DE1090450B - Geraet zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Überwachung des Sauerstoffgehaltes in Wasser und hat ein Gerät zum Gegenstand, welches sehr sicher und genau arbeitet und den Sauerstoffgehalt laufend zu messen und zu registrieren gestattet. Solche Überwachung ist z. B. von Bedeutung für Trinkwasseranlagen, um die Belüftung der Enteisenungseinrichtungen zu kontrollieren, oder für Abwasserüberwachung, um die Luftzufuhr in Belebungsanlagen zu steuern, oder für See- und Flußwasser, bei dem die biologische Selbstreinigungskraft nach dem vorhandenen Sauerstoffgehalt beurteilt wird.

Während sich für Kesselspeisewasser zur Überwachung des Sauerstoffgehaltes die Methode der Messung des Depolarisationsstromes von Prüfelektroden bewährt hat, ist dies Verfahren für stark verschmutzte Wässer nicht mehr geeignet, weil durch die unkontrollierbaren Verschmutzungen der Elektrodenoberflächen Schwierigkeiten entstehen, die den Dauerbetrieb praktisch unmöglich machen·. .

Man hat deshalb vorgeschlagen, das Messen und Registrieren des Sauerstoffgehaltes in Wasser in der Weise durchzuführen, daß er in dem zu untersuchenden Wasser enthaltene Sauerstoff in einem Phasenaustauscher durch ein Hilfsgas ausgetrieben wird, dessen im Austauscher erfolgte Änderung des Sauerstoffgehaltes in einem selbsttätigen Gasanalysengerät fortlaufend überwacht wird und als Maß für den Sauerstoffgehalt des Wassers dient. Bei bekannten Überwachungseinrichtungen dieser Art wird als Hilfsgas reiner Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Luft-Gemisch oder ein Wasserstoff-Dampf-Gemisch verwendet. Der Wasserstoff treibt dabei den Sauerstoff aus dem Kesselwasser aus, aber die Empfindlichkeit dieser. Überwachungsmethode ist für viele Zwecke ungenügend, und das Austreiben des Sauerstoffes aus dem zu überwachenden Wasser erfordert eine verhältnismäßig lange Zeit bzw. sehr lange Berührungswege. Der infolge dieser Mängel gemachte Vorschlag, dem Wasser in der Hitze seinen Sauerstoff durch ein Wasserstoff-Dampf-Gemisch zu entziehen, bringt wiederum eine unerwünschte Komplizierung durch die Notwendigkeit des Erhitzens und der Dampferzeugung mit sich, so daß sich auch diese Anlagen in der Praxis nicht für die laufende Sauerstoffkontrolle in Wässern bewährt haben.

Gegenstand eines früheren Vorschlages ist schließlich ein Überwachungsverfahren, welches gleichfalls auf dem Prinzip des Phasenaustausches mit anschlie-Gerät zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Wasser

Anmelder:

Chlorator G.m.b.H.,

Grötzingen (Kr. Karlsruhe)

