DE202023001826U1 - Reaktoranordnung für eine Ammonium haltige Strömung - Google Patents

Reaktoranordnung für eine Ammonium haltige Strömung Download PDF

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Abstract

Reaktoranordnung (1) für eine Ammonium haltige Strömung,wobeieine Rohrleitung (2) für eine erzwungene NH4+ haltige Strömung, nach Re,eine Aufgabeleitung (8) für ein Reaktionsmittel,statische Mischer (7),ein Auffangbehälter (4),und eine Pumpe (9) vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung befasst sich mit einer Reaktoranordnung für eine Ammonium haltige Strömung, Reaktionen in dem Reaktor, Vermeidung von Abwasser durch Reaktionen, den Emissionsprognosen von Ammonium, NH4+ haltigen Abwässern, um einen klimaneutralen Betrieb, eine Behandlung der Abwässer und eine Verwendung von gereinigtem Abwasser zu ermöglichen.
  • Eine Behandlung der Ammonium haltigen Abwässer aus der Landwirtschaft ist von Margarita Müller an der Uni Augsburg bekannt, nach welcher verschiedene Methoden für die Trennung von NH3 aus Abwasser von Gärresten und die Trennverfahren auf der Grundlage von Ausdampfung und Strippen der Gärreste beschrieben sind. Näheres: Margarita Müller Masterarbeit; Methoden der Aufbereitung von Fermentationsrückständen; mathematisch naturwissenschaftliche Technische Fakultät der Universität Augsburg; 06. 2020. Nachteilig sind für Ammonium haltige Abwässer der Landwirtschaft physikalische Methoden durch Wärmezufuhr und Verdampfen von NH3 beschrieben. Wesentlicher Nachteil: Volumenzunahme des Dampfes von 1 Liter auf 1,7 m3/kg um das 1.700 - faches Volumen. Demgemäß sind bei der physikalischen Behandlung von Abwässern und der Chemiesorption weitere Maßnahmen notwendig, um die großvolumigen Anlagen zu verhindern.
  • Weiter beschäftigt sich die Erfindung mit der Trennung der Abwässer unter Verwendung von Bentonit und Stärke als Zuschlagstoffe für die Ammonium haltigen Abwässer der Landwirtschaft nach den Trennverfahren mit Dekantern, die bekanntermaßen zu Behandlung der Gülle von Schweinezuchtbetrieben verwendet werden. Näheres: Flottweg SE, 84137 Vilsbiburg.
  • Nachteil ist die Reaktion der Zuschlagstoffe bei der Behandlung des Ammoniums in der Gülle. Für eine Verwendung der Abwässer aus der Landwirtschaft, frei von Ammonium und der Schweinezucht sind weiter Maßnahmen notwendig.
  • Weiter beschäftigt sich die Erfindung mit dem Stickstoffkreislauf, der über Ammoniak im Abwasser über Gärreste, Klärschlamm, über die Kläranlagen und die Gärreste Aufbereitung verläuft, und insbesondere mit der Auswirkung auf das Klima, der Bildung des Ammonium NH4+ durch die Löslichkeit in H2O. Vorteil ist die Protonierung von Ammoniak in wässriger Lösung sowie in einer Ammonium haltigen Strömung oder Rohrströmung und die Einbindung des NH3 für chemische und biologische Reaktionen als NH4+. Hinsichtlich der technischen Ausgestaltung der Apparate sind weitere Maßnahmen notwendig.
  • Weiter beschäftigt sich die Erfindung mit flüssigen Bedingungen innerhalb von N-Kreisläufen mit Reaktionen in NH4+ haltigen Flüssigkeiten, die von Mensch und Tier ausgehen, um Ammonium haltige Ströme in flüssigem Zustand zu behandeln. Es ist nämlich bei Chemiesorption mit bestimmten Chemikalien so, dass mit deren Aufgabe eine Neutralisation und Veränderung der ph Werte möglich sind; z.B. die Pufferung von N als NH3 im sauren Bereich mit folgender Gleichung zur Bildung von organischem Stickstoff als Ammonium: NH4 + OH >> NH3 + H2O; Gleichung (1)
  • Weiter beschäftigt sich die Erfindung mit der Infrastruktur der Tierhaltung und Landwirtschaft, insbesondere mit der vorhandenen Energie, um die Abscheidung von Ammonium aus Abwasser mit klimaneutraler Energie und eine klimaneutrale Betriebsführung zu ermöglichen.
  • Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung über eine Reaktoranordnung für eine Ammonium haltige Strömung einer turbulenten Wasserströmung für eine Behandlung von Ammonium NH4+ liegt für die Neutralisation von NH4+ nach dem aufgezeigten Stand der Technik und wegen der Nachteile von NH4+ bei der Verwendung des Wassers aus der Landwirtschaft, in der Tierhaltung und den Gärresten, das Problem zu Grunde, einen Reaktor mit einer Rohrströmung für Chemiesorption von Ammonium NH4+ vorzuschlagen, um bei den vorhandenen Ressourcen (el. Energie) eine Neutralisation von Ammonium oder einen Wertstoff mit Ammonium als Ausgangsmaterial zu ermöglichen, um den Klimaschutz zu unterstützen und Wasser als Wertstoff zu erhalten.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in Zuchtbetrieben von Schweinen, um Ammonium mit Chemiesorption in den Kreisläufen zu reduzieren, Kreisläufe zu schließen, NH3, N20 Emissionen zu vermeiden, um hochwertiges Fleisch von klimaneutralen Schweinen zu ermöglichen.
  • Dieses Problem wird durch die in Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale einer Reaktoranordnung für eine Ammonium haltige Strömung gelöst, in welcher eine Rohrleitung für eine erzwungene NH4+ haltige Strömung nach Re, eine Aufgabeleitung für ein chemisches Reaktionsmittel, statische Mischer, ein Auffangbehälter, eine Pumpe und insbesondere eine Rückführleitung zur Ausbildung eines Schlaufenreaktors vorgesehen sind.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen 2 - 10 genannten Maßnahmen möglich.
  • Die mit der Erfindung einer Reaktoranordnung für eine Ammonium haltige Strömung erzielten Vorteile bestehen in der Anordnung einer Rohrleitung für eine erzwungene NH4+ haltige Strömung, in statischen Mischern und der Aufgabeleitung für Reaktionsmittel, um eine Neutralisation von NH4+ zu ermöglichen und das Wasser wiederzuverwenden.
  • Weitere Vorteile der Reaktoranordnung sind,
    • • erzwungene Strömung nach Re (Reynolds),
    • • die gute Verteilung für Chemiesorption ab den Mischelementen,
    • • turbulente, übertragbare Rohrströmungen, Ähnlichkeitsgesetz nach Re
    • • kurze Reaktorlängen,
    • • geschlossene Bauweise,
    • • Schlaufenreaktor mit Auffangbehälter,
    • • hohe Materialeinsparung,
    • • Klimaneutrale Unterkünfte zur Tierhaltung, insbesondere Schweine.
  • Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist mit statischen Mischer vorgesehen. Hierzu sind Mischelemente hintereinander in Richtung der Strömung in der Rohrleitung vorteilhaft angeordnet. Vorteil ist die Auswahl des einzelnen Elementes z.B. in der Bauweise L/D, (1:1). Weiterer Vorteil:
    • • Verkürzung der Mischstrecken bei turbulenter Strömung,
    • • gleichmäßige Verteilung der Reaktionsmittel, (02, H2SO4),
    • • weniger Platzbedarf und Energieeinsparung.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 2 angegeben. Die in Schutzanspruch 2 beschriebene Erfindung ermöglicht es, eine Rückführleitung und einen Schlaufenreaktor vorzusehen. Vorteilhaft ist mit der Rückführleitung ein Schlaufenreaktor vorgesehen. Erreichter Vorteil: Betrieb des Schlaufenreaktors über den Auffangbehälter; weiterer Vorteil: Sicherung der Qualität in der Behälterfüllung mit Chemiesorption.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 3 angegeben. Die in Schutzanspruch 3 beschriebene Erfindung ermöglicht es, eine Aufgabeleitung für Sauerstoff 02 vorzusehen. Hiermit ist die Aufgabeleitung für eine Zugabe von 02, Sauerstoff vorgesehen. Vorteilhaft ist die Reaktoranordnung für eine Chemiesorption mit 02 vorgesehen. Erreichter Vorteil: Stöchiometrie der Sauerstoff Zufuhr, sowie Mengenregelung bis auf null Nm3/h - 02.