaler Eintrag
von Flüssigkonzentrat in den Wasserstrom gewährleistet, so daß
sich eine gleichmäßige Verdünnung erzielen läßt.
Eine derartige parabelförmige Geschwindigkeitsverteilung läßt
sich durch die Anordnung bzw. den Durchmesser der Düsen des
Düsenrohrs erzielen. Die Düsen können auf einfache Art und Weise
in das Düsenrohr beispielsweise in Form von Bohrungen einge
bracht sein, wobei der Abstand untereinander variiert. In den
äußeren, der Wandung benachbarten Bereichen sind die Abstände
größer und nehmen zur Mitte hin ab. Anders ausgedrückt ent
spricht die Häufigkeitsverteilung der Bohrungen längs der Durch
messerlinie exakt der angestrebten Geschwindigkeitsverteilung,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel also parabelförmig.
Weiterhin sind als wesentlicher Aspekt der Erfindung Mittel
vorgesehen, um die die Polymerketten umgebende Emulsionsphase zu
zerstören. Zu diesem Zweck werden im Flüssigkeitsstrom nach der
Dosierstelle Turbulenzen im Gemischstrom erzeugt.
Dies kann bevorzugt auf wirkungsvolle Art und Weise durch starke
Richtungsänderungen im Strömungsverlauf erreicht werden. Hierzu
ist es lediglich erforderlich, die flüssigkeitsführende Rohrlei
tung mehrfach abknickend verlaufend zu gestalten. Dies ist ge
eignet, starke Störungen im Strömungsverlauf zu erzeugen und
damit den Invertierungseffekt zu verbessern.
Ganz hervorragende Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der
Wasserstrom vor der Dosierstelle in zwei Teilströme aufge
teilt wird, denen jeweils Flüssigkonzentrat in der vorste
hend beschriebenen Weise zugeführt wird. Nach der Dosier
stelle werden beide Teilströme zunächst gekreuzt und an
schließend zu einem einzigen Flüssigkeitsstrom vereint. Das
Kreuzen der beiden Teilströme bewirkt eine äußerst effektive
Verwirbelung der Flüssigkeitsmoleküle, so daß sich die
Invertierung noch effizienter gestalten läßt. Insbesondere
die Kombination von Strömungsumlenkung und -kreuzung führt
zu einem bisher nicht bekannten Ausnutzungsgrad des Flüssig
polymers.
Ein erneutes Verwirbeln des Flüssigkeitsstroms kann in
nachgeschalteten Filtern oder in einer Kreiselpumpe erfol
gen.
Die Erfindung wird näher anhand des in den Figuren schema
tisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert: Es
zeigen:
Fig. 1 Axialschnitt eines Mischrohrs an der Dosier
stelle,
Fig. 2 Schema eines Mischblocks mit zwei gekreuzten
Teil strömen und
Fig. 3 Anlagenausschnitt mit integriertem Mischblock.
Fig. 1 verdeutlicht das Grundprinzip der geschwindigkeits
verteilten Dosierung von Flüssigmittelkonzentrat K. Im
Bereich der Dosierstelle strömt Wasser W in einem Mischrohr
20. Der Strömungszustand ist laminar, so daß sich senkrecht
zur Zentralachse Z eine parabelförmige Geschwindigkeitsver
teilung GW einstellt.
In das Mischrohr 20 ist ein Düseneinsatz 10 eingesetzt,
derart, daß er die Zentralachse 6 senkrecht schneidet. Er
durchsetzt das Mischrohr 20 längs einer Durchmesserlinie D
fast vollständig.
Der Düseneinsatz 10 wird im wesentlichen von einem Düsenrohr
12 gebildet, welches eine Vielzahl von längs einer Linie
angeordneten Düsenbohrungen 14 trägt. Das Flüssigkonzentrat
K wird demnach über das Düsenrohr 12 zugeführt und tritt in
Hauptströmungsrichtung, d. h. axial aus den Düsenbohrungen
14 aus. Die Anordnung der Düsenbohrungen 14 ist derart
gewählt, daß sich eine parabelförmige Geschwindigkeitsver
teilung GK einstellt. Zu diesem Zweck sind die Düsenbohrun
gen 14 im Bereich der Zentralachse Z dichter angeordnet als
in den Randbereichen, d. h. den der Innenwandung des Misch
rohrs 20 zugewandten Enden des Düsenrohrs 12. Die Durchmes
ser der Düsenbohrungen 14 sind übereinstimmend gewählt, so
daß alleine die Häufigkeitsverteilung der Düsenbohrungen 14
die Form der Geschwindigkeitsverteilung GK bestimmt. Ein
entsprechender Effekt - wenngleich hier nicht dargestellt -
läßt sich auch über eine äquidistante Anordnung von Düsen
bohrungen erreichen, wenn deren Durchmesser entsprechend der
zu erzielenden Geschwindigkeitsverteilung variiert werden.
