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Dokumentenidentifikation DE10112085B4 13.12.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Zudosieren von Wirkstoffen in einen Flüssigkeitsstrom
Anmelder BWT Wassertechnik GmbH, 69198 Schriesheim, DE
Erfinder Bergmann, Ralph, 69469 Weinheim, DE
Vertreter Wolf & Lutz, 70193 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 12.03.2001
DE-Aktenzeichen 10112085
Offenlegungstag 19.09.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse B01J 4/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C02F 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zudosieren von Wirkstoffen in einen Flüssigkeitsstrom, insbesondere Kesselstein-Inhibitoren in einen aufzubereitenden Wasserstrom.

Ein Verfahrensziel in der Wasseraufbereitung ist die Vermeidung von Ausfällungen wenig löslicher Substanzen wie Kalk und Gips. Solche Wasserinhaltsstoffe werden insbesondere bei Umkehrosmoseanlagen in hohen Konzentrationen angereichert, was letztlich zu einer Verblockung der Umkehrosmosemembran führen kann. Kesselsteinausfällungen wirken sich auch in anderen Bereichen störend aus, beispielsweise durch unerwünschte Ablagerungen auf Wärmetauscherflächen. Als Abhilfe werden kesselsteinverhütende Inhibitoren eingesetzt, die auf chemischem Wege die Kesselsteinbildung verhindern. In der Praxis erfolgt die Eindosierung in Form von konzentrierten Wirkstofflösungen mittels Dosierpumpen. Deren Einsatz erweist sich allerdings bei geringen Volumenströmen des zu behandelnden Wassers und entsprechend geringen Dosiervolumina vor allem im Hinblick auf die hohen Investitionskosten als problematisch. So muß beispielsweise bei einer Solldosiermenge von 4 mg/l und einem Volumenstrom des Wassers von 100 l/h ein äußerst geringes Dosiervolumen von 0,4 ml/h eingehalten werden. Die Dosiermenge darf dabei nicht allzu sehr schwanken, da bei Unterdosierung der erwünschte Effekt ausbleibt und bei Überdosierung neben der Verschwendung von teuren Chemikalien die Inhibitoren als Substrat für Bakterien wirken.

Aus der DE 199 55 446 A1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zum Dosieren von Chemikalien in technischen Anlagen gemäß dem Oberbegriff der unanhängigen Patentansprüche bekannt, wobei es dort bei langem Stillstand letztlich zu einem Konzentrationsausgleich der zu dosierenden Chemikalie zwischen Vorratsbehälter und Anlagenbecken kommt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dosierung von Wasseraufbereitungschemikalien anzugeben, womit eine hinreichend genaue und reproduzierbare Dosierung auch bei kleinen Dosiermengen mit geringem Aufwand ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 bzw. 8 eingegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, durch einen gerichteten Diffusionstransport von Wirkstoffmolekülen in den zu behandelnden Flüssigkeitsstrom mit einfachen Mitteln eine Dosierung zu ermöglichen.

Damit wird erreicht, daß in Abhängigkeit vom Konzentrationsgradient (hohe Wirkstoffkonzentration in der Wirkstofflösung, verschwindende Konzentration in der Rohflüssigkeit) eine gegebene Chemikalienmenge in die zu behandelnde Flüssigkeit gelangt. Da der Konzentrationsgradient auch von der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Bereich der Trennwand abhängt, wird in gewissem Umfang eine Selbstregulierung erreicht. Die Diffusionsvorgänge verlaufen für die gewünschten Konzentrationen ausreichend schnell, so daß eine kompakte Bauform möglich ist. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die Vorrichtung ohne Zufuhr externer Energie funktioniert.

Vorteilhafterweise ist die Trennwand durch eine mit für die Wirkstoffteilchen durchlässigen Poren versehene Dosiermembran, insbesondere eine Polymermembran oder gesinterte Glas- oder Keramikmembran gebildet. Dabei können die Porenweite und/oder die Dicke und/oder die wirksame Fläche der Trennwand bzw. der Dosiermembran zur Einstellung einer vorgegebenen Dosiermenge des Wirkstoffs angepaßt sein. Insbesondere sollte die Porenweite kleiner als 10 Mikrometer, vorzugsweise kleiner als 1 Mikrometer sein. Denkbar ist es auch, daß die Trennwand zur Beeinflussung ihrer Permeabilität für die Wirkstoffteilchen auf ein vorgegebenes Potential elektrostatisch aufgeladen ist.

In einer besonders kompakten und einfachen Bauform sind das Reservoir und der Dosierkanal in einem gemeinsamen Gehäuseblock angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, daß die Trennwand den lichten Querschnitt eines Gehäusedurchbruchs zwischen dem Reservoir und dem Dosierkanal überspannt. Um den Einbau und ggf. Austausch zu erleichtern, ist es günstig, wenn die Dosiermembran zwischen zwei voneinander lösbaren Gehäuseteilen des Gehäuseblocks eingespannt ist.

