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1 1
Kosteneinsparung durch... ...optimierte Spültechnik
Wie wird die erforderliche Spülwassermenge berechnet? Welche Wasserqualitäten stehen zur Verfügung? Wie kann ich präventiv Spülwasser einsparen? Warum muss ich den Spüleffekt verstärken? Wie sehen typische Fehlerbilder aus?
von Herbert Hauser, Dipl. Ing. (FH) Oberflächentechnik
ProWaTech AG
Botzen 12
CH-8416 Flaach ZH
Telefon: 0041 (0)52 224 06 50
Telefax: 0041 (0)52 224 06 51
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1
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2
Wasser
Grundlagen
H2O:
Transport- und Lösungsmittel
18,18 MOhm = 0,055 µS/cm
Quelle: Wikepedia
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3
Grenzflächenenergie (J/m2) ~ Grenzflächenspannung (N/m) Formel: s(I/III) = s(I/II) + s (II/III) x cos g g = 0° → 1 g = 90° → 0 g = 180° → - 1
Die Widerungen des Alltags, Teil 1
III I
II
Grundlagen
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4
Grundlagen
Prandtl‘sche Grenzschicht : Formel:
dP ~ √ h x l
r x vK Abtransport durch Konvektion Grenzschicht dp = laminare Strömung Feststoffoberfläche = 0 m/sec.
Die Widerungen des Alltags, Teil 2
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5
Grundlagen
Nernst‘sche Grenzschicht : Formel:
JD ~ - D x c0 - cOF ci dN ~ dP / 10 Abtransport durch Diffusion(-sgradient) keine Feststoffe
Die Widerungen des Alltags, Teil 3
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6
Grundlagen
auch ohne Kontamination während Spülprozess:
reaktive Metalloberfläche mit H2O
und O2
Die Widerungen des Alltags, Teil 4
Quelle: Wikepedia
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7
Definition: V Verschleppung (Menge pro Zeiteinheit) Q eingesetzte Spülwassermenge pro Zeiteinheit c0 Konzentration im Aktivbad cn Konzentration in der n-ten Spüle R Spülkriterium in der n-ten Spüle
Spülen ist…?
Verdünnungslehre
Q ~ -- V
Q -- > 10 Bedingung: Gleichgewichteinstellung
V
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8
Rechenbeispiele
Prozess: Elektropolieren INOX (2,5 Equiv./l Kat., 19,0 Equiv./l Ani.)
Durchsatz: 500 dm2/h Verschleppung: 1 l/h (0,20 l/m2)
Spülkriterium: 5‘000 (0,16 g/l Säuren)
Variante 1, eine Fliessspüle Spülwasserbedarf: 5‘000 l/h Abwasseranfall: 5‘000 l/h
Q
Q
Verdünnungslehre
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9
Rechenbeispiele
Prozess: Elektropolieren INOX Durchsatz: 500 dm2/h Verschleppung: 1 l/h Spülkriterium: 5‘000 Variante 2, dreifach Spülkaskade Spülwasserbedarf: 17,1 l/h Abwasseranfall: 17,1 l/h
Q
Q
Verdünnungslehre
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10
Rechenbeispiele