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 4 angegeben. Die in Schutzanspruch 4 beschriebene Erfindung ermöglicht es, eine Aufgabeleitung in der Rückführleitung vorzusehen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 5 angegeben. Die in Schutzanspruch 5 beschriebene Erfindung ermöglicht es, eine Anzeige QIC für 02 im Behälter vorzusehen. Vorteil: Anzeige von 02 Überschuss.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 6 angegeben. Die in Schutzanspruch 6 beschriebene Erfindung ermöglicht es, eine Aufgabeleitung für das Reaktionsmittel Schwefelsäure H2SO4 vorzusehen. Vorteil: Wechsel zwischen H2SO4 und 02 Aufgabe.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 7 angegeben. Die in Schutzanspruch 7 beschriebene Erfindung ermöglicht es, ein Anzeige QIC für einen PH-Wert im Behälter vorzusehen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 8 angegeben. Die in Schutzanspruch 8 beschriebene Erfindung ermöglicht es, in einer Reaktoranordnung für eine O2-haltige Strömung eine Rohrleitung für eine erzwungene 02-haltige Strömung, eine Aufgabeleitung für Sauerstoff 02, statische Mischer und eine Pumpe in einem Schlaufenreaktor vorzusehen. Hierdurch ist es mit einer Rohrleitung und einem statischen Mischer möglich, eine flüssige Strömung mit Sauerstoff, 02 vorzusehen. Vorteil ist: Vermischung von Flüssigkeit, H2O und Gas, O2. Re = konstant. Weiterer Vorteil: Gastransport O2 mit H2O, Chemiesorption O2 gesteuert.
  • Es ist nämlich so, dass die Löslichkeit von 02 aus Luft mit 4 mg 02/ Lit. bis 40 mg O2/ Lit. aus O2-Gas (ideales Gas) begrenzt ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 9 angegeben. Die in Schutzanspruch 9 beschriebene Erfindung ermöglicht es, eine Schlauchleitung als Rohrleitung vorzusehen. Hierdurch ist es bei der Reaktoranordnung möglich, anstelle von Rohrleitungen Schlauchleitungen, basierend auf Re, vorzusehen. Erreichter Vorteil: Chemiesorption in 1"- Schlauchleitungen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 10 angegeben. Die in Schutzanspruch 10 beschriebene Erfindung ermöglicht es, Schlauchkupplungen vorzusehen. Hierdurch ist es mit Schlauchkupplungen möglich, Verbindungen und Anschlüsse mit lösbaren Kupplungen und Schläuchen vorzusehen. Erreichter Vorteil: Montage der Reaktoren für Chemiesorption mit Schläuchen und Schlauchkupplungen.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenbau der Einzelteile zu einer Reaktoranordnung und sind als Beispiel als Gleichstrom und Schlaufenreaktor in 1 dargestellt, um Klimaneutralität in der Landwirtschaft zu ermöglichen. Es zeigen:
    • 1: eine Reaktoranordnung.
  • Eine Reaktoranordnung ist mit den Rohrleitungen in 1 als Schema dargestellt, das aus der Reaktoranordnung 1, einer Rohrleitung 2 für eine Ammonium haltige Strömung von einem bauseitigen Anschluss 3, einem Aufnahmebehälter 4, mit einer Füllung 5 unter einem Freiraum (Freeboard) 6, einem statischen Mischer 7, in mehreren Elementen, einer Aufgabeleitung 8 zu dem Statischen Mischer 7 zur Aufgabe von (Grund-) Chemikalien vor dem statischen Mischer 7, einer Förderpumpe 9, aus einer Rückführleitung 11 von dem Aufnahmebehälter 4 mit gelöstem Ammonium NH4+, einem Anschlussstutzen 10 unter Ausbildung eines Schlaufenreaktor 12 für Ammonium haltige Strömung und einer Regelung 13 QIC, so aufgebaut ist, dass
    • • doppelte Reaktorfunktionen, Gleichstrom - und Schlaufenfunktion installiert sind,
    • • zur Chemiesorption von Ammonium NH4+, gelöst in H2O, saubere Energie von dem Dach nutzbar ist,
    • • sauberer H2, Wasserstoff als Nebenprodukt der sauberen Energie vorgesehen ist.
