DE102004025259A1

DE102004025259A1 - Verfahren und Anlage zur Aufbereitung gereinigten Wassers

Info

Publication number: DE102004025259A1
Application number: DE200410025259
Authority: DE
Inventors: Harald Dr.-Ing. Pilz; Tanja Claus
Original assignee: Soell GmbH
Current assignee: Soell GmbH
Priority date: 2004-05-22
Filing date: 2004-05-22
Publication date: 2005-12-15
Also published as: EP1761466A1; WO2005113451A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasser, wobei ein kontinuierlich fließender erster Wasserstrom (W1) und ein kontinuierlich fließender zweiter, enthärteter und entsalzter Wasserstrom (W2) ausgebildet werden, wobei der zweite Wasserstrom (W2) in mindestens einem Konzentrator (6) einen, in einem Festbett (61) befindlichen chemischen Stoff, diesen lösend durchströmt und damit kontinuierlich ein bzw. mehrere Konzentrate erzeugt, wobei das Konzentrat oder die jeweiligen Konzentrate kontinuierlich derart in den ersten Wasserstrom (W1) dosiert und homogen vermischt werden, dass die Menge des jeweils zugeführten Konzentrates proportional zum Durchsatz des ersten Wasserstromes (W1) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Aufbereiten von Wasser, wobei in einen Rohwasserstrom mittels Dosierpumpen unterschiedliche chemische Stoffe in flüssiger Form eingebracht und darin reagierend vermischt werden.

Das Aufbereiten von Wasser hinsichtlich seines pH-Wertes, seines Geschmackes, seiner Kalkhärte und seiner Aggressivität gegenüber metallischen Werkstoffen erfolgt bisher mit gutem Erfolg durch Bereitstellung eines bestimmten anorganischen Pulvergemisches, wie es unter anderem in der DE 43 44 926 C1 und in der DE 197 01 302 C1 beschrieben wurde.

Die Zusammensetzung des Pulvergemisches wird auf der Basis von Wasseranalysen vorbestimmt. Die Pulveranteile der einzelnen anorganischen Stoffe oder Verbindungen – z. B. CaCl₂, NaHCO₃ oder CACO₃, Na₂CO₃ – werden in trockener pulverförmiger Form gemischt und schließlich proportional in fließendes, aufzubereitendes Wasser dosiert ( DE 199 15 808 A1 ).

Während oder nach der Lösungsphase wird das Wasser mit dem Pulvergemisch kontrolliert gemischt und dann in einer weitgehend beruhigten Strömung für die Dauer einer notwendigen Verweilzeit weiter geführt, bis die gewünschten physikalischen und/oder chemischen Prozesse abgeschlossen sind.

Die Qualität des so aufbereiteten Wassers ist sehr gut, wenn die Menge des zu mischenden Pulvers begrenzt ist. Bei größeren Pulvermengen lassen sich insbesondere kleinere Mengen eines bestimmten Stoffes nicht zuverlässig und gleichmäßig in dem Pulvergemisch verteilen. In dem damit aufbereiteten Wasser treten deutliche Qualitätsunterschiede auf.

Will man den Durchsatz der Wasseraufbereitungsanlage erhöhen, müsste man eine größere Zahl kleinerer Anlagen – z. B. nach DE 199 15 808 A1 oder nach DE 200 09 961 U1 – parallel zueinander installieren. Der Aufwand dafür wäre erheblich.

Mit der DE 29 00 823 A1 wird das Dosieren in eine sog. Schnellmischrohranordnung vorgeschlagen. Die Abwasserförderrohre, die von einer Station in eine andere führen, sind gleichzeitig als Reaktionsraum ausgebildet. Sie sind mit Einspeisungsstellen für die dosierte Zugabe von Chemikalien ausgestattet.

An der ersten Einspeisungsstelle wird eine 20%-ige Schwefelsäure zugeführt, die den pH-Wert auf unter 2,5 senken soll. An einer zweiten Dosierstelle erfolgt die Zugabe einer 20%-igen Bisulfitlösung, während an einer dritten Dosierstelle eine 40%-ige Natronlauge zugeführt wird, die den pH-Wert auf 8,5 anheben soll.

Die Chemikalien werden automatisch geregelt über entsprechende Dosiergeräte zugegeben. Dosiert wird in Rohrstutzen, die quer vom unter Druck stehenden Abwasserförderrohr abstehen. Der Rohrdurchmesser der Abwasserförderrohre ist dabei so gewählt, dass die Strömung im Rohr immer turbulent sein kann.

Diese Anlage, die Durchsätze bis zu 60 m³ ermöglichen soll, arbeitet insbesondere bei der eingangs beschriebenen Aufbereitung reinen Wassers höchst unbefriedigend. Die dabei im Verhältnis zur Wassermenge zu dosierenden geringen Mengen von Chemikalien gelangen nicht proportional zur strömenden Wassermenge in die Rohrleitung und werden darin auch nicht gleichmäßig verteilt.

