gen Heizwerten berechnete Heizol-Aquivalent dargestellt. Zum Ver- gleich wurde ermittelt, welche Heizolmenge im Kraftwerk verbrannt werden muRte, um die fur den ProzeR benotigte Energie bereitzustel- len. Bei dem Molverhaltnis rnA/rnB FT 7,5 deckt die im anfallenden Reststoff enthaltene Heizenergie gerade den Energiebedarf des Pro- zesses. Bei hoheren Moiverhaltnissen rn,/rnB liegt die im Kraftwerk aufzuwendende Energie iiber dem jeweiligen Heizwert-Aquivalent der Reststoffe. Wie die Optimierung nach okonomischen Gesichts- punkten ergab, ist es bis zum Molverhaltnis rnA/rnB a 12 infolge der verbesserten Einsatzstoff-Ausbeute sinnvoll, Kraftwerksenergie ein- zusetzen. Oberhalb rnA/rn, a 12 dient die Kraftwerksenergie im we- sentlichen nur noch zur Reduzierung der Reststoffmenge. Es sei dar- an erinnert, daB die okonomische Optimierung auch den Wertverlust beriicksichtigt, der durch die Umwandlung von Einsatzstoffen zu Reststoffen entsteht. Die Kurve IdE/dR( in Abb. 5 gibt fur jedes Verhdtnis rnA/rnB an, wel- cher Energiebetrag (kg Heizol S) im Kraftwerk erforderlich ist, um den Reststoffanfall um 1 kg Heizol-Aquivalent (kg Heizol S) zu sen- ken. Im Bereich IdEldRI > 1 ist eine Steigerung des rnA/rnB- Verhaltnisses sinnlos, da der zusatzliche Energiebedarf im Kraftwerk hoher ist als das Heizol-Aquivalent der Reststoffe, das gespart wird. Der ProzeB sollte somit bei IdEldRI = 1, d. h. bei rnA/rnB - 11,5 be- trieben werden. Es ist ein Zufall und darf keineswegs verallgemeinert werden, daB beide Betrachtungsweisen zu etwa dem gleichen Be- triebspunkt fuhren. Bei anderen Vergleichsaquivalenten als Heizol S wie z. B. Erdgas, Kohle 0. a. andert sich diese Aussage nicht.

5 SchluBbemerkung

Fur das behandelte Beispiel ist in Abb. 6 der Wert der Reststoffe bei Ansatz der Einsatzstoffpreise und der bei Ansatz des Heizolpreises als Warmeaquivalent aufgetragen. Die Einsatzstoffkosten iibertreffen die Warmeaquivalentkosten unabhangig vom Molverhdtnis rnA/rnB um das 7- bis 8-fache. Aus der groRen Differenz darf der SchluSgezo- gen werden, daR es wohl immer angezeigt ist, zu versuchen, aus den Reststoffen Wertprodukte zu gewinnen. Die Abhangigkeit der Ausbeute und der Reststoffmengen von Reak-

tionsparametern ist typisch fur die uberwiegende Zahl der chemi- schen Reaktionen. Fur das Molverhaltnis rnA/rnB in diesem Beispiel konnen bei anderen Reaktionen Konzentrationen, pH-Wert, Druck, Temperatur, Verweilzeit und andere Parameter stehen. Normalerwei- se sind auch Energiebedarf und Investitionsaufwand von denselben Reaktionsparametem abhangig. Insofern kann die hier am Beispiel beschriebene Behandlung des Problems der Reststoffverminderung auf viele andere Falle iibertragen werden.

D M / h

f k o n r l a n l e P r o d u k l l Q n r m e n g e

6oo 1 W e r l der Rerls lo l fe z u t i n r a l z r l o f l k o r l e n A /

1 ,Wert der R e s t s t o f f e ~

a ls Heizol- Aquivalent

0 4 I 5 10 1s 20

Molverhal tn is mA/mg --C

Abb. 6. Reststoff-Wertvergleich.