Dipl.-Chem. Günter Axt, Karlsruhe-Durlach,
ist als Erfinder genannt worden

Alle diese auf dem Prinzip des Phasenaustausches beruhenden Methoden erfordern ein möglichst weitgehendes und schnelles Austreiben des im Wasser gelösten Sauerstoffes durch das Hilfsgas. Gleichzeitig ist es erwünscht, die Austauschapparatur möglichst klein und handlich zu halten und zu diesem Zweck dem Phasenaustausch an jeder Stelle der Austauschapparatur durch Einhaltung der optimalen Austauschbedingungen den günstigsten Wirkungsgrad zu geben. Diese Bedingung ist bei den bisher bekannten nach dem Phasenaustauschprinzip arbeitenden Geräten nur mangelhaft erfüllt, und zwar sowohl vom rein apparativen Standpunkt als auch vom Gesichtspunkt der Auswahl des Hilfsgases aus.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß das Gegenstromprinzip, wie es an sich in derartigen Phasenaustauschern wünschenswert ist, keineswegs so leicht eingehalten und auch im Dauerbetrieb aufrechterhalten werden kann, wie es zunächst den Anschein haben mag. Das zu überwachende Wasser tritt dabei oben in den Austauscher mit seinem vollen Sauerstoffgehalt ein, begegnet dann dem von unten aufsteigenden, zunächst sauerstofffreien Hilfsgas, wird durch dieses von seinem Sauerstoffgehalt befreit und verläßt den Austauscher unten sauerstofffrei, während das Hilfsgas mit dem aufgenommenen Sauerstoff oben austritt und in das selbsttätige Gasanalysengerät gelangt, wo z. B. nach der bekannten »thermomagnetischen« Methode die Sauerstoffkonzentration laufend bestimmt und auf ein elektrisches Anzeige- bzw. Schreibgerät übertragen wird. Diese Konzentration ist dann ein Maß für den ursprünglichen Sauerstoffgehalt des Wassers. Läßt man in einem solchen Phasenaustauscher nun das Hilfsgas durch die Flüssig-

ßender Messung in einem magnetischen Differenz- 50 keit hochperlen, so ist für einen möglichst weitgehen-Sauerstoffmesser beruht und bei dem als Hilfsgas den Sauerstoffentzug eine unerwünscht lange AusLuft verwendet wird, deren Sauerstoffgehalt sich im waschstrecke erforderlich., Und läßt man das Wasser Austauscher in ein Gleichgewicht zu demjenigen des in einem Rieselturm dem Hilfsgas mit großer Oberüberwachten Wassers einstellt. fläche entgegenlaufen, so werden die Abmessungen des

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Austauschgerätes durch die erhöhte Austauschoberfläche zwar geringer, sind aber immer noch viel zu groß, um das ganze Gerät handlich zu gestalten.

Versuche, die Phasenaustauscher in dieser Richtung¹ zu verbessern, stießen immer wieder auf Schwierigkeiten, besonders wenn als Hilfsgas für den nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Phasenaustauscher hauptsächlich Wasserstoff verwendet wurde, von dem man an sich eine besonders günstige Austauschwirkung auf den gelösten Sauerstoff des Wassers erwarten sollte. Es stellte sich aber heraus, daß während der allmählichen Anreicherung des Wasserstoffes (oder eines anderen verhältnismäßig leichten- Hilfsgases) beim Aufsteigen im Phasenaustauscher durch den immer größer werdenden Gehalt an ausgewaschenem Sauerstoff unerwünschte Wirbelbildungen und örtliche Rückfluß er scheinungen in der Gasphase eintraten. Der Unterschied im spezifischen Gewicht des Hilfsgases einerseits beim Eintritt und andererseits nach vollendetem Austausch beim Austritt hat die Wirkung, daß das ungestörte Aufsteigen des leichten Hilfsgases nicht mehr auf der ganzen Länge des Phasenaustauschrohres gewährleistet ist, daß vielmehr unkontrollierbare Teilströme des schon mit Sauerstoff angereicherten Gases aus dem oberen Austauschteil in den unteren gelangen und dort, wo also im Interesse eines möglichst restlosen Auswaschens der letzten Sauerstoffteile aus dem Wasser ein möglichst sauerstofffreies Hilfsgas mit dem Wasser in Berührung kommen soll, dann gerade auch sauerstoffhaltiges Hilfsgas vorhanden ist, wodurch also die optimalen Austauschbedingungen und damit der Wirkungsgrad der Austauschapparatur gestört werden.

