Table Of ContentAquaprox (Hrsg.)
Aquaprox (Hrsg.)
Kühlwasserbehandlung
Mit 63 Abbildungen und 37 Tabellen
123
Aquaprox
6, rue Barbès
B.P. 177
F-92305 Levallois
Frankreich
Französische Originalausgabe erschienen bei Lavoisier, 2006
(ISBN-13: 978-2-7430-0842-0).
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
ISBN 978-3-540-71098-1 Springer Berlin Heidelberg New York
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Vorwort
Klimaanlagen mit integrierten Kühlsystemen gibt es in den meisten Büros, Ein-
kaufscentern oder Krankenhäusern. Fast überall kann man Steinbildung, Korro-
sion und bakteriologische Kontamination feststellen. Um Kühlanlagen nutzen und
verwalten zu können, ist eine gründliche Kenntnis der technischen und chemi-
schen Zusammenhänge nötig.
Das von Praktikern geschriebene Buch schildert die Probleme, die beim Betrieb
von Kühlanlagen auftreten können. Für zahlreiche Industrieprozesse werden An-
lagen zur Kühlung von Produkten oder Stoffen benötigt. Sie sind vor allem in
folgenden Bereichen anzutreffen:
• in der Energieproduktion, um die Dampfverdichtung zu sichern und Motoren
oder Pumpen abzukühlen,
• in der Eisenindustrie bei jeder Stufe der Eisenverarbeitung,
• um Hochöfen sowie Heiβwindschieber, Gussröhren und andere Elemente abzu-
kühlen, die bei einer zu starken Hitze beschädigt werden könnten und deren
mechanischer Widerstand leiden könnte,
• in Stahlwerken für Sauerstoffröhren, Kokillen usw.,
• in Walzanlagen für Längsträger von Öfen, Walzen und Drehteilen,
• in Kokereien für Öfen, Destillationssäulen usw.,
• in der Agrarwirtschaft: Brauereien, Zuckerfabriken, Brennereien, Molkereien,
• in der Konservenindustrie: Schlachthöfe, Fruchtsäfte, Eisproduktion.
In allen Industriebereichen gibt es notwendige Abkühlungsstufen, um das Fer-
tigprodukt zu verpacken oder um die Temperatur bei Sterilisation oder Pasteurisa-
tion zu regulieren:
• in der Papierindustrie: Abkühlung der Schwarzlauge, der Motoren, der Ver-
dichter,
• in der Raffinerie: Abkühlung der Crackingeinheiten, Destillationssäulen,
• in der Chemie und Pharmazeutik: Abkühlung der Reaktoren, in denen organi-
sche mineralische Synthesen verarbeitet werden,
• bei der Verarbeitung von Kunststoffen: Abkühlung der Spinndüsen,
• in der Autoindustrie: Motorproduktion (Aluminiumgießerei), Erzeugung von
Getrieben (Verarbeitung),
• bei der Produktion von Elektroteilen: Klimaanlagen,
• bei Kläranlagen: Abkühlung von Kompressoren.
VI Vorwort
Fachleute aus dem Hause Aquaprox haben sich bereit gefunden, ein Buch über
Wasserbehandlung zu schreiben. Es handelt sich um J. C. Berce und D. Billon-
Lanfray, den ersten Leiter der Handelsabteilung der Firma und seinen Nachfolger.
Aquaprox ist eine Filiale für Wasserbehandlung des Konzerns Protex Interna-
tional. Seit über 70 Jahren beschäftigt sich Protex International mit Feinchemie,
darunter Chemie, Textilchemie, Elektronik, Agrarwirtschaft, Pharmazeutik, Par-
füm und Duftstoffe für technische und kosmetische Produkte und der Wasser-
behandlung.
Aquaprox gibt Antworten auf alle Fragen der Wasserbehandlung. Verträge mit
weltbekannten Firmen sind Beweis für die technische Kompetenz und die effizien-
te Technologie der Rohstoffsynthese von Aquaprox. Die Produktpalette umfasst:
• Kühlanlagen mit Produkten gegen Steinbildung, Korrosion, Keime, Algen,
• Heizkessel: Produkte zur Sauerstoffbindung, alkalinisierende und phosphatisie-
rende Produkte, kesselsteinverhütende Produkte,
• Kläranlagen: Flockungsmittel, Entschäumer zur Verringerung von Schaum,
Produkte zur Geruchsbeseitigung sowie Produkte, die CSB behandeln (Bioad-
ditive).