Die hier vorgestellte Betrachtungsweise enthalt nur okonomische und energetische Aspekte. Nicht beriicksichtigt wurde beispielsweise, daR Heizol S und Reststoffe wegen des S-Gehaltes von Heizol S oko- logisch nicht gleichwertig sind. Eine auf den ProzeB beschrhkte'oko- logische Betrachtung wiirde zu dem Ergebnis fuhren, den ProzeR bei rnA/rnB a 7,5 zu betreiben, da in diesem Fall der Energiebedarf ohne S02-Emission gedeckt werden konnte.

Eingegangen am 24. Februar 1989 [K 10393

Verdichtung geflockter Schlamme nach der Sedimentation

Klaus Muhle und Thomas NeeBe*

Moderne Fest/Fliissig-Trennprozesse kommen heute kaum noch oh- ne Flockung aus. Vor allem bei der Klarung von Abwassern wird diese Verfahrensstufe dann eingesetzt, wenn sehr kleine Feststoffteilchen nicht mehr effektiv durch Sedimentation abgetrennt werden konnen. A l s Flockungsmittel haben sich wasserlosliche organische Polymere durchgesetzt. Den Hauptanteil dieser Reagenzien bilden dabei mehr oder weniger modifizierte Polyacrylamide mit Molmassen in der Gro- Benordnung von lo6 bis lo7 g/mol. Der Einsatz solcher Polymere, oft- mals in Kombination mit Metallsalzen, fuhrt grundsatzlich zu hohen Durchsatzsteigerungen bzw. minimalen Apparateabmessungen (ge- ringe Klarflache), aber auch zu einem wesentlich feststoffarmeren Klarwasser. Ein Nachteil neben den hohen Reagenzienkosten ist der bedeutend hohere Wassergehalt des entstehenden Flockenschlam- mes im Vergleich zum ungeflockten Sediment.

* Dr. rer. nat. K. Miihle und Dr. sc. techn. T. Neepe, Forschungsinsti- tut fur Aufbereitung Freiberg der Akademie der Wissenschaften der DDR, StraRe des Friedens 40, DDR-9200 Freiberg.

1 Wassergehalt des Flockenschlammes

Der Wassergehalt eines Flockensedimentes setzt sich aus dem in den GroRporen zwischen den Makroflocken befindlichen Zwischenraum- wasser und dem bei der Flockenbildung in die Makroflocke eingela- gerten Innenwasser zusammen. Der Anteil des Flockeninnenwassers steht im engen Zusammenhang mit der Flockenstruktur und nimmt prinzipiell mit der FlockengroRe zu. Die FlockengroRe (dF)/Flocken- porositats(6)-Funktion hat die allgemeine Form (1-6) - dkk, wobei k in vielen Fallen Werte um 1 annimmt [l-31. Bekanntlich nimmt rnit steigender Molmasse des Polymerflockungsmittels die FlockengroRe und damit auch die Flockenporositat zu [3-51, was auf eine groRere Flockenfestigkeit infolge einer starkeren Teilchenhaftung zuriickzu- fiihren ist [5 , 61. Die wirksamsten Flockungsmittel liefem also auch die wasserreichsten Schlamme.

2 Schlammentwasserung

Im Hinblick auf die sich an die Sedimentation anschlieBende Schlammentwasserung ist es vorteilhaft, den Flockenschlamm im Schlammsammelraum des Absetzapparates moglichst stark einzudik- ken. Eine geringfiigige Schlammverdichtung wird hier im allgemei- nen durch Flockendeformation erreicht, wobei lediglich das Zwi- schenraumwasser freigesetzt wird. Technisch wird dies durch einen

Chem.-1ng.-Tech. 61 (1989) Nr. 11, S. 897-899 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989 0009-286X/89/1111-0897 $ 02.50/0

