DE112005001836T5

DE112005001836T5 - Clordioxydlösungsgenerator

Info

Publication number: DE112005001836T5
Application number: DE112005001836T
Authority: DE
Inventors: Chenniah San Diego Nanjundiah; Larry L. Laguna Niguel Hawn; Jeffrey M. Fort Worth Dotson; Timothy Huntington Beach O'Leary; Jerry J. North Miami Beach Kaczur
Original assignee: PureLine Treatment Systems LLC
Current assignee: PureLine Treatment Systems LLC
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-06-14
Also published as: BRPI0513931A; US7914659B2; AU2005269289B2; EP1809572A1; GB2432831A; GB0701629D0; WO2006015071A1; AU2005269289A1; US20060022360A1; US20060113196A1; US7799198B2; CA2574618A1; GB2432831B

Abstract

Chlordioxidlösungsgenerator, umfassend:
(a) eine Chlordioxidgasquelle; und
(b) einen Absorptionskreislauf zum Lösen des Chlordioxids in einen Flüssigkeitsstrom;
wobei der Absorptionskreislauf in Fluidverbindung mit der Chlordioxidgasquelle steht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Chlordioxidgeneratoren und die Verwendung solcher Generatoren in Wasseraufbereitungssystemen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Chlordioxidgenerator zur Herstellung einer Chlordioxidlösung, in welchen die Temperatur des Chlordioxidstroms gesteuert wird, um den Zerfall von Chlordioxid in dem Strom zu verringern oder zu verhindern.
Hintergrund der Erfindung
Chlordioxid (ClO₂) weist viele industrielle und kommunale Einsatzmöglichkeiten auf. Wenn es ordnungsgemäß hergestellt und gehandhabt wird, ist ClO₂ ein wirksames und leistungsfähiges Biozid, Desinfektionsmittel und Oxidationsmittel.
ClO₂ wird auch ausgiebig in der Zellstoff- und Papierindustrie als Bleichmittel verwendet, erlangt jedoch zunehmenden Zuspruch in Bereichen, wie beispielsweise der Entkeimung in der kommunalen Wasseraufbereitung. Andere Endanwendungen können die Verwendung als Desinfektionsmittel in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, bei der Abwasserreinigung, Betriebswasseraufbereitung, Reinigung und Desinfektion von medizinischen Abfällen, beim Bleichen von Textilien, bei der Geruchskontrolle für die Tierkörperverwertungsindustrie, bei der Platinenreinigung in der Elektronikindustrie und Verwendungen in der Öl- und Gasindustrie beinhalten.
Bei Anwendungen in der Wasseraufbereitung wird ClO₂ hauptsächlich als Desinfektionsmittel für Oberflächenwasser mit Geruchs- und Geschmacksproblemen verwendet. Es ist bei geringen Konzentrationen ein wirksames Biozid über einen breiten pH-Bereich. ClO₂ ist erwünscht, weil dieses bei einer Reaktion mit einem Organismus in Wasser Chlorit ergibt, welches nach aktuellen Studien kein erhebliches, ungünstiges Gesundheitsrisiko darstellt. Der Einsatz von Chlor kann andererseits bei der Wasseraufbereitung zur Erzeugung von chlorierten organischen Verbindungen führen. Solche chlorierte organischen Verbindung stehen im Verdacht, zu einer Erhöhung des Krebsrisikos zu führen.
Die Herstellung von ClO₂-Gas zur Verwendung in einem ClO₂-Wasseraufbereitungsverfahren ist darum erwünscht, weil eine größere Sicherheit bezüglich der ClO₂-Reinheit besteht, wenn dieses in der Gasphase vorliegt. ClO₂ ist jedoch in der Gasphase instabil und zersetzt sich leicht in Chlorgas (ClO₂), Sauerstoffgas (O₂) und Wärme. Die hohe Reaktivität von ClO₂ erfordert im Allgemeinen, dass es am selben Ort hergestellt und verwendet wird. In einer wässrigen Lösung ist ClO₂ jedoch löslich und stabil.
Die Herstellung von ClO₂ kann sowohl durch elektrochemische Verfahren als auch reaktorbasierte chemische Verfahren erfolgen. Die elektrochemischen Verfahren weisen im Vergleich zu den reaktorbasierten chemischen Verfahren den Vorteil eines relativ sicheren Betriebs auf. In den elektrochemischen Verfahren wird in diesem Zusammenhang im Gegensatz zu den reaktorbasierten chemischen Verfahren, in denen mehrere Ausgangsmaterialien verwendet werden, nur ein Ausgangsmaterial, nämlich eine Chloritlösung, eingesetzt. Überdies wirft die Verwendung von konzentrierten Säuren und Chlorgas in reaktorbasierten chemischen Verfahren Sicherheitsbedenken auf.
Elektrochemische Zellen vermögen die selektive Oxidationsreaktion von Chlorit zu ClO₂ durchzuführen. Das Produkt der selektiven Oxidationsreaktion ist eine ClO₂-haltige Lösung. Um den ClO₂-Gasstrom weiter zu reinigen, wird der Gasstrom unter Verwendung einer Strippkolonne von der Lösung getrennt. In der Strippkolonne wird Luft vom Boden der Kolonne zum Kopfende durchgeleitet, während sich die ClO₂-Lösung vom Kopfende zum Boden bewegt. Reines ClO₂ wird von der Lösung in die Luft ausgetauscht. Das Ansaugen von Luft erfolgt üblicherweise unter Verwendung einer Injektorpumpe, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Anmelde-Nr. 10/902,681 desselben Inhabers wie die vorliegende Anmeldung, von der die vorliegende Erfindung eine Teilfortführungsanmeldung ist, beschrieben ist.
Wie in der '681-Anmeldung weiter beschrieben, kann ClO₂ auf verschiedene Arten hergestellt werden, üblicherweise mittels einer Reaktion, die entweder Chlorit (ClO₂) oder Chlorat (ClO₃ ^-) -Lösungen umfasst. Das ClO₂, das durch eine solche Reaktion erzeugt wird, wird oft gereinigt, um ClO₂-Gas zur Verwendung in einem Wasseraufbereitungsverfahren zu erzeugen. Das ClO₂-Gas wird dann mittels einer Injektorpumpe in das für die Behandlung bestimmte Wasser eingebracht. Das Einbringen mittels einer Injektorpumpe erfolgt an der Stelle, an der das ClO₂-Gas zusammen mit Luft mit dem für die Behandlung bestimmten Wasser gemischt wird.
Wie in der '681-Anmeldung weiter beschrieben ist, dient das Einbringungsverfahren mittels einer Injektorpumpe bei vielen Wasseraufbereitungssystemen zum direkten Einführen von ClO₂-Gas in das Prozesswasser. Es kann jedoch ein betriebliches Problem auftreten, wenn während des Einbringens des ClO₂-Gases mittels einer Injektorpumpe gleichzeitig Luft in ein Wassersystem eingeführt wird. Ein erhebliches Korrosionspotential ergibt sich aus dem in das System eingeführten Sauerstoff in der Luft.
Ein anderes Problem kann auftreten, wenn ClO₂-Gas in ein druckbeaufschlagtes Wassersystem eingeführt wird. Die Wasserbehandlung in druckbeaufschlagten Systemen kann schwierig sein, wenn mittels einer Injektorpumpe eingebrachtes ClO₂-Gas verwendet wird, da gegebenenfalls Hochdruckpumpen zusammen mit Hochleistungsinjektorpumpen benötigt werden. Dies erhöht nicht nur die Kosten, sondern wirft auch Bedenken betreffend die Instandhaltung auf, da Hochleistungsinjektorpumpen-Einbringungssysteme bei Betriebsdrücken nahe bei oder über 30 bis 50 Pfund pro Quadratzoll (psi) (206,8 bis 344,7 Kilopascal (kPa)) unzuverlässig sein können.