  • Vorteil: die Anwendungsbreite mit 02, H2SO4, Kalk Ca(OH)2 u.a. Erreichter Vorteil:
    • Klimaneutralität der Schweine durch behandeltes Wasser mit Energie vom Dach.
  • Weiter ist in 1 eine Aufgabe von 02 Sauerstoff zusammen mit einem statischen Mischer 14, einer Rohrleitung 15, einer Aufgabeleitung 16 für den gasförmigen Sauerstoff 02 und mit einer Förderpumpe 17 in der Weise aufgezeigt, dass
    • • O2 als (Grund-)Chemikalie vorgesehen ist,
    • • Transport des Gemisches H2O-O2 in turbulenter Strömung vorgesehen ist.
  • Erreichter Vorteil:
    • • Gemischbildung mit O2, nach Ähnlichkeitsgesetz mit Re,
    • • Gleichstromreaktor, Transport von O2 in turbulenter Strömung für Chemiesorption, reproduzierbar.
  • Neben der Darstellung in 1 sind weitere Ausführungen möglich, die im Einzelnen nicht aufgeführt sind. Wichtig ist, dass eine Rohrleitung nach einem statischen Mischer für turbulente Ammonium haltige Strömung, nach Re, vorgesehen ist, um die Vorteile der Erfindung durch Chemiesorption mit 02, Sauerstoff zu erreichen.
  • Vorteile sind: Hoher Durchsatz, kleine Rohrleitung, flexible Ausbildung bei der Nutzung klimafreundlicher Energie.
  • Wesentlicher Vorteil:
    • • Klimafreundlicher Unterhalt der Stallungen durch Chemiesorption,
    • • Saubere Energie aus dem Schweinestall (Landwirtschaft).
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Berechnung und sind im Folgenden als Beispiel aufgezeigt:
    Beispiel 01: (SW) Schweine Zucht
    Nenn Menge der Tiere 2.000 SW
    Nenn Emission 6,5 kg NH3/Jahr
    Mensch 0,011 * 17/14 * 365 4,87 kg / Jahr
    Faktor 6,5 / 4,87 1,33
    Schweine-äquivalent
    2.000 SW * 1,33 2.669 EW
    IST-Äquivalent 2.700 EW
    Nenn Emission nach TA Luft 2.2 Schweinestall
    0,011 kg * 2.700/24 h 1,24 kg N2 / h
    IST 1,24 * 22,41/28 0,99 Nm3 N2 / h
    O2 min nach Gl. (2)...
    (2 NH4+) + 2 O2 → N2 + 4 H2O; Gl. (2)
    0,99 Nm3 N2 * 2 2 Nm3 O2 / h
    Herstellung im Elektrolyseur (1.000 kW)
    Nenn Leistung 2 Nm3 / 22,41 0,09 O2 / h
    Energie el. 1.000 kW * 0,09 / 5 17,85 kW
    Kostenfaktor 18 * 1.600 €/kW ca. 30.000 €
    EI. Energie 0,06 € / kWh
    Betriebskosten, bei 18 kW 1,08 € / h
    Erreichter Vorteil bei Zuchtschweinen: TA Luft 2.2
    • Chemiesorption des Ammonium - null Emission
    • H2 Erzeugung von 2 * 0,09 O2 0,18 H2 / h
    • Energiekosten 1,08 € / h
    • Kosten bezogen auf H2: 0,36 kg/h
    (1,08 € / 0,36 kg) 3 € / kg H2
    • Fleischqualität, klimaneutral bei eigener Energie vom Dach.
    Beispiel 02
    Nenn Menge 2.000 SW
    Abwasser Dekanter 7.000 m3/a
    Ammonium* 2,17 kg / m3 2,7 Nm3
    *) für strömungstechnische Berechnung
    Nach Gl. 02
    2 NH4 + 2 O2 → N2 + 4 H2O;
    O2 = 2,7 * 32 / 22,41 3,86 kg O2
    Sauerstoff Dosierung: Chemiesorption
    a) Gelöster O2 40 mg / Liter
    m H2O = 3.860.000 mg /40
    (Lit. H2O) = 96.000 Lit. H2O / h
    b) O2 als Ideales Gas 0,5 Nm3/ 1000 lit.