Eine ausreichend hohe Turbulenz erreicht man nur bei relativ geringen Rohrquerschnitten. Bei den angegebenen Durchsatzleistungen müsste mit sehr hohen Fließgeschwindigkeiten gerechnet werden. Selbst bei tropfenweiser Zugabe wäre eine gute Mischung nicht zu gewährleisten. Das Wasser weist dementsprechend eine fehlerhafte Mischung und somit eine mangelhafte Qualität auf. Eine weitere Erhöhung der Durchsatzleistung würde diesen Mangel noch potenzieren.

Mit der DE 195 03 613 C1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Rohwasser nach dem Messvorgang in zwei etwa gleichgroße Teilstöme unterteilt wird. In diese Teilströme werden – getrennt voneinander – flüssige Chemikalien dosiert, die erst bei einem späteren Mischvorgang miteinander reagieren. Innerhalb jedes Teilstromes werden dann die Chemikalien oder Substanzen gleichmäßig verteilt. Werden die Teilströme dann in einer Mischkammer miteinander vermischt, kann die chemische Reaktion der Chemikalien in allen Teilen der Flüssigkeit gleichmäßig ablaufen.

Nachteilig ist bei dieser Verfahrensweise, dass die Konzentration bestimmter Chemikalien in einem Teilstrom praktisch – zumindest vorübergehend – verdoppelt werden muss. Das kann insbesondere bei anorganischen Chemikalien – z. B. CaCl₂ zu Ausfällprodukten führen. Diese verstopfen die Anlage und führen zu Ausfällen der Anlage.

Unabhängig hiervon sind mit einer derartigen, diskontinuierlich arbeitenden Anlage Wasserdurchsätze von z. B. 500 m³/h bis 1.000 m³/h nicht erreichbar. Die Wasserqualität wäre sehr differenziert und in der Summe mangelhaft.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anlage zur Aufbereitung von Trinkwasser hinsichtlich seiner Eigenschaften zum pH-Wert, zur Kalkhärte, zu seiner Aggressivität zu Metallen und zum Geschmack vorzuschlagen, die auch bei sehr großen Wasserdurchsätzen eine durchgehend gute Wasserqualität erreichen lässt und die eine störungsfreie Betriebsweise der Anlage ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit der Verfahrensweise nach Anspruch 1 gelöst. Das von Salz befreite, enthärtete Wasser lässt eine störungsfreie Konzentratbildung in der Menge zu, die in einem angemessenen Zeitraum kontinuierlich dosiert werden kann. Ausfällerscheinungen oder Kristalisationsvorgänge im Konzentrat werden vermeiden.

Jedes der dosierten Konzentrate wird unmittelbar nach der Dosierung im Rohwasserstrom derart vermischt, dass eine gleichmäßige Verteilung sowohl über den Querschnitt als auch über einen angemessenen Längenabschnitt in der Rohwasserleitung gewährleistet ist.

Das Rohwasser hat auch bei sehr großen Wasserdurchsätzen durchgängig eine hohe Qualität. Eine große Bedeutung hat diese Art der Aufbereitung für die Behandlung von entsalztem Meerwasser. Wichtige Anwendungsgebiete werden aber auch bei der Aufbereitung von Grund- oder Oberflächenwasser gesehen.

Das Führen des zweiten Wasserstromes durch das Festbett nach Anspruch 2 in einer sog. gegenläufigen bzw. aufwärts gerichteten Strömung hat den Vorteil, dass die nahezu vollständig aufgelösten Partikel des Pulvers oder Granulates von einem Wasser aufgelöst werden, das noch ein hohes Lösungsvermögen besitzt. Die höchste Konzentration wird erst dort erreicht, wo das frisch zugeführte Pulver des chemischen Stoffes zugegeben wird. Mit dieser Arbeitsweise verhindert man eine Verkrustung des Festbettes und gewährleistet eine über lange Zeiträume kontinuierliche und ungehinderte Aufbereitung des notwendigen Konzentrates in der Menge, die für eine proportionale Zumischung zum Hauptstrom notwendig ist.

Mit der Modifikation des Verfahrens nach Anspruch 3 ist es möglich, gleichzeitig oder nacheinander unterschiedliche Eigenschaften des Wassers auszugestalten.

Die Übernahme des Wassers für die Ausbildung der Konzentrate aus dem Hauptstrom – nach Anspruch 4 – hat den Vorteil, dass man kein zusätzliches Wasser aufbereiten bzw. in Bereitschaft halten muss.

Die Auswahl der chemischen Stoffe für die Konzentratbildung gemäß Anspruch 5 eignet sich insbesondere für die Aufbereitung von entsalztem Meerwasser, ohne sich jedoch darauf zu beschränken. Diese Palette chemischer Stoffe ist – in unterschiedlichster Kombination – auch geeignet, sauberes Oberflächenwasser, Quell- oder Grundwasser oder Wasser, das aus Reinigungsanlagen kommt, so aufzubereiten, dass es den Anforderungen hinsichtlich pH-Wert, Kalkhärte, Geschmack und Aggresivität gegenüber metallischen Rohrleitungen oder Körpern entspricht.