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hohen Schweredruck der Schlammsaule (groBe Apparatebauhohe), schwache Scherung des komprimierten Schlammes (Krahlwerke) oder Einwirkung niederfrequenter Schwingungen (z. B. 50-Hz- Vibratoren) realisiert. Eine weitaus starkere Schlammverdichtung ist durch Flockenzersto- rung erreichbar, die mit einer Freisetzung von Flockeninnenwasser verbunden ist. Der erreichbare Effekt hangt dabei vom Zerstorungs- grad der Flocken ab und ist bei einer Dispergierung bis zum Einzel- teilchen am groBten, weil sich diese dann zu einer sehr dichten Pak- kung zusammenlagern konnen. Werden nach Schlammabzug aus dem Absetzapparat bei einer me- chanischen Beanspruchung in einem separaten RiihrgefaS [7] oder auf dem Forderweg [XI Energie-Dissipationen bis lo4 m2/s3 angewen- det, so kommt es nur kurzzeitig zu einer weitgehenden Flockenzersto- rung. Wahrend der Nacheindickung in einem zweiten Apparat ist des- halb mit einer teilweisen Rekombination der Flocken durch erneute Polymerbriickenbildung zu rechnen. Eine irreversible Flockenzerstorung ist nur durch Polymerdesorption bzw. Zerstorung der Briickenmolekiile erreichbar. Dies kann einmal durch Einwirkung energiereicher Schwingungen (Ultraschall) erfol- gen, was aus Untersuchungen zur Teilchenhaftung abgeleitet werden kann [9] . Eine andere Moglichkeit zur Flockendispergierung besteht in der Anwendung dispergierend wirkender Reagenzien. Bekanntlich kann eine geniigend hohe Dosis spezifisch adsorbierbarer Ionen oder Molekiile, die mit den Polymermolekiilsegmenten um die aktiven Zentren der Feststoffoberflache konkurrieren, zum Wiederablosen des Flockungsmittels und somit zum Flockenzerfall fiihren [ 10-121. Eine zusatzliche Einwirkung mechanischer Energie wird den Abbau der Polymermolekiilbriicken beschleunigen.

[Flockenschlamml

3 Laborversuche zur Flockendispergierung

Die Schlammverdichtung durch mechanische bzw. chemische Flok- kendispergierung nach der Sedimentation wurde insbesondere an- hand geflockter Kreideschlamme untersucht. Als Polymerflockungs- mittel dienten unter anderem HPAA (30 YO verseiftes Polyacrylamid, mittlere Molmasse 6 lo6 g/mol) und Stipix ADK (VEB Fettchemie, Karl-Marx-Stadt), als Dispergiermittel wurde eine waSrige Losung von Natriumtripolyphosphat Na,P,O,, eingesetzt. Die Flockungs- mittel-Konzentration betrug 0,3 g/kg Kreide bei einem Feststoffge- halt von 20 kg/m3 wahrend der Flockenbildung.

geflockte Suspension

OH -

Ultmrchall- / t khwinger I verdichtetw Schlamm 1

. Ultrarchall- Hodul

Abb. 1. Versuchsanordnung zur satzweisen (a) und kontinuierlichen (b) Verdichtung geflockter Schlamme.

Die Dispergierversuche erfolgten einmal satzweise (Abb. la), wobei der nach der Sedimentation im Flockungsreaktor anfallende Flocken- diinnschlamm in eine 1-1-Glasrohre iiberfiihrt und dort wahrend der Kompressionsphase mit einem Ultraschall-Tauchschwinger (Desinte- grator) beschallt wurde. Die Beschallungszeit tB wurde hierbei zwi- schen 0 und 30 min variiert und der eingetretene Verdichtungseffekt anhand der Schlammvolumenabnahme AVs in der Nachverdichtungs- phase berechnet. Bei der kontinuierlichen Verfahrensweise (Abb. lb) wurden Flockensedimentation und Schlammverdichtung in einer 2 m hohen Absetzrohre (10 1 Inhalt) vorgenommen, wobei die Flocken- dispergierung in der Kompressionszone und die Nachverdichtung des beschallten Schlammes im darunterliegenden Teil des Apparates er- folgten. Der Wassergehalt des Schlammes wurde in diesem Fall nach dem Schlammabzug experimentell ermittelt. Ultraschallbehandlung und Schlammabzug erfolgten intermittierend. Die spezifische Schall- leistung (bezogen auf die beschallte Schlammenge) betrug 300 kW/m3 bei der satzweisen und 150 kW/m3 bei der kontinuierlichen Schlammbehandlung. Die Feststoffgehalte des Schlammes lagen wahrend der Beschallung bei 400 bis 500 kg/m3. Die Schallfrequenz betrug jeweils 33 kHz. Das Dispergiermittel (DM) wurde in die Kom- pressionszone der Schlammsaule dosiert.

