DE2735550A1 - Mehrkammer-photoreaktor - Google Patents
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- C02F2201/3228—Units having reflectors, e.g. coatings, baffles, plates, mirrors
Description
PATENTANWÄLTE
Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST
Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST
BÖKENBUSCH 41 · D 5620 VELBERT 11 - LANGENBERG 2735550
Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 ■ Telex: 8516895
Professor Dr. Günther 0. Schenck, 4-55 Mülheim-Ruhr« Bismarckstr. 31
Mehrkammer-Photoreaktor
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung, insbesondere zur Entkeimung und Desinfektion fließfähiger
Medien in einem Durchflußreaktor mit einer vorbestimmten Mindestbestrahlung, d.h. Mindestdosis, ultravioletter
Strahlung überwiegend im Wellenlängenbereich von 24-0 bis 320 nm. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur
Ausübung eines solchen Verfahrens, bestehend aus einem einer Strahlungsquelle mit mindestens einem Strahler, der ultraviolette
Strahlung im Wellenlängenbereich von 240 bis 520 nm
emittiert, zugeordneten Durchflußreaktor mit einer Zuleitung und einer Ableitung für das zu bestrahlende Medium und mit
einer Überwachungseinrichtung für die den Durchflußreaktor durchsetzende ultraviolette Strahlung.
Verfahren und Vorrichtungen zur Reinigung insbesondere zur Entkeimung oder Desinfektion durch ultraviolette Strahlen
werden mit Vorteil anstelle chemischer Mittel eingesetzt, um pathogene, toxische oder anderweitig störende und gegen
ultraviolette Strahlen empfindliche Bestandteile aus Wasser zu entfernen. Dabei kann es sich um Mikroorganismen wie
Bakterien, Sporen, Hefen oder Pilze, Algen etc., aber auch um Viren oder Bakteriophagen handeln. Auch kann es sich um
solche die Umwelt belastende Verunreinigungen handeln wie cancerogene Aromaten, mannigfaltige Halogen-, vor allem
Chlorverbindungen, z.B. auch Chlorphenole etc. Die Bestrahlung kann bei der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden
und ist besonders nützlich in Verbindung mit Ionenaustauscheroder Umkehr-Osmose-Anlagen. Sie kann auch Schwimmbadwasser
auf hygienische Trinkwasserqualität desinfizieren. Das UV-Bestrahlungsverfahren kann aber auch für Umlaufwasser
beispielsweise von Klimaanlagen in Krankenhäusern eingesetzt werden und kann zu wesentlich höheren Entkeimungsgraden führen
als sie für Trinkwasser verlangt werden, was z.B. für den Ein-
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satz in ophthalmologischen Präparaten oder bei der Verwendung
als Spülmittel im Operationssaal eine Voraussetzung ist. Weitere Einsatzbereiche finden sich z.B. in der Brauerei-
und Getränkeindustrie, in der Nahrungsmittel-, Pharma- und Kosmetika-Industrie, bei der Reinigung von Abwässern oder
der Herstellung reinsten Meerwassers für biotechnische Zwecke.
Photochemische Entkeimungs- bzw. Desinfektions- und Entgiftungsreaktionen
folgen den bekannten Grundprinzipien photochemischer Reaktionen, deren Gültigkeit bei der praktischen
Durchführung zu beachten ist. Im allgemeinen ist die Konzentration der pathogenen und sonstigen durch die
UV-Bestrahlung zu entfernenden Verunreinigungen sehr niedrig. Praktisch wird daher die Absorption des zu bestrahlenden
Mediums durch andere Inhaltsstoffe bestimmt, deren Absorption mit der der Mikroorganismen etc. konkurriert. Dabei ist eine
möglichst hohe Ausnutzung des verfügbaren Photonenstroms anzustreben. Hierzu genügen im allgemeinen solche Schichtdicken,
in denen 90 % der eingestrahlten Photonen absorbiert
werden, da bei einer Verdoppelung dieser Schichtdicke nur weitere 9 # der eingestrahlten Photonen zusätzlich
absorbiert werden können. In der UV-Entkeimungstechnik
bezeichnet man daher die durch 90 % Absorption charakterisierte
Schichtdicke als "wirksame Eindringtiefe11. Diese kann
bei einer Wellenlänge von 254- nm vielmal 10 cm in besonders reinem
Wasser, aber auch nur Bruchteile von Millimetern in Milch betragen.
Führt man die Ultraviolett-Bestrahlung bis zu einem Umsatz (Inaktivierung) von 90 bis 99 # der anfänglich vorhandenen
Mikroorganismen bzw. Verunreinigungen durch, so zeigt sich angenähert ein exponentieller Verlauf wie bei kinetisch
analogen photochemischen Reaktionen. Der vorgenannte Umsatz
analogen photochemischen Reaktionen. Der vorgenannte Umsatz
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von 90 bis 99 % erfolgt dabei in einem Bruchteil der Zeit,
die für Entkeimungs- bzw. Entgiftungsreaktionen im allgemeinen erforderlich ist. Hier interessiert dann nicht
mehr die absolute Höhe des erzielten Umsatzes, der sich asymptotisch der Eingangszahl (Anzahl Keime/Volumen) nähert.
Vielmehr interessiert nun nur noch die Menge an gereinigtem Medium eines verlangten Reinigungsgrades (z.B. 10" ). Hier
zeigt sich, daß das durch photochemische Überlegungen nahegelegte Arbeiten mit einer Schichtdicke entsprechend 90 %
Absorption, also mit der sog. "wirksamen Eindringtiefe",
kein optimales Ergebnis liefert. Infolge des exponentiellen Lambertschen Absorptionsgesetzes kommt es in der durchstrahlten
Schicht zu einer inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung der Reinigung. Wegen der bei den heute verwendeten
leistungsfähigen Strahlungsquellen in den Durchflußreaktoren überwiegend laminaren Strömungscharakteristik des
durchstrahlten Mediums kommt es in diesem zum Aufbau einer logarithmischen Verteilung der Reinigungsgrade, wobei die
wesentlich geringere Reinigung in größerer Entfernung von der Strahlungsquelle überwiegt.
Für die Abtötung (Inaktivierung) von Mikroorganismen als Beispiel einer Reinigung in den für die Wasserentkeimung
notwendigen Dosisbereichen gilt das einfache Dosiswirkungsprinzip. Hiernach wird die Mikroorganismen-Eingangskonzentration
(Eingangszahl pro ml) N durch die Dosis E · t (E = Bestrahlungsstärke; t = Dauer der Bestrahlung) gemäß
einer für jede Spezies charakteristischen Empfindlichkeitskonstante
k auf die Mikroorganismenkonzentration N. zum Zeitpunkt t reduziert:
Nt = N0 . 1O~E * t * k
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Bei parallel gerichteter Einstrahlung gilt, daß die Bestrahlungsstärke
E selbst nach dem Lambertschen Absorptionsgesetz exponentiell mit der Schichtdicke des durchstrahlten
Mediums abnimmt. Insgesamt ergibt sich daher die folgende Beziehung für die Reduktion der Keimzahl N nach
der Bestrahlungszeit t
N, = N . 1O"k · t . G . E . 10-**
t ο
In dieser Gleichung ist <* das logarithmische Absorptionsmaß
des durchstrahlten Mediums und d seine Schichtdicke in cm.
Bei nicht parallel gerichteter Einstrahlung tritt eine zusätzliche Veränderung der Bestrahlungsstärke entsprechend
der Geometrie des Durchflußreaktors ein, die in der vorgenannten Gleichung durch einen entsprechenden Geometriefaktor
G berücksichtigt wird.
Es ist ein Photoreaktor mit annähernd parallel gerichteter Einstrahlung bekannt, bei dem die Strahlungsquelle oberhalb
der Oberfläche des zu bestrahlenden Mediums in einem Reflektor angeordnet ist (M. Luckiesh, Applications of
germicidal, erythemal and infrared energy, Van Nostrand, New York, 194-6, S. 257-265; Pirmenschrift "Germicidal lamps
and applications", LS-179* General Electric Company). Photoreaktoren
dieser Art sind jedoch nur im Zusammenhang mit frei fließenden Medien verwendbar, nicht aber im Zusammenhang
mit Drucksystemen, in denen das zu bestrahlende Medium unter Druck durch den Photoreaktor gefördert wird. Pur
solche Vorrichtungen ist vorgeschlagen worden, den Photoreaktor ringförmig auszubilden und die Strahlungsquelle im
Innenraum des Ringes unterzubringen; dabei ist als Strahlungsquelle eine Quecksilberhochdrucklampe (W. Buch,
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Wasserentkeimungsgerät "Uster", AEG-Mitteilungen 1936,
Nr. 5, S. 178-181), aber auch eine Quecksilberniederdrucklampe (K. Wuhrmann, "Desinfektion von Wasser mittels
Ultraviolett-Bestrahlung", Gas/Wasser/Wärme 1960, Bd. 14·, S. 100-102) bzw. Bündel von Quecksilberniederdrucklampen
verwendet worden (P. Ueberall, "Die chemikalienfreie Trink- und Brauchwasserentkeimung mit ultravioletten
Strahlen", Die Stärke 1969, Bd. 21, S. 321-327). Zum Ausgleich der durch das Lambertsche Absorptionsgesetz und die
Geometrie des Photoreaktors bedingten starken Abnahme der Bestrahlungsstärke bei einem ringförmigen Photoreaktor ist
vorgeschlagen worden, die Strahlungsquelle aus mehreren Lampen aufzubauen, die in einzelnen Reflektoren angeordnet
sind, die einen ringförmigen Durchflußreaktor von außen konzentrisch umgeben (DT-OS 2 119 961), wobei ggf. zusätzliche
Lampen im Innenraum angeordnet werden können (DT-OS 2 205 598). Zu den Photoreaktoren mit einer Strahlungsquelle
mit radialer Ausstrahlung gehören auch noch solche, deren Strahler einfach oder mehrfach nach Art
einer Tauchlampe in einem geeigneten durchströmten Behälter untergebracht ist (L. Grün, M. Pitz, "UV-Strahlen in Düsenkammern
und Luftkanälen von Klimaanlagen in Krankenhäusern",
ZbI. für Hygiene, I. Abteilung Or ig. 1974·, Bd. B 159,
S. 50-60).
Obwohl die effektiven Eindringtiefen für 90 % Absorption
für viele Medien bekannt sind, weisen die bekannten Photoreaktoren im allgemeinen solche Schichtdicken auf, die nur
Bruchteile der effektiven Eindringtiefe ausmachen. Für die Entkeimung von Trinkwasser auf Seeschiffen besteht sogar
die Vorschrift, daß die Schichtdicke des zu bestrahlenden Mediums 7·62 cm nicht überschreiten soll (Department of
Health, Education, and Weifare Public Health Service;
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Division of Environmental Engineering and Pood Protection;
"Policy Statement on Use of the Ultraviolet Process for Disinfection of Water", I.April 1966). Diese aus Sicherheitsgründen
vorgenommene Beschränkung im Reaktordurchmesser führt dazu, daß in den vielen Fällen hoher Transmissionsfaktoren
die Möglichkeit wirtschaftlicher Entkeimung verschenkt wird, weil dann ein wesentlicher Teil
der in das Medium eingestrahlten Photonenenergie das Medium ungenutzt verläßt und an der Wand vernichtet wird.