Das vorübergehende Herstellen eines Vorgemisches mit geringerer Dichte – nach Anspruch 6 – verhindert einerseits Ausfällungen und Kristallisationsvorgänge und erleichtert andererseits das Dosieren und Mischen des Konzentrates im Hauptstrom.

Die Arbeitsweise nach Anspruch 7 eignet sich insbesondere für Konzentratoren, die mit solchen chemischen Stoffen besetzt sind, die beim Lösungsvorgang erhebliche Mengen an Energie freisetzen und sich sehr schnell erwärmen.

Die Anwendung einer vollturbulenten Strömung im ersten Wasserstrom – unmittelbar nach der Dosierung – hat den Vorteil, dass auch geringe Mengen des meist unverdünnten aber auch verdünnten Konzentrates sehr schnell und zielgerichtet in dem wesentlich größeren ersten Wasserstrom verteilt werden kann. Dabei versteht man unter "vollturbulenter Strömung" eine turbulente Strömung, bei der die tangentialen, die radialen und die axialen Strömungen in etwa gleichwertigen Anteilen wirksam sind.

Es hat sich gezeigt, dass die erforderlichen chemischen Reaktionen zur Veränderung der Eigenschaften des Wassers einen bestimmten Zeitraum erfordern. Die in Anspruch 9 angegebenen Verweilzeiten decken offensichtlich alle notwendigen chemischen Reaktionen ab.

Die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10 hat den Vorteil, dass mit dem geringsten Aufwand an Energie über lange Zeit eine zuverlässige Konzentrataufbereitung ermöglicht wird, ohne dass bestimmte Stoffe ausfallen, Rohrleitungen verstopfen oder sich im Festbett eine Krustenbildung einstellt.

Die Modifizierung der Vorrichtung – gemäß Anspruch 11, zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 4 – hat den Vorteil, dass ein einziger zuzuführender Wasserstrom den gesamten Prozess kontinuierlich am Laufen hält. Die Verwendung einer separaten Entsalzungs- oder Enthärtungsanlage allein in einem solchen Wasserstrom mit geringem Volumen im Bereich der Nebenleitung reduziert den Aufwand für diese Arbeitsschritte.

Das Verhältnis der Querschnitte nach Anspruch 12 hat sich für die überlicherweise verwendbaren Wassercharakteristiken als Optimum bewährt. Die Modifizierungen der Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14 ermöglichen es, sich an unterschiedliche Wasserqualitäten des aufzubereitenden Wassers anzupassen.

Die Verwendung von Sensoren für die Temperatur-, die Dichte- oder die pH-Wert-Messung des Konzentrates im Konzentratspeicher gestattet es, die Drehzahl der Dosierpumpen einzustellen und eine hohe durchgängige Wasserqualität zu gewährleisten.

Die Gestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 16 ermöglicht es, einen bestimmten Vormischprozess durchzuführen und verbessert die Verteilung des Konzentrates im ersten Wasserstrom.

Bei chemischen Stoffen, die beim Lösungsvorgang Energie freisetzen, kann dieser zusätzliche, bisher nicht am Lösungsprozess beteiligte Wasserstrom die Temperatur des Konzentrates vor dem Dosiervorgang deutlich senken.

Die Verwendung eines Wasserverteilers unter dem Festbett nach Anspruch 17 ist nicht nur einfach. Sie gestattet auch eine Reduzierung der Wartungsleistungen.

Mit der Gestaltung der Überlaufkante nach Anspruch 18 kann man vermeiden, dass in der Nähe der Überlaufkante unregelmäßige Turbulenzen auftreten, in denen feste Teilchen mit in die Lösung des Konzentrates gespült werden.

Die Gestaltung der Mischvorrichtung nach den Ansprüchen 20 bis 22 gewährleistet im Bereich der Hauptleitung einen effektiven Mischvorgang ohne zusätzliche Rührgeräte und ohne zusätzliche Energie.

Die Erfindung soll nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 die allgemeinste und einfachste Form der Aufbereitungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

2 eine Form der Gesamtanlage, die u. a. für die Aufbereitung vor entsalztem Meerwasser vorgesehen ist,

3 einen modifizierten Konzentrater mit einem Verteiler aus Kies und mit einer Anordnung zur Herstellung eines Vorgemisches im Konzentratspeicher,

4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV in 3,

5 eine besondere Gestaltung einer Mischvorrichtung in der Hauptleitung in einer transparenten Darstellungsweise mit Sicht von oben und

6 eine Ansicht von links zur 5, die um 90° gedreht wurde.