Das Buch fasst 20 Jahre Erfahrung zusammen und soll eine Hilfe sowohl für
Betreiber als auch für Käufer von Kühlanlagen sein, die Angebotsausschreibungen
kritisch beurteilen wollen. Für Leiter von Industrieunternehmen oder Umweltab-
teilungen soll das Buch praktische Lösungen bieten und persönlichen Überlegun-
gen Raum geben.
Paris, im April 2007 Arnaud Moor
Geschäftsführer Aquaprox
Inhaltsverzeichnis
Einleitung.............................................................................................................. 1
1 Analyse des Wassers.................................................................................. 7
1.1 Physikalische Eigenschaften des Wassers........................................ 7
1.1.1 Dichte................................................................................... 7
1.1.2 Thermodynamische Eigenschaften....................................... 8
1.1.3 Wasser-Luft-Systeme........................................................... 9
1.2 Verschiedene Arten des Wassers.................................................... 10
1.3 Verunreinigende Stoffe des Wassers.............................................. 11
1.3.1 Feste Schwebestoffe........................................................... 11
1.3.2 Gelöste Feststoffe............................................................... 12
1.3.3 Gelöste Gase...................................................................... 13
1.4 Ausgewählte Einheiten für die Wasseranalyse............................... 14
1.5 Auswertung einiger Elemente......................................................... 18
1.5.1 Wasserhärte........................................................................ 18
1.5.2 Alkalität: alkalimetrische Titer........................................... 18
1.5.3 Auswertung der Alkalitäten............................................... 19
1.5.4 Gesamtauswertung der Analyse:
Ionen- und Gewichtsbilanz................................................. 22
1.6 Ausgewählte Methoden und erforderliche Prüfgeräte.................... 23
1.6.1 Bestimmung der Alkalität.................................................. 23
1.6.2 Freie Mineralacidität.......................................................... 25
1.6.3 Gesamthärte....................................................................... 26
1.6.4 Calciumhärte...................................................................... 27
2 Wasserbehandlung................................................................................... 29
2.1 Vorbehandlung............................................................................... 30
2.1.1 Grobabsiebung oder Rechenreinigung............................... 31
2.1.2 Belüftung oder Oxidation................................................... 31
2.2 Chloren........................................................................................... 35
2.2.1 Chemie des Chlorens.......................................................... 35
2.2.2 Sonstige Chlorungsmittel................................................... 35
2.3 Sedimentation oder Absetzung....................................................... 35
2.3.1 Beschränkung der Methode................................................ 36
2.3.2 Verwendete Apparatur....................................................... 37
VIII Inhaltsverzeichnis
2.4 Klärung – Koagulation – Ausflockung............................................ 37
2.4.1 Beschreibung des Verfahrens.............................................. 37
2.4.2 Theorie der Koagulation..................................................... 37
2.4.3 Verwendete Koagulierungsmittel....................................... 38
2.4.4 Einsatz synthetischer Ausflockungsmittel.......................... 39
2.4.5 Verwendete Apparaturen.................................................... 41
2.5 Kalk-Soda-Enthärtung..................................................................... 42
2.5.1 Beschreibung des Verfahrens.............................................. 42
2.5.2 Verwendete Apparaturen.................................................... 44
2.6 Enthärtung durch Ionenaustauscherharze........................................ 44
2.6.1 Ionenaustausch durch Harze im Natriumkreislauf.............. 44
2.6.2 Entkarbonisierungsenthärtung............................................ 45
2.6.3 Enthärtung durch Vollentsalzung........................................ 47
2.6.4 Vergleich der Enthärtungsverfahren................................... 48
2.7 Filterung.......................................................................................... 50
2.7.1 Art der Filterelemente......................................................... 50
2.7.2 Filtertypen........................................................................... 51
2.7.3 Membrantechniken............................................................. 51
3 Kühlwasser................................................................................................ 55
3.1 Erhaltung des Rohstoffs Wasser...................................................... 55