Versuche, dem durch verspiegelte Wandungen abzuhelfen,
haben sich als nicht besonders wirksam erwiesen.
Bestrahlt man (bei paralleler Einstrahlung) in einer Schicht mit 90 # Absorption und mit einer so hohen Dosis,
daß die Entkeimung in der ersten Schicht mit 10 % Absorp-
—10
tion mindestens 10 erreicht, so ergibt sich nach der voranstehenden Gleichung eine Inhomogenität der Entkeimungsgrade, die von 10 7 in der ersten Schicht bis zu
tion mindestens 10 erreicht, so ergibt sich nach der voranstehenden Gleichung eine Inhomogenität der Entkeimungsgrade, die von 10 7 in der ersten Schicht bis zu
_1
10 in der letzten Schicht reicht. Als mittleres Ergebnis
10 in der letzten Schicht reicht. Als mittleres Ergebnis
_o wird dann ein Entkeimungsgrad von der Größenordnung 10
erreicht, was wenig befriedigt, wenn man berücksichtigt, daß der theoretisch unter Annahme einer nicht logarithmisch
abfallenden, sondern mittleren Bestrahlungsstärke erreich-
/I
bare Entkeimungsgrad in der Größenordnung von 10 liegt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Ausübung anzugeben,
die eine optimale Ausnutzung der von der Strahlungsquelle ausgehenden UV-Strahlung bei möglichst hoher Leistung
gestatten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Bezug auf das Verfahren dadurch gelöst, daß das Medium durch getrennte Bestrahlungskammern eines senkrecht zur allgemeinen Strahlungsrichtung
unterteilten Durchflußreaktors gefördert wird und daß Bruch-
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teile der in das Medium in der der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer eindringenden Strahlung
mindestens in die direkt folgende Bestrahlungskammer einfallen.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß bei einer Unterteilung des Photoreaktors die Schichtdicke der Bestrahlungskammern
jeweils so gewählt werden kann, daß sich die Änderung der Bestrahlungsstärke in der Schichtdicke
nicht zu ungünstig auf die Bestrahlungsökonomie auswirkt· Es wird dadurch in jeder Bestrahlungskammer
eine weniger inhomogene Verteilung der Entkeimungsgrade erzielt. Bei einer Schichtdicke für 90 % Absorption kann
eine vier- bis fünffache Unterteilung dazu führen, daß die Unterschiede der Entkeimungsgrade innerhalb jeder Bestrahlungskammer
weniger als 3 Größenordnungen betragen, während die Unterschiede im nicht unterteilten Photoreaktor über
8 Größenordnungen ausmachen. Das Prinzip beruht also darauf, daß man die mit zunehmender Schichtdicke durch ein Optimum
gehende und dann wieder stark abnehmende Effizienz des Photoreaktors so einstellt, daß man mit einer Schicht nur
teilweiser Absorption arbeitet und die diese Schicht verlassenden Photonen alsdann in folgenden Schichten ähnlicher
oder gleicher, nur teilweiser Absorption ausnutzt. Die durch die Unterteilung erzielte günstige Wirkung ist weitgehend
unabhängig von der Bestrahlungsgeometrie des jeweiligen Photoreaktors. Sie wird sowohl bei Photoreaktoren
gefunden, bei denen die Strahlungsquelle von Tauchlampen gebildet wird, als auch bei ringförmigen Photoreaktoren,
bei denen die Strahlungsquelle im Innenraum und/oder außen angebracht ist; sie wird ebenfalls bei Photoreaktoren gefunden,
deren Strahlungsquelle über der Oberfläche des Mediums angeordnet ist.
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Die nähere Analyse hat gezeigt, daß die Bestrahlungsökonomie durch die Inhomogenität des Entkeimungsgrades in
den Schichten des bestrahlten Mediums besonders stark negativ beeinflußt wird, die der höchsten Bestrahlungsstärke
ausgesetzt sind. Um einerseits so viel als möglich von der für die Wirksamkeit der Entkeimung besonders
günstigen hohen Bestrahlungsstärke in unmittelbarer Nachbarschaft der Strahlungsquelle auszunutzen und andererseits
durch die Inhomogenität in der Verteilung des Entkeimungsgrades so wenig wie möglich von dieser günstigen
Wirkung einzubüßen, sollte in der der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer nicht mehr als
60 % der einfallenden Strahlung absorbiert werden.
Vorteilhafterweise fallen mindestens 50 # der in das Medium
in der der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer eindringenden Strahlung in das Medium in der
direkt folgenden Bestrahlungskammer ein und in dem Medium in der der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer
werden nicht mehr als 50 % der eindringenden
Strahlung absorbiert; in dem Medium werden in einem Durchflußreaktor mit bis zu 5 Bestrahlungskammern nicht mehr als
(1 - 0.5n) · 100 % der insgesamt eindringenden Strahlung
absorbiert, wobei η die Anzahl der Bestrahlungskammern ist. Dabei ist es nicht notwendig, daß die einfallende Strahlung
in jeder Bestrahlungskammer um den gleichen Bruchteil geschwächt wird. Wie vorstehend bereits dargelegt wurde, wird
die Effizienz der Reinigung bzw. Entkeimung durch den Gradienten der Bestrahlungsstärke zwischen Eintritt und Austritt
der jeweiligen Bestrahlungskammer bestimmt. Das gilt beim Mehrkammer-Photoreaktor für jede einzelne Bostrahlungskammer,
weshalb beispielsweise bei zwei Bestrahlungskammern die Gesamtabsorption der einfallenden Strahlung
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75 # nicht übersteigen sollte, um für jede Bestrahlungskammer diesen Gradienten ausreichend klein und die Effizienz
insgesamt so groß wie möglich zu halten.
Es ist bei den bekannten Einkammer-Photoreaktoren bereits versucht worden, die schädlichen Einflüsse, die sich aus
dem Gradienten der Bestrahlungsstärke in der Bestrahlungskammer ergeben, dadurch zu vermindern, daß das Medium
während der Verweildauer im Einkammer-Photoreaktor möglichst intensiv durchmischt wird (FR-PS 1 560 780; DT-OS Λ 957 126).
Auch bei höchster Turbulenz ist aber eine ideale Durchmischung, bei der sämtliche Partikeln des Mediums der
gleichen mittleren Bestrahlungsstärke ausgesetzt wären, nicht erreichbar. Selbst eine ideale Durchmischung kann
jedoch den Einfluß des Gradienten der Bestrahlungsstärke im Medium nicht aufheben, da die mittlere Bestrahlungsstärke
mit zunehmender Schichtdicke abnimmt. Wie eine Berechnung im einzelnen zeigt, wirkt sich der Gradient bei Schichtdicken,
in denen nicht mehr als 60 #, vorzugsweise nicht mehr als 50 $ der einfallenden Strahlung absorbiert werden,
nur noch soweit aus, daß dieser Einfluß für praktische Zwecke tragbar ist. Daher wird die Effizienz der Reinigung bzw.
Entkeimung bereits in einem Zweikammer-Photoreaktor erheblich höher als bei einem Einkammer-Photoreaktor gleicher Gesamtschichtdicke.
Ein weiterer Vorteil des Mehrkammer-Photoreaktors ist dabei, daß unter solchen Umständen die Strömungscharakteristik des Mediums in den Bestrahlungskammern ihren
Einfluß auf die Reinigung bzw. Desinfektion verliert. Man kann daher beim Mehrkammer-Photoreaktor auf besondere Mittel
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zur Erzeugung turbulenter Strömung in der Bestrahlungskammer verzichten.
Zur Erhöhung des Entkeimungsgrades kann es vorteilhaft
sein, dem Medium vor oder während der Bestrahlung ein Oxidationsmittel zuzuführen. Das Oxidationsmittel kann
beispielsweise Sauerstoff, Ozon, Halogen oder ein Hypohalogenit sein. Hierdurch wird nicht nur der oxidative
Abbau von in dem Medium enthaltenen Verunreinigungen begünstigt, sondern es wird auch die Entkeimung durch zusätzliche
sekundäre bakterizide Effekte günstig beeinflußt.
Die Empfindlichkeit von Mikroorganismen gegen Ultraviolettstrahlung ist sehr unterschiedlich; beispielsweise ist die
Empfindlichkeit von Pilzen oder Algen um mehr als 2 Größenordnungen geringer als die Empfindlichkeit von Bakterien.