Prozess: Elektropolieren INOX Durchsatz: 500 dm2/h Verschleppung: 1 l/h Spülkriterium: 5‘000 Variante 3, Sparspüle/Fliessspüle Spülwasserbedarf (Sparspüle): 5,5 l/(h) Spülwasserbedarf (Kreislauf): 500 l/h Abwasseranfall (Sparspüle): 5,5 l/(h) Abwasseranfall (Eluate): 3,1 l/(h)
Q1
Q1 E
IAT
Verdünnungslehre
Q2
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11
Vergleich Spültechnik
Verdünnungslehre
Vor-
/Nachteile
Sparspüle Kaskade Spritzspüle Fliessspüle
+ Hohe
Konzentration
(Recycling)
Geringster
Wasserbedarf
Universell
einsetzbar (kein
Kreislauf)
Geringer
Wasserbedarf
Zwei
Spülprozesse
in einer Wanne
Hoher
Spüleffekt
Höchste
Spülwasser-
qualität
und Prozess-
sicherheit
- Schwankende
Konzentrationen
(Qualität)
Geringer
Spüleffekt
(Agitation)
Hoher
Platzbedarf und
Prozesszeiten
Geringer
Spüleffekt
(Agitation)
Sprühnebel
Nur bei flachen
Teilen (keine
Trommeln)
bei kreislauf-
fähigen
Prozessen
in Verbdg. mit
Sparspülen
besonders
wirtschaftlich
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0
200
400
600
800
1000
1200
1 2 3 4 5
mg/l Fe
Tag
Spüle, Nr. 1
12
Anlage Spüle
(l)
Konzentration
(g/l Fe)
Verschleppung
(l/Woche)
Vor-behandlung
350 1,02 4,9
Passivierung 350 0,56 2,6
Handanlage 500 2,11 14,5
Total (2012) 22,0
Total (2013) 30,0
Erfassung der Verschleppung
Kennzahlen
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Kennzahlen
Fertigungsart Geometrie Verschleppung
Gestelltechnik Schwach schöpfende Teile
(Bleche, 10 sec.)
0,1 - 0,15 l / m2
Massenware
(Trommel)
50 kg Schüttgewicht
(Schneidezähne, 2x ½
Drehung)
2,0 - 3,0 l / Trommel
Vibratoren 15 kg Mikroteile
(Chips, 2 Mio. Teile)
3,0 - 4,0 l / Charge
Spezifische Verschleppung
13
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Prozess Spülkriterium (R)
Vorbehandlung 500 - 2‘000
Abscheidebäder 2‘000 - 5‘000
Nachbehandlung 5‘000 - 20‘000
Medizinaltechnik,
Mikroelektronik,
Uhrenindustrie
20‘000 - 2‘000‘000
Kennzahlen
Spülkriterien
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Abwasseranfall zu Flächendurchsätze
Betrieb 1 - Thermobeschichter
(Vorbehandlung, Sprühverfahren)
5,0 m3/d bei 900 m2 6 l / m2
Betrieb 2 - Leitenplattenhersteller
(DK, LBA, Endschichten)
144 m3/d bei 240 m2
(Zuschnitt)
600 l / m2
(Zuschnitt)
Betrieb 3 - Inhouse-Produzent
(Gleitschleifen, Elektropolieren, Passivieren)
8 m3/d bei 18 m2 440 l / m2
Kennzahlen
Abwasser-Quantitäten
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16
Wasserqualitäten - Jedem das Seine
Kennzahlen
Frischwasser (250 - 650 µS/cm)
Weichwasser (0 oder 10 °fH)
Kreislaufwasser (5 - 30 µS/cm)
Reinwasser (1 - 5 µS/cm)
Reinstwasser (< 1 µS/cm)
Q1
Q1
P SS
E
IAT
FS
...
E
IAT
VE-S
... ...
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Alternative Spültechnologien
Rekuperativ-Spülen
Q = 0
Q = 0
1 2
...-2-1-2-...