Um diesen Mangel abzuhelfen und das für den Wirkungsgrad des Phasenaustauschers so wichtige Gegenstromprinzip in allen Teilen des Austauschrohres ständig aufrechtzuerhalten, wird erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, daß dem zu überwachenden Wasser, welches im Phasenaustauschrohr mit großer Oberfläche über die dort vorgesehenen Einbauten (z. B. Rieselspirale) herabläuft, als Hilfsgas ein aufsteigender Strom eines Gases entgegengeschickt wird, dessen spezifisches Gewicht höher ist als Sauerstoff, beispielsweise handelsübliches Propangas oder das noch schwerere Frigen (CF₂Cl₂). Ein Vorzug der genannten Gase besteht auch darin, daß sie bei Zimmertemperatur gasförmig sind, also nicht etwa erst durch Erwärmung und gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines weiteren Hilfsgases aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeführt werden müssen, wodurch die Apparatur umfangreich und umständlich werden würde.

Wenn unter den genannten Bedingungen und mit den angegebenen Hilfsgasen schwerer als Sauerstoff der Phasenaustauscher in Tätigkeit ist, so besteht keine Gefahr, daß das für seine Wirksamkeit wünschenswerte Gegenstromprinzip unterbrochen oder gestört wird, wie es bei Verwendung eines Hilfsgases leichter als Sauerstoff der Fall ist. Denn wenn jetzt unten im Phasenaustauschrohr z. B. das schwere Propan eingeleitet wird und allmählich aus dem ihm entgegenströmenden Wasser den Sauerstoff herausdrängt, so ist das am oberen Ende des Austauschrohres austretende, mitSauerstoff angereicherte Hilfsgas leichter als das sauerstofffreie im unteren Teil des Austauschrohres. Es besteht also auch bei verhältnismäßig weiten Gasdurchgangsräumen im Austauscher keine Gefahr der Wirbelbildung oder des teilweisen Rückströmens infolge ungünstiger Verteilung des spezifischen Gewichtes innerhalb des hochsteigenden Hilfsgases. Infolgedessen ist der Wirkungsgrad des Austauschers, wie die Versuche gezeigt haben, ein besserer, und es ist möglich, die Abmessungen des Gerätes kleiner zu halten, als es bisher der Fall war. Außerdem ist die Reaktionszeit bei Änderung des Sauerstoffgehaltes durch das erhöhte Austauschvermögen herabgesetzt und die Genauigkeit der Messung erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel des Gerätes wird an Hand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt links das Wirkungsschema und rechts den äußeren Aufbau einer Sauerstoff registrieranlage nach dem Phasenaustauschverfahren gemäß der Erfindung. Das Austauschrohr 1 ist mit einer Spirale 2 od. dgl. versehen, über die das zu überwachende Wasser von oben mit großer Oberfläche herabrieselt. Unten mündet in das Austauschrohr die Zuleitung 3 des schweren Hilfsgases, im Ausführungsbeispiel des Propans, das aus einer Propanflasche 4 mit entsprechendem Reduzierventil 5 entnommen wird. Das Hilfsgas strömt dem Wasser auf der ganzen Höhe des Austauschrohres ungestört im Gegenstrom entgegen und verläßt das Rohr mit Sauerstoff angereichert bei 6, von wo aus es zu dem thermomagnetischen Gasanalysengerät 7 geleitet wird. Das Gerät steuert die Aufzeichnungs- und Registrierorgane, z. B. den Sauerstoffschreiber 8. An einem Ablesefenster 9 kann der Sauerstoffgehalt abgelesen werden. Die Stromversorgung einer im Gasanalysator verwendeten Meßbrücke erfolgt über einen Konstant-Transformator 10. Zur Regulierung der Wasser- und Gaszufuhr sowie zur Bedienung der Registrieranlage sind entsprechende Schalter und Verstellorgane 11 am Gerätegehäuse angebracht. Das Gehäuse enthält gleichzeitig die Propangasflaschen.