Es ergibt sich daraus beim Einsatz von Durchflußreaktoren für die Entkeimung ein weiter Dosisbereich, der in seinem
ganzen Umfang nicht einfach durch Erhöhung des Strahlungsflusses der Strahlungsquelle und/oder Verringerung des
Durchflusses des zu bestrahlenden Mediums erfaßt werden kann. Nach der Erfindung ist daher vorgesehen, daß mindestens
ein Teilstrom des bestrahlten Mediums nach dem Durchlauf in den Durchflußreaktor zurückgeführt wird. Auf
diese Weise wird das zu bestrahlende Medium mehrfach durch den Reaktor geführt und so mit dem entsprechenden Vielfachen
der Dosis des einfachen Durchlaufs bestrahlt. Dieses Verfahren empfiehlt sich auch in solchen Fällen, in denen das
entkeimte Medium aus einer Ultraviolett-Entkeimungsanlage in wechselnden Mengen entnommen wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Medium ultravioletter
Strahlung im Wellenlängenbereich von 260 bis 280 nm ausgesetzt. UV-Strahlung von diesem Wellenlängen-
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bereich ist für die Photoentkeimung besonders wirksam, weil Mikroorganismen in diesem Bereich ein Maximum an Empfindlichkeit
besitzen (L.J. Buttolph, "Practical application and sources of ultraviolet energy", Radiation Biology,
McGraw Hill, New York, 1955, Bd. 2, S. 41-93). Durch die Bestrahlung in diesem Wellenlängenbereich wird aber auch
die photochemische Bildung von Niederschlagen aus eisen- bzw. manganhaltigen Medien vermieden, die bei Bestrahlung
mit 25^ um von Quecksilberniederdrucklampen erfolgt. Ein
weiterer besonderer Vorteil der Bestrahlung in dem Wellenlängenbereich von 260 bis 280 nm liegt darin, daß die
Absorption von eisen- bzw. manganhaltigen Verunreinigungen in diesem Wellenlängenbereich stark abfällt und daher in
sehr viel geringerem Maße als in dem Wellenlängenbereich, der von Quecksilberniederdrucklampen emittiert wird, als
Strahlungsfilter wirkt, das die Wirksamkeit der Strahlung für die Photoentkeimung vermindert.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Medium vorteilhafterweise nacheinander durch die Bestrahlungskammern des Durchflußreaktors gefördert. Dadurch wird,
wie bereits weiter oben erläutert wurde, die Effizienz der Reinigung bzw. Entkeimung beträchtlich erhöht. Der
Durchflußreaktor kann dann mit einem größeren Durchfluß betrieben werden, so daß die Strömungsgeschwindigkeiten
in den Bestrahlungskammern des Mehrkammer-Photoreaktors gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit im Einkammer-Photoreaktor
erhöht sind. Durch eine solche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten und durch die Verringerung
der Querschnitte der Bestrahlungskammern werden Strömungskurzschlüsse vermieden, die bei Einkammer-Photoreaktoren
bei hohen Schichtdicken und geringen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Diese Strömungskurzschlüsse können dazu
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führen, daß im Strahlungsfeld des Einkammer-Photoreaktors
stark unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten ausgebildet werden, die sich bei Verringerung des Durchflusses
verstärkt ausprägen und das Gesamtergebnis der Bestrahlung in Frage stellen können. Es empfiehlt sich zusätzlich,beim
Mehrkammer-Photoreaktor mit einer Strömungsgeschwindigkeit zu arbeiten, die an oder über der Grenze der Turbulenz des
durchströmenden Mediums liegt. Auf diese Weise wird nicht nur die Bildung von Niederschlägen aus dem bestrahlten
Medium im Mehrkammer-Photoreaktor wirksam unterdrückt, sondern darüber hinaus in der der Strahlungsquelle unmittelbar
benachbarten Kammer des Mehrkammer-Photoreaktors ein besonders guter Wärmeübergang von der Strahlungsquelle auf
das durchfließende Medium erzielt, so daß Uberhitzungen vermieden werden.
Die erwähnte beträchtliche Erhöhung der Effizienz des Durchflußreaktors
durch die Unterteilung ist nicht daran gebunden, daß das Medium nacheinander durch die Bestrahlungskammern
des Durchflußreaktors gefördert wird. Vielmehr ist dies eine charakteristische Eigenschaft des Mehrkammer-Photoreaktors.
Leitet man nämlich das Medium parallel durch die Bestrahlungskammern, so läßt sich der Durchfluß durch jede
einzelne Bestrahlungskammer so einstellen, daß in jeder Bestrahlungskammer die gleiche Mindestdosis verabreicht und
somit der gleiche Entkeimungsgrad erzielt wird und die mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten fließenden
Anteile des Mediums nach dem Verlassen der Bestrahlungskammern wieder vereinigt werden können. Die parallele
Flüssigkeitsführung ist zwar durch ihre apparative Ausrüstung aufwendiger, kann aber für die gleichzeitige Bestrahlung
verschiedener Medien von Vorteil sein.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchflußreaktor durch senkrecht zur allgemeinen Bestrahlungsrichtung
verlaufende Trennwände aus für die ultraviolette Strahlung durchlässigem Material in getrennte Bestrahlungskammern
unterteilt ist, daß die in das Medium mindestens in der Bestrahlungskammer, die der der Strahlungsquelle unmittelbar
benachbarten Bestrahlungskammer direkt folgt, einfallende Strahlung Bruchteile der Strahlung beträgt, die in
die der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarte Bestrahlungskammer eindringt, und daß die Einrichtung zur Einhaltung einer
vorbestimmten Mindestdosis der Strahlung aus Durchflußsteuermitteln für das Medium besteht, die an die Zuleitung oder an
die Ableitung des Durchflußreaktors angeschlossen sind. Dabei kann der Bruchteil der in die Bestrahlungskammer, die der der
Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer direkt folgt, einfallenden Strahlung mindestens 50 % der in
die der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer eindringenden Strahlung und die Absorption in de:? der
Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer nicht mehr als 50 % betragen und die Gesamtabsorption in einem
Durchflußreaktor mit bis zu 5 Bestrahlungskammern bis zu (1 - 0.5n) · 100 % der insgesamt einfallenden Strahlung betragen,
wobei η die Anzahl der Bestrahlungskammern ist.
Im einfachsten Pail, beispielsweise bei der Photoentkeimung von
Seewasser, besteht ein solcher Durchflußreaktor aus einem trogartigen Gefäß, das durch eine aus Quarzglasscheiben gefertigte
Trennwand in eine untere und eine obere Bestrahlungskammer unterteilt ist. Die Strahlungsquelle befindet sich oberhalb des
trogartigen Gefäßes in einem Reflektorsystem, das die von der
Strahlungsquelle ausgehende Strahlung parallel in das trogartige Gefäß richtet. Das Seewasser tritt in die eine der beiden Kammern
ein und durchsetzt nach Durchlauf durch die erste Kammer die zweite Kammer. Es kann bei einer solchen Anordnung auch das
durch Quarzglasscheiben in Bestrahlungskaramem unterteilte Gefäß
selbst aus Quarzglas bestehen, wobei die Strahlungsquelle von
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paarweise an gegenüberliegenden Seiten des Gefäßes in einem
System von Einzelreflektoren angebrachten Strahlern gebildet wird.
Aus dem Bereich der Hospitalhygiene sind im Umlauf betriebene Entkeimungsanlagen mit einer Strahlungsquelle aus einem oder
mehreren, jeweils in einem Hüllrohr nach Art einer Tauchlampe in einen Behälter eingesetzten Strahlern bekannt, beispielsweise
bei Klimawäschern. Solche Anordnungen besitzen ungünstige Strömungsverhältnisse, die dazu führen, daß ein
Teil des in dem Behälter befindlichen Wassers erheblich höhere Bestrahlungsdosen erhält als nötig, während ein großer
Teil des Behälterwassers zu niedrigen Dosen ausgesetzt bleibt. Es besteht daher die Gefahr, daß aus diesem Wasser Keime an
die von der Klimaanlage umgewälzte Luft abgegeben werden. Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes Hüllrohr von
wenigstens einem Quarzglasrohr unter Ausbildung wenigstens einer inneren Bestrahlungskammer umgeben ist und daß die
inneren Bestrahlungskammern gemeinsam entweder eingangsseitig an die Zuleitung oder ausgangsseitig an die Ableitung
des Durchflußreaktors angeschlossen sind. Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sichergestellt, daß die Bestrahlung unabhängig von der Strömungsrichtung durch die inneren Bestrahlungskammern
mit der gewünschten Mindestdosis erfolgt. Schließt man dabei die inneren Bestrahlungskammern eingangsseitig an die Zuleitung
an, so wird auf diese Weise das Bestrahlen in Gegenwart von Sauerstoff oder anderen Gasen erleichtert; schließt
man die inneren Bestrahlungskammern ausgangsseitig an die Ableitung des Durchflußreaktors an, so erhält man optimal
entkeimtes Wasser an der Sprühdüse des Klimawäschers.
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Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung, bei der die Strahlungsquelle
und der Durchflußreaktor ringförmig zueinander angeordnet sind, so aufgebaut, daß der Durchflußreaktor aus
zwei mit Anschlußmitteln versehenen Verschlußteilen, die die Bestrahlungskammern stirnseitig begrenzen, und aus zwischen
den Verschlußteilen an diesen angebrachten Rohrstücken unterschiedlichen Durchmessers besteht, die koaxial ineinander
angeordnet sind und die Bestrahlungskammern längsseitig begrenzen. Dabei können die Verschlußteile für jede Bestrahlungskammer
einen Anschlußstutzen besitzen, der über mindestens einen Innenkanal mit der zugehörigen Bestrahlungskammer in Verbindung steht. Es wird auf diese Weise ein aus
koaxial zwischen den stirnseitigen Verschlußteilen gehalterten Quarzglasrohren bestehender ringförmiger Mehrkaramer-Photoreaktor
einfachen Aufbaus erhalten, bei dem die Bestrahlungskammern je nach den Anforderungen parallel- oder hintereinandergeschaltet
werden können.
In der Serienschaltung stehen benachbarte Bestrahlungskammern an gegenüberliegenden Enden miteinander in Verbindung. Die
besonderen Vorteile einer solchen Serienschaltung liegen darin, daß infolge der veränderten Strömungswege und -geschwindigkeiten
eine günstigere Verteilung der eingestrahlten Energie auf das durchfließende Medium und hierdurch eine wesentlich
verbesserte Effizienz der angestrebten Reinigungs- bzw. Entkeimungsprozesse erreicht wird. Bei gleichem Durchfluß ist
nämlich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in einem m-Kammer-Photoreaktor angenähert das m-fache der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit eines Einkammer-Fhotoreaktors. Im Mehrkammer-Photoreaktor durchläuft ein Volumteil des Mediums
hintereinander sämtliche Bestrahlungskammern von der höchsten bis zur niedrigsten mittleren Bestrahlungsstärke oder vice
versa, wodurch eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung der zugeführten Energie auf das durchströmende Medium erzielt wird.
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Dadurch wird eine Überbestrahlung im Nahbereich der Strahlungsquelle
und ebenso eine Unterbestrahlung in entfernteren Bereichen vermieden und damit die Effizienz der applizierten
Strahlungsdosis erheblich gesteigert.
Die Unterteilung des Photoreaktors in mehrere Bestrahlungskaramern
erlaubt somit eine Bestrahlung bei niedrigeren Gradienten der Bestrahlungsstärke und durch die Serienschaltung
der Bestrahlungskammern eine Summierung der in dem Medium
applizierten einzelnen Energiedosen. Insgesamt ist so die photochemische Effizienz der Reinigung bzw. Entkeimung im
Mehrkammer-Photoreaktor wesentlich erhöht und damit eine erhöhte effektive Dosisleistung im Medium erreicht. Dadurch
läßt sich der Durchfluß gegenüber einem Einkammer-Photoreaktor mit einer Strahlungsquelle gleicher UV-Leistung
steigern. Die hierdurch im Vergleich zu Einkammer-Photoreaktoren wesentlich erhöhten mittleren Strömungsgeschwindigkeiten
erbringen noch den zusätzlichen Vorteil, daß die vorerwähnten Strömungskurzschlüsse vermieden werden und Ablagerungen
aus dem Medium weniger leicht eintreten.
