DE4421352C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdünnen eines Flüs­ sigkonzentrats insbesondere eines Flockungshilfsmittels in Form eines Flüssigpolymers, mit Wasser, gemäß Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats, insbesondere eines Flockungshilfs­ mittels in Form eines Flüssigpolymers mit Wasser, gemäß Ober­ begriff des Anspruchs 5.

Derartige Verfahren oder Vorrichtungen werden dem Grunde nach in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten benötigt. Ein speziell hier interessierendes Gebiet betrifft die Fest-/Flüssig-Trennung in Klär- und Entwässerungsprozessen, die sich durch Einsatz von beispielsweise organischen, hochmolekularen Flockungsmitteln wesentlich beschleunigen läßt. So wird durch Koagulation die Absetzgeschwindigkeit der Feststoffe erheblich erhöht, so daß sich die Klärfläche bzw. das Bauvolumen um bis zu 90% und mehr reduzieren läßt.

Derartige Flockungshilfsmittel in Form von Flüssigpolymeren sind beispielsweise organische Polyelektrolyte. Die polymere Wirksubstanz ist in einer Weißölphase emulgiert und als hochkonzentrierte wäßrige Lösung erhältlich. Für die Anwen­ dung ist es deshalb erforderlich, die Emulsion durch sog. Invertierung bzw. Phaseninversion zu zerstören und mit Wasser zu verdünnen. Auf diese Weise können sich die einge­ schlossenen Makromoleküle entfalten, recken und hydratisie­ ren.

In der Praxis kommt deshalb dem Invertieren eine starke Bedeutung zu, da diese maßgeblich die Polymerausnutzung und damit die Wirtschaftlichkeit beeinflußt. Grundsätzlich bewährt haben sich in diesem Zusammenhang sog. Inline-Syste­ me, bei denen das Flüssigkonzentrat einem Wasserstrom zudo­ siert wird. Hierfür ist ein Misch- oder Invertierungsblock vorgesehen, der ein den Wasserstrom führendes Mischrohr aufnimmt. In das Mischrohr mündet eine Einspritzdüse, durch die das Flüssigkonzentrat dosiert zugeführt wird. Durch das Einspritzen des Flüssigkonzentrats quer zur Hauptströmungs­ richtung des Wassers soll zum einen eine möglichst gute und gleichmäßige Verdünnung des Konzentrats erreicht werden. Andererseits wird die Emulsion durch in dem Flüssigkeitskon­ zentrat enthaltenen Aktivator gebrochen.

Hierfür geeignete Vorrichtungen und Verfahrensführungen sind beispielsweise dem Firmenprospekt der Allied Colloids Manu­ facturing GmbH "ACM-Zetamat und Zetamat-Combi" bzw. dem Prospekt der C.W. Lorenz GmbH "Nalmat-Dosiersystem für Flüssigpolymere" zu entnehmen, von denen die Erfindung ausgeht.

Als nachteilig hat sich bislang erwiesen, daß häufig nicht vollständig aufgelöstes Flockungshilfsmittel dem Flockungs­ prozeß zugeführt wird, so daß dieses nicht optimal ausge­ nutzt wird. Dies hat zur Folge, daß beispielsweise das Klärbecken nicht die konzipierte Absetzleistung erreicht und damit nicht mehr optimal zu betreiben ist. Eine erhöhte Zudosierung von Flockungshilfsmittel zur Kompensation der Leistungseinbuße ist nicht unproblematisch, da sie neben erhöhten Kosten zu einer verstärkten Umweltbelastung führt. Der Grund liegt darin, daß die verwendeten Substanzen, wie z. B. kationische Polyacryl­ amide, biologisch nicht abbaubar sind und eine hohe Toxizität besitzen.

Aus der DE 28 44 983 A1, von der die Erfindung ausgeht, ist eine Vorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden bekannt, bei der einem ersten Fluid, welches durch ein rohrförmiges Hauptteil strömt, mit einem zweiten Fluid vermischt werden soll. Hierzu ist ein Düsenrohr vorgesehen, welches senkrecht zum Hauptteil angeordnet ist und eine Vielzahl von Düsen aufweist. Die Düsenbohrungen sind in Hauptströmungsrichtung ausgerichtet, so daß das durch die Düsen austretende zweite Fluid weitgehend in Richtung der Hauptströmung austritt.

Eine derartige Vorrichtung verbessert zwar gegenüber den ein­ gangs beschriebenen Vorrichtungen das Mischergebnis, ist jedoch für den hier vorliegenden Zweck des Verdünnens eines Flüssigkon­ zentrats noch immer unzureichend.

Der Erfindung lag deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiter­ zuentwickeln, daß sie die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweisen. Insbesondere sollte ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Polymerausnutzung erzielt werden.