3.2 Erhaltung der Energie...................................................................... 56
3.3 Behandlung des Rohstoffs Wasser.................................................. 58
3.4 Kühlkreise....................................................................................... 62
3.4.1 Arbeitsprinzip..................................................................... 62
3.4.2 Wärmeübergang.................................................................. 62
3.4.3 Offene Kreisläufe................................................................ 64
3.4.4 Halboffene Kreisläufe......................................................... 65
3.4.5 Geschlossene Kreisläufe..................................................... 67
4 Kühltürme................................................................................................. 69
4.1 Arbeitsprinzip.................................................................................. 69
4.2 Berechnungselemente des Kühlsystems mit Verdampfung............. 71
4.2.1 Begriff des Konzentrationszyklus....................................... 71
4.2.2 Ablaufprozentsatz............................................................... 71
4.2.3 Definition der für die Berechnungen
verwendeten Begriffe.......................................................... 72
4.2.4 Anzahl der Konzentrationszyklen....................................... 73
4.2.5 Schlussfolgerung................................................................. 74
4.2.6 Berechnung des Konzentrationsverhältnisses..................... 75
4.3 Notwendigkeit der Kühlwasserbehandlung..................................... 76
Inhaltsverzeichnis IX
5 Ablagerungen und Ihre Behandlung...................................................... 83
5.1 Kesselstein...................................................................................... 83
5.1.1 Kesselsteinbildung............................................................. 83
5.1.2 Einfluss der Temperatur auf das Löslichkeitsprodukt........ 84
5.1.3 Einfluss des pH-Wertes auf das Löslichkeitsprodukt......... 85
5.1.4 Calciumcarbonat................................................................ 85
5.2 Kesselsteinverhütung...................................................................... 88
Subtraktive Verfahren..................................................................... 88
5.2.1 Additive Verfahren............................................................. 90
5.3 Verschmutzende Ablagerungen...................................................... 95
5.3.1 Prinzip der Ablagerungsbildung......................................... 95
5.3.2 Verhütung der verschmutzenden Ablagerungen................ 97
5.3.3 Ablagerungsverhindernde Behandlungen.......................... 99
5.4 Kontrolle und Beobachtung.......................................................... 102
5.4.1 Prüfung des Ablagerungsumfangs
auf einer Kontrollfläche................................................... 102
5.4.2 Prüfung des Leistungsverlusts eines Testaustauschers..... 102
5.4.3 Prüfung eines Kontrollaustauschers................................. 102
6 Korrosion und ihre Behandlung........................................................... 105
6.1 Theorie der elektrochemischen Korrosion der Metalle................ 106
6.1.1 Korrosion durch örtliche Zellen....................................... 106
6.1.2 Korrosion durch Differenzialkonzentration..................... 108
6.1.3 Mikrobiologische Korrosion............................................ 110
6.2 Korrosionsarten............................................................................ 110
6.3 Methoden zur Messung der Korrosion......................................... 112
6.3.1 Elektrische Methoden der Korrosion............................... 112
6.3.2 Messungen durch Korrosionskontrolle............................ 114
6.4 Spontane Korrosionsbeständigkeit der Metalle............................ 116
6.5 Korrosionsschutzbehandlungen.................................................... 118
7 Mikrobiologische Kontamination und ihre Behandlung.................... 127
7.1 Mikrobiologie der Kühltürme....................................................... 127
7.1.1 Bakterien.......................................................................... 128
7.1.2 Algen................................................................................ 132
7.1.3 Pilze.................................................................................. 133
7.1.4 Biofilm............................................................................. 135
7.2 Legionärsbakterie oder Legionella pneumophila.......................... 136
7.2.1 Definition und Beschreibung........................................... 136
7.2.2 Kontamination und Pathologie......................................... 138
7.2.3 Risikoinstallationen.......................................................... 138
7.2.4 Luftkühltürme.................................................................. 139
7.2.5 Risikoanalyse................................................................... 140