Vorteilhafterweise sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Rohrstücke an ihren Enden abwechselnd abdichtend gehaltert
und geführt, und benachbarte Bestrahlungskammern stehen jeweils an den geführten Enden der Rohrstücke miteinander
in Verbindung. Dadurch wird eine Vereinfachung im Aufbau des Mehrkammer-Photoreaktors mit in Serie geschalteten
Bestrahlungskammern erzielt, da sich die Verbindung zwischen den Bestrahlungskammern innerhalb des Durchflußreaktors befindet
und in den Verschlußteilen nur noch Innenkanäle zu den Anschlußstutzen vorgesehen werden müssen, die als Eingangs-
und Ausgangsanschluß dienen.
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Mehrkammer-Photoreaktoren der vorstehend beschriebenen Art
mit einem äußeren Quarzglasrohrstück können in bekannter Weise (DT-OS 2 119 961) konzentrisch von mehreren Strahlern
umgeben sein, von denen jeder einen eigenen paraboloiden Reflektor aufweist, wodurch eine optimale Effizienz der
Einstrahlung ermöglicht wird. Eine einwandfreie Funktion eines Einkammer-Photoreaktors dieser Art ist nur dann gewährleistet,
wenn die weiter vorstehend erörterten Kurzschlußphänomene bei der Durchströmung sicher vermieden
werden. Mit zunehmendem Querschnitt und abnehmender Strömungsgeschwindigkeit des zu bestrahlenden Mediums nimmt aber
die Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher Kurzschlußphänomene zu, so daß Photoreaktoren dieser Art im allgemeinen
nur für enge Anwendungsbereiche einsetzbar sind. Durch die Unterteilung unter Ausbildung des Mehrkammer-Photoreaktors
wird erreicht, daß auch Medien geringer Transmission den Durchflußreaktor mit einer solchen Geschwindigkeit
durchsetzen, daß die Bestrahlung mit der geforderton Mindestdosis sichergestellt und das Auftreten von Kurzschlußphänomenen
bei der Durchströmung ausgeschlossen ist.
Das innere Rohrstück kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung an beiden Enden durch entsprechende Durchbrüche
der Verschlußteile hindurchgeführt und in den Durchbrüchen abdichtend gehaltert sein. Dadurch wird die Anbringung einer
Strahlungsquelle im Inneren des Mehrkammer-Photoreaktors ermöglicht, die zusätzlich zu den den Mehrkammer-Photoreaktor
außen umgebenden Strahlern vorgesehen sein kann. Dadurch werden die Strahlungsverluste, die beim Durchgang der
Strahlung durch den Photoreaktor auftreten, in beträchtlichem Umfang kompensiert, und es wird bei entsprechender Abstimmung
der Schichtdicke an die Transmissionsfaktoren des Mediums eine brauchbare Annäherung an eine gleich hohe Bestrahlungsstärke
in allen Volumelementen des Photoreaktors erzielt.
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Bei dem Mehrkammer-Photoreaktor nach der Erfindung kann das äußere Rohrstück strahlungsundurchlässig sein, eine Beobachtungsöffnung
aufweisen und an die Verschlußteile abdichtend angeflanscht sein. Das ermöglicht einen stabileren
und weiter vereinfachten Aufbau des Photoreaktors, in dessen Innerem die Strahlungsquelle angebracht ist. Zur Erhöhung
der Bestrahlungsstärke in der Außenkammer kann das äußere Rohrstück verspiegelt sein, vorzugsweise so, daß das durchfließende
Medium nicht auf die Verspiegelung einwirken kann.
Bei einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Rohrstücke an einem Verschlußteil abgedichtet
gehaltert, das innere Rohrstück und Jedes zweite nach außen folgende sind an dem dem Verschlußteil abgewandten
Ende geschlossen, jedes der zweiten nach außen folgenden Rohrstücke ist nahe dem zu ihrer Halterung dienenden
Verschlußteil mit Durchtrittsöffnungen versehen, und das Verschlußteil besitzt einen Innenkanal, dessen eines Ende
in die innere Bestrahlungskammer und dessen anderes Ende in einen Anschlußstutzen mündet. Die einseitige Halterung
der Rohrstücke kann Erleichterungen im Zusammenbau und in der Demontage des Mehrkammer-Photoreaktors bringen.
Vorteilhafterweise besitzt bei den erfindungsgemäßen Mehrkammer-Photoreaktoren
eine der Strahlungsquelle abgewandte Bestrahlungskammer eine Schichtdicke, die mindestens das
Zweifache der Schichtdicke der der Strahlungsquelle unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer beträgt. Ein solcher
Photoreaktor ist für alle Medien mit Transmissionsfaktoren im Bereich zwischen T (1 cm) =0.6 und nahe 1 geeignet.
Für die Entkeimung von Trinkwasser mit einem Transmissionsfaktor im niedrigen Bereich sind dann vorwiegend die beiden
Bestrahlungskammern mit geringer Schichtdicke wirksam, während bei Trinkwasser mit hohem Transmissionsfaktor auch
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die der Strahlungsquelle abgewandte Bestrahlungskammer mit
größerer Schichtdicke mit guter Wirksamkeit einbezogen wird. Ein solcher Mehrkammer-Photoreaktor kann somit bei der Trinkwasserentkeimung
im gesamten vorkommenden Bereich von Transmissionsfaktoren eingesetzt werden, ohne daß dazu zusätzliche
Maßnahmen in seinem Aufbau notwendig sind. Durch die Hinzunahme der Bestrahlungskammer mit großer Schichtdicke bei
Verwendung von Trinkwasser hoher Transmission ergibt sich eine hohe Leistung, die bei Photoreaktoren mit kleineren
Schichtdicken bzw. bei einem Einkammer-Photoreaktor größerer Gesamtschichtdicke nicht erzielbar ist. Pur die Trinkwasserentkeimung
auf Seeschiffen wird eine Gesamtschichtdicke von 7.62 cm empfohlen (Department of Health, Education, and
Weifare Public Health Service; Division of Environmental
Engineering and Food Protection; "Policy Statement on Use of the Ultraviolet Process for Disinfection of Water",
I.April 1966).
Zweckmäßigerweise ist bei dem Mehrkammer-Photoreaktor nach der Erfindung eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen.
Diese kann einen mit druckdichten Durchführungen versehenen, drucksicht mit dem die Rohrstücke halternden Verschlußteil
verbundenen, an einen Barostaten angeschlossenen Deckel aufweisen, wobei der Sollwert der barostatischen Druckregelung
vom Eingangsdruck des Mediums am Durchflußreaktor bestimmt ist. Durch eine solche Einrichtung wird der im
Betrieb des Mehrkammer-Photoreaktors auf die aus Quarzglas bestehenden Rohrstücke einwirkende Druck ausgeglichen. Dadurch
wird vermieden, daß an den spannungsempfindlichen Quarzglasrohren mechanische Spannungen auftreten, die zum
Bruch führen könnten.
Bei den Mehrkammer-Photoreaktoren nach der Erfindung ist wenigstens eine Bestrahlungskammer mit einem über den
Strömungsquerschnitt wirksamen Ausgleichselement für das
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Ströraungsprofil versehen. Die Anordnung solcher Ausgleichselemente
für das Strömungsprofil ist besonders für die Bestrahlungskamraer mit der höchsten Bestrahlungsstärke zweckmäßig.
Die geforderten Bedingungen für die Bestrahlung des durchfließenden Mediums können sicherer eingehalten werden,
wenn das Strömungsprofil des die Bestrahlungskammer durchsetzenden Mediums gleichförmig ist, insbesondere muß ausgeschlossen
werden, daß sich Teile des Mediums mit größerer Geschwindigkeit durch die Bestrahlungskammer bewegen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der ein Teilstrom des bestrahlten Mediums nach dem Durchlauf in den Durchflußreaktor
zurückgeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußreaktor ausgangsseitig mit einem Strömungsteiler
versehen ist, dessen einer Ausgang an die Entnahmeleitung und dessen zweiter Ausgang unter Zwischenschaltung einer
Rücklauf-Förderpumpe und eines Rückschlagventils an den Eingang des Durchflußreaktors angeschlossen ist. Dabei kann
die Rücklauf-Förderpumpe in ihrer Förderleistung einstellbar sein, um eine Änderung des RücklaufVerhältnisses herbeizuführen;
es kann aber auch die Rücklaufleitung eine einstellbare
Strömungsdrossel aufweisen. Mit einer solchen Vorrichtung können besonders hohe Entkeimungs- bzw. Reinigungsgrade erzielt werden; außerdem ist sie für solche Anwendungsfälle geeignet, bei denen keine kontinuierliche Entnahme
erfolgt.
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Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung ist die Strahlungsquelle von mindestens einer antimondotierten Xenon-Hochdrucklampe,
die eine starke Emission im Wellenlängenbereich von 260 bis 280 nm besitzt, gebildet. Eine solche Lampe
besitzt pro cm Emissionslänge eine bakterizide Dosisleistung, die mindestens um eine Größenordnung höher ist
als die entsprechende Strahlungsleistung üblicher Quecksilberniederdruckquarzlampen.
Die mit diesen Strahlern erzielbaren Bestrahlungsstärken sind also sehr viel höher
als die Bestrahlungsstärken, die mit Quecksilberniederdrucklampen üblicher Bauart erzielbar sind, wobei dieser
Vorteil zusätzlich durch die vorher erwähnten günstigen Wirkungen der Bestrahlung im Wellenlängenbereich von
260 bis 280 nm weiter vergrößert wird. Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit ist es daher möglich, den Dosisbereich
um über eine Größenordnung zu erhöhen; für die heutigen Bedürfnisse der Trinkwasserentkeimung ergibt sich
somit, daß mit einer Strahlungsquelle aus antimondotierten Xenonhochdrucklampen sehr viel höhere Raum-Zeit-Ausbeuten
erzielt werden können, als dies bisher möglich war. Neben dieser erheblichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit
beruht ein weiterer Vorteil des Einsatzes der antimondotierten Xenon-Hochdrucklampen darauf, daß wegen der minimalen
Flüchtigkeit und Toxizität des Antimons die Möglichkeit einer gefährlichen Umweltverschmutzung bei einem Bruch
der Lampe wesentlich geringer ist als bei den sonst üblichen Quecksilberdampflampen.