Eine weiterhin bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht eine Absperreinheit zum Überdecken der Trennwand gegenüber dem Dosierkanal oder dem Reservoir bei unterbrochenem Flüssigkeitsstrom vor, um auf diese Weise eine ungewollte Überdosierung zu verhindern.

Vorteilhafterweise ist die Absperreinheit als Strömungshindernis von dem Flüssigkeitsstrom angeströmt und unter dessen Staudruck selbsttätig aus einer Schließstellung zum Überdecken der Trennwand gegen Flüssigkeitszutritt in eine Freigabestellung zum Durchlaß des Wirkstoffs bewegbar. Dies läßt sich vorteilhaft dadurch realisieren, daß die Absperreinheit eine mit Durchlaßöffnungen für den Flüssigkeitsstrom versehene, einen Querschnitt des Dosierkanals überspannende und quer zu der Trennwand begrenzt bewegliche Steuermembran aufweist. Um die selbsttätige Einnahme der Schließstellung bei Ausbleiben der Wasserströmung zu ermöglichen, ist die Absperreinheit gegen die Kraft eines vorzugsweise durch eine Rückstellfeder gebildeten Rückstellelements in ihre Freigabestellung bewegbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Absperreinheit eine gegen einen kanalseitigen Dichtrand eines durch die Trennwand überdeckten Durchbruchs zwischen dem Reservoir und dem Dosierkanal anpreßbare Dichtfläche und einen in einer Führung gegen die Trennwand verschieblichen Andrückstempel aufweist.

Alternativ oder ergänzend ist es auch denkbar, daß ein im Bereich der Dosiermembran liegender Kanalabschnitt des Dosierkanals durch eine Rückschlagventilanordnung absperrbar ist.

Der Einsatz erfolgt bevorzugt bei einem Volumenstrom des zu behandelnden Flüssigkeitsstroms von weniger als 1000 Liter in der Stunde, vorzugsweise weniger als 100 Liter in der Stunde und einer gewünschten Dosiermenge von weniger als 10 Milligramm Wirkstoff pro Liter der aufzubereitenden Flüssigkeit.

Um definierte Konzentrationsverhältnisse über lange Zeiträume sicherzustellen, ist es von Vorteil, wenn der Wirkstoff als Feststoff in einem Lösungsmittel zur Bildung der Wirkstofflösung in das Reservoir eingebracht ist. Hierfür lassen sich Dendrimere in wäßriger Lösung vorteilhaft einsetzen.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß

  • a) ein Reservoir mit einer den Wirkstoff enthaltenden Wirkstofflösung beaufschlagt wird,
  • b) der Flüssigkeitsstrom durch einen Dosierkanal hindurchgeleitet wird,
  • c) die Wirkstoffteilchen aus der Wirkstofflösung durch Konzentrationsdfiffusion über eine das Reservoir gegenüber dem Dosierkanal begrenzende mikroporöse Trennwand selbsttätig in den Flüssigkeitsstrom eindosiert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Dosiervorrichtung zum Zudosieren von Wirkstoffen in einen aufzubereitenden Wasserstrom in einem zweigeteilten Schnitt in einer Ruhestellung (linke Hälfte) und einer Betriebsstellung (rechte Hälfte).

Die in der Zeichnung dargestellte Dosiervorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuseblock 12, einem darin angeordneten Dosierkanal 14 zum Durchleiten eines zu behandelnden Wasserstrom, einem Reservoir 16zur Aufnahme einer Wirkstofflösung, einer das Reservoir 16 gegenüber dem Dosierkanal 14 begrenzenden Dosiermembran 18 und einer Absperreinheit 20 zum selbsttätigen Überdecken der Dosiermembran 18 gegen Wasserzutritt bei unterbrochenem Wasserstrom.

Der Gehäuseblock 12 läßt sich zum Auswechseln der Dosiermembran und der Absperreinheit 20 in verschiedene Gehäuseteile 22, 24, 26 zerlegen. Das Reservoir 16 wird durch einen rohrförmigen Gehäuseeinsatz 28 in dem Gehäuseteil 22 gebildet, während der Dosierkanal 14 zwischen dem mit einem Kanaleinlaß 30 versehenen Gehäuseteil 24 und dem einen Kanalauslaß 32 aufweisenden Gehäuseteil 26 verläuft.