Das obige Injektorpumpen-basierte Verfahren ist jedoch in Systemen, in denen ein ClO₂-Strom gegen einen Ansaugdruck geführt wird, wenig effektiv. Um diesen Mangel zu überwinden, kann anstelle der in der '681-Anmeldung beschriebenen Injektorpumpe eine Gasumwälzvakuumpumpe eingesetzt werden. Die Größe und Leistung der Gasumwälzvakuumpumpe werden vorzugsweise durch Parameter bestimmt, die mit einem sicheren, effizienten und zuverlässigen Betrieb des Generators verbunden sind. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass für einen sicheren, effizienten und zuverlässigen Betrieb des Generators eine ClO₂-Konzentration von weniger als etwa 10 Vol.-% eines ClO₂ in Luft umfassenden Stroms, die Zerfalluntergrenze, bevorzugt ist. Um den Sicherheitsbereich des Generators weiter zu erhöhen, ist insbesondere eine ClO₂-Konzentration von weniger als 5 Vol.-% eines Stroms, der ClO₂ in Luft umfasst, wünschenswert.
Bei ansteigenden Mengen von durch den Generator erzeugtem ClO₂ erhöht sich auch die Menge an Luft, die für den effektiven Betrieb der Strippkolonne benötigt wird. Der Produktionsumfang des Generators bestimmt deshalb die Größe der Gasumwälzvakuumpumpe. Bei ansteigender Größe der Pumpe erhöht sich die Geschwindigkeit des gemischten Luft/ClO₂-Stroms, der aus der Pumpe austritt. Folglich erhöht sich die Temperatur der Gasmischung.
Es ist bekannt, dass ClO₂ instabil ist und zerfallen kann, wobei ClO₂ unter Bildung von Chlor und Sauerstoff exotherm reagiert. In der Tat kann, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, eine Betriebstemperatur von mehr als etwa 163 °F (73 °C) zu einem gegebenenfalls gefährlichen und wenig effizienten Betrieb des Generators führen. In der vorliegenden Technik, bei welcher der ClO₂-Lösungsgenerator eine Temperatursteuerfähigkeit aufweist, kann die Betriebstemperatur verringert und unterhalb der Temperatur gehalten werden, bei der die zur Bildung von Chlor und Sauerstoff führende exotherme Reaktion dazu führt, dass das ClO₂-Erzeugungsverfahren gefährlich und wenig effizient wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Chlordioxidlösungsgenerator umfasst eine ClO₂-Gasquelle, einen Absorptionskreislauf zum Lösen von ClO₂ in einen Flüssigkeitsstrom, wobei der Absorptionskreislauf mit der ClO₂-Gasquelle in Fluidverbindung steht, und eine Gasüberführungsanordnung, die zwischen der ClO₂-Gasquelle und dem Absorptionskreislauf geschaltet ist. Die Gasüberführungsanordnung umfasst:

(1) eine Gasumwälzpumpe mit wenigstens einer Einlassöffnung zum Aufnehmen eines ClO₂-Gasstroms von der ClO₂-Gasquelle und wenigstens einer Auslassöffnung zum Abführen eines druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstroms; und
(2) eine Auslassverteileranordnung, die sich von der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung erstreckt.

Die Auslassverteileranordnung umfasst wenigstens eine Verteilerrohrleitung, die ein Innenvolumen zum Führen des druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstroms von der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung zu dem Absorptionskreislauf definiert. Das wenigstens eine Verteilerrohrleitungsinnenvolumen ist ausreichend groß, um den Zerfall von ClO₂ in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom zu hemmen.
In einem bevorzugten Chlordioxidlösungsgenerator ist das wenigstens eine Verteilerrohrleitungsinnenvolumen ausreichend groß, um eine Temperatur des druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbeizuführen.
In einem bevorzugten Chlordioxidlösungsgenerator weist die Gasumwälzpumpe erste und zweite Einlassöffnungen zum Aufnehmen von ersten und zweiten ClO₂-Gasströmen aus der ClO₂-Gasquelle auf. Die Gasumwälzpumpe weist erste und zweite Auslassöffnungen zum Abführen von ersten und zweiten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströmen auf. Die Abführungsverteileranordnung umfasst erste und zweite Verteilerrohrleitungen, die ein Rohrleitungsgesamtinnenvolumen zum Führen der ersten bzw. zweiten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme von der Gasumwälzpumpe zum Absorptionskreislauf definieren. Das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ist ausreichend groß, um den Zerfall von ClO₂ in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom zu hemmen.
In einem bevorzugten Chlordioxidlösungsgenerator weisen die ersten und zweiten Einlassöffnungen jeweils eine Einlassöffnungsrohrleitung auf, die sich davon zum Aufnehmen von ersten und zweiten ClO₂-Gasströmen aus der ClO₂-Gasquelle erstreckt. Die ersten und zweiten Auslassöffnungen weisen jeweils eine Auslassöffnungsrohrleitung auf, die sich davon zum Abführen von ersten und zweiten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströmen erstreckt. Die Auslassverteileranordnung umfasst erste und zweite Verteilerrohrleitungen, die ein Rohrleitungsgesamtinnenvolumen zum Führen der ersten bzw. zweiten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme von der Gasumwälzpumpe zum Absorptionskreislauf definieren. Das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ist ausreichend groß, um den Zerfall von ClO₂ in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom zu hemmen.
In einem bevorzugten Chlordioxidlösungsgenerator weisen die ersten und zweiten Einlassöffnungen jeweils eine Einlassöffnungsrohrleitung auf, die sich davon zum Aufnehmen von ersten und zweiten ClO₂-Gasströmen von der ClO₂-Gasquelle erstreckt. Die ersten und zweiten Auslassöffnungen weisen jeweils ein Paar von Auslassöffnungsrohrleitungen auf, die sich davon zum Abführen von zwei Paaren von druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströmen erstrecken. Die Auslassverteileranordnung umfasst wenigstens eine Verteilerrohrleitung, die ein Rohrleitungsgesamtinnenvolumen zum Führen der ersten bzw. zweiten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme von der Gasumwälzpumpe zum Absorptionskreislauf definiert. Das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ist ausreichend groß, um den Zerfall von ClO₂ in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom zu hemmen. Die Auslassverteileranordnung umfasst vorzugsweise eine einzelne Verteilerrohrleitung, die ein Innenvolumen zum Führen der zwei Paare von druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströmen von der Gasumwälzpumpe zu dem Absorptionskreislauf definiert. Das Innenvolumen ist ausreichend groß, um den ClO₂-Zerfall in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom zu hemmen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Chlordioxidlösungsgenerators sind die Auslassöffnungsrohrleitungen vorzugsweise aus einem Material gebildet, das aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen (PTFE; unter dem Markennamen Teflon^® kommerziell von DuPont erhältlich), Polychlortrifluorethylen, chloriertem Polyvinylchlorid, Titan und anderen Metallen mit einem Schmelzpunkt von höher als etwa 140 °F (60 °C) ausgewählt ist.
In bevorzugten Ausführungsformen des Chlordioxidlösungsgenerators ist das Verhältnis des Querschnittsdurchmessers der wenigstens einen Verteilerrohrleitung zu dem Querschnittsdurchmesser der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung größer als 1.
In bevorzugten Ausführungsformen des Chlordioxidlösungsgenerators weist die Auslassverteileranordnung einen damit in Wärmekontakt stehenden Kühlfluidstrom auf. Im Betrieb führt der Kühlfluidstrom zu einer weiteren Hemmung des ClO₂-Zerfalls in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom. Der Kühlfluidstrom steht vorzugsweise in Wärmekontakt mit der wenigstens einen Verteilerrohrleitung. Der Wärmekontakt des Kühlfluidstroms mit der wenigstens einen Verteilerrohrleitung führt ferner eine Temperatur des druckbeaufschlagten ClO₂-Gassstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbei.