Für Anwendungsfälle, in denen ein möglichst breiter Bereich
von UV-Strahlung des wirksamen Wellenlängenbereichs für die Reinigung, Entkeimung und/oder Desinfektion mittels ultravioletter
Strahlung verwendet werden soll, kann es nützlich sein, daß die Strahlungsquelle zusätzlich zu der antimon-
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dotierten Xenon-Hochdrucklampe mindestens eine Quecksilberdampflampe
aufweist.
Zur Erhöhung des von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlungsflusses pro Längeneinheit des Durchflußreaktors
kann es zweckmäßig sein, daß die Strahlungsquelle mindestens einen gewendelten Strahler enthält.
Bei ringförmiger Ausbildung des Durchflußreaktors kann die Strahlungsquelle im Inneren des Durchflußreaktors zweckmäßig
in achsnaher Stellung angeordnet sein. Eine solche Anordnung der Strahlungsquelle bewirkt die beste Strahlungsverteilung
in radialer Richtung. Die Strahlungsquelle kann dabei unabhängig vom Durchflußreaktor gehaltert sein;
bei anderen Ausführungen, z.B. bei einem Druckdurchflußreaktor, ist dagegen die Strahlungsquelle im Durchflußreaktor
gehaltert. Die Anordnung der Strahlungsquelle im Inneren des Durchflußreaktors ist für Durchflußreaktoren
kleineren Volumens vorzuziehen.
Bei einem ringförmigen Durchflußreaktor nach der Erfindung kann die Strahlungsquelle mindestens 4 achsparallel und
symmetrisch zwischen dem Durchflußreaktor und einem diesen umgebenden Reflektorsystem angeordnete Strahler aufweisen.
Dabei befindet sich zweckmäßigerweise jeder Strahler in einem gesonderten, vorzugsweise paraboloiden Reflektor des
Reflektorsystems, um eine optimale optische Effizienz der Einstrahlung in den Durchflußreaktor zu gewährleisten. Bei
einer solchen Anordnung der Strahlungsquelle wird eine gleichmäßigere Verteilung der Strahlung über das Gesamtvolumen
des Reaktors erzielt als bei Anordnung der Strahlungsquelle im Inneren des ringförmigen Reaktors; sie ist
für großvolumige Durchflußreaktoren vorzüglich geeignet.
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Eine weitere Verbesserung der Strahlungsverteilung kann
in dem erfindungsgemäßen Durchflußreaktor dadurch erzielt werden, daß ein Teil der die Strahlungsquelle bildenden
Strahler im Inneren des Durchflußreaktors und ein anderer Teil der Strahler, mindestens 4, achsparallel und symmetrisch
zwischen dem Durchflußreaktor und einem diesen umgebenden Reflektorsystem angeordnet sind, wobei sich
die Strahler, wie vorstehend beschrieben, in gesonderten Reflektoren befinden.
Bei Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art kann es zweckmäßig sein, eine antimondotierte Xenon-Hochdrucklampe
mindestens im Inneren des Durchflußreaktors anzuordnen; dadurch werden die bei Reflektoren unvermeidlichen
Reflexionsverluste vermieden und die von der hochwirksamen antimondotierten Xenon-Hochdrucklampe ausgehenden
Strahlen besser ausgenutzt; zugleich wird für diesen Strahler eine besondere Wasserkühlung überflüssig.
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Durchführung einer Reinigung, Entkeimung oder Desinfektion fließfähiger
Medien im Durchfluß mittels ultravioletter Strahlung erfordern zur Einhaltung einer vorbestimmten Mindestdosis
der ultravioletten Strahlung Durchflußsteuermittel, durch die sichergestellt wird, daß das die Bestrahlungskammern
durchsetzende Medium in jedem Pail mit der geforderten
Mindestdosis bestrahlt wird. Die erfindungsgemäßen Durchflußsteuermittel können im einfachsten Pail eine Strömungsdrossel,
vorzugsweise eine einstellbare Strömungsdrossel, aufweisen. Bei konstantem Druck am Eingang oder Ausgang des
Durchflußreaktors läßt sich der Durchfluß auf den jeweils erforderlichen Wert einstellen. Die Strömungsdrossel kann
im einfachsten Fall aus einer Engstelle in der Zuleitung oder Ableitung des Durchflußreaktors bestehen, sie kann
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aber auch durch ein geeignetes, präzis einstellbares und in seiner Einstellung zeitlich unveränderliches Ventil
gebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Durchflußsteuermittel können aber auch einen vom Eingangsdruck unabhängigen Durchflußbegrenzer
aufweisen. Solche Durchflußbegrenzer sind bekannt, und ihre Anwendung im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Durchflußreaktoren
ist besonders vorteilhaft, weil sie in jedem Fall verhindern, daß ein vorgegebener Durchfluß überschritten
wird. Ein solches Überschreiten des vorgegebenen Durchflusses muß besonders bei den Durchflußreaktoren zur Photoentkeimung
vermieden werden, da eine Erhöhung des Durchflusses notwendig zu einem schreiten der vorbestimmten Mindestdosis
führen muß.
Nach der Erfindung können die Durchflußsteuermittel auch eine Pumpe mit einstellbarer Förderleistung aufweisen. Eine
solche Pumpe gestattet im weitesten Umfang die Anpassung des Durchflusses an die jeweils gewünschten Bestrahlungsdosen.
Erfindungsgemäß ist eine Steuereinrichtung für die Pumpe mit einstellbarer Förderleistung vorgesehen, die mit einen
von der Überwachungseinrichtung mit Sollwerteinstellung ausgehenden Steuersignal beaufschlagt ist. Dabei kann die
Steuereinrichtung einen Leistungsverstärker und einen von dem Pumpenmotor angetriebenen Tachogenerator aufweisen und
das Tachogeneratorsignal kann dem Steuersignal der überwachungseinrichtung
am Eingang des Leistungsverstärkers entgegengeschaltet sein. Bekannte Überwachungseinrichtungen für
Durchflußreaktoren für die Photoentkeimung enthalten einen Strahlungsdetektor, der an dem Durchflußreaktor angeordnet
ist und auf die durch den Durchflußreaktor hindurchtretende
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Strahlung anspricht. Bei Unterschreiten eines voreingestellten Sollwertes wird von dem Detektor ein Signal abgegeben,
durch das ein Ventil angesteuert wird, mittels dessen das zu bestrahlende Medium auf einen zweiten Durchflußreaktor
gegeben wird, durch das ein Alarmsignal ausgelöst wird und durch das eine Reinigungsvorrichtung für den ersten Photoreaktor
betätigt werden kann (US-PS 3 182 193). Es ist weiter eine überwachungseinrichtung bekannt (US-PS 3 4-62 597) ι die
bei Ausfall der Lampe, des Lampentransformators oder bei einem unzulässig großen Absinken der Netzspannung ein Magnetventil
in der Zuführung für das zu bestrahlende Medium schließt. Diese bekannten überwachungseinrichtungen sind
aber lediglich dazu geeignet und benutzt worden, um in Notfällen den Betrieb des Durchflußreaktors sofort und unter
Abgabe eines Notsignals zu unterbrechen bzw. auf einen zweiten Reaktor umzuschalten. Die erfindungsgemäße Einrichtung
verbindet dagegen die Pumpe mit einstellbarer Förderleistung mit einer Steuereinrichtung, deren Ausgungssignal
von der jeweils an der überwachungseinrichtung gemessenen Strahlungsintensität abhängig ist. Auf diese Weise
wird ermöglicht, den Durchfluß an die jeweilige Bestrahlungsstärke anzupassen. Das bedeutet, daß bei abnehmender
Bestrahlungsleistung die Durchflußleistung im gleichen Verhältnis abnimmt, so daß sichergestellt ist, daß die
Reinigungs- bzw. Entkeimungsqualität (z.B. der Reinigungsbzw. Entkeimungsgrad) erhalten bleibt. Durch eine solche
Steuereinrichtung können auf einfache Weise die Einflüsse der Alterung auf die Ausstrahlung der Strahlungsquelle
berücksichtigt werden. Die geschilderte Steuerung des Durchflusses bei abnehmender Bestrahlungsstärke zur Erhaltung
der eingestellter. Dosis erlaubt einen besonders ökonomischen Bestrahlungsbetrieb im paarweisen Verbund der
Mehrkammer-Photoreaktoren. Dabei wird der eine Photoreaktor
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mit einem neuen Lampensatz in Betrieb genommen, während der zweite seinen Betrieb während der halben Lebensdauer
seiner Lampen fortsetzt. Dadurch werden beide entsprechend den jeweiligen Lampenleistungen optimal betrieben, und die
Gesamtleistungsschwankung infolge der Alterung beträgt nur noch die Hälfte der bisherigen Größe. Zugleich ist aber
auch eine bessere Lampen- und Stromausnutzung gewährleistet und zugleich eine bessere Apparateausnutzung erreicht.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt und werden nachfolgend
im einzelnen erläutert und beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbexspiels des erfindungsgemäßen
Mehrkammer-Photoreaktors;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Teilanordnung bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Photoreaktors;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Details von Fig. 2;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausbildung der Teilanordnung;
Fig. 5 eine Ansicht eines Details bei der Teilanordnung nach Fig. 4·;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Mehrkammer-Photoreaktors;
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Pig. 7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausbildung des Mehrkammer-Photoreaktors
nach Fig. 6;
Pig. 8 eine Schnittansicht eines Details bei dem Mehrkammer-Photoreaktor nach Pig. 7;
Pig. 9 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Mehrkammer-Photoreaktors;
Pig. 10 einen Teillängsschnitt durch einen Mehrkammer-Photoreaktor
nach Pig. 9 mit einer Druckausgleichseinrichtung;
Pig. 11 einen Längsschnitt durch ein viertes Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Mehrkammer-Photoreaktors;
Pig. 12 einen Längsschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Mehrkammer-Photoreaktors;
Pig. 13 ein Pließdiagramm für den Rücklaufbetrieb eines erfindungsgemäßen Mehrkammer-Photoreaktors
;
Pig. 14 eine Detailansicht eines Bauteils in
dem Fließdiagramm nach Fig. 13; und
Fig. 15 ein Blockschaltbild eines Details der
elektrischen Überwachungseinrichtung für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Durchflußreaktors.
