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Verfahren zum Spalten von Emulsionen und Anlage zur Durchführung des
Verfahrens In der Metallindustrie werden zum Kühlen und Schmieren der Werkzeuge
und Werkstücke bei der spanlosen und spangebenden Bearbeitung sowie als Korrosions
schutzmittel Öl-in-Wasser-Emulsionen verwendet. Auch in anderen Industriezweigen
fallen als Abfall vielerlei Ölemulsionen an. Alle diese Flüssigkeiten dürfen, wenn
sie verbraucht sind, nur dann als Abwasser in die Kanalisation oder in den Vorfluter
abgelassen werden, wenn vorher das darin enthaltene Öl bis auf Spuren entfernt worden
ist.
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Zahlreiche Verfahren, physikalische, chemische und auch kombiniert
physikalisch-chemische, sind bekannt geworden, mit denen die geforderte Entölung
der Emulsionen durchgeführt werden kann.
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Ein häufig benutztes Trennverfahren beruht auf der Verwendung von
hydrophoben Ads orbtionsmitteln.
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Die meisten Emulsionen können damit ohne größeren apparativen Aufwand
ausreichend entölt werden.
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Die Adsorbtionsmittel werden in die Emulsion eingerührt, was mitunter
etwas schwierig ist. In einer Reaktionszeit von nur einigen Minuten wird das Öl
adsorbiert und kann dann zusammen mit dem Adsorbtionsmittel aus dem Wasser abfiltriert
werden. Da die hierfür geeigneten Adsorbtionsmittel sehr teuer sind, verbietet sich
die Anwendung dieses Trennverfahrens wegen zu hoher Kosten, wenn größere Emulsionsmengen
mit einem hohen
4 Ölgehalt aufbereitet werden müssen. Außerdem können
sehr beständige Emulsionen mit diesem Verfahren nur unvollständig entölt werden.
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Bekannt ist auch das Aus flocken des Öles mit Metallsalzen, beispielsweise
Aluminiumsulfat, Magnesiumchlorid u. a.
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Das Verfahren gelangt in mehreren Varianten zur Anwendung.
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Dabei fallen je nach den zum einwandfreien Spalten erforderlichen
Salzmengen größere Mengen Metallhydroxyde - an die das Öl adsorbtiv gebunden ist
- als Schlamm aus. Durch Sedimentation kann der Schlamm mit einem Wassergehalt von
über 95 % von dem klaren Spaltwasser abgetrennt werden. Die Beseitigung dieses Schlammes
ist meist mit erheblichen Kosten verbunden.
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Es wäre deswegen zweckmäßig, den Wassergehalt des Schlammes und damit
auch die Schlammenge durch filtern einzuengen.
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Die Filtrierbarkeit solchen mit viel Öl belasteten Schlammes ist
aber meistens sehr schlecht.
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Zum Stand der Technik gehören auch chemische Spaltverfahren, bei
denen die Emulsion, durch Zugabe von Säuren und Erhitzen auf nahezu 1000 C, gebrochen
wird. Das Öl kann danach in Trennsäulen oder Separatoren von dem Spaltwasser abgetrennt
werden. Da das bei diesem Verfahren anfallende Altöl meist stark sauer ist, kann
es bei der späteren Verarbeitung Korrosionsschäden verursachen.
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Außerdem muß nach der Ausscheidung des Öles das Wasser neutralisiert
und im allgemeinen zum Klären auch noch filtriert werden.
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Alle chemischen Spaltverfahren haben den Nachteil, daß bei wechselnden
Emulsionstypen von Fall zu Fall Vorversuche gemacht werden müssen, um sicherzustellen,
daß die richtigen Chemikalien in der erforderlichen Menge zudosiert werden. Außerdem
darf nicht übersehen werden, daß das Abwasser zusätzlich mit Chemikalien belastet
wird.
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Es sind auch Verfahren entwickelt worden, bei denen die Spaltung durch
Verdampfen der Emulsionen erreicht wird, ohne daß dabei Chemikalien verwendet werden.
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Dazu sind umfangreiche Verdampfungsanlagen erforderlich, die mit sehr
hohen Energiekosten arbeiten. Das ~Aufarbeiten von Emulsionen durch Verdampfen ist
deswegen sehr kostspielig.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, das Spalten von Öl-in-Wasser-Emulsionen
mit einem geringeren I(ostenaufwand und ohne Verwendung von Chemikalien durchzuführen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die zur Bildung einer beständigen Emulsion
aus Öl und Wasser erforderlichen Emulgatoren bei höheren Temperaturen unwirksam
werden. Das neue Verfahren sieht deshalb vor, daß die zu spaltende Emulsion auf
eine oberhalb 1000 C liegende, die Zerstörung der darin enthaltenen Emulgatoren
bewirkende Temperatur gebracht wird, wobei das Verdampfen des Wassers durch Anwendung
eines der Temperatur angepaßten Druckes verhindert wird, und daß anschließend die
gebrochene Emulsion abgekühlt und getrennt wird.
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Besonders vorteilhaft ist die Spaltung der Emulsion in kontinuierlichem
Betrieb, indem die zu spaltende Emulsion zunächst in einem druckfesten Wärmeaustauscher
im Gegenstrom mit bereits gebrochener, also heißer, abzukühlender Emulsion aufgeheizt
und anschließend durch einen Spitzenerhitzer weiter auf die zur Zerstörung der in
ihr enthaltenen Emulgatoren erforderliche Temperatur erhitzt wird. Bei Anwendung
des kontinuierlich arbeitenden Verfahrens braucht jeweils nur so viel Wärme in dem
durch Fremdenergie beheizten Spitzenerhitzer zugeführt werden, daß sich ein ausreichendes
Temperaturgefälle zwischen der dem Wärmeaustauscher zum Spalten zugeführten Emulsion
und den ablaufenden Bestandteilen der gebrochenen Emulsion einstellt und die Wärmeverluste
des Systems ersetzt werden. Es hat sich gezeigt, daß zur Zerstörung der Emulgatoren
im allgemeinen eine Erhitzung auf etwa 2500 C bei einem Druck von etwa 4 MPa. ausreicht.
