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Verfahren und Vorrichtungen zur
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Hydratation von Branntkalk Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und auf entsprechende Vorrichtungen zur kontinuierlichen Hydratation von Branntkalk
zu einer Kalkhydrat-Wasser-Suspension.
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Suspensionen aus Calcium- und/oder Magnesium-Hydroxid und Wasser -
genannt "Kalkmilch" - stellt man her, indem man Branntkalk in stückiger oder gemahlener
Form mit Wasser zusammenbringt und verrührt. Die so entstandene Kalkmilch wird u.a.
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in der chemischen Industrie sowie in der Wasser- und Abwassertechnik
in großem Umfang verwendet. Vornehmlich dient Kalkmilch
zur Neutralisation
von Säuren, zur Enthärtung von Brauch- oder Trinkwasser, zur Entphosphatung, Bindung
von Schwermetallen und Flockung in Abwasserbehandlungsanlagen sowie zur Schlammkonditionierung.
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Die Geschwindigkeit und Vollständigkeit, mit der diese Prozesse ablaufen,
werden maßgeblich mitbestimmt durch die Lösungsgeschwindigkeit der in der Kalkmilch
enthaltenen Feststoffteilchen; denn von dem Kalk sind je nach Temperatur nur 1,2
bis 1,5 g/l in Lösung, während die restliche Kalkmenge, die je nach Konzentration
bis zu dem 200fachen und mehr betragen kann, in der Suspension als Bodenkörper enthalten
ist. Nach allgemeiner Brfahrung und eingehenden speziellen Untersuchungen kann man
davon ausgehen, daß die Lösungsgeschwindigkeit in etwa direkt proportional der Oberfläche
des Bodenkörpers ist und damit von der mittleren Teilchengröße bestimmt wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dem sich eine extrem feinteilige, höchstreaktive Kalkhydrat-Wasser-Suspension
in wirtschaftlicher Weise herstellen läßt. Es hat sich gezeigt, daß sich eine solche
Suspension in überraschend einfacher Weise kontinuierlich herstellen läßt, wenn
gemäß vorliegender Erfindung gemahlener Branntkalk und Wasser dosiert und schnell
miteinander vermischt in ein Kreislaufsystem eingetragen werden, in dem der suspendierte
Kalk während der fortdauernden Reaktion mit dem Wasser einem hohen Schergefälle
ausgesetzt wird und in dem durch Einführung eines Reaktionsraumes die Verweilzeit
der Suspension im Kreislaufsystem
auf die erforderliche Zeitspanne
ausgedehnt wird; aus diesem Kreislaufsystem wird dann die weitgehend aus reagierte
Kalkmilch als hochkonzentrierte Suspension abgezweigt.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, in einer zusätzlichen M>chstufe
die hochkonzentrierte Suspension nochmals zu scheren, wonach die Suspension auf
die erforderliche Konzentration verdünnt und dem Herstellungsprozeß entnommen werden
kann.
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Die erfindungsgemäß hergestel'te Kalkmilch geht vergleichsweise schnell
in Lösung; sie zeichnet sich des weiteren durch eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit
aus, was wiederum bei der Neutralisation von Säuren, bei der Enthärtung von Trink-
und Brauchwasser oder dgl. höhere Arbeitsgeschwindigkeiten oder höheren Durchsatz
erlaubt und letzten Endes zu erhöhter Wirtschaftlichkeit führt.
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Nach einer weiteren Ausführungsart des Verfahrens nach der Erfindung
wird die Zufuhr von Branntkalk und Wasser fest eingestellt und die Entnahme der
weitgehend ausreagierten Kalkmilch über eine Wiegeeinrichtung am Eintrag gesteuert.
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Zur weiteren Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens
ist es von Vorteil, die beim Löschprozeß freiwerdende Wärmeenergie und/oder die
mechanisch - z.B. durch die Umwälzpumpe und durch die Mischer - eingebrachte Energie
teilweise zurückzugewinnen und zur Vorheizung des zugeführten Wassers einzusetzen.
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l3ei kurzzeitiger oder länger andauernder Unterbrechung; des llerstel
lungsprozesses, z.I3. an Wochenenden oder bei scllwankender Abnahmemenge, wird nach
einer weiteren Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zufuhr von Branntkalk
und Wasser unterbrochen und statt dessen Kalkmilch aus der zusätzlichen Mischstufe
nach Verdünnung in das Kreislaufsystem zurückgeführt.