4 Ergebnisse

Abb. 2 zeigt ein Beispiel fur die Schlammverdichtung durch Ultra- schall nach der Flockung mit Stipix ADK. Unmittelbar nach der Be- anspruchung beginnt die Volumenabnahme, d. h. es erfolgt dann eine bedeutend starkere Eindickung als ohne Beschallung. Die starke Re-

Ultrascholl

L 1 I I I I I 1 I I 1 2 3 4 5 10 20 : 401

0,s Zeit t /h

Abb. 2. EinfluB der Ultraschallbehandlung (300 kW/m3, tg = 1 min) auf die satzweise Eindickung eines geflockten Kreideschlammes.

duzierung des Wassergehaltes w im Verlaufe der Nachverdichtungs- phase deutet auf eine weitgehende Flockenzerstorung hin, wobei der Verdichtungseffekt von der Dauer der Nachverdichtung tN abhangt. Die dichte Packung des Sedimentes, die sich bei der ungeflockten Suspension erst nach sehr langen Absetzzeiten (2 20 h) einstellt, wird bei der Redispergierung des geflockten Schlammes schon nach we- sentlich kiirzeren Absetzzeiten erreicht. Bei alleiniger Anwendung von Ultraschall waren in den untersuchten Systemen Beschallungszei- ten von 1 bis 3 min ausreichend. In Tab. 1 ist die bei Dispergiermittel-Einsatz und bei Ultraschallbean- spruchung eintretende Schlammverdichtung gegeniibergestellt, wo- bei sich die angegebenen Werte auf tN = 24 h beziehen. Als Flok-

898 Chem.-1ng.-Tech. 61 (1989) Nr. 11, S. 8 9 7 4 9 9

Tabelle 1. Verdichtungseffekte bei verschiedenen Varianten der Schlammbe- handlung.

Ultraschalldauer’) DM-Masse AK w Aw [min] [mmol/kg] [“/.I [“/.I [YO]

3 - 12 57 5

- 1 0 62 0 5 3 61 1

25 25 52 10

1 7 59 3 5 10 58 4

25 25 52 10

1) 300 kW/m3.

kungsmittel diente hierbei HPAA, mit dem aufgrund der hoheren Molmasse bedeutend stabilere Flocken gebildet werden als mit Stipix. Dies ist einmal aus dem groBeren Wassergehalt des unbehandelten Flockenschlammes, zum anderen aus dem vergleichsweise geringeren Effekt der Ultraschallbehandlung ersichtlich. Wirksamer als die me- chanische Flockenzerstorung ist somit die chemische Redispergie- rung. Als Dispergiermittel-Bedarf kann ein Bereich von 5 bis 25 mmol/kg Feststoff angegeben werden. Die Kombination mit Ultra- schall fiihrt dabei zu einer Einsparung an Reagenzien. Umgekehrt konnen bereits Dispergiermittel-Mengen in der GroBenordnung von 1 mmol/kg die Beschallungszeiten stark verkiirzen.

