Industrielle Anwendungen
In einer immer kostenbewussteren Welt streben wir alle nach immer mehr Effektivität. Anlagenteile, die keine beweglichen Teile besitzen, die wartungsfrei sind, geringe Energiekosten verursachen und die Leistungsfähigkeit einer Anlage enorm verbessern, tragen wesentlich zu geringeren Verfahrenskosten bei.
In der Wasser- und Abwasserindustrie dürfte dieser Wert noch bedeutend höher liegen. Durch den Einsatz von STATIFLO-Mischern in der Wasser- und Abwasserindustrie können diese Verluste verringert werden.
Merkmale und Nutzen
STATIFLO- Mischer haben folgende Vorteile gegenüber traditionellen dynamischen Mischmethoden:
Keine bewegten Teile, keine Ersatzteile, nahezu wartungsfreier Betrieb.
Niedriger Energiebedarf, oft nahezu 90% weniger als dynamische Mischer.
Geringer Druckverlust. Können für pumpbare und freilaufende Systeme verwendet werden.
Voraussagbare Mischergebnisse, d.h. optimaler Chemikalienverbrauch.
Ersetzen Tanks und dynamische Mischer.
Benötigen keine elektrischen/elektronische Bauteile
Minimaler Platzbedarf. Einfache und schnelle Installation.
Verbesserte Verfahrenskontrolle und Produktqualität.
Geringe Anschaffungskosten.
Selbstreinigend.
STATIFLO – Mischer sind an vielen Stellen einer Wasseraufbereitungsanlage einsetzbar. Nicht nur bei Neuanlagen, sondern auch in bereits bestehenden Anlagen sind sie ein hilfreiches Instrument um Energie zu sparen. Das einmalige Elementdesign ist außerordentlich flexibel in Form und Größe herzustellen:
Die Gesamtlänge kann bei geringem Platzbedarf variiert und angepaßt werden.
Große Durchmessernennweiten möglich, theoretisch keine Obergrenzen.
Elemente für rechteckige oder andere ungewöhnliche Querschnitte und offene Kanalsysteme.
Spezielles Design für den Einbau in Rohrbögen, wiederum aus Platzgründen und zur Minimierung von Rohrleitungen.
Allgemeines
Durchmischungsgrad – kurze und lange Mischer
Für die Auslegung von statischen Mischern, sowie für die Erstellung von exakten und vergleichbaren Mischer-Leistungsdaten für den jeweiligen Anwendungsfall, sind folgende Prozeßdaten zu spezifizieren:
der Volumenstrom des Wassers und die einzumischende Dosiermenge,
der erforderliche Durchmischungsgrad bzw. der Variationskoeffizient,
die Position der Probenentnahmestelle/Messstelle, wo der gewünschte Durchmischungsgraderreicht sein soll (Abstand Mischerausgang-Entnahmestelle).
Wenn diese Informationen – oder Teile davon – nicht erhältlich sind, werden unsere statischen Mischer so ausgelegt, daß ein Durchmischungsgrad von mindestens 95% ( 0.05 Variationskoeffizient ) erreicht wird. Zwei verschiedene Auslegungsvarianten können dann angeboten werden:
Mischer mit zwei Mischelementen
Ein Mischer mit 2 Mischelementen erreicht den geforderten Durchmischungsgrad typischerweise an einer Stelle, die weit hinter dem letztem Mischelement liegt. Aus diesem Grund ist eine repräsentative Probenentnahme erst in einem Abstand von ca. 3-5 Rohrdurchmessern hinter dem letztem Mischelement sinnvoll. Damit diese Stelle exakt bestimmt werden kann, sind genaue Angaben über Details wie Durchflußmenge, Rohrdurchmesser, etc. notwendig.
Wenn die Probenentnahme – bei Benutzung eines Mischers mit zwei Mischelementen – im oben beschriebenen Abstand hinter dem Mischerausgang erfolgt, können genaue Verfahrensdaten gemessen werden. Allerdings entsteht durch die räumlich entfernte Messung ein Zeitverzug im Regelprozess, so dass eine effektive Verfahrenskontrolle nicht gewährleistet werden kann. Der Zeitverzug bedingt ein Nachhängen in der Regelschleife, wodurch es zu Über- bzw. -Unterdosierungen beim An- und Abfahren einer Anlage und bei geringen Durchflussmengen kommen kann.
Mischer mit drei Mischelementen
Ein Statiflo – Mischer mit 3 Mischelementen erreicht den geforderten Durchmischungsgrad direkt am Mischerausgang. Die Meßstelle kann dadurch direkt hinter dem letzten Mischelement positioniert werden. Ein Mischer mit 3 Mischelementen gewährleistet die kürzeste Entfernung zwischen Dosier- und -messstelle. Durch den geringen Zeitverzug wird eine optimale Prozessführung möglich.