    m H2O = 2,7 / 0,5 5,4 m3 / h
    Rohrleitung um 2" (Zoll)
    Erreichter Vorteil bei Sauerstoff:
    5,4 m3 / h mit 5,6 % - statt 96 m3 / h - H2O
    Einsparung H2O 94,4 %
    Reaktoranordnung nach Fig. 1:
    • Rohrleitung / Schläuche 50 mmø
    • O2 - Verteilung 1 Nm3 / 2000 Liter
    Beispiel 03 Schwefelsäue H2SO4
    Ammonsulfat Lösung (NH4)2S04
    Dosierung von H2SO4 Gleichung (3)
    2 NH4+ 1 H2S04 >> (NH4)2S04 + H2; Gl. 3
    Bei 2,7 NM3 NH4+ :
    Spez. Lösung H2S04 1,35 Nm3
    m H2SO4 = 132 M / 22,41 * 1,35
    m H2SO4 = 7,95 kg/h
    Nenn-Kosten 50 bis 80 € / h
    Erreichter Vorteil:
    H2SO4, Chemie 8 kg / h
    02, Energie vom Dach 3,86 kg / h
  • Wesentliche Vorteile der Erfindung sind:
    • • Gleichstrom- und Schlaufenreaktor für Chemiesorption mit O2 und H2SO4,
    • • Flexibler O2 Transport in turbulenter Strömung,
    • • übertragbare Re Zahlen, 2.000 und größer
    • • saubere Energie vom Dach,
    • • klimaneutrales Brauchwasser (Klospülung),
    • • Null Emission aus Chemiesorption,
    • • H2 Nutzung aus dem Elektrolyseur,
    • • für eine klimaneutrale Schweinezucht
    • • Schlauchkupplungen und flexible Installation.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Reaktoranordnung
    2
    Rohrleitung
    3
    Anschluss, bauseitig
    4
    Auffang-, Aufnahmebehälter, Behälter
    5
    Füllung
    6
    Freiraum, Freeboard
    7
    Mischer, statischer Mischer
    8
    Aufgabeleitung
    9
    Förderpumpe
    10
    Anschlussstutzen der Rohrleitung 11
    11
    Rohrleitung, Rückführleitung
    12
    Schlaufenreaktor
    13
    Regelung QIC
    14
    statischer Mischer
    15
    Rohrleitung
    16
    Aufgabe-, Zuführleitung O2
    17
    Förderpumpe
  • Re, Reynold, Reynolds Zahl mit Ähnlichkeitsgesetz

Claims (10)

  1. Reaktoranordnung (1) für eine Ammonium haltige Strömung, wobei eine Rohrleitung (2) für eine erzwungene NH4+ haltige Strömung, nach Re, eine Aufgabeleitung (8) für ein Reaktionsmittel, statische Mischer (7), ein Auffangbehälter (4), und eine Pumpe (9) vorgesehen sind.
  2. Reaktoranordnung nach dem vorstehenden Schutzanspruch 1, wobei eine Rückführleitung (11) und ein Schlaufenreaktor (12) vorgesehen sind.
  3. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei die Aufgabeleitung (8) für Sauerstoff O2 vorgesehen ist.
  4. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei eine Aufgabeleitung (16) in einer Rückführleitung (15) für Sauerstoff 02 vorgesehen ist.
  5. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei eine Anzeige (13) QIC für 02 im Behälter (4) vorgesehen ist.
  6. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei die Aufgabeleitung (8) für das Reaktionsmittel Schwefelsäure H2SO4 vorgesehen ist.
  7. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei eine Anzeige (13) QIC für einen PH-Wert im Behälter (4) vorgesehen ist.
  8. Reaktoranordnung nach Schutzanspruch 1 mit einer Reaktoranordnung für eine 02 haltige Strömung, wobei eine Rohrleitung (15) für eine erzwungene O2-haltige Strömung, eine Aufgabeleitung (16) für Sauerstoff O2, statische Mischer (14), und eine Pumpe (17) in einem Schlaufenreaktor (12) vorgesehen sind.
  9. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei eine Schlauchleitung als Rohrleitung (2, 11 vorgesehen ist.
  10. Reaktoranordnung nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei Schlauchkupplungen vorgesehen sind.
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