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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung liegt
auf dem Gebiet der Analyse und der Behandlung von Brauchwasser und
genauer betrifft er ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung
des Kesselsteinansatzcharakters der für eine Rezyklierung bestimmten
Wässer.
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Die vorliegende Erfindung hat also
zum Ziel, das Rezyklierungspotential von Wasser zu bewerten, das
insbesondere aus chemischen oder petrochemischen Verfahren stammt
und zwar mit dem Ziel, beispielsweise in Kühlkreisläufen Wasser zuzusetzen.
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Zur Zeit ist es nicht leicht, Rezyklierungen von
Raffineriewässern
im Ausmaß ihrer
Produktion so wie sie sind oder nach geeigneten Behandlungen (Reinigungen
oder Zusatz von Additiven) im Zustrom an Wasserverbraucher vorzunehmen,
da die kontinuierlichen Bewertungsmethoden des Kesselsteinansatzverhaltens
eines Wassers nicht adaptiert sind.
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Bekannt ist das Dokument EP-A-676637, welches
eine Vorrichtung zum Messen der Veränderung der Masse einer Elektrode
während
einer elektrochemischen Reaktion beschreibt, wobei die Vorrichtung
eine Quarzmikrowaage umfasst. Dieses Dokument beschreibt eine Verbesserung
der Messvorrichtung durch eine Quarzmikrowaage, deren Arbeitselektrode
durch einen Strahl spezifischer Form überstrichen wird.
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Somit betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Regeln des Kesselsteinansatzverhaltens eines Wassers,
das durch einen Kanal bestimmter Geometrie fließt, bei dem:
- a.
man in diesen Kanal Mittel einsetzt, um die Ausfällung von Abscheidungen an
einer Arbeitselektrode zu beschleunigen, wobei diese Mittel eine Bezugselektrode
und wenigstens eine Hilfselektrode umfassen,
- b. man die geometrischen Charakteristiken dieses Kanals als
Funktion der Natur der Strömung,
die man ihr benachbart der Arbeitselektrode auferlegt, bestimmt,
- c. man während
eines fixierten Zeitintervalls eine erste Messung als Funktion der
Zeit der Masse der Abscheidungen auf dieser Arbeitselektrode mit
Hilfe einer Quarzmikrowaage vornimmt, von der eine der Elektroden
durch die Arbeitselektrode gebildet ist,
- d. man von dieser Messung einen Parameter herleitet, der mit
dem Kesselsteinansatzcharakter dieses Fluids unter Strömungsbedingungen
verknüpft
ist.
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Gemäß dem Verfahren:
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- e. kann man eine zweite Messung unter den gleichen
Bedingungen wie die erste vornehmen,
- f. kann man die zweite Messung bezüglich der ersten interpretieren,
um eine Entwicklung oder Stabilisierung des Kesselsteinansatzvermögens dieses
Wassers herzuleiten, und
- g. kann man aus dieser Messung eine Abscheidungsausfällgeschwindigkeit
erhalten.
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Der Kanal kann einen rechteckigen
Querschnitt und eine ausreichende Länge haben, damit die Strömung benachbart
der Arbeitselektrode laminar wird.
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Das Wasser kann aus einem Raffinierungsverfahren
für Erdöl anströmseitig
zum Kanal herrühren.
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Das Wasser kann vor dem Kanal in
einer Behandlungsinstallation behandelt worden sein.
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Man kann Verteilermittel für Wasser (hilfs)steuern,
welche hinter diesem Kanal sich befinden, wobei dieses Wasser entweder
gegen einen Ausstoß,
eine Verwendung oder eine zusätzliche
Behandlung als Funktion der Messungen verteilt wird.