Der Statiflo – Mischer mit 3 Mischelementen erlaubt die Integration von Dosierstelle und Meßstelle im Mischer selbst. Der Mischer kann dadurch als komplette Meß- und Regeleinheit in Rohrleitungen integriert werden, wobei die Anbindung über jede gewünschte Anschlußart erfolgen kann.
Ein Mischer mit 3 Mischelementen hat eine etwas längere Baugröße als einer mit 2 Mischelementen, allerdings ist die Strecke zwischen Dosierstelle und Meßstelle um einiges kürzer (Abb. 1)
Diese Betrachtungen gelten insbesondere für die herkömmlichen, gut bekannten Mischelemente. Seit einiger Zeit vertreiben wir unsere Weiterentwicklung, das Statiflo STM Mischelement, das im Vergleich zu allen anderen Mischelementen als hoch leistungsfähig bei verhältnismäßig geringem Druckverlust erwiesen hat.
Ein unabhängiges Institut hat umfangreiche Versuchsreihen durchgeführt, die im folgenden dokumentiert wurden.
Ergänzung
Vor einem Vergleich von verschiedenen statischen Mischern muß festgestellt werden, ob der gewünschte Durchmischungsgrad innerhalb des Mischers, oder – wie bei kurzen Mischern üblich – erstin der nachfolgenden Rohrleitung erreicht wird. Kurze Mischer erreichen keine komplette Mischung in Ihrer eigenen Länge, sie initiieren lediglich den Mischprozeß. Kurze Mischer benötigen in jedem Fall eine nachfolgende Rohrleitung, die Idealerweise geradlinig verläuft und Turbulenzen ermöglichen sollte, damit die Mischqualität erhöht wird. Der Vergleich eines kurzen Mischers mit einem Mischer mit mehreren Elementen hinsichtlich Baulänge und Druckverlust sollte deshalb immer die notwendige Mischstrecke in der nachgeschalteten Rohrleitung mit einbeziehen (Abb. 2). Bei Kanalinstallationen ist außerdem zu beachten, daß ein langer Mischer nur einen Installationsschacht benötigt, ein kurzer Mischer dagegen noch einen zweiten für die Probenentnahmestelle.
Anwendungen
a) Gasdispersion
Die Inline – Dispersion eines Gases in ein großes Flüssigkeitsvolumen bedarf sehr häufig eines relativ aufwendigen Equipments. Normalerweise werden große Kompressoren, Druckvorlagebehälter und Düsensysteme zur Herstellung feiner Bläschen benötigt.
In der Wasser- und Abwasserindustrie ist dies in vielen Fällen eine komplizierte und teure Methode, um eine Gas/Wasseremulsion herzustellen.
Ein klassisches Beispiel ist die Oxidation von löslichem Eisen mittels Luft oder Sauerstoff.
Bei der Verwendung einer Mischerkombination erhält man eine einfache, effektive und kostensenkende Alternative.
Das STATIFLO Inline Gasdispersionssystem besteht aus einem großen Kontaktmischer, geliefert als geflanschtes Rohrleitungsstück, das direkt in die vorhandene Rohrleitung eingebaut werden kann. Dazu gehört als integraler Bestandteil des Paketes eine kleine Wasserpumpe, ein kleinerGasdispersionsmischer, Verrohrung, Ventile und Messarmaturen.
Die Pumpe fördert einen Teil des noch unbehandelten Wassers über den kleinen GasDispersionsmischer, in dem bei optimalen Druck- und Strömungsbedingungen eine Gasdispersion entsteht. Diese Gasdispersion, mit sehr feinen Bläschen, wird dann in den Kontaktmischer injiziert. Der Zweiphasenstrom wird einheitlich im Mischer verteilt, und somit der Gas/Flüssigkeitskontakt optimiert. Ein effektiver Massentransfer kann stattfinden.
Ein kontinuierlicher optimaler Massenaustausch wurde mit geringen Anschaffungs-, Betriebskosten und einem minimalen Wartungsaufwand erreicht.
Da die Bläschengröße von der Geschwindigkeit im Vordisperser abhängt, ist das System von Durchflussschwankungen des Hauptstroms weitgehend unabhängig (siehe Grafik).
Ob gelöstes Eisen mittels Luft oxidiert werden soll oder Trinkwasser mit Sauerstoff oder Ozon begast wird, das STATIFLO – Gasdispersionssystem liefert die ideale Kombination von Kosten und Leistungsfähigkeit.