Gelöst wird dieses Problem durch ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind durch die Merkmale der nachgeordneten, abhängigen Ansprüche angegeben.

Das Problem wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind durch die nachgeordneten, abhängigen Ansprüche definiert.

Die Erfindung basiert auf der Idee, Flüssigkonzentrat an der Dosierstelle derart zuzuführen, daß sich lokal ein Geschwindig­ keitsfeld ergibt, das weitgehend an das Geschwindigkeitsfeld des Wasserstroms angenähert ist. Um dies zu erreichen, wird der Wasserstrom dem Mischrohr soweit beruhigt zugeführt, daß im Bereich der Dosierstelle ein laminarer Strömungszustand herrscht. Die Geschwindigkeitsverteilung im Axialschnitt stellt sich parabelförmig ein. Demnach wird durch entsprechende Maß­ nahmen erfindungsgemäß Sorge getragen, daß das an der Dosier­ stelle einströmende Flüssigkonzentrat ebenfalls eine parabelför­ mige Geschwindigkeitsverteilung aufweist und derjenige des Was­ sers weitgehend angenähert ist.

Damit ist ein optimaler Eintrag von Flüssigkonzentrat in den Wasserstrom gewährleistet, so daß sich eine gleichmäßige Verdünnung erzielen läßt.

Eine derartige parabelförmige Geschwindigkeitsverteilung läßt sich durch die Anordnung bzw. den Durchmesser der Düsen des Düsenrohrs erzielen. Die Düsen können auf einfache Art und Weise in das Düsenrohr beispielsweise in Form von Bohrungen einge­ bracht sein, wobei der Abstand untereinander variiert. In den äußeren, der Wandung benachbarten Bereichen sind die Abstände größer und nehmen zur Mitte hin ab. Anders ausgedrückt ent­ spricht die Häufigkeitsverteilung der Bohrungen längs der Durch­ messerlinie exakt der angestrebten Geschwindigkeitsverteilung, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also parabelförmig.

Weiterhin sind als wesentlicher Aspekt der Erfindung Mittel vorgesehen, um die die Polymerketten umgebende Emulsionsphase zu zerstören. Zu diesem Zweck werden im Flüssigkeitsstrom nach der Dosierstelle Turbulenzen im Gemischstrom erzeugt.

Dies kann bevorzugt auf wirkungsvolle Art und Weise durch starke Richtungsänderungen im Strömungsverlauf erreicht werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die flüssigkeitsführende Rohrlei­ tung mehrfach abknickend verlaufend zu gestalten. Dies ist ge­ eignet, starke Störungen im Strömungsverlauf zu erzeugen und damit den Invertierungseffekt zu verbessern.

Ganz hervorragende Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Wasserstrom vor der Dosierstelle in zwei Teilströme aufge­ teilt wird, denen jeweils Flüssigkonzentrat in der vorste­ hend beschriebenen Weise zugeführt wird. Nach der Dosier­ stelle werden beide Teilströme zunächst gekreuzt und an­ schließend zu einem einzigen Flüssigkeitsstrom vereint. Das Kreuzen der beiden Teilströme bewirkt eine äußerst effektive Verwirbelung der Flüssigkeitsmoleküle, so daß sich die Invertierung noch effizienter gestalten läßt. Insbesondere die Kombination von Strömungsumlenkung und -kreuzung führt zu einem bisher nicht bekannten Ausnutzungsgrad des Flüssig­ polymers.

Ein erneutes Verwirbeln des Flüssigkeitsstroms kann in nachgeschalteten Filtern oder in einer Kreiselpumpe erfol­ gen.

Die Erfindung wird näher anhand des in den Figuren schema­ tisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 Axialschnitt eines Mischrohrs an der Dosier­ stelle,

Fig. 2 Schema eines Mischblocks mit zwei gekreuzten Teil strömen und

Fig. 3 Anlagenausschnitt mit integriertem Mischblock.

Fig. 1 verdeutlicht das Grundprinzip der geschwindigkeits­ verteilten Dosierung von Flüssigmittelkonzentrat K. Im Bereich der Dosierstelle strömt Wasser W in einem Mischrohr 20. Der Strömungszustand ist laminar, so daß sich senkrecht zur Zentralachse Z eine parabelförmige Geschwindigkeitsver­ teilung GW einstellt.

In das Mischrohr 20 ist ein Düseneinsatz 10 eingesetzt, derart, daß er die Zentralachse 6 senkrecht schneidet. Er durchsetzt das Mischrohr 20 längs einer Durchmesserlinie D fast vollständig.