Aktivbad Spüle c1 = 0,5
Q
Q
1 2 3 4
Aktivbad Aktivbad Spüle Spüle
Mehrfachverwendung von Spülwasser
Vermeidungsmassnahmen
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Spülwässer regulieren
Spülwassermengen-Regulierung
Fliessspülen
Vermeidungsmassnahmen
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Prozessbäder: → Konzentrationen senken, Abspritzen/Vernebeln über Aktivbad,
Ueberlauf-Badbewegung, Badverdunstung erhöhen
Gestell- und Trommeltechnik: → Abtropfzeiten (10 sec.), Kippvorrichtung, Drehung über Aktivbad (2x ½), Drainagetrommeln, Saug-Blas-Systeme
Trocknungstechnik: → Puls-Blas-System (Gestelle), Trocknungszentrifugen (Massenware)
Präventive Massnahmen
Vermeidungsmassnahmen
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20 20
Agitation:
→ Badumwälzung, Warenbewegung, Lufteinblasung,
Schwalldüsen → mehrfaches Ein-und Ausfahren der Ware → Spritzspülen: getaktetes Spritzen, Hochdruckspritzen, Vernebeln... → Ultraschall → Hydroson
Präventive Massnahmen
Vermeidungsmassnahmen
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Ultraschallunterstützung
Druckwellen oberhalb Hörfrequenz (> 16 kHz) Dampfblasen, die wieder kollabieren: → Implosion und somit Mikrojet (>1‘000 bar)
Abtransport von Pigmenten, Salze... 27 kHz für Spülwässer Badumwälzung erforderlich Problem der stehenden Wellen Gefahr der Kavitation
Vermeidungsmassnahmen
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22
Gestelltechnik: gute Gestellpflege, Anordnung der Teile, Gestellgeometrie, Kapillarwirkung
Trommeltechnik / Vibrotechnik: gute Trommelpflege, grosse Perforation, keine verschlissene Kontaktierungen oder "klebende Teile"
Vermeidungsmassnahmen
Hohe Verschleppungen vermeiden
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23
Bereich Leitwert (µS/cm)
Mikroorganismen (Keimzahlen, KBE/ml)
Organika
(TOC, mg/l)
Endotoxine
(LAL-Test, EU/ml)
Kreislaufwasser
(Lohngalvanik) < 30 100 - 10‘000 0,1 - 5,0 -
Reinwasser
(Lohngalvanik) 1,0 - 5,0 < 300 0,1 - 3,0 -
Kreislaufwasser
(Medizinaltechnik) < 1,0 < 100 < 0,5 < 0,50
Highly Purified Water
(gemäss EP) < 1,1 (20°C)
< 10 (100 ml)
< 0,5 < 0,25
Anforderungen an das Prozesswasser
Besondere Anforderungen
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Wasserqualitäten
Frischwasser aus Quellen-, Grund- und Seewasser (250 bis 650 µS/cm)
kein Aufbereitungsverfahren im Betrieb
Weichwasser der Enthärtung (0° fH oder 5° bis 10 °fH = teilenthärtet)
Ionenaustausch
Reinwasser (vollentsalztes-, Osmose- oder Demi.-Wasser (5,0 bis 30 µS/cm)
Umkehrosmose oder Ionenaustauscher
Reinstwasser (1,0 bis 5,0 µS/cm)
Umkehrosmose und Ionenaustausch
Hoch reines Wasser (< 1,0 µS/cm)
Elektrodeionisation, ...
Besondere Anforderungen
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25
Medizialtechnik
Medizinaltechnik
UV-Entkeimung und Steril-Filtration
Vermeidung von TOC
Höchste Spülwasserquantität und -qualität
Mikrobiologische Anforderungen
Reinheit der Oberfläche
Komplexe Oberflächengeometrien
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26
Mikrobiologische Anforderungen
→ Vermeidungsmassnahmen → Reinigungsmassnahmen (Chemie) → UV-Entkeimung
Medizialtechnik
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27
Ultraviolett-Entkeimung
Ausrüstung: redundante UV-Durchflussstrahler Ueberwachung der Strahlerleistung Sterilfilter nach UV-Entkeimung Be- und Entlüfter für Behälter IR-Schweissen PP / PPN oder INOX
Medizialtechnik
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28
Spülwasserkreislauf (< 0,2 µS/cm)
Mobile Ionenaustauscher Stationäre Ionenaustauscher
Medizialtechnik
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29
Uhren- und Schmuckindustrie
Uhrenindustrie
Dekorative Funktion
Komplexe
Oberflächengeometrien
Mikrostrukturen
Spülwasserkreisläufe mit
hoher Spülwasserquantität
Schlussspülung mit
Reinstwasser < 2 µS/cm
Warmwasserspülen
Waschanlagen
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30
Enthärtung / Umkehrosmose / Ionenaustausch
Uhren- und Schmuckindustrie
Osmose inverse Installation d`adoucissage 2x station de pompage
station de pompage
pour rétentat
Cation Anion
Eau de ville
Eau démi.