Ein Verfahren zum Erzeugen einer Chlordioxidlösung umfasst:

(a) Bereitstellen einer Quelle von ClO₂-Gas;
(b) Lösen von ClO₂ in einen Flüssigkeitsstrom mittels eines mit der ClO₂-Gasquelle in Fluidverbindung stehenden Absorptionskreislaufs;
(c) Zwischenschalten einer Gasumwälzpumpe zwischen die ClO₂-Gasquelle und den Absorptionskreislauf, wobei die Gasumwälzpumpe wenigstens eine Einlassöffnung zum Aufnehmen eines ClO₂-Gasstroms von der ClO₂-Gasquelle und wenigstens eine Auslassöffnung zum Abführen eines druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstroms aufweist,
(d) Zwischenschalten einer Auslassverteileranordnung zwischen die Gasumwälzpumpenauslassöffnung und den Absorptionskreislauf, wobei die Auslassverteileranordnung wenigstens eine Verteilerrohrleitung umfasst, die ein Innenvolumen zum Führen des druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstroms von der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung zu dem Absorptionskreislauf definiert; und
(e) Hemmen des ClO₂-Zerfalls in dem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom durch Erhöhen des Volumens zwischen der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung und der wenigstens einen Verteilerrohrleitung.

In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens führt die Volumenerhöhung eine Temperatur des druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbei.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Prozessflussdiagramm eines ClO₂-Lösungsgenerators vom in der Anmeldung mit der Anmelde-Nr. 10/902,681 beschriebenen Typ.
2 ist ein Prozessflussdiagramm eines Anolytkreislaufs eines ClO₂-Lösungsgenerators vom in der '681-Anmeldung beschriebenen Typ.
3 ist ein Prozessflussdiagram eines Katholytkreislaufs eines ClO₂-Lösungsgenerators vom in der '681-Anmeldung beschriebenen Typ.
4 ist ein Prozessflussdiagramm eines Absorptionskreislaufs eines ClO₂-Lösungsgenerators vom in der '681-Anmeldung beschriebenen Typ.
5a ist eine Draufsicht eines ClO₂-Gasstrompumpenaufbaus in einem ClO₂-Lösungsgenerator, jedoch ohne die Temperatursteuerfähigkeit der vorliegenden Technik.
5b ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines ClO₂-Gasstrompumpenaufbaus für einen ClO₂-Lösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit.
5c ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines ClO₂-Gasstrompumpenaufbaus für einen ClO₂-Lösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit.
6 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines ClO₂-Gasstrompumpenaufbaus für einen ClO₂-Lösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit, die ähnlich zu der in 5b dargestellten Ausführungsform ist, in der jedoch ein Wasserstrom mit dem ClO₂-Strom gemischt wird, um die Temperatur des ClO₂-Stroms weiter zu steuern, bevor der gemischte Strom in den Absorptionskreislauf eingeführt wird.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
1 stellt ein Prozessflussdiagramm einer Ausführungsform eines Chlordioxidlösungsgenerators 100 vom in der Anmeldung mit der Anmelde-Nr. 10/902,681 beschriebenen Typ dar. Der Prozessablauf von 1 besteht aus drei Teilprozessen, umfassend einen Anolytkreislauf 102, einen Katholytkreislauf 104 und einen Absorptionskreislauf 106. Der Zweck des Anolytkreislaufs 102 besteht darin, ein ClO₂-Gas durch Oxidation von Chlorit zu erzeugen, und der Prozess kann als ClO₂-Gaserzeugungskreislauf bezeichnet werden. Der ClO₂-Gaserzeugungskreislauf ist im Wesentlichen eine ClO₂-Gasquelle. Im Gebiet der Wasseraufbereitung sind verschiedene Quellen für ClO₂ verfügbar und bekannt. Der Katholytkreislauf 104 des ClO₂-Gaserzeugungskreislaufs erzeugt Natriumhydroxid und Wasserstoffgas durch die Reduktion von Wasser. Sobald das ClO₂-Gas in dem ClO₂-Gaserzeugungskreislauf erzeugt ist, wird das ClO₂-Gas in den Absorptionskreislauf 106 überführt, wo das Gas für die Wasseraufbereitungsendanwendungen weiter aufbereitet wird. Der Prozess kann mittels eines Programmlogiksteuersystems (PLC-System) 108 gesteuert werden, das optische und/oder akustische Anzeigen beinhalten kann.
In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff „Absorbieren" auf das Verfahren des Lösens oder Einführens eines gasförmigen Bestandteils in eine Flüssigkeit, gegebenenfalls unter Verwendung von Druck, um das Lösen oder Einführen zu bewirken. Das ClO₂-Gas, das in dem ClO₂-Gaserzeugungskreislauf erzeugt wird, wird hier in einen durch einen Absorptionskreislauf 106 geführten wässrigen Flüssigkeitsstrom „absorbiert" (d.h. gelöst oder eingeführt).
2 stellt einen Anolytkreislauf 102 einer Ausführungsform des Chlordioxidlösungsgenerators 100 vom in der '681-Anmeldung beschriebenen Typ dar. Der Beitrag des Anolytkreislaufs 102 zu dem ClO₂-Lösungsgenerator besteht darin, ein ClO₂-Gas zu erzeugen, das zur weiteren Prozessierung dem Absorptionskreislauf 106 zugeführt wird. Die Ausführungsform des Anolytkreislaufs 102 der 2 ist für ein ClO₂-Gas bestimmt, das unter Verwendung eines Reaktionsausgangsmaterials 202 erzeugt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann als Reaktionsausgangsmaterial 202 eine 25 Gew.-% Natriumchlorit (NaClO₂)-Lösung verwendet werden. Es können jedoch Ausgangsmaterialkonzentrationen, die im Bereich von 0 Prozent bis zur maximalen Löslichkeit (40 Prozent bei 17 °C in der Ausführungsform mit NaClO₂) liegen, oder ein anderes geeignetes Verfahren zum Einspritzen von geeigneten Elektrolyten verwendet werden.
Das Reaktionsausgangsmaterial 202 ist mit einer Chemiedosierpumpe 204 verbunden, die das Reaktionsausgangsmaterial 202 einem Rückführungsverbindungsstück 206 in dem Anolytkreislauf 102 zuführt. Das Rückführungsverbindungsstück 206 in dem Anolytkreislauf verbindet eine Strippkolonne 208 mit einer elektrochemischen Zelle 210. Die Zufuhr des Reaktionsausgangsmaterials 202 kann durch ein PLC-System 108 gesteuert werden. Das PLC-System 108 kann verwendet werden, um die Chemiedosierpumpe 204 entsprechend den von einem pH-Sensor 212 empfangenen Signalen zu aktivieren. Der pH-Sensor 212 ist im Allgemeinen entlang dem Rückführungsverbindungsstück 206 angeordnet. Ein pH-Sollwert kann in dem PLC-System 108 festgelegt werden und sobald der Sollwert erreicht wird, kann die Zufuhr des Reaktionsausgangsmaterials 202 beginnen oder aber aufhören.
Das Reaktionsausgangsmaterial 202 wird einem positiven Ende 214 in der elektrochemischen Zelle 210 zugeführt, wo das Reaktionsausgangsmaterial oxidiert wird, um ein ClO₂-Gas zu bilden, das dann zusammen mit anderen Nebenprodukten in eine Elektrolytlösung gelöst wird. Die ClO₂-Lösung mit den Nebenprodukten wird von der elektrochemischen Zelle 210 weg zum Kopfende der Strippkolonne 208 geführt, wo reines ClO₂ in gasförmiger Form von den anderen Nebenprodukten abgestrippt wird. Nebenprodukte oder Beiprodukte können Chlor, Chlorate, Chlorite und/oder Sauerstoff umfassen. Das reine ClO₂-Gas wird dann von der Strippkolonne 208 unter einem Vakuum, das durch eine Gasumwälzpumpe 216 oder eine entsprechende Gas- oder Fluidüberführungsvorrichtung (wie beispielsweise eine vakuumbasierte Vorrichtung) erzeugt wird, entfernt und dem Absorptionskreislauf 106 zugeführt. Die restliche Lösung wird am Boden der Strippkolonne 208 gesammelt und am pH-Sensor 212 vorbei zurückgeführt, wo weiteres Reaktionsausgangsmaterial 202 zugegeben werden kann. Das Verfahren, bei dem das Reaktionsausgangsmaterial und/oder die Rückführungslösung in das positive Ende 214 der elektrochemischen Zelle 210 geführt wird, wird dann wiederholt.