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Am zweckmäßigsten wird dabei die verdünnte Kalkmilch direkt in die
Aufgabevorrichtung eingetragen.
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I)ie Umschaltung - und Zuriickschaltung in den Normalbetrieb - geschieht
vorzugsweise automatisch, wozu z.B. die produzierte, verdünnte Kalkmilch in einem
Vorratsgefäß gesammelt und von der Füllmenge dieses Vorratsgefäßes das Signal abgeleitet
wird.
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h;ine weitere Vereinfachung bei dieser Betriebsweise wird erreicht,
wenn man das gesamte für die Kalkmilchherstellung benötigte Löschwasser in der Verdünnungsphase
der Kalkmilch zusetzt und in das Kreislaufsystem zusammen mit dem Branntkalk -anstelle
des reinen Löschwassers - einen Teil der im Herstellungsprozeß erzeugten, verdünnten
Kalkmilch einträgt. Die Leitung zur Zurückführung der verdünnten Kalkmilch wird
bei dieser Ausführungsart ständig, d.h. sowohl während des Herstellungsprozesses
als auch bei Unterbrechung'durchflossen und kann daher nicht verstopfen; zur Abschaltung
und Fortsetzung der Produktion wird lediglich die Löschwasser- und Kalkzufuhr unterbunden
bzw. wieder eingeschaltet.
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Bei Stillstand der Produktion, solange sich also nur verdiinnte Kalkmilch
in dem System hefindet, genügt es, die Pumpenleistung im Kreislauf auf einen geringen
Teil ihrer Nennleistung zu reduzieren.
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Durch die Riickführung verdünnter Kalkmilch während der Unterbrechung
der Produktion - oder ständig - wird in der Praxis eine Anpassung des Herstellungsprozesses
an schwankende Forderungen ermöglicht, weil jederzeit die Produktion für kurze oder
längere Zeit stillgesetzt werden kann. Ohne solche Maßnahmen müßte sofort nach jeder
Unterbrechung das gesamte System entleert und gesäubert werden, um Kalkablagerungen
zu vermeiden.
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Dies wäre mit hohem Aufwand verbunden. Außerdem müßten zum Ausgleich
von Schwankungen in der Abnahmemenge größere Vorratsbehälter zur Verfügung gestellt
werden. Schließlich gestattet es die geschilderte Betriebsweise, die Anlage stets
auf voller Leistung zu fahren und durch die Dauer der Unterbrechungen die Anpassung
an die erwünschte Abnahmemenge vorzunehmen. Die Steuerung und Optimierung des Herstellungsprozesses
wird dadurch erheblich vereinfacht.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem Kreislaufsystem ein Aufgabegefäß,
eine Umwälzpumpe, ein Mischer und als Reaktionsraum ein Zyklongefäß angeordnet,
aus dem die weitgehend ausreagierte Kalkmilch über ein Dosierventil
ausgetragen.
wird. Je nach Reaktionsfähigkeit des eingetragenen Branntkalkes variiert der Anteil
der weitgehend ausreagierten Kalkmilch, die aus dem Kreislauf entnommen wird, im
Vergleich zu der im gesamten Kreislauf umgewälzten Kalk-Wasser-Suspension; bei reaktionsträgem
Branntkalk wird nur etwa 5 % der umgewälzten Suspension entnommen, während bei reaktionsfähigem
Branntkalk der abgezweigte Anteil bis etwa 20 % der umgewälzten Suspension betragen
kann.
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Um eine besonders schnelle Benetzung - im Bruchteil einer Sekunde
- zu erreichen, wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die Suspension bei ihrer Rückführung aus dem Reaktionsraum in das zylinderförmige
Aufgabegefäß tangential eingeleitet, so daß sich eine Trombe bildet, in deren Mitte
der gemahlene Branntkalk eingetragen wird. Das zugeführte Löschwasser oder die verdünnte
Kalkmilch tritt hier ebenfalls tangential in das Aufgabegefäß ein, unterstützt dadurch
die schnelle Vermischung und verhindert die Ablagerung von Material an der Gefäßwand.
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Die ausreagierte Kalkmilch wird nach einer noch weiteren vorteilhaften
Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der Entnahme aus dem Kreislaufsystem
in einen zweistufigen Intensivmischer übergeleitet, in dessen erster Mischkammer
die
Suspension nochmals geschert wird, während in dessen zweiter
Mischkammer Wasser zur Verdünnung der Suspension - je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck
- eingeleitet werden kann.