Die Dosiermembran 18 ist in einem das Reservoir 16 mit dem Dosierkanal 14 verbindenden Durchbruch 34 zwischen den Gehäuseteilen 22, 24 mittels Dichtungen 36 dicht eingespannt. Sie überspannt dabei den lichten Querschnitt des Durchbruchs 34 und bildet eine mikroporöse Trennwand, durch welche die in den Wasserstrom einzubringenden Wirkstoffteilchen durch Konzentrationsdiffusion hindurchtreten. Die Dosierung erfolgt also aufgrund eines bestehenden Konzentrationsgefälles zwischen der mit dem Wirkstoff gesättigten Wirkstofflösung und dem Rohwasser. Um die Dosiermenge zu steuern, ist die Porenweite, der nicht gezeigten Membranporen und die Membrandicke entsprechend vorgewählt.

Um zu verhindern, daß bei stehendem Wasser im Bereich des Dosierkanals 14 eine Überdosierung auftritt, läßt sich die Absperreinheit 20 aus einer Betriebs- bzw. Freigabestellung zum Durchlaß des Permeats, wie sie in der linken Zeichnungshälfte gezeigt ist, selbsttätig in eine den Durchbruch 34 an einem kanalseitigen Dichtrand 36 verschließende und dabei die Dosiermembran gegen Wasserzutritt aus dem Dosierkanal überdeckende Ruhe- bzw. Schließstellung bewegen.

Zu diesem Zweck weist die Absperreinheit eine Steuermembran 38 auf, die zwischen den Gehäuseteilen 24, 26 eingespannt ist und damit einen parallel zu dem Dichtrand 36 verlaufenden Querschnitt 40 des Dosierkanals 14 zwischen dem Kanaleinlaß 30 und dem Kanalauslaß 32 querbeweglich überspannt. Die Steuermembran 38 ist im Randbereich eines an dem Dichtrand 36 abdichtenden Dichttellers 42 mit mehreren Durchlaßöffnungen 44 für den Wasserstrom versehen. Auf diese Weise wird durch den Staudruck des Wasserstroms eine Öffnungskraft in Richtung der Freigabestellung der Absperreinheit 20 ausgeübt. Die Einnahme der Schließstellung erfolgt bei verschwindendem Staudruck federzentriert unter der Kraft der Rückstellfeder 46, welche zwischen dem Gehäuseteil 26 und einem darin geführten Andrückstempel 48 an der von der Dichtfläche 50 abgewandten Rückseite des Dichttellers 42 eingespannt ist.

Dosiervorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art lassen sich vor allem zur Voraufbereitung von Rohwasser in Verbindung mit Umkehrosmoseanlagen einsetzen, um eine Verblockung der Umkehrosmosemembran durch Calciumcarbonat-Verbindungen zu verhindern. Zu diesem Zweck werden sogenannte "Antiscalants" bzw. Kesselstein-Inhibitoren als Wirkstoff eingesetzt, insbesondere Dendrimere als Feststoff-Antiscalant. Alternativ ist beispielsweise auch die Verwendung von Polyphosphaten oder Phosphonsäuren möglich. In einem Anwendungsbeispiel wurde das Reservoir bei einem Volumen von 25 ml mit 15 g Feststoff-Antiscalant und Wasser gefüllt. Zu Beginn liegt somit ein zweiphasiges System vor, welches allmählich in ein einphasiges System aus gesättigter Antiscalant-Lösung übergeht. Die Menge an Antiscalant ist ausreichend für einen einwöchigen Betrieb bei einem Wasserfluß von ca. 60 l/h, wobei die Dosierrate ca. 90 mg/h bzw. 1,5 mg/l bezogen auf den Feststoff beträgt. Dabei kann eine handelsübliche Polymermembran als Dosiermembran mit einer Porenweite von 0,2 Mikrometer Verwendung finden. Durch die Parameter Porenweite und Membrandicke läßt sich die erforderliche Dosiermenge exakt einstellen, wobei die Dosiermenge umgekehrt proportional zur Membrandicke ist. Der Wasserfluß bestimmt auch die Anzahl und den Durchmesser der Durchlaßöffnungen 44. In dem beschriebenen Beispiel wurden sechs Durchlaßöffnungen mit einem Durchmesser von 1,8 mm verwendet, um eine sichere Einhaltung der Funktionsstellungen zu gewährleisten.

10
Dosiervorrichtung
12
Gehäuseblock
18
Trennwand (Dosiermembran)
20
Absperreinheit
22,24,26
Gehäuseteile
28
Gehäuseeinsatz
30
Zulauf
32
Ablauf
34
Durchbruch
36
Dichtrand
38
Steuermembran
40
Dosierkanal-Querschnitt
42
Dichtteller
44
Durchlassöffnungen
46
Rückstellfeder
48
Andrückstempel
50
Dichtfläche