Wie in der '681-Anmeldung beschrieben, können Modifikationen das Anolytkreislaufverfahren vorgenommen werden, die ähnliche Ergebnisse erzielen. Beispielsweise kann anstelle einer Strippkolonne ein Anolytzwischenspeicher verwendet werden. In einem solchen Fall kann ein Inertgas oder Luft über die Oberfläche oder durch die Lösung geblasen werden, um das ClO₂-Gas von dem Anolyt zu trennen. Als weiteres Beispiel kann Chlorat reduziert werden, um in einem Katholytkreislauf ClO₂ zu erzeugen, anstatt Chlorit zu verwenden. Das ClO₂-Gas würde dann auf ähnliche Weise in den Absorptionskreislauf überführt werden. In einem weiteren Beispiel kann ClO₂ durch rein chemische Generatoren erzeugt und zur weiteren Prozessierung in einen Absorptionskreislauf überführt werden.
3 stellt einen Katholytkreislauf 104 in einer Ausführungsform eines Chlordioxidlösungsgenerators 100 vom in der '681-Anmeldung beschriebenen Typ dar. Der Katholytkreislauf 104 trägt zu dem Chlordioxidlösungsgenerator 100 durch die Behandlung von Beiprodukten in dem Anolytkreislauf 102 bei, die durch die elektrochemische Reaktion der Reaktionsausgangsmaterial 202 -Lösung erzeugt werden. Beispielsweise wandern bei der Verwendung einer Natriumchlorit (NaClO₂)-Lösung als Reaktionsausgangsmaterial 202 Natriumionen von dem Anolytkreislauf 102 durch eine kationische Membran 302 in der elektrochemischen Zellen 210 in den Katholytkreislauf 104, um die Ladungsneutralität zu erhalten. Wasser in dem Katholyt wird reduziert, um Hydroxid und Wasserstoffgas (H₂) zu erzeugen. Die resultierenden Beiprodukte in dem Katholytkreislauf 104 sind im Beispiel eines NaClO₂-Reaktionsausgangsmaterials Natriumhydroxid (NaOH) und Wasserstoffgas. Die Beiprodukte werden einem Beiprodukttank 304 zugeführt.
In einer Ausführungsform des Katholytkreislaufs 104 kann im Beispiel eines NaClO₂-Reaktionsausgangsmaterials, eine Weichwasserquelle (d.h. eine Quelle von demineralisiertem Wasser) 306 verwendet werden, um das Beiprodukt NaOH unter Verwendung eines Magnetventils 308, das zwischen der Weichwasserquelle 306 und dem Beiprodukttank 304 geschaltet ist, zu verdünnen. Das Magnetventil 308 kann mittels des PLC-Systems 108 gesteuert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das PLC-System 108 eine Zeitroutine verwenden, welche die NaOH-Konzentration in einem Bereich von 5 bis 20 Prozent hält. Wenn der Beiprodukttank 304 einen bestimmten Füllstand über dem Boden des Beiprodukttanks 304 erreicht, wird das verdünnte NaOH-Beiprodukt über diesem Füllstand aus dem Katholytkreislauf 104 entfernt.
Im Beispiel eines NaClO₂-Reaktionsaugangsmaterials wälzt sich der Katholytkreislauf 104 durch die Auftriebseigenschaften des H₂-Beiproduktgases, das während des elektrochemischen Verfahrens erzeugt wird, selbst um und treibt eine Wasserzufuhr aus der Weichwasserquelle 306 an. Das H₂-Gas steigt in dem Beiprodukttank 304 auf, wo sich eine Wasserstofffreisetzungsvorrichtung 310 befindet. Das H₂-Gas kann mit Luft in der Wasserstofffreisetzungsvorrichtung 310 auf eine Konzentration von weniger 0,5 Prozent verdünnt werden. Das verdünnte H₂-Gas kann aus dem Katholytkreislauf 104 und dem Chlordioxidlösungsgenerator 100 unter Verwendung eines Gebläses 312 abgeführt werden.
Wie in der '681-Anmeldung beschrieben, kann in einer anderen Ausführungsform anstelle von Wasser verdünntes Natriumhydroxid eingespeist werden, um konzentriertes Natriumhydroxid zu erzeugen. Anstelle von Wasser kann auch Sauerstoff oder Luft als Reduktionsmittel verwendet werden, um die Betriebsgesamtspannung zu verringern, da Sauerstoff bei einer geringeren Spannung als Wasser reduziert wird.
Die Reaktion des Anolytkreislaufs 102 und des Katholytkreislaufs 104 in der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist durch die folgende chemische Nettogleichung dargestellt: 2 NaClO_2(aq) + 2 H₂O → 2 ClO_2(gas) + 2 NaOH_(aq) + H_2(gas)
NaClO₂ wir durch das Reaktionsausgangsmaterial 202 des Anolytkreislaufs 102 bereitgestellt. Das NaOH und das H₂-Gas sind Beiprodukte der Reaktion in dem Katholytkreislauf 104. Als Teil des Prozesses im Anolytkreislauf 102 wird die ClO₂-Lösung zusammen mit nicht umgesetztem Ausgangs-NaClO₂ und anderen Nebenprodukten der Strippkolonne für die Auftrennung in ClO₂-Gas zugeführt. Chloritsalze, die nicht NaClO₂ entsprechen, können in dem Anolytkreislauf 102 verwendet werden.
4 stellt einen Absorptionskreislauf 106 einer Ausführungsform eines Chordioxidlösungsgenerators 100 vom in der '681-Anmeldung beschriebenen Typ dar. Der Absorptionskreislauf 106 prozessiert das ClO₂-Gas vom Anolytkreislauf 102 in eine ClO₂-Lösung, die für das Zuführen zu dem für die Behandlung bestimmten Wasser bereit steht.
Das ClO₂-Gas wird von der Strippkolonne 208 des Anolytkreislaufs 102 unter Verwendung einer Gasumwälzpumpe 216 entfernt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Gasumwälzpumpe 216, die „V-rated" ist, bei 75 Torr (10 kPa) mit einer Abgaberate von 34 Litern pro Minute verwendet werden. Das Vakuum und die Förderrate der Gasumwälzpumpe 216 kann in Abhängigkeit des freien Raums in der Strippkolonne 208 und der gewünschten Förderrate der ClO₂-Lösung variieren.
Das ClO₂-Gas, das aus der Strippkolonne 208 unter Verwendung der Gasumwälzpumpe 216 entfernt wurde, wird in einen Absorbertank 402 des Absorptionskreislaufs 106 geführt. In einer bevorzugten Ausführungsform führt ein Druckstutzen 404 der Gasumwälzpumpe 216 das ClO₂-Gas in eine außerhalb des Absorbertanks 402 angeordnete 0,5 Zoll (13 mm) Polyvinylchlorid (PVC)-Einspritzleitung 406. Die Einspritzleitung 406 ist eine außenliegende Fluidumgehungsleitung zwischen dem unteren und oberen Teil des Absorbertanks 402. Eine Gaseinspritzleitung kann durch ein T-Verbindungsstück 408 mit der Einspritzleitung 406 verbunden sein. Bevor ClO₂-Gas in den Absorbertank 402 geführt wird, wird der Tank 402 bis ungefähr 0,5 Zoll (13 mm) unter einer Füllstandhauptsteuerung 410 mit Wasser gefüllt. Die Füllstandhauptsteuerung 410 kann unterhalb der Stelle angeordnet sein, an der die Einspritzleitung 406 mit dem oberen Teil des Absorbertanks 402 in Verbindung steht. Das Einführen von ClO₂-Gas in die Einspritzleitung 406 kann zu einem Flüssigkeitshub führen, der die neu absorbierte ClO₂-Lösung nach oben an einem Forward-Only-Strömungsschalter 412 vorbei und in den Absorbertank 402 drückt. Der Strömungsschalter 412 steuert die Menge an Flüssigkeit, die dem Absorbertank 402 zugeführt wird. Der Absorbertank 402 weist eine Füllstandhauptsteuerung 410 auf, um einen ordnungsgemäßen Tankfüllstand einzuhalten. Zusätzlich zu der Füllstandhauptsteuerung 410 können Füllstandsicherungssteuerungen verwendet werden, um einen hohen Füllstand 414 und einen niedrigen Füllstand 416 der Flüssigkeit einzuhalten, falls die Füllstandhauptsteuerung 410 ausfällt. Eine Prozessförderpumpe 418 führt die ClO₂-Lösung aus dem Absorbertank 402 dem Endprozess ohne Einschluss von Luft und anderen Gasen zu. Die Prozessförderpumpe 418 hat eine solche Größe, dass eine gewünschte Menge an Wasser pro Minute zugeführt wird. Die Menge an ClO₂-Gas, die dem Absorbertank 402 zugeführt wird, ist durch das Vakuum und die Förderrate, die durch die Gasumwälzpumpe 216 bestimmt sind, festgelegt.