Régénération externe
NaCl
LI
°fH °fH
µS
BF10
LI
Permeat
UV
µS
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31
Enthärtung / Umkehrosmose - state of the art
Qualitätsgesteuerte Doppel-Enthärtung in Reihenschaltung/Gegenstromregeneration
Umkehrosmoseanlage mit Online-Ueberwachung (F, P, Q)
Uhren- und Schmuckindustrie
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µS
Ionenaustauscher-Kreislaufanlagen (RT)
BF10
LI
Wasser
LI
HCl
H2O
µS µS
NaOH
H2O
LI
Kationen Anionen
Regenerierstation
DP
µS
Rohwasserstation
Filter
Fliessspülen der Produktion
Eluate
µS
Salzfracht: 3 Equiv./m3
Badumwälzung: 3-5 x/h
Uhren- und Schmuckindustrie
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33
BF10
LI
W
asser
Kationen Anionen
Rohwasser
Schlussspüle der Produktion
µS
PI FI
UV
QUV
externe
Regeneration
Ionenaustauscher-Kreislaufanlagen (50-55 °C)
Stand alone
fleckenfreie Trocknung
Uhren- und Schmuckindustrie
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34
Senkung von gesamte organische Kohlenstoff (TOC)
Präventive Vermeidung:
→ Spültechnik (Eintrag), Materialien (Rohre, Harze)
Aktivkohle-Reinigung UV-Photooxidation
Uhren- und Schmuckindustrie
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35
TOC-Entfernung via Aktivkohle
Jodzahl: 1‘050 mg/g min. BET: 1‘100 m2/g TOC < 0,5 mg/l im Auslauf
TOC (mg/l)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 1 2 3 4 5
TOC (stündlich)
Uhren- und Schmuckindustrie
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36
Korbzentrifuge zur Feststoffabtrennung
Kenndaten für INOX: < 90 °C, 0 < pH < 14
2 - 4 m3/h > 10 Mikrometer > 2 % Dichteunterschied 1’930 x g
Gleitschleifen / Bandschleifen
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Applikationen: → Prozesswasser-Kreislauf
→ Abwasser-Vorreinigung
Korbzentrifuge zur Feststoffabtrennung
Gleitschleifen / Bandschleifen
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Verfahren Technologie Kosten pro m3
enthärtetes Wasser (0 °fH) Ionenaustauscher + CHF 00.90*
vollentsalztes Wasser (15 µS/cm) Umkehrosmose + CHF 02.40*
Spülwasser-Kreislauf (3 Equivalente/m3) Ionenaustauscher CHF 00.30
Spülwasser-Kreislauf /
Abwasser-Reinigung
Ionenaustauscher /
physikalisch/chemische
Abwasseranlage
CHF 50.00
Spülwasser-Kreislauf /
Abwasser-Reinigung
Ionenaustauscher /
Brüdenverdichter CHF 80.00
* ohne Frisch-/Abwassergebühren (CHF 2.50 - 5.00/m3)
Betriebskosten
Spezifische Kosten durch Prozesswassererzeugung
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Verfahren Technologie Kosten pro m3
Spülwasser-Kreislauf /
Abwasser-Reinigung
Ionenaustauscher /
physikalisch/chemische
Abwasseranlage
CHF 50.00
Spülwasser-Kreislauf /
Abwasser-Reinigung
Ionenaustauscher /
Brüdenverdichter CHF 80.00
schadstofffreie Spülwässer (0,5 mg/l Me) pH-Wert Einstellung CHF 00.80
Externe Entsorgung Speicherstation CHF 500.00
Betriebskosten
Spezifische Kosten durch Abwasserreinigung
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Beispiel: Elektropolieren von Edelstahlsieben