5 SchluRfolgerungen

Aus den durchgefiihrten Modellversuchen la5t sich fur die Flocken- schlammverdichtung durch alleinige Anwendung von Ultraschall ein

relativ hoher Elektroenergiebedarf abschatzen, der bei einer techni- schen Anwendung nicht vertretbar ware. Aussichtsreicher erscheint eine chemische Flockendispergierung in Kombination mit einer kurz- zeitigen, intensiven mechanischen Beanspruchung (beispielsweise Ultraschallimpuls). Die Effektivitat eines Verfahrens, bei dem Flok- kensedimentation und Schlammverdichtung in ein und demselben Apparat durchgefiihrt werden [13], hangt dann vor allem von den Dis- pergiermittel-Kosten ab. Bei einer solchen Variante stellt sich auBer- dem die Frage nach der Riickgewinnbarkeit des vom Feststoff ver- drangten Polymerflockungsmittels, wozu weiterfiihrende Untersu- chungen notwendig sind.

Eingegangen am 31. Marz 1989 [K 10511

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S. 1071.

ten der DDR (Erf. K. Miihle).

Werkstoffe fur Apparate zur Destillation, Verdampfung und Kondensation*

Im Rahmen dieses Beitrages wird iiber Ergebnisse aus Labor- und Betriebskorrosionsuntersuchungen zur werkstofflichen Auslegung von Apparaten zur Verdampfung, Destillation und Kondensation un- ter Einbeziehung vorliegender Betriebserfahrungen berichtet.

Michael Renner**

1 Beanspruchungsprofil von Apparaten zur thermischen Trennung Die Aufgaben des planenden Ingenieurs und des Anlagenbetreibers

liegen einmal in der Beherrschung der sich durch die stofflichen Ei- genschaften und die reaktionskinetischen Vorgange einstellenden ProzeRzustande, zum anderen in der Gewahrleistung der Eignung der ausgewahlten Werkstoffe nach technischen Regelwerken und letztlich auch in der Gewahrleistung der Eignung der Werkstoffe aus Sicht der Korrosion und des VerschleiBes. Die iibergeordneten Gesichtspunkte einer sicheren Werkstoffaus- wahl gliedern sich in - Anwendungsanforderungen, d. h. die Beriicksichtigung der me-

chanischen, thermischen und korrosiven Beanspruchung, und - Fertigungsanforderungen, d. h. die Beriicksichtigung der Ferti-

gungsbedingungen bei der Formgebung, Fiigetechnik und der Warmebehandlung.

Das Ziel dieser Bemiihungen ist ein sicherer, storungsfreier Betrieb unter gleichzeitiger Beriicksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunk- te.

1 .I Vakuumschaufeltrockner

Der Betrieb eines Vakuum-Schaufeltrockners ist gekennzeichnet durch - den Trocknungsvorgang, bei dem die Abtrennung der Fliissigkeit

aus einem Feststoff/Fliissigkeits-System durch Verdunsten oder Ausdampfen erfolgt. Hierbei beriihrt das Gut eine beheizte Fla- che, und mit zunehmender Trocknungsdauer nimmt der Feuchte- gehalt ab. Das Produkt wird standig umgewalzt und kommt standig neu mit der Heizflache in Beriihrung; des weiteren zerschlagen die Schaufeln standig das zusammenbackende Produkt.

Aus werkstofftechnischer Sicht ist also auBer einer dynamischen, mechanischen Beanspruchung auch mit einem Warmeiibergang bei gleichzeitiger korrosiver Wirkung des zu trocknenden Produkts (Fest- stoff, Briiden, Kondensat) zu rechnen.

1.2 Destillation/Verdampfung

Unter Destillation versteht man die Trennung eines Fliissigkeitsgemi- sches durch Teilverdampfung des Gemisches und anschlieBende Kon-

* Vortrag anlalllich der GVC-Tagung ,Werkstoffe fur die Verfah- renstechnik“ am 1.12. Dez. 1988 in Koln.

** Dip1.-Ing. M . Renner, Bayer AG, 5090 Leverkusen-Bayerwerk.

Chem.-1ng.-Tech. 61 (1989) Nr. 11, S. 899-901 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989 0009-286X/89/1111-0899 $ 02.50/0

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