Das PLC-System 108 kann für den Benutzer ein optisches Interface zum Steuern des gesamten Chlordioxidlösungsgenerators 100 bereitstellen. Das PLC-System 108 kann automatisch den kontinuierlichen Betrieb sowie die Sicherheit der Herstellung der ClO₂-Lösung steuern. Das PLC-System 108 kann die Flussraten für den Anolytkreislauf 102 und den Katholytkreislauf 104 einstellen. Die Sicherheitsfüllstände des Absorbertanks 40 können ebenfalls durch das PLC-System 108 eingehalten werden. Das PLC-System 108 kann auch den Strom zum Erhalten einer gewünschten Stromstärke in einer Ausführungsform, die eine elektrochemische Zelle 210 verwendet, steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Stromstärke im Bereich von 0 bis 100 Amper, obwohl Stromstärken möglich sind, die höher als dieser Durchschnitt sind. Der Betrag der Stromstärke bestimmt die Menge an ClO₂-Gas, die in dem Anolytkreislauf 102 erzeugt wird. Die Stromstärke der Stromversorgung kann anhand der zu erzeugenden Menge an ClO₂ bestimmt werden. Das PLC-System 108 kann auch verwendet werden, um die Spannung der elektrochemischen Zelle 210 zu überwachen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrochemische Zelle 210 abgeschaltet werden, wenn die Spannung ein sicheres Spannungsniveau übersteigt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform können 5 Volt als sicheres Spannungsniveau betrachtet werden.
Wie in der '681-Anmeldung beschrieben, ist die Temperatur der elektrochemischen Zelle 210 eine andere Funktion, die mit dem PLC-System 108 überwacht werden kann. Wenn ein Überhitzen auftritt, schaltet das PLC-System 108 die elektrochemische Zelle 210 ab. Das PLC-System 108 kann auch den pH des Anolyts unter Verwendung eines pH-Sensors 212 (gezeigt in 2) überwachen. Während dem Betrieb der elektrochemischen Zelle 210 verringert sich der pH der im Anolytkreislauf 102 zirkulierenden Lösung, da Wasserstoffionen erzeugt werden. In der beispielhaften Ausführungsform eines NaClO₂-Reaktionsausgangsmaterials wird unter Verwendung des PLC-Systems 108 weiteres Reaktionsausgangsmaterial zugegeben, wenn der pH unter 5 fällt. Die Steuerung des pH kann auch durch Zugabe eines Reaktants, der den pH verringert, falls der pH zu hoch wird, erfolgen.
Wie weiter in der '681-Anmeldung beschrieben, kann in einer anderen Ausführungsform die Überführungsleitung von der Gasumwälzpumpe 216 ohne Einspritzleitung 406 direkt mit dem Absorbertank 402 verbunden sein und eine erhöhte Austauschrate der Pumpe ermöglichen. Andere Ausführungsformen können ein anderes Verfahren zum Überwachen des Flüssigkeitsfüllstands in dem Absorbertank 402 umfassen. Es kann beispielsweise ein Oxidations- und Reduktionspotential (ORP) in den Absorbertank 402 getaucht werden. ORP kann verwendet werden, um die Konzentration von ClO₂ in der Lösung in dem Absorbertank 402 zu überwachen. Das PLC-System 108 kann verwendet werden, um ein mittels ORP überwachtes Konzentrationsniveau für das ClO₂ einzustellen, was ein gleichwertiges Verfahren zum Steuern des Flüssigkeitsfüllstands im Absorbertank 402 bereitstellt. Optische Techniken, wie Photometer, können auch zur Steuerung des Flüssigkeitsfüllstands in dem Absorbertank 402 verwendet werden. Der Absorptionskreislauf 106 kann Teil des Chlordioxidlösungsgenerators sein oder als getrennte Einheit außerhalb des Chlordioxidlösungsgenerators installiert sein. In einer anderen Ausführungsform kann Prozesswasser direkt in den Absorbertank 402 gespeist und das behandelte Wasser aus dem Absorbertank 402 entfernt werden. Das Prozesswasser kann eine Quelle von demineralisiertem Wasser oder Weichwasserquelle 420 umfassen und die Prozesswasserzufuhr kann unter Verwendung eines Magnetventils 422 gesteuert werden.
Der in den 1, 2 und 3 der '681-Anmeldung dargestellte Prozessablauf beruht auf ClO₂-Gas, das unter Verwendung von elektrochemischen Zellen und einer Natriumchloritlösung erzeugt wird. Das ClO₂-Gas kann durch viele verschiedene Verfahren erzeugt werden, die einem Fachmann für Wasseraufbereitungstechniken bekannt sein dürften. Solche Verfahren umfassen das Ansäuern von Chlorit, das Oxidieren von Chlorit durch Chlor, das Oxidieren von Chlorit durch Persulfat, die Anwendung von Essigsäureanhydrid auf Chlorit, die Verwendung von Natriumhypochlorit und Natriumchlorit, die Verwendung von trockenem Chlor/Chlorit, die Reduktion von Chloraten durch Ansäuern in Gegenwart von Oxalsäure, die Reduktion von Chloraten durch Schwefeldioxid und den ERCO R-2^®-, R-3^®-, R-5^®-, R-8^®-, R-10^®- und R-11^®-Verfahren, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Es wurde festgestellt, dass das Material, der Durchmesser sowie der jeweilige Aufbau und die jeweilige Anordnung der Rohrleitungen (oder Rohre oder Leitungsrohre), die mit dem vorliegenden Chlordioxidlösungsgenerator einhergehen, für den sicheren, effizienten und zuverlässigen Betrieb des Generators wichtig sind. Insbesondere sollte der ClO₂-Gasstrom je nach Durchmesser der Rohrleitung oder des Leitungsrohrs, durch welche bzw. durch welches der ClO₂-Gasstrom geführt wird, den Generator mit einer Temperatur von mehr als etwa 163 °F (73 °C) verlassen.
Wie zuvor erwähnt, ist es bekannt, dass ClO₂ bei einer Temperatur von mehr als etwa 163 °C (73 °C) unter Bildung von Chlor und Sauerstoff zerfallen kann. Ein solcher Zerfall ist üblicherweise von einem Anstieg der Temperatur des ClO₂-Stroms bis auf Temperaturen von nicht weniger als 280 °F (138 °C) begleitet, was höher ist als die Schmelztemperatur von PVC wie auch CPVC (chloriertem Polyvinylchlorid). PVC und CPVC sind typische Materialien, aus denen die Fluidstromrohrleitungen oder – leitungsrohre, die in Chlordioxidlösungsgeneratoren verwendet werden, gefertigt sind, und das Schmelzen dieser Rohrleitungen kann zu gefährlichen Betriebsverhältnissen führen. Es ist daher wichtig, die Temperatur des aus dem Generator austretenden Chlordioxidstroms zu verringern und bei einer möglichst tiefen Temperatur zu halten.