Vorteile des Gasdispersionssystems
vergleichsweise geringe Anschaffungskosten
sehr leichte Installation
geringer Energiebedarf, dadurch geringe Betriebskosten
b) Koagulation
Ungereinigtes Meerwasser wird zuerst grob gefiltert und dann mit einem Koagulant/Flockungsmittel versetzt, bevor es in die Feinfiltration geht. Die Koagulation ist ein wichtiger Prozeßbestandteil für die einwandfreie nachfolgende Filtration. Dies ist speziell während der Zeit der Algenblüte der Fall.
Ungenügende Koagulation kann folgende Auswirkungen auf nachfolgendes Equipment haben:
Rapider Anstieg des Druckverlustes im Sandfilter.
Exzessive Sandfilter Rückspülung.
Vorzeitige Filterkerzenblockierung.
Durchbruch von Algen im Feinfilter, die dann in den Membranbereich gelangen.
STATIFLO statische Mischer werden häufig in Koagulationsprozessen eingesetzt, um genau diese Probleme zu umgehen. Zunächst wird das injizierte Koagulant im Wasserstrom verteilt, wobei eine geringe Scherrate das Wachstum der Flocken und die Rückvermischung begünstigt. Dieser Prozeß verlangt keine hohen Scherkräfte, wie sie bei Rührkesseln vorliegen. Hohe Scherkräfte zerstören die entstandenen Flocken teilweise wieder.
Eine komplette und voraussagbare Durchmischung macht eine Überdosierung von Chemikalien überflüssig. Nicht nur die chemikalieneinsparungen sind von Vorteil, sondern auch das intakte Polyelektrolytmolekül kann ungehindert das Flockenwachstum in Gang setzen und begünstigt so die Ausnutzung der Filter und deren Leistung. Die Filterkapazität wird optimiert.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel über den Einsatz von STATIFLO-Mischern für die Meerwasseraufbereitungsanlage Jeddah II wurde bestätigt, daß die Umgestaltung der Anlage mit statischen Mischern die Anlagenkapazität und -leistung wesentlich verbessert hat.
In einer Wasseraufbereitungsanlage wurde ein statischer Mischer verwendet, um Alaun im Austausch gegen einen dynamischen Mischer zu dosieren. Infolgedessen konnte die Kosteneffizienz des Systems aufgrund einer chemischen Einsparung von mehr als 10% enorm gesteigert werden. Der Druckverlust durch den verwendeten Mischer betrug nur wenige Millibar. Der STATIFLO-Mischer hat sich nach nur 3 Monaten durch die eingesparten Energiekosten des alten 15 kW Rührkessels amortisiert.
c) Polyelektrolytverdünnung
Dynamischer Mischer mit ihrer konstruktiv bedingten hohen Scherrate zerstören die langen Kettenmoleküle des Polyelektrolyts, dadurch wird der Wirkungsgrad stark beeinträchtigt.
Statiflo Mischer dagegen liefern eine zerstörungsfreie Verdünnung von Polyelektrolytlösungen durch eine sehr geringe Scherrate.
d) Inline-Belüftung
Eine effiziente Dispersion von Luft in Wasser kann zur Kapazitätserhöhung bereits bestehender Anlagen verwendet werden, die im Laufe der Jahre die Kapazitätsgrenzen erreicht oder überschritten haben.
Die Leistung von Vorbelüftungskanälen kann ebenso gesteigert/optimiert werden, wie der Sauerstoffeintrag in ein Aktivschlammsystem. Inline Nachbelüftung ist eine andere einfache und effektive Methode zur Sauerstoffanreicherung kurz vor der Einleitung in den Vorfluter.
e) Schlammrückvermischung
Ein großer Anteil des Aktivschlammes wird im Kreislauf gefahren und mit Rücklaufschlamm versetzt, um lokale Überkonzentrationen von Sauerstoff in den Belüftungstanks zu verhindern. Die schnelle Einmischung des Speisewassers liefert ebenfalls eine größere Sicherheit vor Vergiftung der Biokulturen. Diese Position des Mischers kann ebenso zur simultanen Dosierung der Nährmittel verwendet werden.
f) Flotation
STATIFLO statische Mischer dispergieren Luft in sehr feine Bläschen mit einer sehr engen Größenverteilung. Ein nachfolgender Mischer mit geringen Scherraten, in den das Koagulant injiziert wird liefert große Flocken und erhöht die Absetzraten in den Flotationsbehältern.