Im Betrieb ist die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Gerätes abhängig von einem konstanten Verhältnis zwischen den zum Phasenaustausch kommenden Gas- und Wassermengen, von einem stets gleichbleibenden Austauschgrad und von der Genauigkeit des thermomagnetischen Gasanalysegerätes. Diese Bedingungen sind erfüllt, indem sowohl Wasser als auch Gas mit einem selbsttätig konstant gehaltenen Druck über konstante Öffnungen geleitet werden, wobei die Gasleitungen gegen Störungen durch Kondenswasserabscheidung gesichert sind, wenn weiter der beschriebene Gegenstrom-Phasenaustauscher mit dem schweren Hilfsgas gemäß der Erfindung verwendet wird, dessen hoher Wirkungsgrad (etwa 90% des Sauerstoffs gehen schnell vom Wasser in das Hilfsgas über) für die Einhaltung kleiner Fehlergrenzen maßgebend ist, und wenn schließlich ein Gasanalysengerät (z. B. ein unter dem Handelsnamen MAGNOS 5 bekannter Sauerstoffanalysator der Hartmann & Braun AG) verwendet wird, wie es zur Sauerstoff messung in Rauchgasen und in den verschiedensten Gasen der chemischen Industrie gebräuchlich ist. Das Gerät arbeitet völlig betriebssicher und praktisch ohne Wartung und registriert spezifisch nur den Sauerstoff unabhängig von der sonstigen Zusammensetzung. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Phasenausaustauschapparatur nicht durch Verstopfung oder Algenwachstum außer Funktion gesetzt wird. Da die Apparatur aus Glas besteht, lassen sich Störungen dieser Art leicht erkennen und ebenso leicht (durch einfaches Einfüllen von Salzsäure, Chromschwefelsäure) od. dgl. beseitigen. Bei richtiger Einstellung der Wasser- und Gasströme (Wasserdurchfluß etwa 20 1 und Prppangasdurchfluß etwa 3 1 pro Stunde) im Austauscher reicht eine -handelsübliche 5-kg-Propangasflasche 1 Monat lang.

Die Bauart und Wirkungsweise des thermomagnetischen Gasanalysators ist bekannt. Die angewandte Meßmethode beruht auf den paramagnetischen Eigenschaften· des Sauerstoffs und seinem Verhalten im Magnetfeld, in welchem am Ort größter Kraftflußdichte ein elektrischer Heizdraht angebracht ist, der als temperaturabhängiger Widerstand im Rahmen einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zur Steuerung der Anzeige- und Registriergeräte dient. Die Stromversorgung der Brücke erfolgt über einen Konstant-Transformator.

Weitere Einzelheiten dieser messenden und registrierenden Analysengeräte sind bekannt. Im vorliegenden Falle werden zweckmäßig die Meß- und Registrierteile gleich nach dem Sauerstoffgehalt des zu überwachenden Wassers geeicht.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Messen und Registrieren des Sauerstoffgehaltes in Wasser, bei dem der in dem zu untersuchenden Wasser enthaltene Sauerstoff in einem Phasenaustauscher durch ein Hilfsgas ausgetrieben wird, dessen im Austauscher erfolgte Änderung des Sauerstoffgehaltes in einem selbsttätigen Gasanalysengerät fortlaufend überwacht wird und als Maß für den Sauerstoffgehalt des Wassers dient, gekennzeichnet durch ein nach dem Gegenstromprinzip arbeitendes Phasenaustauschrohr (1) mit Einbauten (Rieselspirale 2), über die das zu überwachende Wasser mit großer Oberfläche nach unten rieselt und dabei einem aufsteigenden Strom eines Hilfsgases von höherem spezifischem Gewicht als Sauerstoff begegnet, der den dabei ausgewaschenen Sauerstoff dem Gasanalysengerät zuführt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenaustauschrohr (1) an der Gaseintrittsseite an eine handelsübliche Propangasflasche (4) angeschlossen ist, die zusammen mit dem Austauscher und einem thermomagnetischen Gasanalysator (7) im Gehäuse untergebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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