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Figur 1 zeigt einen Zweikammer-Photoreaktor 1 aus einem
Durchflußreaktor in Gestalt eines trogartigen Gefäßes 2 mit einem Deckel 3, der um Scharniere 4- schwenkbar an
das trogartige Gefäß 2 angelenkt ist und durch einen Schnappverschluß 5 in geschlossener Stellung gehalten
wird. Das Gefäß 2 besteht aus Metall wie rostfreiem Stahl, kann aber auch aus jedem anderen UV-beständigen
und sonstigen Anforderungen, z.B. lebensmittelrechtlichen Bestimmungen, genügendem Material (Steinzeug, emailliertes
Blech etc.) gefertigt sein. Der Deckel 3 trägt innen eine Serie von zueinander parallelen paraboloiden Reflektoren
mit einer besonders gut UV-reflektierenden Oberfläche. Innerhalb der Reflektoren sind UV-Strahler 6 senkrecht
zur Durchströmungsrichtung so angeordnet, daß der Strömungsquerschnitt des trogartigen Gefäßes 2 unter
Ein-schluß der Randbereiche gleichmäßig bestrahlt wird.
Für Zwecke der Entkeimung werden wassergekühlte, antimondotierte Xenon-Hochdrucklampen eingesetzt; alternativ
eignen sich dafür auch Quecksilberniederdruck-Quarzlampen bekannter Bauart. Für die Reinigung in Anwesenheit
oder Abwesenheit von Oxidationsmitteln kann man auch Quecksilberhochdruck-Lampen oder andere Strahler geeigneter
Emissionsbereiche verwenden. Der Schnappverschluß 5 ist mit einer Sicherheitsschaltung verbunden, durch die
die Strahler 6 bei öffnung des Schnappverschlusses 5 automatisch abgeschaltet werden. Das trogartige Gefäß 2
ist in Strömungsrichtung durch Quarzglasscheiben 7 in zwei
Bestrahlungskammern 8 und 9 unterteilt; die Bestrahlungskammer 9 ist als untere Bestrahlungskammer durch die
Quarzglasscheiben 7 auf eine fixe Schichtdicke von 2 cm begrenzt, während die Schichtdicke des Mediums in der Bestrahlungskammer
8 mit Hilfe des weiter unten beschriebenen Niveaureglers 17 variiert werden kann. Die Quarzglas-
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scheiben 7 sind auf einem herausnehmbaren Strebrahmen aus rostfreiem Stahl gelagert; die Quarzglasscheiben 7
sind an dem Strebrahmen 10 und dieser selbst ist an der Innenwandung des trogartigen Gefäßes 2 mittels eines
gegen UV-Strahlung beständigen Kitts abdichtend befestigt. Anstelle der Verkittung kann die Abdichtung auch
durch vorgeformte und UV-beständige Dichtungen erfolgen.
Die Bestrahlungskammern 8, 9 kommunizieren an ihrem dem Ein- und Ausgang des trogartigen Gefäßes 2 abgewandten
Ende miteinander. Die obere Bestrahlungskammer 8 ist über eine Zuleitung 11 an einen Durchflußbegrenzer 12 angeschlossen.
Der Durchflußbegrenzer dient dazu, den Durchfluß auch bei Erhöhung des Eingangsdrucks auf den zulässigen
Maximalwert zu begrenzen; solche Durchflußbegrenzer werden beispielsweise von der Firma Eaton Corp., Controls
Division, 191 East North Ave., Carol Stream, Illinois 60 187, USA, vertrieben. Die Zuleitung 11 mündet in die Bestrahlungskammer
8 über eine Lochplatte 13, die ein Ausgleichselement für das Strömungsprofil darstellt und sich über die
gesamte Breite der Bestrahlungskammer 8 erstreckt. Die Bestrahlungskammer 9 mündet über eine gleichartige Lochplatte
15» die ebenfalls als Ausgleichselement für das
Strömungsprofil wirkt, in eine Ableitung 16 mit einem Niveauregler 17, der zum Schutz gegen Verunreinigungen
eine luftdurchlässige Abdeckung 18, z.B. aus Watte, trägt.
Die Lochplatten 13* 15 bestehen aus Material, das gegen
UV-Strahlung und gegen das durchströmende Medium beständig ist und selbst keine störenden Verunreinigungen an das
durchströmende Medium abgibt (rostfreier Stahl, beschichtete Metalle, Kunststoff, Keramik, Quarz, Glas). Die Weite der
Löcher ist so groß, daß die Strömung nicht wesentlich be-
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hindert ist, aber doch ein über die Durchtrittsflache
gleichmäßiges Strömungsprofil erzeugt wird. Zu dem gleichen Zwecke können die Löcher auch durch öffnungen anderer Gestalt
wie Schlitze ersetzt werden. Die Lochplatten 13, 15 sind mit dem trogartigen Gefäß 2 einerseits und dem Übergangsstück
der Zuleitung 11 bzw. der Ableitung 16 andererseits in geeigneter Weise abdichtend verkittet.
Der Niveauregler 17 besitzt ein Innenrohr 19, das abgedichtet
in einem Überlaufgefäß 20 vertikal verschiebbar geführt ist und den Auslauf des trogartigen Gefäßes 2
bildet. Durch Vertikalverschiebung des Innenrohres 19 in dem Niveauregler 17 können in Anpassung an die optische
Dichte des durch die Zuleitung 11 in den Durchflußreaktor eintretenden Mediums verschiedene Schichtdicken in der
oberen Bestrahlungskammer 8 eingestellt werden.
Der Zweikammer-Photoreaktor 1 weist senkrecht zur Durchströmungsrichtung
20 Quecksilberniederdruck-Quarzlampen (15 W, NN 15/44 Original Hanau Quarzlampen GmbH, Hanau) auf,
die über die Bestrahlungskammern 8, 9 von 80 cm Länge in gleichen Abständen verteilt sind, wobei jeder Strahler in
einem zugeordneten Reflektor und die Lampen-Reflektorkombinationen jeweils in geringstmöglichem Abstand voneinander
angeordnet sind. Der gesamte auf die Oberfläche des Mediums gelangende UV-Strahlungsfluß beträgt (unter Berücksichtigung
der Reflektionsverluste von höchstens 45 #
sowie der Randverluste) ca. 60 W mit einer mittleren Be-
Strahlungsstärke E = 25 mW/cm . Die nachfolgende Tabelle 1
zeigt einen Vergleich des Zweikammer-Photoreaktors 1 mit einem Einkammer-Photoreaktor gleicher Gesamtschichtdicke;
in der Tabelle 1 sind Werte für den Durchfluß Q-40 (m5/h)
für eine Mindestdosis von 40 mWs/cm für verschiedene
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Transinissionsfaktoren T (1 cm) und verschiedene Schichtdicken
der oberen Bestrahlungskammer 8 angegeben.
Vergleich des Zweikammer-Photoreaktors 1 mit einem Einkammer-Photoreaktor gleicher Gesamtschichtdicke.
Durchfluß Q-40 für Mindestdosis 40 mWs/cm .
| T (1 cm) | cm | 0.9 | cm | 0.7 | cm | 0.6 | cm | 0.6 |
| Q-40 | 4 | m5/h | 2 | m5/h | 2 | m3/h | 1 | m3/h |
| d | 2 | 2 | 2 | 2 | ||||
| Schicht oben |
6 | 14.7 | 4 | 4.94 | 4 | 3.89 | 3 | 3.24 |
| Schicht unten |
6 | 5.74 | 4 | 2.42 | 4 | 1.4 | 3 | 2.33 |
| Zweikammer- Photoreaktor |
20.44 | 7.36 | 5.29 | 5.57 | ||||
| Einkammer- Photoreaktor |
17.22 | 4.84 | 2.8 | 3.5 | ||||
| Steigerungs faktor |
1.18 | 1.52 | 1.89 | 1.59 | ||||
60 W UV-254 nm auf 30 · 80 = 2400 cm2 Einstrahlungsfläche;
mittlere Bestrahlungsstärke E = 25 mW/cm . Einfluß des Transmissionsfaktors T (1 cm) und der Schichtdicken d in
den Bestrahlungskammern.
Nach der vorstehenden Tabelle 1 eignet sich der Zweikammer-Photoreaktor
für den Bereich der Transmissionsfaktoren T (1 cm) von 0.95 bis 0.5; bei T (1 cm) ^ 0.9 soll die
Schichtdicke der oberen Schicht 4 cm und mehr, bei T (1 cm) < 0.6 ca. 1 cm betragen.
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Für die Bereiche niedrigerer Transmissionsfaktoren werden die Schichtdicken auch der unteren Bestrahlungskammer 9
niedriger gewählt, z.B. 1 cm bei T (1 cm) = 0.4. Man erhält dann bei T (1 cm) = 0.4 unter den übrigen Bedingungen
der obigen Tabelle für je 1 cm untere und obere Schicht zusammen Q-40 = 3.02 nr/h und der Steigerungsfaktor ist
dann 1.75· Bei einer Schichtdicke der unteren Bestrahlungskammer
9 von 1 cm ist der Zweikammer-Photoreaktor 1 an die bei der Entkeimung von Abwasser vorkommenden Transmissionsbereiche
optimal anpassungsfähig. Die durch die Verwendung von Reflektoren bedingten Verluste an wirksamer
UV-Strahlung werden dabei durch die Unterteilung des Photoreaktors mehr als ausgeglichen, wodurch ein im Vergleich
zum Einkammer-Photoreaktor energetisch günstigeres Ergebnis für die Entkeimung erzielt wird. Zweikammer-Photoreaktoren
dieses Typs werden auch für die Entkeimung von Seewasser eingesetzt.
Eine abgeänderte Ausführungsform des vorstehend beschriebenen
Zweikammer-Photoreaktors 1 mit in parallelen Ebenen angeordneten Bestrahlungskammern besteht aus einem
trogartigen Gefäß mit zwei gegenüberliegenden Wänden aus Quarzglas. Jeder dieser UV-durchlässigen Wände ist eine
Strahlungsquelle zugeordnet, deren Strahler paarweise gegenüberliegend in einem System von Einzelreflektoren
angeordnet sind. Durch die Überlagerung der Strahlungsfelder wird eine wesentliche Erhöhung und andere räumliche
Verteilung der inneren Bestrahlungsstärke erreicht, die bei zweckmäßiger Abstimmung von Schichtdicke und Transmissionsfaktor
eine Steigerung der Mindestdosisleistung von über 200 # ermöglichen. So wird in einem Photoreaktor
von 4.5 cm Gesamtschichtdicke bei einem Transmissionsfaktor
des Mediums von T (1 cm) = 0.6 durch beidseitige Bestrahlung
809886/0545 "4^
273555Q
die dreifache Mindestdosisleistung gegenüber derjenigen erreicht, die durch die gleiche Leistung bei einseitiger
Aufstrahlung erzielt werden kann.