5a zeigt einen ClO₂-Gasumwälzpumpenaufbau 501 in einem ClO₂-Lösungsgenerator, jedoch ohne Temperatursteuerfähigkeit der vorliegenden Technik. Der Pumpenaufbau 501 ist zwischen eine ClO₂-Gasquelle vom in 1 und 2 darge stellten Typ und einem Absorptionskreislaufs vom in 1 und 4 dargestellten Typ geschaltet.
Der Pumpenaufbau 501 umfasst eine Gasumwälzpumpe 510, die zwischen eine Einlassverteileranordnung 505 und eine Auslassverteileranordnung 506 geschaltet ist. Die Gasumwälzpumpe 510 weist zwei Kopfteile 512a und 512b auf, die einen druckbeaufschlagten Gasstrom aus einem Eingangsgasstrom erzeugen. Ein ClO₂-Gasstrom aus einer ClO₂-Gasquelle (nicht gezeigt) wird über eine Rohrleitung 520 zur Pumpe 510 geführt, die sich am T-Verbindungsstück 524 in ein Paar von Einlassrohrleitungen 522a, 522b verzweigt. Der ClO₂-Gasstrom in der Einlassrohrleitung 522a wird dem Pumpenkopf 512a zugespeist, wo der Strom druckbeaufschlagt und über eine Auslassrohrleitung 532a aus dem Pumpenkopf 512a abgeführt wird. Auf ähnliche Art und Weise wird der ClO₂-Gasstrom in der Einlassrohrleitung 522b dem Pumpenkopf 512b zugespeist, wo der Strom druckbeaufschlagt und über eine Auslassrohrleitung 532b aus dem Pumpenkopf 512b abgeführt wird. Die durch die Auslassrohrleitungen 532a, 532b geführten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme werden bei einem T-Verbindungsstück 534 in einen Strom vereinigt, und der vereinigte Strom wird dann durch eine Rohrleitung 533 einem Anschlussstück 536 zugeführt, in welchem ein Thermoelement 537 eingebaut ist und von welchem der vereinigte Strom über eine Rohrleitung 539 und Rohrzwischenverbindungsstücke und -anschlussstücke, von denen eines in 5a als Winkelstück 538 dargestellt ist, dem Absorptionskreislauf (nicht gezeigt) zugeführt wird.
5b zeigt eine Ausführungsform eines ClO₂-Gasumwälzpumpenaufbaus 502 für einen ClO₂-Lösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit. Wie beim Pumpenaufbau 501 in der 5a, ist der Pumpenaufbau 502 zwischen eine ClO₂-Gasquelle vom in 1 und 2 dargestellten Typ und einem Absorptionskreislauf vom in 1 und 4 dargestellten Typ geschaltet.
Der Pumpenaufbau 502 umfasst eine Gasumwälzpumpe 510 und eine Einlassverteileranordnung 505, die wie in 5b dargestellt im Wesentlichen identisch zu der in 5a gezeigten Einlassverteileranordnung ist. Der Pumpenaufbau 502 umfasst auch eine Auslassverteileranordnung 507, in der die Zuflussströme druckbeaufschlagt und über Auslassrohrleitung 532a bzw. 532b aus den Pumpenköpfen 512a, 512b abgeführt werden. Die durch die Auslassrohrleitungen 532a, 532b geführten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme werden getrennt voneinander Rohrleitungen zugeführt, in denen die druckbeaufschlagten Ströme einer Volumenausdehnung unterzogen werden. Demnach wird der druckbeaufschlagte ClO₂-Gasstrom in der Auslassrohrleitung 532a einem T-Verbindungsstück 546 zugeführt und innerhalb desselben ausgedehnt, und der druckbeaufschlagte ClO₂-Gasstrom in der Auslassrohrleitung 532b wird einem Winkelstück 542 zugeführt, in dem ein Thermoelement 537 eingebaut ist und von dem der Strom durch eine Rohrleitung 544 geführt wird. Der durch die Rohrleitung 544 geführte Strom wird mit dem anderen druckbeaufschlagten und ausgedehnten ClO₂-Gasstrom bei einem T-Verbindungsstück 546 vereinigt und der vereinigte Strom wird dann vom T-Verbindungsstück 546 über eine Rohrleitung 548 (und Rohrverbindungsstücke und -anschlussstücke, falls vorhanden (nicht gezeigt in 5b)) dem stromabwärts liegenden Absorptionskreislauf zugeführt.
5c zeigt eine Ausführungsform eines ClO₂-Gasumwälzpumpenaufbaus 503 für einen ClO₂-Lösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit. Wie beim Pumpenaufbau 501 in 5a und beim Pumpenaufbau 502 in 5b, ist der Pumpenaufbau 503 zwischen eine ClO₂-Gasquelle vom in 1 und 2 dargestellten Typ und einem Absorptionskreislauf vom in 1 und 4 dargestellten Typ geschaltet.
Der Pumpenaufbau 503 umfasst eine Gasumwälzpumpe 510 und eine Einlassverteileranordnung 505, die wie in 5c dargestellt im Wesentlichen identisch zu der in 5a und 5b gezeigten Einlassverteileranordnung ist. Der Pumpenaufbau 503 umfasst auch eine Auslassverteileranordnung 508, in der die Zuflussströme druckbeaufschlagt und über Auslassrohrleitungen 552a, 552b aus dem Pumpenkopf 512a und über Auslassrohrleitungen 552c, 552d aus dem Pumpenkopf 512b abgeführt werden. Die durch die Auslassrohrleitungen 552a, 552b, 552c, 552d geführten druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme werden getrennt voneinander einer einzelnen Rohrleitung 554 zugeführt, in der die druckbeaufschlagten Ströme vereinigt und einer Volumenausdehnung unterzogen werden. Der durch die Rohrleitung 554 geführte Strom wird dann über eine Rohrleitung 558 (und Rohrzwischenverbindungsstücke und – anschlussstücke (falls vorhanden)) dem stromabwärts liegenden Absorptionskreislauf (nicht gezeigt) zugeführt. Thermoelemente 557a, 557b sind auf gegenüberliegenden Enden der Rohrleitung 544 angebracht.
6 zeigt einen ClO₂-Gasumwälzpumpenaufbau 504 für einen Chlordioxidlösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit, der ähnlich zu der in 5b dargestellten Ausführungsform ist, in dem jedoch ein durch eine Rohrleitung 559 geführter Wasserstrom mit einem druckbeaufschlagten ClO₂-Gasstrom gemischt wird, um die Temperatur des ClO₂-Stroms bzw. der ClO₂-Ströme zu steuern, bevor der gemischte Strom bzw. die gemischten Ströme in den Absorptionskreislauf eingeführt werden.
Beispiel 1
Der ClO₂-Gasstrom, der aus der Pumpenauslassöffnung in 5a, 5b und 5c austritt, die einen Durchmesser von 0,25 Zoll (0,64 cm) aufweist, kann durch Ausdehnen des Volumens des Gasstroms abgekühlt werden. Das Ausmaß der Ausdehnung sollte so sein, dass die Induktionszeit für den Zerfall von ClO₂ bei der gegebenen Temperatur und dem gegebenen Druck größer als 20 Sekunden ist. Die Temperatur und die Induktionszeit für 5 Vol.-% ClO₂ in Luft (entspricht einem Partialdruck von 38 mm Hg) gemäß in der Fachliteratur veröffentlichten Diagrammen (siehe beispielsweise Loss Prevention Bulletin, I. Chem. E. 113, Okt. 1993, G. Cowley) sind in nachstehender Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 Induktionszeit für den Zerfall von ClO₂ (5 Vol.-% in Luft) bei einem Partialdruck von 38 mm Hg
In dem vorliegenden Chlordioxidlösungsgenerator mit Temperatursteuerfähigkeit wird die ClO₂-Temperatur vorzugsweise auf 163 °C (73 °C) verringert und unterhalb dieser Temperatur gehalten. Dies kann, wie unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen der 5a, 5b und 5c erläutert, auf verschiedene Arten erreicht werden. Die Temperaturen der druckbeaufschlagten ClO₂-Gasströme wurden beim Thermoelement 537 (in der Ausführungsform der 5a), beim Thermoelement 543 (in der Ausführungsform der 5b) und beim Thermoelement 557b (in der Ausführungsform der 5c) gemessen. Die Betriebsdaten sind in nachstehenden Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2 Temperatur von ClO₂ für verschiedene Nenndurchmesser der in Fig. 5, 5b, 5c gezeigten Rohrleitungen
Die Daten in Tabelle 2 zeigen, dass eine Erhöhung des Durchmessers der Rohrleitung, die den ClO₂-Strom führt, zu einer Verringerung der Temperatur des Stroms führt.