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Bei leicht spaltbaren Emulsionen kann aber auch schon eine tiefere
Temperatur ausreichen, ebenso wie bei extrem schwer spaltbaren Emulsionen unter
Umständen noch höhere Temperaturen erforderlich sein können. Es ist ein wesentliches
Merkmal des Verfahrens, daß der Druck mindestens so hoch ist, daß keine Verdampfung
des Wassers eintritt.
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Es kann aber auch chargenweise gearbeitet werden, wenn nur kleine
Emulsionsmengen zu spalten sind. Dann erfolgt die Erhitzung bis auf die erforderliche
Reaktionstemperatur in einem beheizten Hochdruckbehälter, in dem auch die Abkühlung
nach der Reaktion bis unter 1000 C eventuell unter Zuhilfenahme von Kühlwasser erfolgt.
Die weitere Abkühlung bis auf die zum Ablassen des gereinigten Wassers in die Kanalisation
erforderliche Temperatur kann außerhalb
des Druckbehälters eventuell
in einem Wärmetauscher unter Vorwärmung der nächsten Charge erfolgen. Der chargenweise
Betrieb ist naturgemäß mit einem erheblich höheren Energieaufwand verbunden, als
die kontinuierliche Arbeitsweise, der aber immer noch geringer ist als beim Spalten
durch Verdampfung.
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In den Zeichnungen sind zwei Anlagen zur kontinuierlichen Spaltung
von Öl-in-Wasser-Emulsionen dargestellt.
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Gemäß Fig. 1 wird die zum Spalten anfallende Emulsion in einem Behälter
1 gesammelt und mittels einer Pumpe 2 in einen Gegenstrom-Wärmeaustauscher 3 gefördert,
in dem die Erhitzung unter Druck auf beispielsweise 2300 C erfolgt. Von dort gelangt
die aufgeheizte Emulsion zu einem Spitzenerhitzer 4, in dem sie mittels Fremdenergie
auf die erforderliche Reaktionstemperatur von beispielsweise 2500 C erhitzt wird.
Mit dieser Temperatur fließt die nunmehr gebrochene Emulsion wieder durch den Wärmeaustauscher
3 zurück, wobei sie unter Abkühlung auf beispielsweise 300 C als Heizmedium dient.
Über ein Druckreduzierventil 5 zum Entspannen des abgekühlten Spaltwassers von dem
Druck im Erhitzersystem - das ist im gewählten Beispiel bei 2500 C mindestens 4
MPa -auf den Druck im freien Raum, gelangt die gebrochene und abgekühlte Emulsion
schließlich in einen Trennbehälter 6, in dem sich bei ausreichender Beruhigung der
strömenden Medien das Öl durch Aufschwimmen vom Wasser trennt.
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Mittels einer Pumpe 11 wird das Öl abgesaugt und in einen Sammelbehälter
12 geleitet.
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Wenn es aus räumlichen Gründen oder wegen zu großer Menge der zu spaltenden
Emulsion nicht möglich ist oder zu aufwendig wäre, einen Ölabscheidebehälter der
erforderlichen Größe aufzustellen, dann kann das Trennen des Öles vom Wasser auch
mit einem Separator durchgeführt werden. In diesem Fall wird dem Wärmeaustauscher
3 auf der Auslaufseite anstelle des Trennbehälters 6 ein Separator 7 nachgeschaltet.
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Da sich aber in einem Separator das Öl besser bei erhöhter Temperatur
vom Wasser trennen läßt, wird bei dieser Anlage die gespaltene Emulsion im Wärmeaustauscher
3 nur so weit abgekühlt, daß sie im Druckminderventil 5 ohne zu verdampfen auf den
Druck der freien Atmosphäre entspannt werden kann, beispielsweise auf 900 C, und
mit dieser Temperatur dem Separator 7 zugeführt. Von dort gelangt das entölte Wasser
in einen zweiten Wärmeaustauscher 8, in dem es auf die Endtemperatur von beispielsweise
300 C abgekühlt wird, und in dem dabei eine Vorwärmung der zu spaltenden Emulsion
von Raumtemperatur auf beispielsweise 650 C stattfindet. Das abgespaltene Öl fließt
vom Separator 7 in einen Sammelbehälter 12.
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Es kann der Fall eintreten, daß das Spaltwasser durch Schwebestoffe
aus der Emulsion oder durch Crackprodukte, die bei der hohen Erhitzung aus Bestandteilen
der Emulsion entstanden sein können, getrübt ist. Um einwandfrei klares Abwasser
zu erhalten, kann in diesem Fall das Wasser vor dem Ablassen in die Kanalisation
über ein Filter 9 gefiltert werden.
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Bei extrem schwierig zu spaltenden Emulsionen kann es auch vorkommen,
daß das entölte Spaltwasser einen geringfügig zu hohen Restölgehalt aufweist. Es
besteht dann die Möglichkeit, in einem Mischbehälter 10 durch Zudosieren bekannter
Flockungsmittel oder Ads orbtions mittel den kleinen Restölgehalt dem Wasser zu
entziehen. Das in dem Mischbehälter nachbehandelte Spaltwasser muß dann zum Ausfiltern
des Flockungsmittels bzw. des Adsorbtionsmittels mit dem Öl über das Filter 9 geleitet
werden.
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Patentansprüche