Pig. 2 bis 8 zeigen die Ausführung eines Mehrkammer-Photoreaktors,
bei dem die Strahlungsquelle nach Art einer Tauchlampe ausgebildet ist.
Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine erste Ausführung einer Teilanordnung des Mehrkammer-Photoreaktors mit einem
Strahler 24- in einem Hüllrohr 25 aus Quarzglas, das in
ein ebenfalls aus Quarzglas bestehendes Trennrohr 35 eingesetzt ist. Der Strahler 24 ist für Zwecke der Entkeimung
eine antimondotierte Xenon-Hochdrucklampe; alternativ eignen sich dafür auch Quecksilberniederdruck-Quarzlampen
bekannter Bauart. Für die Reinigung in Anwesenheit oder Abwesenheit von Oxidationsmitteln kann man auch Quecksilberhochdruck-Lampen
oder andere Strahler geeigneter Emissionsbereiche verwenden. Der Strahler 24 ruht auf einer
Auflage 27 am unteren Ende des Hüllrohres 25, die beispielsweise aus Glaswolle bestehen kann. A.n ihren oberen
Enden sind das Hüllrohr 25 und das Trennrohr 35 über Schliffe 26, 36 miteinander verbunden, die durch geeignete,
bekannte Sicherungen (Pa. Schott & Gen., Mainz) in dichtem Eingriff gehalten sind. Das Trennrohr 26 trägt nahe seinem
oberen Ende zwei diametral gegenüberliegende Anschlüsse 37. Am unteren Ende der Teilanordnung ist eine Abstandshalterung
vorgesehen, durch die das Hüllrohr 25 und das Trennrohr 35 über ihre Länge in gleichen Abstand zueinander gehalten werden.
Die Abstandshalterung besteht aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Federringen 29, die durch drei im Winkel
von 120° gegeneinander versetzte Stege 30 aus federndem
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Material verbunden sind (s. Fig. 3). Die Federringe 29
sind zwischen kleinen Vorsprüngen 28, 38 gehaltert, die in Winkelabständen von ca. 120° und in einem dem entsprechenden
Maß des Federringes 29 angepaßten Axialabstand an der Außenseite des Hüllrohres 25 bzw. an der Innenseite
des Trennrohres 35 angeordnet sind. Diese Abstandshalterung kann zur Einstellung eines über die Durchtrittsfläche gleichförmigen
Strömungsprofils noch mit einer Lochplatte versehen werden, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert wird.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Teilanordnung ähnlich Fig. In einem Hüllrohr 45 aus Quarzglas befindet sich ein Strahler
24 der vorgenannten Art. Es ist von einem Trennrohr aus Quarzglas umgeben, das an seinem oberen Ende eine Verengung,
die geringfügig weiter ist als das Hüllrohr 45, und nahe seinem oberen Ende zwei diametral gegenüberliegende
Anschlüsse 57 trägt. Das Hüllrohr 45 und das Trennrohr 55 sind konzentrisch zueinander angeordnet und an ihren
oberen Enden durch eine übergreifende Dichtmanschette 46 aus einem elastischen Kunststoff, der gegen die UV-Strahlung
und das durchströmende Medium beständig ist, miteinander abdichtend verbunden. Die Dichtmanschette 46 ist
durch Ligaturen 48, die nach Art von Schlauchschellen
ausgebildet sind, gesichert. Am unteren Ende der Teilanordnung ist eine Abstandshalterung 6? vorgesehen, durch
die das Hüllrohr 45 und das Trennrohr 55 über ihre Länge in gleichem Abstand zueinander gehalten werden. Die
Abstandshalterung 67 (Fig. 5) ist entsprechend Fig. 2 zwischen Vorsprüngen 28 am Hüllrohr 45 und Vorsprüngen 68
am Trennrohr 55 angeordnet und besteht zunächst aus einem doppelten Federring 29 mit federnden Stegen 30. Der äußere
Federring 29 ist mit axial von seinem Umfang nach oben vorstehenden Trägern 69 versehen, dessen Enden 70 radial
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nach innen umgebogen sind und dadurch eine Platte 71 » die
Durchtrittsöffnungen 72 besitzt, in Anlage an dem Federring 29 hält. Die Durchtrittsöffnungen 72 in der Platte
sind der von dem Hüllrohr 45 und dem Trennrohr 55 gebildeten
Bestrahlungskammer 49 zugeordnet und gleichmäßig über die jeweilige Durchtrittsfläche verteilt. Die
Platte 7^ besteht aus gegen UV-Strahlung und gegen das
durchströmende Medium beständigem Material, das keine Verunreinigungen an das durchströmende Medium abgibt
(rostfreier Stahl, beschichtete Metalle, Kunststoff, Keramik, Glas, Quarz). Die Weite der Durchtrittsöffnungen 72,
die kreisförmigen oder anderen Querschnitt haben können, ist so groß, daß sie die Strömung nicht wesentlich behindern,
aber doch ein über die Durchtrittsfläche gleichförmiges Strömungsprofil erzeugen. Die ganze Anordnung ist so getroffen,
daß sich die Träger 69 jeweils zwischen den Vorsprüngen 68 an der Innenwand des Trennrohres 55 befinden.
Gegenüber den vorstehend beschriebenen Ausführungen sind eine Reihe von Abwandlungen möglich. So können das Hüllrohr
25 bzw. 45 und die Trennrohre 35 bzw. 55 an ihren
oberen Enden auch miteinander verschmolzen werden. Man erhält dadurch ein einheitliches Bauteil, das aber aufwendig
in der Herstellung und empfindlich in der Handhabung ist. In einer einfacheren Ausführung kann die Abstandshalterung
auch allein von der mit Durchtrittsöffnungen 72 versehenen Platte 71 gebildet werden; dabei fällt dann
der obere Kranz der Vorsprünge 28 und 68 fort, und die Platte 71 wird durch einen Sprengring in Auflage an dem
unteren Kranz der VorSprünge 28 und 68 gehalten.
Eine weitere Abwandlung besteht darin, auch das Trennrohr 35 bzw. 55 mit einem zusätzlichen Quarzglasrohr zu
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umgeben, das an seinem unteren Ende geschlossen und an seinem oberen Ende an dem Trennrohr 35 bzw. 55 unterhalb
der Anschlüsse 37 bzw. 57 gehaltert oder auf eine der vorstehend genannten Arten damit abdichtend verbunden ist.
Das zusätzliche Quarzglasrohr weist an seinem oberen Ende mindestens zwei gleichmäßig über den Umfang verteilte
Durchtrittsöffnungen auf, und sein geschlossenes Ende verläuft im Abstand von dem unteren Ende des Trennrohres
bzw. 55 und des Hüllrohres 25 bzw. 45. Es entstehen so zwei
benachbarte, an ihrem unteren Ende kommunizierende Bestrahlungskammern, deren äußere über die Durchtrittsöffnungen
bzw. Anschlußstutzen mit einem Tank 21 (Pig. 6) in Verbindung steht und deren innere die Anschlüsse 37 bzw. 57
trägt. Der so zusammen mit dem Tank 21 gebildete Dreikammer-Photoreaktor ist für die Erzielung hoher Entkeimungsgrade
oder für die Verarbeitung von Medien mit niedrigen Transmissionsfaktoren besonders geeignet.
Die in Fig. 2 und 4 dargestellten Teilanordnungen für den
Strahler 24 bilden gemeinsam mit einem Tank 21 den Durchflußreaktor 41 des Zweikammer-Photoreaktors 20. Gemäß
Fig. 6 trägt der Tank 21 an seinen Längswänden Träger 22, an denen jeweils eine der in Fig. 2 abgebildeten Teilanordnungen
befestigt ist. Der Tank 21 und die Träger 22 bestehen aus rostfreiem Stahl und sind aneinandergeschweißt.
Der Tank 21 und die Träger 22 können aber auch aus verschiedenen Materialien bestehen, die in geeigneter Weise
fest miteinander verbunden sind; dabei ist der Tank 21 aus einem Material gefertigt, das UV-beständig ist und
allen sonstigen Anforderungen, z.B. lebensmittelrechtlichen
Bestimmungen, genügt. In den oben offenen Tank 21 mündet der (nicht dargestellte) Abfluß einer Quelle für das zu
bestrahlende Medium; der Tank 21 kann aber gegebenenfalls
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auch über einen Anschlußstutzen und eine Verbindungsleitung an die Quelle des zu bestrahlenden Mediums angeschlossen sein.
Die Teilanordnung nach Pig. 2 oder 4 wird mit geeigneten
Mitteln an dem Träger 22 gehaltert; dazu ist eine Muffe 31 mit einer Peststellschraube 32 vorgesehen, die eine gegebenenfalls
mit einem Schutzüberzug überzogene Kette 33 trägt, die die Teilanordnung umgibt und entsprechend deren Umfang an
der Muffe 31 eingehängt ist. Solche Halterungen im Zusammenhang mit Bestrahlungsgeräten sind bekannt und im Handel erhältlich,
so daß sie hier nicht im einzelnen beschrieben werden müssen. Die Teilanordnung ist in Fig. 6 nur schematisch
dargestellt. Am Grunde des Tanks 21 befinden sich Auflagen 3**·» denen die Teilanordnung aufsitzt, wodurch zusätzlich
Sicherheit der Halterung erreicht wird.
Für den Betrieb des Durchflußreaktors 41 werden die Anschlüsse
37 bzw. 57 der an den Trägern 22 gehalterten Teilanordnungen nach Fig. 2 bzw. 4 zu einer gemeinsamen (nicht
gezeigten) Ableitung miteinander verbunden. Das eintretende Medium durchsetzt zunächst den die erste Bestrahlungskammer 23 bildenden Tank 21; es tritt dann durch die von
dem Hüllrohr 25 bzw. 45 und dem Trennrohr 35 bzw. 55 gebildete
innere Bestrahlungskammer 39 bzw. 49 und deren
Anschluß 37 bzw. 57 hindurch in die (nicht dargestellte) Ableitung aus.