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Als zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist noch
zu erwähnen, daß sich alle Teile in einem kompakten und daher leicht transportablen
Aufbau zusammenfassen lassen.
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Günstig ist ferner, daß nur bekannte, wenig anfällige Bauteile zum
Aufbau des Kreislaufsystems und des anschließenden Mischers benötigt werden. Bei
Verwendung einer Wiegeeinrichtung für das Aufgabegefäß und fester Einstellung der
zugeführten Komponenten läßt sich mit herkömmlichen Komponenten eine einfache, zuverlässige
Steuerung verwirklichen, die eine gleichmäßige Qualität und Konsistenz der ausgetragenen
Kalkmilch gewährleistet und für einen kontinuierlichen Herstellungsprozeß Sorge
trägt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung
anhand der beigefügten Abbildungen hervor.
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Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 in Seitenansicht
eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 2 in
Aufsicht die Vorrichtung nach Figur 1.
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In der Anordnung nach Figur 1 wird aus einem Silo 1 mit einer Dosierschnecke
2 (oder einem anderen herkömmlichen Zuteilorgan)
gemahlener Branntkalk
in das Aufgabegefäß 3 der hier dargestellten Vorrichtung gefördert. Da die im Kreislauf
zurückgeführte Suspension tangential in das Aufgabegefäß 3 eintritt, bildet sich
in diesem zylinderförmigem Gefäß 3 eine Trombein deren Mitte der gebrannte Kalk
eingetragen wird. Aus dem Aufgabegefäß 3 wird Kalk und Wasser durch eine unmittelbar
am Auslaß angeordnete Umwälzpumpe 4 angesaugt, wodurch im Bruchteil einer Sekunde,
also sehr schnell im Vergleich zu üblichen Verfahren, eine Benetzung und Suspendierung
des eingetragenen Kalkes erreicht wird. In dem Mischelement 5, einem statischen,
z.B. aus mehreren Lochscheiben bestehenden Mischer, der sich an die Umwälzpumpe
4 anschließt, wird der suspendierte Kalk während der fortschreitenden Reaktion mit
dem Wasser einem hohen Schergefälle unterworfen, wobei gleichzeitig ein wesentlicher
Teil des statischen Pumpendruckes abgebaut wird. Danach gelangt die Suspension in
ein Zyklongefäß 6, das einerseits die Verweilzeit der Suspension in dem Kreislauf
auf die zur Reaktion notwendige Zeit ausdehnt und andererseits die Trennung und
Entnahme bereits weitgehend ausreagierter Kalkmilch aus dem Kreislauf ermöglicht.
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Hierzu ragt in das zylinderförmige Zyklongefäß 6 axial das gestrichelt
angedeutete Rohr hinein, das nach oben zu dem Regelventil 7 und von dort zu einem
Mischer und einer Entnahmevorrichtung führt. Die weitgehend ausreagierte Kalkmilch
gelangt bevorzugt zu dem axialen Entnahmerohr, während die gröberen Teilchen der
übrigen Suspension eher zur Wandung des Zyklongefäaes gedrängt werden und in Richtung
des in Figur 1 oberen Pfeiles in dem Kreislaufsystem zurück zum Aufgabegefäß 3 gelangen.
Nur ca. 5 - 20 % der im Kreislauf umgewälzten Kalk-Wasser-
Suspension
wird aus dem Zyklongefäß 6 über das Regelventil 7 ausgetragen, während die übrige,
vielfach größere Suspensionsmenge zunächst im Kreislauf verbleibt. Auf diese Weise
wird eine ausreichende Verweilzeit der Suspension im Kreislaufsystem bis zur nahezu
vollständigen Reaktion sichergestellt.
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Auch der Wasserzulauf 8 im Aufgabegefäß 3 wird hier tangential in
das Aufgabegefäß 3 eingeführt, damit etwaige Anbackungen von Kalk an den Wänden
abgespült und die Mischungs- sowie Benetzungsvorgänge beschleunigt werden.