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Auch betrifft die Erfindung eine
Regelvorrichtung für
das Kesselsteinansatzverhalten eines Wassers, umfassend: eine Quarzmikrowaage,
eine Bezugselektrode, wenigstens eine Hilfselektrode, und eine Arbeitselektrode,
die durch eine der Elektroden dieser Mikrowaage gebildet ist. In
der Vorrichtung ist die Arbeitselektrode in einem Kanal, in welchem
das Wasser zirkuliert, angeordnet und der Kanal hat geometrische
bestimmte Abmessungen, um einen spezifischen Strömungstyp benachbart dieser
Arbeitselektrode zu erhalten.
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Der Kanal kann einen Teil mit planer
Oberfläche
umfassen, die Arbeitselektrode wird im Wesentlichen in der gleichen
Ebene wie diese plane Fläche angebracht.
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Der Kanal kann einen Rechteckquerschnitt haben.
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Die Erfindung wird besser verständlich und ihre
Vorteile ergeben sich klarer mit Bezug auf die folgende Beschreibung
von Beispielen, nicht als begrenzend anzusehen, welche durch die
beiliegenden Figuren erläutert
werden, in denen:
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1 eine
Prinzipanordnung der verschiedenen Mittel zeigt, die ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ermöglichen,
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2 zeigt
das Schema der Bewertungs- oder Messanlage,
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3 zeigt
das Prinzip der im Kanal nach der Erfindung angeordneten Arbeitselektrode
und die
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4A und 4B zeigen ein Beispiel für die durch
die Installation vorgenommenen Messungen.
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In 1 bedeuten
die Bezugszeichen 1, 2, 3 jeweils die
Regelvorrichtung für
das Kesselsteinansatzverhalten nach der Erfindung, eine Installation
für ein
Raffinie rungsverfahren und eine Gesamtanordnung für Wasserbehandlungsmittel.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet Verteilermittel für den aus
den Behandlungsmitteln kommenden Wasserstrom. Diese Verteilermittel
sind in Strömungsrichtung
hinter dem Wasserstrom vorgesehen, der aus der Parallelleitung kommt,
welche die Kanaleinrichtung 1 nach der Erfindung speist.
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Die Pfeile 6 bedeuten Materialströme am Eintritt
des Verfahrens, d.h. Wasser. Die Pfeile 7 symbolisieren
die Materialaustritte nach dem Verfahren, wobei die mit 8 bezeichnete
Leitung für
die Sammlung des Wassers, welches ggf. rezykliert, abgegeben, in
anderen Aggregaten nach Verwendung oder ohne Behandlung insgesamt
oder zum Teil gesammelt werden kann. Im vorliegenden Beispiel wird
das Wasser am Austritt durch den Sammler 8 insgesamt in
eine Wasserbehandlungsanlage 3 geleitet. Diese Installation
kann sämtliche
klassischen bekannten Behandlungen einschließlich der Zugabe von Additiven
umfassen.
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Die Bezugszeichen 9 und 10 stellen
jeweils Wasserleitungen vor und nach Behandlung zu verschiedenen
Verbrauchern dar, beispielsweise anderen Verfahren als das Verfahren 2 oder
Installationen, die Wasser wie Kühlinstallationen
benötigen.
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Die Wasseraustrittsleitung nach Behandlung kann
eine Parallelschaltung 5 umfassen, die einen Teil des Wassers
zur Vorrichtung 1 nach der Erfindung führt.
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Als Funktion der durch die Vorrichtung 1 eingeführten Messungen
werden die Verteilermittel 4 (hilfs)gesteuert, um das Wasser
entweder gegen einen Ausstoß 12 oder
eine andere Verwendung, eine Behandlung für Sekundärwasser 13 oder sogar
eine Rezkylierung in das Verfahren 2 über die Leitung 15 oder
zu einer Rezyklierung in der Behandlungsinstallation über die
Leitung 14 zu verteilen.
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Für
den Fall, dass die Kapazität
der Vorrichtung 1 derart ist, dass der Wassergesamtdurchsatz am
Austritt aus der Behandlungsinstallation 3 aufgenommen
werden kann, kann die Vorrichtung direkt mit der Leitung 11 angeordnet
werden.