g) Schlammkonditionierung
Um die Entwässerungscharakteristiken zu verbessern muß das Polyelektrolyt komplett und homogen im eingedickten Schlamm verteilt werden. Eine mangelnde Durchmischung, z.B. bei Beschränkung auf natürliche Turbulenz in offenen Kanälen, führt zu sehr hohen, unnötigen Chemikalienverbrauch eines der teuersten Chemikalien, die in der Wassertechnik eingesetzt werden. Weiterhin werden die Entwässerungsanlagen unnötig hoch belastet.
h) Rücklaufverdünnung
In Gegenden, in denen der Salzgehalt des Wassers sehr hoch ist, kann der Wirkungsgrad der Membran durch Verdünnung des Meerwassers mit bereits entsalztem Wasser gesteigert werden. Die Osmose kann dann bei einem geringeren osmotischen Druck betrieben werden, was einen geringeren Auslegungsdruck für die gesamte Anlage zur Folge hat.
STATIFLO-Mischer sichern eine vollständige Vermischung, um einen hohen Wirkungsgrad der Membran zu erreichen.
Der Mischer des produktbenetzten Teils PTFE aus Kohlenstoffstahl der Serie 300 ist ideal zum Verdünnen von Schwefelsäure
i) pH – Regelung
Es gibt zwei häufige Anwendungen: Die erste ist die kontinuierliche Verdünnung von konzentrierter Schwefelsäure bzw. Natronlauge auf handhabbare Konzentrationen. Die verdünnten Chemikalien werden dann in einem weiteren STATIFLO-Mischer mit dem gereinigten Wasser vermischt, um den pH-Wert einzustellen. Mit dieser Anlagenplanung wird umgangen, daß das Anlagenpersonal mit gefährlichen konzentrierten Chemikalien in Berührung kommt. Das Dosier- und Mischsystem kann mit pH- Probenentnahmestellen, Meßstellen und Mikroprozessoren ausgestattet werden, um eine automatische Regelung zu erhalten. Der Chemikalien verbrauch wird auf ein Minimum reduziert und die Regelung beruhigt.
j) Chlorierung und Dechlorierung
Eine repräsentative Probenentnahme ist einer der wichtigsten Punkte, um die Regelung der Chemikaliendosierung optimal zu gestalten und den Chemikalienverbrauch gering zu halten. Speziell beim Anfahren einer Chlorierungsanlage und bei geringen Durchflussmengen besteht das Risiko der Über- bzw. Unterchlorierung. Der STATIFLO-Mischer kann sowohl mit Dosiereinrichtungen als auch mit Probenentnahmestellen ausgerüstet werden. Durch die Optimierung der Positionen entsteht die geringst mögliche Zeitverzögerung zwischen Dosierung und Messung. Systemschwankungen können sofort registriert werden. Weitere Informationen finden Sie auch in den Informationsblättern WT01 und WT02.
k) Fluorierung
Wie bei der Chlorierung ist der Einsatz von statischen Mischern bei der Fluorierung in erster Linie zur akkuraten Regelung der geringen Dosiermenge an Hexafluorokieselsäure erforderlich. Weiterhin aber auch zur Minimierung von Chemikalien und Additiven. Spezielle Modelle in korrosionsbeständigem GFK sind erhältlich.
l) Karbonateintrag
Entsalztes Wasser aus Meerwasserentsalzungsanlagen hat einen sehr geringen Gehalt an gelösten Karbonatsalzen. Aus diesem Grund muß es vor der Verteilung in die Haushalte mit Karbonaten versetzt werden. Hierzu stehen zwei Methoden zur Verfügung:
1. Die Beaufschlagung des Wassers mit großen Mengen an Kohlendioxid, um den pH-Wert zu erhöhen. Dies bewirkt die Aufrechterhaltung akzeptabler Karbonatkonzentrationen. Bisher hat die Industrie große Kontakttürme für diesen Prozeß eingesetzt, aber immer häufiger werden STATIFLOMischer verwendet, die eine effektive Inline – Methode für den Massenaustausch liefert. Diese Methode sichert eine schnelle Dispersion des Gases im Wasser und damit einen effektiven Massenaustausch. Das STATIFLO – Gasdispersionssystem, näher beschrieben im Report WW/3, bietet einen extrem hohen Wirkungsgrad, speziell dort wo Volumenstromschwankungen auftreten können.
2. Karbonatrückführung in der letzten Aufbereitungsstufe: Hierbei wird gesättigte Kalksteinlösung oder Kalkmilch in das entsalzte Wasser dosiert, um den pH-Wert zu erhöhen und gleichzeitig den Karbonatgehalt vor dem Konsum zu erhöhen.