Typ Spezifische
Kosten (pro l)
Chemisch Entgraten CHF 0.30/l
Beizen CHF 2.00/l
Elektropolieren CHF 6.50/l
Betriebskosten
Spezifische Kosten durch Prozesslösung
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Elektropolieren von Edelstahlsieben
Typ Ver-
schleppung
Spezifische
Kosten
Gesamtkosten
(anno)
Entgraten
/Elektropolieren
von Sieben
60 l/Tag CHF 5.85/l
(3.40/kg,
1.72 kg/l)
CHF 105’300.00
Betriebskosten
Praxisbeispiel
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Elektropolierlösung 5.85 CHF/l x 60 l/Tag = CHF 351.50/Tag
Entgiftungschemikalien 0.21 CHF/kg NaOH x 115 kg/Tag = CHF 24.15/Tag
7.20 CHF/kg OS x 1,25 kg/Tag = CHF 9.00/Tag
Schlammentsorgung 0.85 CHF/kg Schlamm x 72 kg/Tag= CHF 61.20/Tag
Total: = CHF 421.20/Tag
oder jährlich: 421.20 CHF/Tag x 250 Tage/Jahr = CHF 105‘300.00
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Typische Fehlerbilder
Anätzungen
Kürzere Wechselintervalle
Höhere Durchflussmenge
Weiterführender Ätzprozess
Unzureichende Spülwassermenge
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Typische Fehlerbilder
Tropfflecken
Kontaktierungsstelle
Restsalze
Gestellpflege
Kreislaufspüle
Reinwasserschlussspüle
Warmwasserspüle
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Typische Fehlerbilder
Kapillarwirkung
schöpfend, hohe Verschleppung
Sacklöcher, Bohrungen, etc.
hohe Wasserqualität
Warmwasserspülen
mehrfaches Ein- und Ausfahren
Vibrationstechnik/Warenbewegung/Luft
Direkte Anströmung
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Typische Fehlerbilder
Unzureichende Wasserqualität
und -quantität
Antrocknen, Passivschichten
Querverschmutzungen
Zwischenspülfehler
Steigerung der Wasserqualität und -quantität
separate Kreisläufe
Prozesse und Produkte abgestimmt
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Typische Fehlerbilder
Mikroorganismen
Algen im Kreislaufwasser
UV-Entkeimung
Biozid-Dosierung
Turnusmässige Reinigung
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Fragen
Kennen Sie Ihre Betriebskosten für jedem Prozessschritt? Verwenden Sie die richtige Wasserqualität? Wie können Sie Abwasser weiter vermindern? Setzen Sie die optimale Spülwassermenge ein? Kann ich Produktionsfehler dem Spülwasser zuordnen?
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Zusammenfassung
Machen Sie sich mit Ihren Spülprozessen vertraut Basis für eine optimierte Spültechnik: IST-Analyse Hinterfragen Sie kritisch die IST-Situation Einzelbetrachtung für ökologische und ökonomische Lösung Nur so viel Prozesswasser und -qualität wie notwendig
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Kosteneinsparung durch... ...optimierte Spültechnik
ProWaTech AG
Botzen 12
CH-8416 Flaach ZH
Telefon: 0041 (0)52 224 06 50
Telefax: 0041 (0)52 224 06 51
Email: [email protected]
Internet: www.prowatech.ch
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und Herbert Hauser, Dipl. Ing. FH Oberflächentechnik
und Herbert Hauser, Dipl. Ing. FH Oberflächentechnik
Merci vielmol...
...für Ihre Aufmerksamkeit!