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Ein solches Schema gemäß 1 gibt nur ein generelles
Verwendungsprinzip der Vorrichtung nach der Erfindung wieder, andere
Verteilervarianten der Ströme
und ihre Verwendungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung
möglich.
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2 zeigt
genauer die Hauptkomponenten der Vorrichtung 1. In der
Parallelschaltung 5 ordnet man einen Durchflussmesser 16,
Messmittel 17 für Druck
und Temperatur an. Ein Kanal 18 spezifischer Gestalt umfasst
eine Bezugselektrode 19, wenigstens eine Hilfselektrode 20,
beide stehen in Verbindung mit einem Potentiostaten 22.
Ein Quarzkristall 21 stellt eine Mikrowaage dar, von der
eine der Elektroden 24 in Kontakt mit dem im Kanal strömenden Wasser
steht. Diese sogenannte Arbeitselektrode wird im Wesentlichen in
Fortsetzung der Wand des Kanals angeordnet, d.h. dass die plane
Oberfläche der
Arbeitselektrode sich in der gleichen Ebene wie die der inneren
Wandung des Kanals befindet. Hierzu kann man im Fall, wo die Parallelleitung
zylindrisch ist, eine plane Fläche
in der inneren Wand anordnen. Die beiden Elektroden 24 und 24' sind mit einem Quarzmonitor
verbunden, der die Regelung seiner Schwingung und die Messung der
Abscheidungen auf der Arbeitselektrode 24 gestattet. Eine
elektrische Verbindung 26 zwischen dem Monitor 23 und dem
Potentiostaten 22 ermöglicht
es, ein elektrochemisches Potential zwischen der Bezugselektrode 19 und
der Arbeitselektrode 24 zu erzeugen. Die Hilfselektrode(n)
24 sind angeordnet, um die Messung der Intensitätsveränderung aufgrund von Abscheidungen auf
der Arbeitselektrode zu ermöglichen.
Ein Mikrorechner 25 steuert und verarbeitet die durch die
Mikrowaage und den Potentiostaten erhaltenen Messungen.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des Kanals 18. Dieser verfügt über einen Rechteckquerschnitt
der Breite W und der Höhe
H und ist von minimaler Länge
L zwischen dem Eintritt des Kanals und der Arbeitselektrode 24.
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Form und Länge des Kanals sind derart
bestimmt, dass die Wasserströmung
auf der Arbeitselektrode im Wesentlichen laminar und parallel zur Oberfläche der
Arbeitselektrode wird. So können
die aus den Abscheidungen auf der Elektrode 24 resultierenden
Messungen und Interpretationen repräsentativ für die reellen Bedingungen sein,
unter denen man Abscheidungen in industriellen Installationen haben
kann.
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Für
einen Durchsatz von 1,5 Liter/min., W = 2,6 cm und H = 0,14 cm liegt
die Reynolds-Zahl bei etwa 1570, die minimale Länge L beträgt 14,2 cm.
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Für
einen Durchsatz von 1,1 Liter/min., W = 2,6 cm und N = 0,3 cm liegt
die Reynolds-Zahl bei etwa 1151, wobei die Minimallänge L bei
20,7 cm liegt.
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Die Arbeitselektrode wird gebildet
durch eine Schicht Gold einer kreisrunden Oberfläche von etwa 1,37 cm2. Das Prinzip der Quarzmikrowaage basiert auf
der Proportionalität
zwischen der Veränderung der
Masse M die abgeschieden wurde und der Resonanzfrequenz feiner Quarzelektrode.
m = C·f,
wobei C die Zellenkonstante gleich 1,77·10–8 g/sek.
cm2 Hz für
eine Resonanzfrequenz des Quarzes von 5 MHz ist. Das Dokument EP-A-676637,
oben genannt, beschreibt ebenfalls das Verwendungsprinzip einer Quarzmikrowaage.