Der erste Wasserstrom W1 wird über die Hauptleitung 1 von links nach rechts zugeführt. Dieser erste Wasserstrom W1 besteht regelmäßig aus mindestens vorgereinigtem Wasser oder Wasser, das aus Entsalzungsanlagen oder entsprechenden Filter- oder Reinigungsanlagen der Verwertung als Trinkwasser zugeführt werden soll.

In der Hauptleitung 1 ist eine Mischvorrichtung 2 angeordnet, die in Strömungsrichtung der Druckleitung 72 einer Dosierpumpe 7 nachgeordnet ist. Ein zweiter Wasserstrom W2 wird über die Nebenleitung 4 zugeführt. Dieser zweite Wasserstrom W2 hat einen Durchsatz pro Zeiteinheit, dar etwa dem tausendsten Teil des Wasserdurchsatzes des ersten Wasserstromes W1 entspricht. Dieser zweite Wasserstrom W2 führt entsalztes und enthärtetes Wasser, das von Verunreinigungen befreit ist.

Dieser zweite Wasserstrom W2 wird über eine Nebenleitung 4 in einen Konzentrator 6 geführt. Der Konzentrator 6 besitzt zwei Kammern. In der ersten Kammer ist auf einem Siebboden ein sog. Festbett 61 angeordnet, in dem ein pulver-, granulat- oder klumpenförmiger, fester chemischer Stoff gehalten ist.

Dieser chemische Stoff wird von dem Wasser des zweiten Wasserstromes W2 durch- oder überströmt und bildet ein entsprechendes Konzentrat aus. Dieses Konzentrat gelangt über einen Überlauf 64 im Bereich des Wasserspiegels 65 in den Konzentratspeicher 62. In den Konzentratspeicher 62 ragt das Saugrohr 71 einer Dosierpumpe 7. Das Druckrohr 72 für das Konzentrat führt in die Hauptleitung 1. Dem Druckrohr 72 unmittelbar folgend ist im Strom der Hauptleitung 1 eine statische Mischvorrichtung 2 vorgesehen, die das eindosierte Konzentrat mit hoher Effektivität über den gesamten Querschnitt der Hauptleitung gleichmäßig verteilt, so dass Partikel des Konzentrates praktisch im gesamten Wasser gleichbleibend und mit gleichen Eigenschaften aufbereitet werden.

Als Mischvorrichtung 2 wird eine mit zwei Rohrstutzen 21, 22 versehene Anordnung verwendet. Die Rohrstutzen 21, 22 ragen so koaxial ineinander, dass beiderseits der zentralen Abflussströmung über das Abflussrohr oder den Auslass 24 mehrere ringförmige Strömungen entstehen, die abwechselnd unterschiedliche Richtungen aufweisen. In diesen ringförmigen Strömungen finden wir sowohl axiale Strömungen als auch einen großen Anteil an radialen und tangentialen Strömungen. Dieser voll turbulente Strömungszustand gewährleistet eine gleichmäßige und schnelle Verteilung des dosierten Konzentrates über die ganze Querschnittsfläche des ersten Wasserstromes W1.