Aus Fig. 1 ergibt sich, daß die Geschwindigkeitsverteilung
GW des Wasserstroms W weitgehend mit der Geschwindigkeits
verteilung GK des Flüssigkonzentrats K in der Axialschnitt
ebene übereinstimmt. Damit ist eine extrem gleichmäßige
Verdünnung des Flüssigkonzentrats K sichergestellt. Konzen
trationsunterschiede zwischen wandnahen Bereichen und dem
Bereich der Zentralströmung (nahe der Zentralachse Z) treten
praktisch nicht mehr auf. Es versteht sich für den Fachmann
von selbst, daß durch das in die Strömung hineinragende
Düsenrohr 12 ein Staupunkt entsteht, so daß als maßgebliche
Geschwindigkeitsverteilung der die Geschwindigkeitsvertei
lung GK des Flüssigkeitskonzentrats K angenähert werden muß,
die Geschwindigkeitsverteilung GW der ungestörten Rohrströ
mung darstellt. Dies ist die Geschwindigkeitsverteilung GW,
die in einigem Abstand vor der Dosierstelle herrscht, bei
der die Stromlinien parallel zueinander verlaufen und noch
nicht radial nach außen vom Staupunkt weg abgelenkt werden.
In der Praxis hat es sich gezeigt, daß vollständig deckungs
gleiche Geschwindigkeitsverteilungen kaum erzielbar sind.
Dies ist für das angestrebte Endergebnis auch nicht erfor
derlich, so daß eine weitgehend angenäherte Geschwindig
keitsverteilung für die meisten Fälle ausreichend ist.
In Fig. 2 sind in einer Draufsicht Stromlinienverläufe
angedeutet, die sich einstellen, wenn von der Möglichkeit
einer Parallelanordnung zweier Dosierstellen Gebrauch ge
macht wird. So ist zuströmseitig bereits eine Aufteilung in
zwei Teilströme W1, W2 erfolgt, denen jeweils über Düsenein
sätze 10 im Bereich der Mischrohre 20 Flüssigkeitskonzentrat
K (hier nicht dargestellt) zudosiert wird. Nach der Dosier
stelle verläuft die Hauptströmungsrichtung des ersten Teil
stroms WK1 weitgehend geradlinig und wird von dem Teilstrom
WK2 rechtwinklig gekreuzt. Die Kreuzungsstelle in Form einer
Rohrkreuzung 22 sorgt für eine intensive Durchmischung
beider Teilströme WK1, WK2 infolge der Bildung von Turbulen
zen T. Weiterhin wird der Teilstrom WK 2 an zwei Rohrkrüm
mern 24 jeweils um 90° umgelenkt, so daß weitere Turbulenzen
T an den Stellen der starken Richtungsänderung entstehen.
Die beiden Teilströme WK1, WK2 werden schließlich zu einem
einzigen, abgangsseitigen Flüssigkeitsstrom WK zusammenge
führt. Hierzu ist ein Sammelrohr 26 vorgesehen, das einen
Beruhigungsabschnitt 27 mit erweitertem strömungsquerschnitt
besitzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
treffen die beiden Teilströme WK1, WK2 im flachen Winkel
aufeinander, so daß keine nennenswerten zusätzlichen Turbu
lenzen mehr erzeugt werden. Durch eine abweichende Wahl des
Mündungswinkels kann jedoch eine zusätzliche Verwirbelung
erzeugt werden, sofern dies erforderlich sein sollte.
In Fig. 3 ist die Integration des vorstehend beschriebenen
Mischblocks in ein Dosiersystem dargestellt, wie es bei
spielsweise als Zusatzaggregat in eine Kläranlage inte
griert werden kann. Das Wasser W wird zunächst durch ein
Durchflußmeßgerät 2 hindurchgeleitet, welches die zufließen
de Wassermenge exakt erfaßt. Hinter dem Durchflußmeßgerät 2
findet die Auftrennung in zwei Teilströme W1, W2 statt, die
dem Mischblock 1 zugeführt werden. Im Mischblock 1 wird über
die Düseneinsätze 10 Flockungsmittelkonzentrat K zudosiert.