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Um die erforderliche Temperatur für den Reaktionsprozeß im Kreislaufsystem
zu erreichen, wird die Konzentration knapp unter der Grenze der Pumpfähigkeit der
Suspension gehalten. Außerdem erhöht der Abbau von statischem Druck infolge der
Strömungsverluste im Mischer 5 die Temperatur im Kreislaufsystem.
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Die über das Regelventil 7 dem Kreislauf entnomsene, hochkonzentrierte
Suspension fließt zunächst in die untere Kammer 10 des zweistufigen Intensivmischers
9, wo sie nochmals in unverdünntem Zustand geschert wird. Entsprechend dem Zufluß
in den Intensivmischer 9 tritt die Suspension in die obere Mischkammer 11 des Mischers
über, wird dort durch Zufluß von Wasser aus dem Ventil 12 auf die gewünschte Konzentration
verdünnt und kann schließlich am Uberlauf 13 der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen
werden. Der zweistufige Mischer besteht im wesentlichen aus je einem Rührorgan 15
bzw. 16 in den beiden Mischkammern, die über den Elektromotor und über die gemeinsame
Achse
angetrieben werden.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Kalkmilch ist in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit
einer völlig disoziierten Lauge - z.B. Natronlauge - sehr ähnlich, wie mittels der
nachstehend beschriebenen Prüfmethode nachgewiesen wurde: In einem Becherglas mit
250 ccm Inhalt wurden 100 ccm n /10-normale Schwefelsäure vorgelegt. Unter intensivem
Rühren wurden 0,4 g in 8 ccm Wasser suspendiertes Hydroxid zugegeben und mittels
einer Glas- bzw. Einstab-Elektrode, wie sie zur Messung des pH-Wertes eingesetzt
wird, und mit Hilfe eines Lichtpunktlinienschreibers die Zeitspannenbis zum Erreichen
des Neutralpunktes bestimmt. Nachstehende Tabelle gibt einen Uberblick über die
Reaktionsgeschwindigkeiten verschiedener Hydroxide im Vergleich zu dem erfindungsgemäß
hergestellten Produkt: suspendierte Trockenhydrate 3,5 - 17 sec Kalkmilch aus herkömmlichen
Löschanlagen 3,5 - 10,0 sec Kalkmilch aus erfindungsgemäßer Vorrichtung 0,55 - 0,9
sec äquivalente Menge Natronlauge 0,55 - 0,68 sec Die erfindungsgemäß hergestellte
Kalkmilch übertrifft also entsprechende, herkömmliche Suspensionen in der Reaktionsgeschwindigkeit
um etwa eine Zehnerpotenz.
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Bei Unterbrechung des llerstellungsprozesses wird statt Branntkalk
und Löschwasser verdünnte Kalkmilch aus der oberen Mischkammer 11 oder aus einem
(hier nicht dargestellten) Vorratsgefäß in das Aufgabegefäß 3 und von dort in das
Kreislaufsystem eingetragen. In diesem Betriebszustand, bei dem sich nur diinnfliissige
Kalkmilch in dem Kreislaufsystem befindet, genügt eine erheblich e.B. auf 15 - 30
% ihrer Nennleistung gedrosselte, Leistung für die Umwälzpumpe 4. Eine automatische
Steuerung aller dieser Vorgänge läßt sich ohne Schwierigkeiten mit herkömmlichen
Mitteln erreichen.
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Zur Zurückschaltung und Fortsetzung des Herstellungsprozesses wird
lediglich die Zufuhr von Branntkalk und Löschwasser wieder in Gang gesetzt und bei
ansteigender Viskosität der umgewälzten Kalk-Wasser-Suspension die Leistung der
Umwälzpumpe 4 wieder erhöht und das Produkt, die verdünnte Kalkmilch, über den tYberlaufstutzen
13 oder aus dem Vorratsgefäß entnommen.
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Es besteht auch die Möglichkeit, wie bereits erläutert wurde, das
gesamte Löschwasser über die Verdünnungsphase und insbesondere über die zweite Kammer
11 des Mischers 9 in den Herstellungsprozeß einzutragen. Die (nicht gezeigte) Leitung
zur Zurückführung verdünnter Kalkmilch in das Aufgabegefäß 3 wird bei dieser Betriebsweise
ständig - und nicht nur während der Unterbrechung der Produktion - durchflossen,
wodurch Ablagerungen in dieser Leitung verhindert werden. Die Steuerung des Herstellungs
prozesses wird durch diese Maßnahme ebenfalls vereinfacht.