Die in 1 dargestellte Grundform der Aufbereitungsvorrichtung und des Aufbereitungsverfahrens dokumentiert die Mindestausstattung der Aufbereitungsvorrichtung des Verfahrens.
Die Mehrzahl der verfügbaren Wässer erfordern jedoch eine vielschichtigere Aufbereitung. Eine solche Anlage ist in 2 dargestellt. Der Nebenstrom W2 wird aus dem Hauptstrom W1 abgezweigt. Kommt der Hauptstrom nicht aus einer Entsalzungsanlage, dann ist es zweckmäßig, den zweiten, abgezweigten Wasserstrom W2 über die Nebenleitung 4 zunächst über eine Enthärtungsvorrichtung 51 und dann über eine Entsalzungsvorrichtung 52 zu führen.
Das enthärtete und entsalzte Wasser gelangt dann in drei parallel zueinander angeordnete Konzentratoren 6a, 6b, 6c. Das Wasser der Nebenleitung 4' wird von unten in die Konzentratoren 6a, 6b, 6c eingeführt. In einer unteren Grob-Kies schicht wird das Wasser über die gesamte Querschnittsfläche des Festbettes 61 verteilt und bewegt sich in langsamer Strömung nach oben durch das Festbett 61. In einem oben angeordneten Überlauf 64 wird das Konzentrat mit einer geringen Geschwindigkeit von etwa 1 mm/s bis 5 mm/s in einen Konzentratspeicher 62 geführt und dort zunächst gesammelt.
Im Konzentratspeicher befinden sich Sensoren 73 für die Ermittlung der Temperatur des Konzentrates. Ein zweiter Sensor 74 ermittelt die Dichte und ein dritter Sensor 75 den pH-Wert des Konzentrates. Die Daten der Sensoren 73, 74, 75 werden einer Steuereinheit zugeführt, die die Daten verarbeitet und die Dosierpumpe 7 bzw. die Pumpe 66 derart steuert, dass das Wasser im Hauptstrom W1 mit der zugeführten Konzentratmenge die erforderlichen Eigenschaften erhält.
Der chemische Stoff im Festbett wird stets nur in einer solchen Menge zugeführt, dass ein ausreichend großer Abstand von der Konzentratoberfläche und der oberen Begrenzung des Feststoffes im Festbett 61 gegeben ist. Auf diese Weise verhindert man die Krustenbildung oder irgendwelche andere Störungen im Konzentrator 6a, 6b, 6c.
Die drei Konzentratoren 6a, 6b, 6c können eine gleiche oder eine unterschiedliche Ausbildung erhalten. Die Ausbildung der Konzentratoren richtet sich nach dem chemischen Stoff, der jeweils aufbereitet werden soll. In 2 ist dem linken Konzentrator 6a ein chemischer Stoff in Form von Kalziumchlorid, dem mittleren Konzentrator 6b Natriumhydrogenkarbonat und dem rechten Konzentrator 6c Natriumkarbonat zugeordnet.
In bekannter Weise setzt Kalziumchlorid während des Lösungsvorganges sehr schnell und sehr viel Energie frei, was zu einer schnellen Erwärmung des Konzentrates auf bis zu 120°C führen kann. Das in den Konzentratspeicher fließende Konzentrat wird dort durch Zuführung von entsalztem Wasser abgekühlt und zu einem Vorgemisch mit geringerer Dichte und geringerer Temperatur umgewandelt. Dieses verdünnte Konzentrat wird entsprechend den Vorgaben der Steuereinheit über das Druckrohr 72a der Dosierpumpe 7a in die Hauptleitung 1 dosiert.
In einer parallelen Anordnung bereitet der Konzentrator 6b ein Konzentrat aus Natriumhydrogenkarbonat vor. Dieses Konzentrat wird ebenfalls über eine Dosierpumpe 7b in die Hauptleitung 1 eingebracht und dort vermischt. Eine Reduzierung der Temperatur oder die Herstellung eines Vorgemisches sind in diesem Fall nicht vorgesehen.
Der Konzentrator 6c besitzt die gleiche Ausstattung wie der Konzentrator 6b. Die Mischvorrichtung 11 im Bereich der Hauptleitung 1 hat in diesem Falle eine besondere Form. Ein Profilkörper 111, der den Hauptstrom in eine ringförmige axiale Strömung umwandelt, hat eine zentrale Öffnung 1110, die einen kleineren Flüssigkeitsstrom führt, in den die Druckrohre 72a, 72b, 72c der Dosierpumpen 7a, 7b, 7c münden. Unmittelbar hinter dem Strömungskörper wird die Strömung derart eingeschnürt, dass zunächst eine Art trichterförmiger Strömung entsteht, in deren Zentrum sich die Konzentrate befinden. In dieser sich ausbildenden extremen Turbulenz, die unmittelbar nach der Einschnürung 112 durch die plötzliche Querschnittserweiterung entsteht, werden alle Konzentrate in einem sehr kurzen Zeitraum über den ganzen Strömungsquerschnitt gleichmäßig verteilt und es entsteht ein homogenes aufbereitetes Wasser.
Geht man davon aus, dass die Anlage mit einem Durchsatz von etwa 1.000 m³/h arbeitet, muss man dafür sorgen, dass etwa pro Sekunde wenige Milliliter eines Konzentrates in einem Wasservolumen von etwa 250 l gleichmäßig verteilt werden. Dies ist mit der beschriebenen Mischvorrichtung 111 möglich.
In Abhängigkeit von den Eigenschaften des verfügbaren Rohwassers im ersten Wasserstrom W1 können neben den in der 2 benannten chemischen Stoffen auch andere chemische Stoffe, z. B. Magnesiumsulfat oder Kaliumchlorid zu Konzentraten aufbereitet werden. Entscheidend für die Wahl dieser Stoffe ist u. a. auch die Lösungsfähigkeit und die Reaktion mit anderen am Aufbereitungsvorgang beteiligten chemischen Stoffen.
In 4 ist ein gegenüber der 1 modifizierter Konzentrator 6 dargestellt, der vorzugsweise im Festbett 61 mit Calziumchlorid besetzt ist. Die Nebenleitung 4 mündet bei 63 unterhalb des Festbettes 61 in den Konzentrator 6. Im Bodenbereich des Konzentrators 6 wird dieser zweite Wasserstrom W2 über den Querschnitt des Konzentrators 6 gleichmäßig verteilt, indem er eine Grobkiesschicht 691 und anschließend eine darüber befindliche Feinkiesschicht 692 mit aufsteigender Strömung durchquert. Die Feinkiesschicht kann an ihrer Oberseite mit einem Siebboden bedeckt sein, der den chemischen Stoff von der feinen Kiesschicht weitgehend trennt.
Der chemische Stoff im Festbett 61 wird i. d. R. von oben in den Konzentrator eingebracht. Es muss dafür gesorgt werden, dass stets eine Mindestmenge 611 für die Ausbildung des Konzentrates zur Verfügung steht. Die Verbrauchsmenge 612 wird in periodischen Zeitabständen von oben her erneuert.