Hierzu dient eine Exzenterschneckenpumpe 3, die das
Flockungsmittelkonzentrat K in der gewünschten Menge ein
speist. Ein der Exzenterschneckenpumpe 3 nachgeschaltetes
Filter 4 verhindert ein Zusetzen der Düsenbohrungen 14 durch
eingetragene Partikel oder dergleichen.
Nach dem Zudosieren des Flockungsmittelkonzentrats K werden
die beiden Teilströme WK1, WK2 gekreuzt und hinter dem
Mischblock zu einem einzigen Flüssigkeitsstrom WK vereint.
Dieser durchströmt ein Filter 6, in welchem er erneut ver
wirbelt wird. Hieran schließt sich eine Beruhigungsstrecke 7
an, bevor eine Kreiselpumpe 8 die Förderung zu einem hier
nicht dargestellten Vorlagebehälter übernimmt. Die Kreisel
pumpe 8 bewirkt eine nochmalige Verwirbelung des Flüssig
keitsstroms WK.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß durch die Kombination
von geschwindigkeitsverteilter Zudosierung von Konzentrat
und wiederholter Verwirbelung des Flüssigkeitsstroms eine
optimale Verdünnung und Invertierung möglich wird. Der
mechanische und energetische Aufwand ist denkbar gering, so
daß sich eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen
Inline-Verfahren und -Vorrichtungen ergibt. Je nach vorgege
benen Einbau- und Platzverhältnissen kann hierbei die Lei
tungsführung an sich beliebig ohne Funktionsnachteil vari
iert werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit Was
ser, insbesondere eines Flockungshilfsmittels in Form eines
Flüssigpolymers mit Wasser, bei dem das Wasser ein Misch
rohr durchströmt, und bei dem das Flüssigkonzentrat über
eine Vielzahl von Düsen dem Wasser zur Bildung eines Ge
mischstromes zudosiert wird, wobei die Düsen längs einer
Linie, die senkrecht zur Mischrohrachse steht, angeordnet
sind und das Flüssigkonzentrat in Hauptströmungsrichtung
aus den Düsenbohrungen austritt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wasser (W) das Mischrohr (20) laminar durchströmt,
daß das Flüssigkonzentrat (K) mit einer parabelförmigen
Geschwindigkeitsverteilung (GK) zudosiert wird, die der
Geschwindigkeit des Wassers (W) in diesem Bereich weit
gehend angenähert ist und daß nach dem Zudosieren des Flüs
sigkonzentrats (K) in dem Gemischstrom (WK) Turbulenzen (T)
erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wasserstrom (W) vor dem Zudosieren des Flüssigkonzentrats
(K) in zwei Teilströme (W1, W2) aufgeteilt wird, welche
nach dem Zudosieren gekreuzt und anschließend zu einem
einzigen Flüssigkeitsstrom (WK) zusammengeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Flüssigkeitsstrom (WK) in einem nachgeschalteten Filter (6)
erneut verwirbelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Flüssigkeitsstrom (WK) abschließend eine Beruhi
gungsstrecke (7) durchläuft, bevor er in einer Kreiselpumpe
(8) nochmals verwirbelt wird.
5. Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit
Wasser, insbesondere eines Flockungshilfsmittels in Form
eines Flüssigpolymers mit Wasser, mit wenigstens einem das
Wasser führenden Mischrohr und mit einem Düsenrohr zum
Zudosieren des Flüssigkonzentrats, das senkrecht zur
Mischrohrachse angeordnet ist und das eine Vielzahl von
Düsen aufweist, wobei die Düsenbohrungen in Hauptströmungs
richtung gerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung bzw. der Durchmesser der Düsen (14) so
gewählt ist, daß sich eine parabelförmige Geschwindigkeits
verteilung (GK) des Flüssigkonzentrats (K) entlang dem
Düsenrohr (12) einstellt und daß nach den Düsen (14) Mittel
vorgesehen sind, um Turbulenzen (T) in dem Gemischstrom
(WK) zu erzeugen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Pa
rallelanordnung zweier mit Düsen (14) bestückter Mischrohre
(20).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine
stromabwärts der Düsen (14) angeordnete Rohrkreuzung (22).
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch
stromabwärts der Düsen (14) angeordnete Rohrkrümmer (24).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeich
net durch ein nachgeschaltetes Sammelrohr (26) mit Beruhi
gungsabschnitt (27).
Priority Applications (1)
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DE4421352A DE4421352C2 (de) | 1994-06-17 | 1994-06-17 | Verfahren und Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit Wasser |
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Publications (2)
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DE4421352A1 DE4421352A1 (de) | 1995-12-21 |
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ID=6520917
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