Der Düseneinsatz 10 wird im wesentlichen von einem Düsenrohr 12 gebildet, welches eine Vielzahl von längs einer Linie angeordneten Düsenbohrungen 14 trägt. Das Flüssigkonzentrat K wird demnach über das Düsenrohr 12 zugeführt und tritt in Hauptströmungsrichtung, d. h. axial aus den Düsenbohrungen 14 aus. Die Anordnung der Düsenbohrungen 14 ist derart gewählt, daß sich eine parabelförmige Geschwindigkeitsver­ teilung GK einstellt. Zu diesem Zweck sind die Düsenbohrun­ gen 14 im Bereich der Zentralachse Z dichter angeordnet als in den Randbereichen, d. h. den der Innenwandung des Misch­ rohrs 20 zugewandten Enden des Düsenrohrs 12. Die Durchmes­ ser der Düsenbohrungen 14 sind übereinstimmend gewählt, so daß alleine die Häufigkeitsverteilung der Düsenbohrungen 14 die Form der Geschwindigkeitsverteilung GK bestimmt. Ein entsprechender Effekt - wenngleich hier nicht dargestellt - läßt sich auch über eine äquidistante Anordnung von Düsen­ bohrungen erreichen, wenn deren Durchmesser entsprechend der zu erzielenden Geschwindigkeitsverteilung variiert werden.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß die Geschwindigkeitsverteilung GW des Wasserstroms W weitgehend mit der Geschwindigkeits­ verteilung GK des Flüssigkonzentrats K in der Axialschnitt­ ebene übereinstimmt. Damit ist eine extrem gleichmäßige Verdünnung des Flüssigkonzentrats K sichergestellt. Konzen­ trationsunterschiede zwischen wandnahen Bereichen und dem Bereich der Zentralströmung (nahe der Zentralachse Z) treten praktisch nicht mehr auf. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß durch das in die Strömung hineinragende Düsenrohr 12 ein Staupunkt entsteht, so daß als maßgebliche Geschwindigkeitsverteilung der die Geschwindigkeitsvertei­ lung GK des Flüssigkeitskonzentrats K angenähert werden muß, die Geschwindigkeitsverteilung GW der ungestörten Rohrströ­ mung darstellt. Dies ist die Geschwindigkeitsverteilung GW, die in einigem Abstand vor der Dosierstelle herrscht, bei der die Stromlinien parallel zueinander verlaufen und noch nicht radial nach außen vom Staupunkt weg abgelenkt werden. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß vollständig deckungs­ gleiche Geschwindigkeitsverteilungen kaum erzielbar sind. Dies ist für das angestrebte Endergebnis auch nicht erfor­ derlich, so daß eine weitgehend angenäherte Geschwindig­ keitsverteilung für die meisten Fälle ausreichend ist.

In Fig. 2 sind in einer Draufsicht Stromlinienverläufe angedeutet, die sich einstellen, wenn von der Möglichkeit einer Parallelanordnung zweier Dosierstellen Gebrauch ge­ macht wird. So ist zuströmseitig bereits eine Aufteilung in zwei Teilströme W1, W2 erfolgt, denen jeweils über Düsenein­ sätze 10 im Bereich der Mischrohre 20 Flüssigkeitskonzentrat K (hier nicht dargestellt) zudosiert wird. Nach der Dosier­ stelle verläuft die Hauptströmungsrichtung des ersten Teil­ stroms WK1 weitgehend geradlinig und wird von dem Teilstrom WK2 rechtwinklig gekreuzt. Die Kreuzungsstelle in Form einer Rohrkreuzung 22 sorgt für eine intensive Durchmischung beider Teilströme WK1, WK2 infolge der Bildung von Turbulen­ zen T. Weiterhin wird der Teilstrom WK 2 an zwei Rohrkrüm­ mern 24 jeweils um 90° umgelenkt, so daß weitere Turbulenzen T an den Stellen der starken Richtungsänderung entstehen. Die beiden Teilströme WK1, WK2 werden schließlich zu einem einzigen, abgangsseitigen Flüssigkeitsstrom WK zusammenge­ führt. Hierzu ist ein Sammelrohr 26 vorgesehen, das einen Beruhigungsabschnitt 27 mit erweitertem strömungsquerschnitt besitzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 treffen die beiden Teilströme WK1, WK2 im flachen Winkel aufeinander, so daß keine nennenswerten zusätzlichen Turbu­ lenzen mehr erzeugt werden. Durch eine abweichende Wahl des Mündungswinkels kann jedoch eine zusätzliche Verwirbelung erzeugt werden, sofern dies erforderlich sein sollte.