Oberhalb des Festbettes ist im Abstand über der Obergrenze des Verbrauchsabschnittes eine Überlaufkante 64' vorgesehen, von der das Konzentrat über die Überlaufklappe 641 in den Konzentratspeicher 62 mit geringer Geschwindigkeit abfließt. Im Konzentratspeicher 62 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 65 Sensoren 73, 74, 75 für das Messen der Temperatur, der Dichte und/oder des pH-Wertes angeordnet.
Diese Sensoren erfassen Daten über die gen. Eigenschaften und leiten sie einer Recheneinheit 76a, 76b, 76c zu. Diese Recheneinheit 76a, 76b, 76c steuert die Dosierpumpen 7a, 7b, 7c und/oder die Pumpe 66.
Die Länge der Überlaufkante wird i. d. R. so gewählt oder so eingestellt, dass die darüber fließende Konzentratmenge nur mit einer sehr geringen Geschwindigkeit von etwa 1 mm/s bis 5 mm/s darüber hinwegfließt. Durch diese Maßnahme soll vermieden werden, dass noch ungelöste Partikel der chemischen Stoffe aus dem Festbett 61 in den Zwischenspeicher 62 gelangen.
Von Bedeutung ist auch die Lage der Überlaufkante 64 zum horizontalen Querschnitt des Festbettes 61 des Konzentrators 6. Mit der Anordnung eines größeren Abschnittes der Überlaufkante 64 über dem Zentrum des Festbettes 61 erreicht man eine nahezu symmetrische Strömung durch das Festbett 61 und damit einen gleichmäßigen Verbrauch des chemischen Werkstoffes.
Zur Vermeidung von Ausfällungen und Kristallisationsvorgängen im Konzentratspeicher 62 ist es zweckmäßig, den Grad dar Konzentration im Konzentratspeicher 62 deutlich abzusenken. Außerdem ist es für den weiteren Verwertungsvorgang des kontinuierlich hergestellten Konzentrates wichtig, dass der gelöste chemische Stoff sehr schnell auf einem sehr großen Querschritt des ersten Wasserstromes W1 verteilt wird. Auch für diesen Zweck ist es sinnvoll, das bereitgestellte Konzentrat vor dem Dosieren und Mischen in der Hauptleitung 1 zu verdünnen. Eine solche Verdünnung vor dem Dosiervorgang erfolgt über eine Pumpe 66 und ein Druckrohr 661. Es wird enthärtetes und entsalztes Wasser, vorzugsweise aus der Nebenleitung 4 direkt in den Konzentratspeicher 62 gepumpt und dort mit dem Konzentrat vermischt. Dieser Mischvorgang kann im Bedarfsfall durch ein Rührgerät 67 unterstützt werden.
Die in 3 dargestellte Überlaufklappe 641 ersteckt sich vorzugsweise bis in den mittleren Bereich des Querschnittes des Konzentrators 6. Diese Anordnung unterstützt die gleichmäßige Durchströmung des Festbettes 61 in allen Bereichen. Zum Befüllen des Festbettes 61 mit neuem Stoff kann diese Überlaufklappe aus dem Beschickungsbereich herausgeschwenkt werden.
Wie bereits in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben, hat die effektive und schnelle Mischung des oder der Konzentrates) nach dem Dosierbereich eine besondere Bedeutung. Es kommt darauf an, eine sog. vollturbulente Strömung zu erzeugen, die neben axialen und radialen Komponenten auch tangentiale Komponenten umfassen sollte.
In 5 ist eine weitere stationäre Mischvorrichtung aufgezeigt, die eine solche vollturbulente Strömung realisieren kann. Diese Mischvorrichtung 3 besteht aus einem Gehäuse, das einen Rohrstutzen 31 der Hauptleitung 1 umschließt. Im Fußbereich des Rohrstutzens 31 mündet der erste Wasserstrom W1 in die Mischvorrichtung. Unmittelbar vor dem Einlass 36 werden das oder die Konzentat(e) über die Druckleitungen 72a, 72b der Dosierpumpe 7a, 7b in den ersten Wasserstrom W1 kontinuierlich dosiert.
Der zwischen dem Gehäuse der Mischvorrichtung und dem Rohrstutzen entstehende Ringraum wird durch Ringscheiben 32, 33, 34, 3x in einzelne Ringraumabschnitte unterteilt. Eine Längswand 35, die sich über die Länge des Rohrstutzens erstreckt, begrenzt diese Ringraumabschnitte in Umfangsrichtung. Unmittelbar bevor eine in Umfangsrichtung gerichtete Strömung die Längswand erreicht, wird der Strom durch Öffnungen in den seitlich benachbarten Ringraumabschnitt geleitet.
Der radial zugeführte Wasserstrom W1 trifft zunächst auf den Fußbereich des Rohrstutzens 31 und folgt – wie aus 6 erkennbar ist – zunächst in Uhrzeiger richtung dem ersten Ringraumabschnitt um den Rohrstutzen 31. Diese Ringströmung wird durch die Längswand 35 gestoppt und dann durch die seitliche Öffnung 321 in der angrenzenden Ringscheibe 32 in einen benachbarten Ringraum abschnitt geführt. Da sich die Längswand 35 über die gesamte Länge des Rohrstutzens erstreckt, wird der Strom in dem zweiten Ringraumabschnitt entgegen der Uhrzeigerrichtung bewegt. Am Ende dieses Umlaufes wird der Wasserstrom durch die Öffnung 331 in der Ringscheibe 33 wiederum in den banachbarten Ringraumabschnitt geführt und gelangt dort wieder in Uhrzeigerrichtung in den Bereich der Öffnung 341 der Ringscheibe 34. Diesen Vorgang kann man beliebig oft wiederholen, bis an einer Ringscheibe 3x der Wasserstrom durch eine oder mehrere Öffnungen) 3x1 in der Ringscheibe 3x in den Endbereich des Mischers geführt wird. Von dort gelangt die nun fertig aufbereitete Wassermenge durch den Innenraum des Rohrstutzens 31 in die weiterführende Hauptleitung 1.
Anstelle der hier in mehreren Varianten beschriebenen statischen Mischer können auch sog. dynamische Mischer eingesetzt werden. Hierzu eignen sich z. B. Mischkreisläufe mit einer sog. Mischpumpe oder diverse Anordnungen mit Rührgeräten in einem zweckmäßig gestalteten Mischbehälter.
Auch bei dieser Art der Mischung ist es sinnvoll, gezielt eine vollturbulente Strömung zu erzeugen, die alle Strömungskomponenten aufweist. Sie hat axiale, radiale und tangentiale Strömungskomponenten.