Eine andere Art zum Verringern der Temperatur des ClO₂-Stroms besteht darin, Wasser in eine Rohrleitung, wie beispielsweise in die Rohrleitung, die in dem in 6 gezeigten T-Verbindungsstück 541 gebildet ist, einzuführen, in der ein Wasserstrom mit dem ClO₂-Strom gemischt wird, um die Temperatur des ClO₂-Stroms vor dem Einführen des gemischte Stroms in die Gasumwälzvakuumpumpe zu steuern.
Zusammenfassung
Chlordioxidlösungsgenerator
Ein Chlordioxidlösungsgenerator, der eine Chlordioxidgasquelle und einen Absorptionskreislauf zum Lösen von Chlordioxid in einen Flüssigkeitsstrom umfasst. Eine Gasüberführungsanordnung ist zwischen der Chlordioxidgasquelle und dem Absorptionskreislauf geschaltet. Die Gasüberführungsanordnung umfasst eine Gasumwälzpumpe und eine Auslassverteileranordnung. Die Auslassverteileranordnung umfasst eine Verteilerrohrleitung, die ein Innenvolumen zum Führen des druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms von der Pumpenauslassöffnung zu dem Absorptionskreislauf definiert. Das Verteilerrohrleitungsinnenvolumen ist ausreichend groß, um den Chlordioxid-Zerfall in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom zu hemmen, indem eine Temperatur des druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms innerhalb der Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbeigeführt wird.

Claims

Chlordioxidlösungsgenerator, umfassend: (a) eine Chlordioxidgasquelle; und (b) einen Absorptionskreislauf zum Lösen des Chlordioxids in einen Flüssigkeitsstrom; wobei der Absorptionskreislauf in Fluidverbindung mit der Chlordioxidgasquelle steht.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 1, wobei der Absorptionskreislauf eine Gasüberführungsvorrichtung zum Führen eines Chlordioxidgasstroms von der Chlordioxidgasquelle zu einem Chlordioxidabsorbertank umfasst.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 2, wobei der Absorbertank einen oberen Teil und einen unteren Teil umfasst und das Chlordioxidgas und ein Prozesswasser im unteren Teil des Absorbertanks in den Absorbertank eintreten, wobei wenigstens etwas Chlordioxidgas mit dem Prozesswasser in Lösung absorbiert wird, um eine Chlordioxidlösung zu bilden.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei die Chlordioxidlösung im oberen Teil des Absorbertanks aus dem Absorbertank austritt.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 4, wobei ein Rest des Chlordioxidgases aus dem oberen Teil des Absorbertanks austritt und in einen Chlordioxidgaserzeugungskreislauf rückgeführt wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei die Chlordioxidlösung im Wesentlichen frei von Reaktionsausgangsmaterialbestandteilen ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei die Chlordioxidlösung einen im Wesentlichen neutralen pH aufweist und im Wesentlichen frei von Reaktionsbeiprodukten ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei das Prozesswasser im Wesentlichen demineralisiert ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei das Prozesswasser durch Umkehrosmose erzeugt wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 4, wobei die Chlordioxidlösung über eine Prozessförderpumpe aus dem Absorbertank austritt.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei wenigstens ein mit dem Absorbertank verbundener Strömungsschalter den Zufluss des Prozesswassers steuert.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 3, wobei wenigstens ein Strömungsschalter an dem Absorbertank den Gasfluss durch den Absorber steuert.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 1, wobei die Chlordioxidgasquelle einen Anolytkreislauf und einen Katholytkreislauf umfasst, wobei der Katholytkreislauf mit dem Anolytkreislauf über eine gemeinsame elektrochemische Komponente in Fluidverbindung steht.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 13, wobei der Anolytkreislauf umfasst: (a) einen Reaktionsausgangsmaterialstrom; (b) wenigstens eine elektrochemische Zelle, die in Fluidverbindung mit dem Ausgangsmaterialstrom steht, wobei das elektrochemische Zellensystem ein positives Ende und ein negatives Ende aufweist und der Reaktionsausgangsmaterialstrom durch die wenigstens eine elektrochemische Zelle geführt wird, um eine Chlordioxidlösung zu erzeugen; und (c) eine Strippkolonne, wobei die Chlordioxidlösung von dem positiven Ende der wenigstens einen elektrochemischen Zelle in die Strippkolonne geführt wird und die Strippkolonne wenigstens einen Chlordioxidgasstrom und/oder eine Überschusschlordioxidlösung erzeugt, wobei die Überschusschlordioxidlösung aus der Strippkolonne geführt und mit dem Reaktionsausgangsmaterialstrom in die wenigstens eine elektrochemische Zelle rückgeführt wird und wobei der aus der Strippkolonne austretende Chlordioxidgasstrom dem Absorptionskreislauf zugeführt wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 14, wobei das Reaktionsausgangsmaterial eine Chloritlösung ist, die eine Chloritkonzentration bis zur maximal in dem Reaktionsausgangsmaterial löslichen Menge aufweist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 14, wobei in dem Reaktionsausgangsmaterial Natriumchlorit in einer Konzentration zwischen 5 und 25 Gew.-% vorliegt.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 13, wobei sich der Katholytkreislauf von dem negativen Ende der wenigstens einen elektrochemischen Zelle erstreckt, wobei der Katholytkreislauf umfasst: (a) eine Zufuhrquelle von demineralisiertem Wasser, die mit dem negativen Ende der wenigstens einen elektrochemischen Zelle in Fluidverbindung steht, wobei die Zufuhrquelle von demineralisiertem Wasser einen positiven Ionenbestandteil aufweist, der dazu von einer Reaktion eines Reaktionsausgangsmaterials in der wenigstens einen elektrochemischen Zelle weitergegeben wurde, um ein ionisches Lösungsbeiprodukt zu erzeugen; und (b) einen Beiprodukttank, wobei das ionische Lösungsbeiprodukt von dem negativen Ende der wenigstens einen elektrochemischen Zelle zu dem Beiprodukttank geführt wird und wobei das ionische Lösungsbeiprodukt aus dem Beiprodukttank geführt und mit dem demineralisierten Wasser in die wenigstens eine elektrochemische Zelle rückgeführt wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 17, wobei die Reaktion des Reaktionsausgangsmaterials ein Beiproduktgas erzeugt und das Beiproduktgas von dem negativen Ende der wenigstens einen elektrochemischen Zelle weggeführt wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 18, wobei das Beiproduktgas mit Umgebungsluft verdünnt und aus dem Generator abgeführt wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 17, wobei das Lösungsbeiprodukt in dem Beiprodukttank verdünnt ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 1, wobei die Chlordioxidgasquelle und der Absorptionskreislauf so betrieben werden, um das Einführen einer im Wesentlichen reinen Chlordioxidlösung in ein druckbeaufschlagtes Wassersystem zu ermöglichen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 21, wobei das druckbeaufschlagte Wassersystem bei Drücken im Bereich von 1 psi bis 100 psi (6,9 kPa bis 689 kPa) betrieben wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 21, wobei das druckbeaufschlagte Wassersystem bei Drücken im Bereich von 30 psi bis 100 psi (206,8 kPa bis 689 kPa) betrieben wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 21, wobei das druckbeaufschlagte Wassersystem bei Drücken im Bereich von 50 psi bis 100 psi (344,7 kPa bis 689 kPa) betrieben wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 21, wobei das druckbeaufschlagte Wassersystem bei Drücken im Bereich von mehr als 100 psi (689 kPa) betrieben wird.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 1, wobei der Absorptionskreislauf das Einführen von Luft in ein druckbeaufschlagtes Wassersystem hemmt.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 1, ferner umfassend ein programmierbares Logiksteuersystem.