In Fig. 3 ist die Integration des vorstehend beschriebenen Mischblocks in ein Dosiersystem dargestellt, wie es bei­ spielsweise als Zusatzaggregat in eine Kläranlage inte­ griert werden kann. Das Wasser W wird zunächst durch ein Durchflußmeßgerät 2 hindurchgeleitet, welches die zufließen­ de Wassermenge exakt erfaßt. Hinter dem Durchflußmeßgerät 2 findet die Auftrennung in zwei Teilströme W1, W2 statt, die dem Mischblock 1 zugeführt werden. Im Mischblock 1 wird über die Düseneinsätze 10 Flockungsmittelkonzentrat K zudosiert. Hierzu dient eine Exzenterschneckenpumpe 3, die das Flockungsmittelkonzentrat K in der gewünschten Menge ein­ speist. Ein der Exzenterschneckenpumpe 3 nachgeschaltetes Filter 4 verhindert ein Zusetzen der Düsenbohrungen 14 durch eingetragene Partikel oder dergleichen.

Nach dem Zudosieren des Flockungsmittelkonzentrats K werden die beiden Teilströme WK1, WK2 gekreuzt und hinter dem Mischblock zu einem einzigen Flüssigkeitsstrom WK vereint. Dieser durchströmt ein Filter 6, in welchem er erneut ver­ wirbelt wird. Hieran schließt sich eine Beruhigungsstrecke 7 an, bevor eine Kreiselpumpe 8 die Förderung zu einem hier nicht dargestellten Vorlagebehälter übernimmt. Die Kreisel­ pumpe 8 bewirkt eine nochmalige Verwirbelung des Flüssig­ keitsstroms WK.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß durch die Kombination von geschwindigkeitsverteilter Zudosierung von Konzentrat und wiederholter Verwirbelung des Flüssigkeitsstroms eine optimale Verdünnung und Invertierung möglich wird. Der mechanische und energetische Aufwand ist denkbar gering, so daß sich eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Inline-Verfahren und -Vorrichtungen ergibt. Je nach vorgege­ benen Einbau- und Platzverhältnissen kann hierbei die Lei­ tungsführung an sich beliebig ohne Funktionsnachteil vari­ iert werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit Was­ ser, insbesondere eines Flockungshilfsmittels in Form eines Flüssigpolymers mit Wasser, bei dem das Wasser ein Misch­ rohr durchströmt, und bei dem das Flüssigkonzentrat über eine Vielzahl von Düsen dem Wasser zur Bildung eines Ge­ mischstromes zudosiert wird, wobei die Düsen längs einer Linie, die senkrecht zur Mischrohrachse steht, angeordnet sind und das Flüssigkonzentrat in Hauptströmungsrichtung aus den Düsenbohrungen austritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser (W) das Mischrohr (20) laminar durchströmt, daß das Flüssigkonzentrat (K) mit einer parabelförmigen Geschwindigkeitsverteilung (GK) zudosiert wird, die der Geschwindigkeit des Wassers (W) in diesem Bereich weit­ gehend angenähert ist und daß nach dem Zudosieren des Flüs­ sigkonzentrats (K) in dem Gemischstrom (WK) Turbulenzen (T) erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrom (W) vor dem Zudosieren des Flüssigkonzentrats (K) in zwei Teilströme (W1, W2) aufgeteilt wird, welche nach dem Zudosieren gekreuzt und anschließend zu einem einzigen Flüssigkeitsstrom (WK) zusammengeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom (WK) in einem nachgeschalteten Filter (6) erneut verwirbelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom (WK) abschließend eine Beruhi­ gungsstrecke (7) durchläuft, bevor er in einer Kreiselpumpe (8) nochmals verwirbelt wird.

5. Vorrichtung zum Verdünnen eines Flüssigkonzentrats mit Wasser, insbesondere eines Flockungshilfsmittels in Form eines Flüssigpolymers mit Wasser, mit wenigstens einem das Wasser führenden Mischrohr und mit einem Düsenrohr zum Zudosieren des Flüssigkonzentrats, das senkrecht zur Mischrohrachse angeordnet ist und das eine Vielzahl von Düsen aufweist, wobei die Düsenbohrungen in Hauptströmungs­ richtung gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung bzw. der Durchmesser der Düsen (14) so gewählt ist, daß sich eine parabelförmige Geschwindigkeits­ verteilung (GK) des Flüssigkonzentrats (K) entlang dem Düsenrohr (12) einstellt und daß nach den Düsen (14) Mittel vorgesehen sind, um Turbulenzen (T) in dem Gemischstrom (WK) zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Pa­ rallelanordnung zweier mit Düsen (14) bestückter Mischrohre (20).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine stromabwärts der Düsen (14) angeordnete Rohrkreuzung (22).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch stromabwärts der Düsen (14) angeordnete Rohrkrümmer (24).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeich­ net durch ein nachgeschaltetes Sammelrohr (26) mit Beruhi­ gungsabschnitt (27).