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Zudosieren von Wirkstoffen in einen Flüssigkeitsstrom, insbesondere Kesselstein-Inhibitoren in einen aufzubereitenden Wasserstrom mit folgenden Merkmalen

a) einem Reservoir (16) zur Aufnahme einer den Wirkstoff enthaltenden Wirkstofflösung,

b) einem zwischen einem Zulauf (30) und einem Ablauf (32) verlaufenden Dosierkanal (14) zum Durchleiten des Flüssigkeitsstroms,

c) einer das Reservoir (16) gegenüber dem Dosierkanal (14) begrenzenden mikroporösen Trennwand (18) zum Eindiffundieren von Wirkstoffteilchen aus der Wirkstofflösung in den Flüssigkeitsstrom,

d) gekennzeichnet durch eine Absperreinheit (20) zum Überdecken der Trennwand (18) gegenüber dem Dosierkanal (14) oder dem Reservoir (16) bei unterbrochenem Flüssigkeitsstrom.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinheit (20) als Strömungshindernis von dem Flüssigkeitsstrom angeströmt ist und unter dessen Staudruck selbsttätig aus einer Schließstellung zum Überdecken der Trennwand (18) gegen Flüssigkeitszutritt in eine Freigabestellung zum Durchlaß des Wirkstoffs bewegbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinheit (20) eine mit Durchlaßöffnungen (44) für den Flüssigkeitsstrom versehene, einen Querschnitt (40) des Dosierkanals (14) überspannende und quer zu der Trennwand (18) begrenzt bewegliche Steuermembran (38) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinheit (20) gegen die Kraft eines vorzugsweise durch eine Rückstellfeder gebildeten Rückstellelements (46) in ihre Freigabestellung bewegbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinheit (20) eine gegen einen kanalseitigen Dichtrand (36) eines durch die Trennwand (18) überdeckten Durchbruchs (34) zwischen dem Reservoir (16) und dem Dosierkanal (14) anpreßbare Dichtfläche (50) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinheit (20) einen in einer Führung gegen die Trennwand (18) verschieblichen Andrückstempel (48) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Bereich der Trennwand (18) liegender Kanalabschnitt des Dosierkanals (14) durch eine Rückschlagventilanordnung absperrbar ist. Vorrichtung zum Zudosieren von Wirkstoffen in einen Flüssigkeitsstrom, insbesondere Kesselstein-Inhibitoren in einen aufzubereitenden Wasserstrom mit folgenden Merkmalen

a) einem Reservoir (16) zur Aufnahme einer den Wirkstoff enthaltenden Wirkstofflösung,

b) einem zwischen einem Zulauf (30) und einem Ablauf (32) verlaufenden Dosierkanal (14) zum Durchleiten des Flüssigkeitsstroms,

c) einer das Reservoir (16) gegenüber dem Dosierkanal (14) begrenzenden mikroporösen Trennwand (18) zum Eindiffundieren von Wirkstoffteilchen aus der Wirkstofflösung in den Flüssigkeitsstrom,

d) gekennzeichnet durch durch eine Rückschlagventilanordnung zum Absperren eines im Bereich der Trennwand (18) liegenden Kanalabschnitts des Dosierkanals (14).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (18) durch eine mit, für die Wirkstoffteilchen durchlässigen Poren versehene Dosiermembran, insbesondere eine Polymermembran oder gesinterte Glas- oder Keramikmembran gebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenweite, die Dicke und/oder die wirksame Fläche der Trennwand (18) an eine vorgegebene Dosiermenge des Wirkstoffs angepaßt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenweite der Trennwand (18) kleiner als 10 Mikrometer, vorzugsweise kleiner als 1 Mikrometer ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (18) zur Beeinflussung ihrer Permeabilität für die Wirkstoffteilchen auf ein vorgegebenes Potential elektrostatisch aufgeladen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (16) und der Dosierkanal (14) in einem gemeinsamen Gehäuseblock (12) angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, daqdurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (18) den lichten Querschnitt eines Durchbruchs (34) zwischen dem Reservoir (16) und dem Dosierkanal (14) überspannt. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (18) zwischen zwei voneinander lösbaren Gehäuseteilen (22,24) des Gehäuseblocks (12) eingespannt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom des Flüssigkeitsstroms weniger als 1000 Liter, vorzugsweise weniger als 100 Liter in der Stunde und die Dosiermenge weniger als 10 Milligramm Wirkstoff pro Liter der aufzubereitenden Flüssigkeit betragen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkstoff als Feststoff in einem Lösungsmittel zur Bildung der Wirkstofflösung in das Reservoir (16) eingebracht ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkstoff durch Dendrimere gebildet ist. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem

a) ein Reservoir (16) mit einer den Wirkstoff enthaltenden Wirkstofflösung beaufschlagt wird,

b) der Flüssigkeitsstrom durch einen Dosierkanal (14) hindurchgeleitet wird,

c) die Wirkstoffteilchen aus der Wirkstofflösung durch Konzentrationsdfiffusion über eine das Reservoir (16) gegenüber dem Dosierkanal (14) begrenzende mikroporöse Trennwand (18) selbsttätig in den Flüssigkeitsstrom eindosiert werden.






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