Chlordioxidlösungsgenerator umfassend: (a) eine Chlordioxidgasquelle; (b) einen Absorptionskreislauf zum Lösen von Chlordioxid in einen Flüssigkeitsstrom, wobei der Absorptionskreislauf in Fluidverbindung mit der Chlordioxidgasquelle steht; und (c) eine Gasüberführungsanordnung, die zwischen der Chlordioxidgasquelle und dem Absorptionskreislauf geschaltet ist, wobei die Gasüberführungsanordnung umfasst: (1) eine Gasumwälzpumpe mit wenigstens einer Einlassöffnung zum Aufnehmen eines Chlordioxidgasstroms von der Chlordioxidgasquelle und wenigstens einer Auslassöffnung zum Abführen eines druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms; und (2) eine Auslassverteileranordnung, die sich von der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung erstreckt, wobei die Auslassverteileranordnung wenigstens eine Verteilerrohrleitung umfasst, die ein Innenvolumen zum Führen des druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms von der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung zu dem Absorptionskreislauf definiert, wobei das wenigstens eine Verteilerrohrleitungsinnenvolumen ausreichend groß ist, um den Zerfall von Chlordioxid in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom zu hemmen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 28, wobei das wenigstens eine Verteilerrohrleitungsinnenvolumen ausreichend groß ist, um eine Temperatur des druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbeizuführen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 28, wobei die Gasumwälzpumpe erste und zweite Einlassöffnungen zum Aufnehmen von ersten und zweiten Chlordioxidgasströmen von der Chlordioxidgasquelle aufweist, wobei die Gasumwälzpumpe erste und zweite Auslassöffnungen zum Abführen von ersten und zweiten druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströmen aufweist, und wobei die Abführverteileranordnung erste und zweite Verteilerrohrleitungen umfasst, die ein Rohrleitungsgesamtinnenvolumen zum Führen der ersten bzw. zweiten druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströme von der Gasumwälzpumpe zu dem Absorptionskreislauf definieren, wobei das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ausreichend groß ist, um den Zerfall von Chlordioxid in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom zu hemmen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 30, wobei das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ausreichend groß ist, um eine Temperatur des druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbeizuführen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 31, wobei die ersten und zweiten Einlassöffnungen jeweils eine Einlassöffnungsrohrleitung aufweisen, die sich davon zum Aufnehmen der ersten und zweiten Chlordioxidgasströme von der Chlordioxidgasquelle erstreckt, wobei die ersten und zweiten Auslassöffnungen jeweils eine Auslassöffnungsrohrleitung aufweisen, die sich davon zum Abführen der ersten und zweiten druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströme erstreckt, und wobei die Auslassverteileranordnung erste und zweite Verteilerrohrleitungen umfassen, die ein Rohrleitungsgesamtinnenvolumen zum Führen der ersten bzw. zweiten druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströme von der Gasumwälzpumpe zu dem Absorptionskreislauf definie ren, wobei das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ausreichend groß ist, um den Zerfall von Chlordioxid in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom zu hemmen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 32, wobei die Auslassöffnungsrohrleitungen aus einem Material gebildet sind, das einen Schmelzpunkt von mehr als etwa 140 °F (60 °C) aufweist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 33, wobei die Auslassöffnungsrohrleitungen aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, Polychlortrifluorethylen, chloriertem Polyvinylchlorid, Titan und anderen Metallen mit einem Schmelzpunkt von höher als etwa 140 °F (60 °C) ausgewählt ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 31, wobei die ersten und zweiten Einlassöffnungen jeweils eine Einlassöffnungsrohrleitung aufweisen, die sich davon zum Aufnehmen der ersten und zweiten Chlordioxidgasströme von der Chlordioxidgasquelle erstreckt, wobei die ersten und zweiten Auslassöffnungen jeweils ein Paar von Auslassöffnungsrohrleitungen aufweisen, die sich davon zum Abführen von zwei Paaren von druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströmen erstrecken, und wobei die Auslassverteileranordnung wenigstens eine Verteilerrohrleitung umfasst, die ein Rohrleitungsgesamtinnenvolumen zum Führen der ersten bzw. zweiten druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströme von der Gasumwälzpumpe zu dem Absorptionskreislauf definiert, wobei das Verteilerrohrleitungsgesamtinnenvolumen ausreichend groß ist, um den Zerfall von Chlordioxid in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom zu hemmen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 35, wobei die Auslassöffnungsrohrleitungen aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von höher als etwa 140 °F (60 °C) gebildet sind.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 36, wobei die Auslassöffnungsrohrleitungen aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, Polychlortrifluorethylen, chloriertem Polyvinylchlorid, Titan und anderen Metallen mit einem Schmelzpunkt von höher als etwa 140 °F (60 °C) ausgewählt ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 35, wobei die Auslassverteileranordnung eine einzelne Verteilerrohrleitung umfasst, die ein Innenvolumen zum Führen von zwei Paaren von druckbeaufschlagten Chlordioxidgasströmen von der Gasumwälzpumpe zu dem Absorptionskreislauf definiert, wobei das Innenvolumen ausreichend groß ist, um den Zerfall von Chlordioxid in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom zu hemmen.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 28, wobei ein Verhältnis des Querschnittsdurchmessers der wenigstens einen Verteilerrohrleitung zu dem Querschnittsdurchmesser der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung größer als 1 ist.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 28, wobei die Auslassverteileranordnung einen damit in Wärmekontakt stehenden Kühlfluidstrom aufweist, wobei der Kühlfluidstrom den Zerfall von Chlordioxid in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom weiter hemmt.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 40, wobei der Kühlfluidstrom in Wärmekontakt mit der wenigstens einen Verteilerrohrleitung steht.
Chlordioxidlösungsgenerator nach Anspruch 41, wobei der Wärmekontakt des Kühlfluidstroms mit der wenigstens einen Verteilerrohrleitung weiter eine Temperatur eines druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °F) herbeiführt.
Verfahren zum Erzeugen einer Chlordioxidlösung, umfassend: (a) Bereitstellen einer Quelle von Chlordioxidgas; (b) Lösen von Chlordioxid in einen Flüssigkeitsstrom mittels eines mit der Chlordioxidgasquelle in Fluidverbindung stehenden Absorptionskreislaufs; (c) Zwischenschalten einer Gasumwälzpumpe zwischen die Chlordioxidgasquelle und den Absorptionskreislauf, wobei die Gasumwälzpumpe wenigstens eine Einlassöffnung zum Aufnehmen eines Chlordioxidgasstroms von der Chlordioxidgasquelle und wenigstens eine Auslassöffnung zum Abführen eines druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms aufweist; (d) Zwischenschalten einer Auslassverteileranordnung zwischen die Gasumwälzpumpenauslassöffnung und den Absorptionskreislauf, wobei die Auslassverteileranordnung wenigstens eine Verteilerrohrleitung umfasst, die ein Innenvolumen zum Führen des druckbeaufschlagten Chlordioxidgas stroms von der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung zu dem Absorptionskreislauf definiert; und (e) Hemmen des Chlordioxid-Zerfalls in dem druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstrom durch eine Volumenerhöhung zwischen der wenigstens einen Gasumwälzpumpenauslassöffnung und der wenigstens einen Verteilerrohrleitung.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Volumenerhöhung eine Temperatur eines druckbeaufschlagten Chlordioxidgasstroms innerhalb der wenigstens einen Verteilerrohrleitung von weniger als etwa 163 °F (73 °C) herbeiführt.