1: Hauptleitung
11: Mischvorrichtung
111: Profilkörper
1110: Öffnung
112: Einschnürung
2: Mischvorrichtung
21: Rohrstutzen
22: Rohrstutzen
23: Einlass
24: Auslass
3: Mischvorrichtung
31: Rohrstutzen
32: Ringscheibe
321: Öffnung
33: Ringscheibe
331: Öffnung
34: Ringscheibe
341: Öffnung
35: Längswand
36: Einlass
37: Auslass
4, 4': Nebenleitung
51: Enthärtungsanlage
52: Entsalzungsanlage
6: Konzentrator
6a, 6b, 6c: Konzentratoren
61a, b, c: Festbett
611: Mindestmenge
612: Verbrauchsmenge
62: Konzentratspeicher
63, 63': Zulauf
64, 64': Überlaufkante
641: Überlaufklappe
65: Flüssigkeitsspiegel
66: Pumpe
661: Druckrohr
67: Rührgerät
68: Siebboden
69: Verteiler
691: Grob-Kiesschicht
692: Fein-Kiesschicht
7: Dosierpumpe
7a, 7b, 7b: Dosierpumpen
71: Saugrohr
72a, 72b, 72c: Druckrohr
73: Temperatursensor
74: Dichtesensor
75: pH-Wert-Sensor
76a, b, c: Regeleinheit
W1: erster Wasserstrom
W2: zweiter Wasserstrom
W3: aufbereiteter Wasserstrom