7.2.6 Empfohlene Behandlungen.............................................. 141
X Inhaltsverzeichnis
7.2.7 Gesetzliche Regelung........................................................ 142
7.2.8 Nachkontrolle.................................................................... 142
7.3 Kontrolle der Mikroorganismen.................................................... 143
7.4 Schäden durch biologische Invasion............................................. 144
7.4.1 Korrosion.......................................................................... 144
7.4.2 Ablagerungen.................................................................... 145
7.4.3 Holzzerstörung.................................................................. 145
7.5 Biozidbehandlungen...................................................................... 146
7.5.1 Oxidierende Biozide......................................................... 146
7.5.2 Organische Biozide........................................................... 153
7.5.3 Biologische Dispersionsmittel.......................................... 155
7.5.4 Behandlungsarten.............................................................. 155
7.6 Sonstige Behandlungen: UV......................................................... 156
8 Inbetriebnahme der Kühlanlage........................................................... 159
8.1 Kühlturm....................................................................................... 160
8.2 Schutz der Wärmeaustauscher....................................................... 160
8.2.1 Reinigung.......................................................................... 162
8.2.2 Schutzfilm......................................................................... 163
8.3 Kontrolle der Wasserbehandlung.................................................. 164
8.4 Schlussfolgerung........................................................................... 164
9 Anhang.................................................................................................... 165
9.1 Die Wasseranalyse........................................................................ 165
9.2 Glossar........................................................................................... 167
9.3 Bibliografie................................................................................... 175
Einleitung
Wasser gibt es in der Natur in großen Mengen, in flüssigem, gasförmigem und festem
Zustand. Man schätzt, dass es 70 % der Erdoberfläche bedeckt. Der größte Teil des
Wassers kommt als Salzwasser der Meere und Ozeane vor; das Süßwasser stellt nur
einen geringen Anteil des gesamten Wasservorkommens dar. Während des Kreis-
laufs des Wassers (Verdunstung der Meere, atmosphärische Niederschläge, Abfluss
und Rückfluss zu den Meeren) ändert sich dessen Zusammensetzung ständig und
unterscheidet sich mehr oder weniger vom Wasser als „reinem Stoff“, das den Physi-
kern und Chemikern bekannt ist.
Die Geschichte der Kühlwasserbehandlung ist nicht einmal 50 Jahre alt. Die
meisten bedeutenden Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet entstanden während
des Berufslebens zahlreicher Chemieingenieure, die zum Teil heute noch tätig
sind. Der älteste bekannte Einsatz eines Korrosions-inhibitors stammt aus dem
Jahr 1905, als man feststellte, dass Arsen in der Lage ist, die Auflösung des Eisens
in Salzsäure zu verhindern. Die erste Erwähnung eines Inhibitors für Wasser geht
auf 1922 zurück: Dem Haushaltswasser wurden einige ppm Natriumsilikat zuge-
setzt, um die Korrosion der Bleirohrleitungen abzuwenden. Die Kühlwasserbe-
handlung wurde erstmals im Jahre 1924 erwähnt, als 200 ppm Natriumbichromat
und 50 ppm Natriumhydroxid in einem Kühlwerk verwendet wurden.
Zunächst war Kesselstein der größte Feind. Er wurde mittels äußerer Kühler,
umfangreicher Anlagen und durch häufiges Reinigen mithilfe mechanischer Kes-
selsteinentfernungsvorrichtungen bekämpft. Eine häufig angewendete Behandlung
bestand im gelegentlichen Zusatz einer bestimmten Kupfersulfatmenge zur Zerstö-
rung der Algen im Kühlturm, damit dieser nicht unter der – auf die Wucherung
der Mikroorganismen zurückzuführenden – Gewichtserhöhung zusammenbrach.
Über die Entstehung der Kesselsteinbildung wusste man damals fast nichts.
Bekannt war, dass die meisten Calciumsalze eine umgekehrte Temperatur-Löslich-
keitskurve aufwiesen, die den Einsatz von Wasser mit niedriger Härte empfehlens-
wert machte. Man wusste auch, dass Kesselstein sich eher bei hohen pH-Werten
bildet, und man setzte dem Wasser gelegentlich Säure hinzu. Die Türme wurden
jedoch nie bei einem pH-Wert unter 7,5 betrieben. Man hatte herausgefunden, dass
gewisse organische Stoffe die Struktur der Kesselsteinkristalle verändern und den
Kesselstein somit weniger haftend machen. Es wurden daher manchmal Tannine und
Lignin verwendet.
Der erste Durchbruch war die Erarbeitung der Löslichkeitszahl von Langelier
im Jahr 1936. Parameter, die die Kesselsteinbildung beeinflussen, wurden festge-
legt: Calciumhärte, Gesamtalkalität, pH-Wert, Gesamtheit der gelösten Feststoffe