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Die 4A und 4B zeigen das Prinzip der Messungen,
die man mit der vorliegenden Erfindung ausführen kann. Die Bildung von
Kesselstein auf der Arbeitselektrode induziert eine Impedanz im
Kreis und daher eine Modifikation der Stromstärke, gemessen mit Hilfe der
Kombination der Hilfselektroden, Bezugselektroden und Arbeitselektroden,
welche mit dem Potentiostaten 22 verbunden sind. 4A gibt die allgemeine Form
der Kurve der Stromveränderung
(Ordinate) als Funktion der Zeit (Abszisse). Die Analyse der Kurvenintensität/Zeit gibt
Zugang zu einer Kesselsteinansatzzeit TE1, die wie in 4A angegeben definiert ist.
Man definiert einen Kesselsteinansatz Index 1 = 1000/TE1. Ein Wasser
kann klassiert werden als Kesselstein ansetzend für einen Index
oberhalb 15 und wenig ansetzend für einen Index zwischen 0,5
und 5. Eine Ansetzgeschwindigkeit VE1 kann berechnet werden ausgehend
von der Steilheit der Kurve. Dank der Vorrichtung nach der Erfindung
kann man in Kombination mit der elektrochemischen Reaktion kontinuierlich
die Veränderung der
Masse an Feststoffen messen, die sich auf der Arbeitselektrode abgeschieden
haben. Die Analyse der Kurve vom in 4B dargestellten
Typ ermöglicht
drei Zonen zu unterscheiden:
- – ein erster
Bereich 1, welche die Keimbildungsphase beschreibt und
dem Auftreten der ersten Carbonatkristalle entspricht. Eine Keimbildungszeit
TG ist auch definiert,
- – ein
zweiter Bereich II, der mit einer Phase des Wachstums der Keime
verbunden ist und durch eine Kesselsteinansatzgeschwindigkeit VE2
entsprechend der Neigung der Kurve charakterisiert ist,
- – eine
Stufe entsprechend einer Sättigung
der Elektrode durch das Carbonat nach einer Zeit TE2.
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Die Veränderung der Masse ergibt eine
Anzeige hinsichtlich der Kinetik der Abscheidungsbildung. Entsprechend
der chemischen Struktur der Additive beispielsweise, die während der
Behandlung verwendet werden, können
einige auf die Formation der Carbonatkeime einwirken. Eine Verzögerungszeit
(Keimbildungszeit TG) bezüglich
der Erhöhung der
Masse wird direkt an den Kurven bestimmt. Auch kann das Wachstum
der Kristalle durch das ggf. Vorhandensein von Additiven begrenzt
werden. Die Kesselansatzgeschwindigkeit VE kann ebenfalls modifiziert
werden.
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Es ist klar, dass die Erfindung es
ermöglicht, kontinuierlich
oder in Form von Messungen, die punktuell genommen werden, über einen
ausreichend großen
Zeitraum zu analysieren, um die notwendigen Informationen zur Bestimmung
des ggf. vorhandenen Kesselsteinansatzvermögens eines Wasserstroms zu
erhalten, wobei die Messungen in regelmäßigen Zeitintervallen wiederholt
werden, um die Ergebnisse der punktuellen Messungen zu vergleichen.
Die Vergleiche und die Interpretationen der Messungen ermöglichen
es, ebenfalls die Entwicklungen des Kesselsteinansatzcharakters
des Wasserstroms zu identifizieren.
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Die Erfindung kann während des
Tests eines Verfahrens zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen in
einer Piloteinheit verwendet werden, wo ein Wasserstrom am Austritt
der Einheit gesammelt werden kann, die Qualität des Wassers kann eine technische
Information, die zur Industrialisierung des Verfahrens notwendig
ist, sein.
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Industriell ist die Erfindung vorteilhaft
um kontinuierlich oder pseudokontinuierlich Verfahren zur Raffinierung,
Wasserbehandlungen oder Abläufe in
Kühlinstallationen
zu steuern.