Claims

Verfahren zum Aufbereiten von Wasser, wobei ein kontinuierlich fließender erster Wasserstom (W1) und ein fließender zweiter, enthärteter und entsalzter Wasserstrom (W2) ausgebildet wird, wobei der zweite Wasserstrom (W2) in mindestens einem Konzentrator (6) einen, in einem Festbett (61) befindlichen chemischen Stoff, diesen lösend durchströmt und damit fortlaufend mindestens ein Konzentrat erzeugt, wobei das Konzentrat oder die jeweiligen Konzentrate kontinuierlich derart in den ersten Wasserstrom (W1) dosiert und darin homogen vermischt werden, dass die Menge des jeweils zugeführten Konzentrates proportional zum Durchsatz des ersten Wasserstromes (W1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wasserstrom (W2) das Festbett (61) in einer aufwärts gerichteten Stömung durchquert und dass das Konzentrat den chemischen Stoff des Festbettes (61) stets bedeckt, bevor es in einen Konzentratspeicher (62) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Konzentrate parallel zueinander erzeugt und in den ersten Wasserstrom (W1) dosiert und gemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wasserstrom (W1) ein aufzubereitendes gereinigtes Wasser führt, dass der zweite Wasserstrom (W2) ein aus dem ersten Wasserstrom abgezweigter Teilstrom ist und über eine Entsalzungs- (52) und/oder Enthärtunganlage (51) zu dem Konzentrator (6) oder zu den Konzentratoren (6a, 6b, 6c) geführt wird und dass das Volumenverhältnis des ersten Wasserstromes (W1) zum Teilstrom (W2) zwischen 500 : 1 und 3.000 : 1 gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Stoffe zur Ausbildung der Konzentrate sind: Calciumchlorid, und/oder Natriumhydrogencarbonat und/oder Natriumcarbonat und/oder Calciumsulfat und/oder Magnesiumsulfat und/oder Kaliumchlorid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Konzentrate durch Mischen mit Wasser aus dem zweiten Wasserstrom (W2) vor dem Dosieren reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (6a) in der Anlaufphase des Lösungs-Prozesses mit Konzentrat aufgefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Wasserstrom (W1) unmittelbar nach der Dosierung des Konzentrates oder der Konzentrate zum Zwecke der Mischung eine vollturbulente Strömung mit einer Reynoldszahl von Re > 10.000 erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beginn des Mischvorganges im ersten Wasserstrom (W1) das Wasser über eine Verweilzeit von 30 Sekunden bis 90 Sekunden geführt wird.
Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasser, bestehend aus einer Hauptleitung (1) zur Führung des ersten Wasserstromes (W1) und aus einer Nebenleitung (4, 4') für den zweiten, enthärteten und entsalzten Was sertrom (W2), deren Querschnitt 0,05% bis 0,3% des Querschnittes der Hauptleitung (1) beträgt, aus mindstens einem Konzentrator (6, 6a, 6b, 6c), gespeist von der Nebenleitung (4, 4'), der ein Festbett (61) für einen chemischen Stoff, einen Konzentratspeicher (62), einen Wasserzulauf (63) unterhalb des Festbettes (61), einen Wasserverteiler (69) zwischen Wasserzulauf (63) und Festbett (61) und einen Überlauf (64) zu einem Konzentratspeicher (62) im Abstand oberhalb des Festbettes (61) aufweist, aus einer Dosierpumpe (7, 7a, 7b, 7c) pro Konzentrator (6) mit einem in den Konzentratspeicher (62) reichenden Saugrohr (71) und einem in die Hauptleitung (1) führenden Druckrohr (72) und aus einer Mischvorrichtung (11; 2; 3) im Bereich der Hauptleitung (1) nahe hinter der Mündung des oder der Druckrohre (72).
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (4, 4') zur Ausbildung des Teilstromes an die Hauptleitung (1) angeschlossen ist und dass zwischen dem Anschluss an die Hauptleitung (1) und dem Konzentrator oder den Konzentratoren (6, 6a, 6b, 6c) eine Enthärtungs- (51) und/oder Entsalzungsanlage (52) im Bereich der Nebenleitung (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis das Querschnittes der Hauptleitung (1) zum Querschnitt der Nebenleitung (4, 4') ungefähr 1.000 : 1 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die Nebenleitung (4, 4') mehrere Konzentratoren (6a, 6b, 6c) parallel zueinander angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentatoren (6a, 6b, 6c) mit unterschiedlichen Festbett-Größen ausgestattet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Konzentratoren (6; 6a, 6b, 6c) nahe vor dem Überlauf (64) des Konzentrates in den Konzentratspeicher (62) Sensoren (73, 74, 75) für die Temperatur- und/oder Dichte- und/oder pH-Wertmessung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Konzentratspeicher (6, 6a) eine Zuleitung (661) für enthärtetes Wasser zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserverteiler (69) unter dem Festbett (61) als Grob-Kiesschicht (691) ausgebildet ist, die von einer Fein-Kiesschicht (692) abgedeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Überlaufkante (64) so gewählt oder einstellbar ist, dass das Konzentrat dieselbe mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 5 mm/sec passiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (7) in Abhängigkeit von den Daten der Sensoren (73, 74, 75) für Dichte und/oder Temperatur und/oder pH-Wert regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (11; 2; 3) im Bereich der Hauptleitung (1) als statischer Mischer ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischvorrichtung (2) gegeneinander gerichtete, zueinander koaxial ausgerichtete, Ringräume begrenzende Rohrstutzen (21, 22) angeordnet sind, dass die Ringräume im Stirnbereich der Rohrstutzen (21, 22) derart ausgebildet sind, dass der erste Wasserstrom (W1) in wechselnden Richtungen axial durch die Mischvorrichtung geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischvorrichtung (3) mindestens ein koaxial zum Mischergehäuse ausgerichteter, einen Ringraum begrenzender Rohrstutzen (31) vorgesehen ist, dass die Ringräume durch Ringscheiben (32, 33, 34, 3x) in Ringraumabschnitte untergliedert sind, dass die Ringraumabschnitte durch axiale Wandabschnitte in Form einer Längswand (35) in Umfangsrichtung unterbrochen sind und dass die Ringraumabschnitte durch Öffnungen in den Ringscheiben (32, 33, 34, 3x) derart miteinander verbunden sind, dass die Ringraumabschnitte durch den ersten Wasserstrom (W1) in wechselnden Richtungen in Umfangsrichtung durchströmt werden.