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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
Email: [email protected]
Internet: www.prowatech.ch
1
2
Wasser
Grundlagen
H2O:
Transport- und Lösungsmittel
18,18 MOhm = 0,055 µS/cm
Quelle: Wikepedia
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
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
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
6
Grundlagen
auch ohne Kontamination während Spülprozess:
reaktive Metalloberfläche mit H2O
und O2
Die Widerungen des Alltags, Teil 4
Quelle: Wikepedia
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
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
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
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
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
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
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
14
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
15
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
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
... ...
17
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
18
Spülwässer regulieren
Spülwassermengen-Regulierung
Fliessspülen
Vermeidungsmassnahmen
19
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
20 20
Agitation:
→ Badumwälzung, Warenbewegung, Lufteinblasung,
Schwalldüsen → mehrfaches Ein-und Ausfahren der Ware → Spritzspülen: getaktetes Spritzen, Hochdruckspritzen, Vernebeln... → Ultraschall → Hydroson
Präventive Massnahmen
Vermeidungsmassnahmen
21
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
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
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
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
25
Medizialtechnik
Medizinaltechnik
UV-Entkeimung und Steril-Filtration
Vermeidung von TOC
Höchste Spülwasserquantität und -qualität
Mikrobiologische Anforderungen
Reinheit der Oberfläche
Komplexe Oberflächengeometrien
26
Mikrobiologische Anforderungen
→ Vermeidungsmassnahmen → Reinigungsmassnahmen (Chemie) → UV-Entkeimung
Medizialtechnik
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
28
Spülwasserkreislauf (< 0,2 µS/cm)
Mobile Ionenaustauscher Stationäre Ionenaustauscher
Medizialtechnik
29
Uhren- und Schmuckindustrie
Uhrenindustrie
Dekorative Funktion
Komplexe
Oberflächengeometrien
Mikrostrukturen
Spülwasserkreisläufe mit
hoher Spülwasserquantität
Schlussspülung mit
Reinstwasser < 2 µS/cm
Warmwasserspülen
Waschanlagen
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
31
Enthärtung / Umkehrosmose - state of the art
Qualitätsgesteuerte Doppel-Enthärtung in Reihenschaltung/Gegenstromregeneration
Umkehrosmoseanlage mit Online-Ueberwachung (F, P, Q)
Uhren- und Schmuckindustrie
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
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
34
Senkung von gesamte organische Kohlenstoff (TOC)
Präventive Vermeidung:
→ Spültechnik (Eintrag), Materialien (Rohre, Harze)
Aktivkohle-Reinigung UV-Photooxidation
Uhren- und Schmuckindustrie
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
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
37
Applikationen: → Prozesswasser-Kreislauf
→ Abwasser-Vorreinigung
Korbzentrifuge zur Feststoffabtrennung
Gleitschleifen / Bandschleifen
38
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
39
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
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
40
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
41
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
42
Typische Fehlerbilder
Anätzungen
Kürzere Wechselintervalle
Höhere Durchflussmenge
Weiterführender Ätzprozess
Unzureichende Spülwassermenge
43
Typische Fehlerbilder
Tropfflecken
Kontaktierungsstelle
Restsalze
Gestellpflege
Kreislaufspüle
Reinwasserschlussspüle
Warmwasserspüle
44
Typische Fehlerbilder
Kapillarwirkung
schöpfend, hohe Verschleppung
Sacklöcher, Bohrungen, etc.
hohe Wasserqualität
Warmwasserspülen
mehrfaches Ein- und Ausfahren
Vibrationstechnik/Warenbewegung/Luft
Direkte Anströmung
45
Typische Fehlerbilder
Unzureichende Wasserqualität
und -quantität
Antrocknen, Passivschichten
Querverschmutzungen
Zwischenspülfehler
Steigerung der Wasserqualität und -quantität
separate Kreisläufe
Prozesse und Produkte abgestimmt
46
Typische Fehlerbilder
Mikroorganismen
Algen im Kreislaufwasser
UV-Entkeimung
Biozid-Dosierung
Turnusmässige Reinigung
47
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?
48
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
49 49
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
49
und Herbert Hauser, Dipl. Ing. FH Oberflächentechnik
und Herbert Hauser, Dipl. Ing. FH Oberflächentechnik
Merci vielmol...
...für Ihre Aufmerksamkeit!