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des Durchflußreaktors
41 für einen Zweikammer-Photoreaktor 40 entsprechend Fig. 6, bei dem der Tank 21, der einen Anschlußstutzen
91 trägt, durch einen Deckel 80 verschlossen ist, der mit Durchführungen 81 und Halterungen 82 versehen ist,
an denen die in Fig. 2 gezeigte Teilanordnung abgedichtet
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gehaltert ist. Die Halterungen 82 bestehen jede aus einem von dem Deckel 80 hochstehenden Kragen 83, in dem das jeweils
äußere Quarzglasrohr 35 geführt ist. Das Quarzglasrohr 35 trägt einen O-Ring 84, der einer Schrägfläche 85 an der
oberen Innenkante des Kragens 83 anliegt und durch einen mit Schrauben 86, die in Gewindebohrungen 87 an der Oberseite
des Kragens 83 eingreifen, gehaltenen Anpreßring 88 gesichert ist. Die Anschlüsse 37 der Teilanordnungen nach
Fig. 2 werden über Verbindungsleitungen 89 an eine gemeinsame
Ableitung 90 angeschlossen. In gleicher Weise können
die Teilanordnungen nach Fig. 4 oder die übrigen vorstehend
beschriebenen Teilanordnungen an dem Deckel 80 abdichtend gehaltert werden.
Die offene Anordnung des Mehrkammer-Photoreaktors 20 wird mit Vorteil beispielsweise bei Klimawäschern verwendet, deren
Auslauf sich direkt oberhalb des Tanks 21 befindet; die geschlossene Anordnung des Mehrkammer-Photoreaktors 40 ermöglicht
andere Anwendungen, bei denen das Medium ohne Überdruck im Umlaufverfahren bestrahlt werden soll. Um eine
Unterschreitung der geforderten Mindestdosis sicher zu vermeiden, wird auch hier in die leitung zweckmäßig ein
Durchflußbegrenzer der weiter oben beschriebenen Art eingebaut. Bei den Mehrkammer-Photoreaktoren 20, 40 wird der
Nachteil der Inhomogenität der Bestrahlungsstärkeverteilung in der von dem Tank 21 gebildeten ersten Bestrahlungskammer 23 dadurch kompensiert, daß das Medium durch die
innere Bestrahlungskammer 39 bzw. 49 hindurchgeleitet wird, in der es unter definierten Bedingungen mit einem geringeren
Gradienten der Bestrahlungsstärke einer hohen Mindestbestrahlungsstärke ausgesetzt wird. Je nach den Anforderungen kann
dabei eine kleinere oder größere Anzahl der Teilanordnungen nach Fig. 2 bzw. 4 in den Mehrkammer-Photoreaktor 20, 40
-49-
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eingesetzt werden. Pur die Punktion des Mehrkammer-Fhotoreaktors
20, 40 kommt es nicht entscheidend auf die Durchflußrichtung an. Will man mit Sicherheit hohe Entkeimungsgrade erzielen, so dürfte es zweckmäßig sein, das Medium
durch die innere Bestrahlungskammer 39 bzw. 49 zuletzt zu
leiten. Will man jedoch während der Bestrahlung eine Begasung des Mediums mit z.B. Sauerstoff vornehmen, so
empfiehlt sich die umgekehrte Durchflußrichtung.
Für die Reinigung, insbesondere für die Entkeimung oder Desinfektion von Medien, die mit hoher Leistung durch einen
Durchflußreaktor mit einer überwiegend im Bereich zwischen 240 und 320 nm emittierenden UV-Strahlungsquelle gefördert
werden sollen, eignen sich besonders solche Vorrichtungen,
bei denen der Durchflußreaktor und die Strahlungsquelle ringförmig zueinander angeordnet sind. Dabei kann ein ringförmiger
Durchflußreaktor eine im Inneren angeordnete Strahlungsquelle umgeben; es kann aber auch eine äußere Strahlungsquelle
in Form einer Reihe von Strahlern in jeweils zugeordneten Reflektoren, die den Durchflußreaktor kranzförmig
umgeben, oder auch beide Arten von Strahlungsquellen vorgesehen sein. Der Durchflußreaktor kann auch rohrförmig
ausgebildet sein und ist dann mit einer äußeren Strahlungsquelle kombiniert. Die folgende Tabelle 2 zeigt für einen
ringförmigen Durchflußreaktor mit einem Innendurchmesser D^ m 4 cm und einem Außendurchmesser D& = 6 bis 14 cm den
Abfall der inneren Bestrahlungsstärke E bei radialer Durchstrahlung eines Mediums mit einem Transmissionsfaktor
T (1 cm) = 0.6. Befindet sich im Inneren dieses Durchflußreaktors
in axialer Position eine Quecksilberniederdruck-Quarzlampe von 1 m effektiver Länge, so strahlt deren
radiale Ausstrahlung auf dieser Länge 15 Watt UV-254 nm an
der durchstrahlten Innenfläche des Durchflußreaktors in das Medium ein.
809886/05 AS "^0"
273555Q
Bei einer effektiven Einstrahlungsfläche von
P ?
5Γ· D. · 100 cm = 1256.6 cm ist die mittlere Bestrah-
1 2
lungsstärke in dieser Fläche Ei = 11.94 mW/cm . Die
Spalten der Tabelle 2 zeigen die Durchmesser D und Schichtdicken d, hierzu die Geometriefaktoren G und die Transmissionen
T sowie als deren Produkt G-T= E , die relative Bestrahlungsstärke in den Schichten; Spalte E, zeigt
die innere Bestrahlungsstärke in den Schichten; die Spalte V, zeigt die zugehörigen Ringkammervolumina. Die
letzte Spalte der Tabelle 2 zeigt die zugehörigen Durchflüsse Q-40 in nr/h bei Einhaltung einer Mindestbestrahlungsdosis
von 40 mWs/cm , berechnet für eine gleichförmige Strömung.
Bestrahlungsstärken E, und Durchflüsse Q-40 von ringförmigen Einkammer-Photoreaktoren
verschiedener Schichtdicken d
| D cm |
d cm |
G | T | Erel(d) G . T |
mW/cm | Vd ml |
0 | Q-40 m5/h |
| 4 | 0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 11.94 | 1571 | 0 | |
| 6 | 1 | 0.666 | 0.6 | 0.399 | 4.76 | 3770 | 0.67 | |
| 8 | 2 | 0.5 | 0.36 | 0.18 | 2.15 | 6597 | 0.73 | |
| 10 | 3 | 0.4 | 0.216 | 0.086 | 1.03 | 10053 | 0.61 | |
| 12 | 4 | 0.333 | 0.126 | 0.042 | 0.53 | 14137 | 0.47 | |
| 14 | 5 | 0.286 | 0.078 | 0.022 | 0.26 | Länge in axialer Position; | 0.33 | |
| 15 | W UV-254 nm | auf 1 m | ||||||
| Hüllrohr D± = 4 | cm | |||||||
809886/0545
Man erkennt aus der Tabelle 2, daß die innere Bestrahlungsstärke
E, mit zunehmender Schichtdicke d stark abnimmt, während im Gegensatz dazu das Ringkammervolumen V^ beträchtlich
zunimmt. Bei einem Transmissionsfaktor des zu bestrahlenden Mediums von T (1 cm) = 0.6 wird Q-40 = 0.73 nr/h
als Maximum bei einer Schichtdicke von d = 2 cm gefunden (s. Tabelle 2). Bei größeren Schichtdicken d nimmt Q-40 ab,
weil der Einfluß der großen Ringkammervolumina, die nur
einer relativ geringen inneren Bestrahlungsstärke E^ ausgesetzt
sind, überwiegt. Pur Medien mit anderen Transmissionsfaktoren
liegen die erzielbaren Durchflußmaxima für q_40 bei anderen Schichtdicken d: Bei T (1 cm) = 0.7 ist
Q-40 (max) = 1.32 nr/h bei 2 cm Schichtdicke; bei
T (1 cm) =0.8 erreicht Q-40 einen Maximalwert von 1.95 nr/h bei d = ή- cm, bei T (1 cm) = 0.9 wird bei einer
Schichtdicke von 5 cm Q-40 = 3.4-2 nr/h. Bei konstanter
Schichtdicke d = 5 cm des Einkammer-Photoreaktors werden bei T (1 cm)=0.9; 0.8; 0,7 Durchflüsse Q-40 = 2.56; 142;
0.73 nr/h erhalten.
Die folgende Tabelle 3 zeigt die Verhältnisse für ein Medium ebenfalls mit T (1 cm) = 0.6, jedoch bei einem Mehrkammer-Photoreaktor
mit gleichen Abmessungen, der durch UV-durchlässige Trennwände (mit vernachlässigten Dimensionen) in
Bestrahlungskammern von jeweils 1 cm Schichtdicke unterteilt ist. Die ersten 6 Spalten der Tabelle 2 enthalten die
gleichen Angaben wie Tabelle 1. In die Spalte V, sind die
Volumina der einzelnen Bestrahlungskammern eingetragen und in die Spalte Q-40 (k) die Durchflüsse, bei denen in jeder
einzelnen Bestrahlungskammer die Mindestbestrahlungsdosis
von 40 mWs/cm einwirkt. Die letzte Spalte der Tabelle 3 zeigt
die Bestrahlungsdosen E · t (k) in mWs/cm , die das alle
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Bestrahlungskammem nacheinander durchfließende Medium bei
einem Durchfluß von 1.61 nr/h in jeder einzelnen Bestrahlungskammer
erhält.
Bestrahlungsstärken E, und Durchflüsse Q-40 eines in 5 Schichten von je 1 cm Schichtdicke
unterteilten ringförmigen Mehrkammer-Photoreaktors
| D | d | G | T | Erel | Ea | Vk | 0 | Q-40(k) | E-t(k) bei Q-40(k) = 1.61 m3/h |
| cm | cm | G · T | ρ mW/cm ml |
1571 | m5/h | ρ mWs/cm |
|||
| 4 | 0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 11.94 | 2199 | 0 | _ | |
| 6 | 1 | 0.666 | 0.6 | 0.399 | 4.76 | 2827 | 0.67 | 16.72 | |
| 8 | 2 | 0.5 | 0.36 | 0.18 | 2.15 | 3456 | 0.425 | 10.57 | |
| 10 | 3 | 0.4 | 0.216 | 0.086 | 1.03 | 4084 | 0.26 | 6.51 | |
| 12 | 4 | 0.333 | 0.126 | 0.042 | 0.53 | 0.16 | 4.09 | ||
| 14 | 5 | 0.286 | 0.078 | 0.022 | 0.26 | 0.097 | 2.37 | ||
| 1.61 | 40.27 |
15 W UV-254 nm auf 1 m Länge in axialer Position; Hüllrohr D. = 4 cm.
Aus der vorletzten Spalte der Tabelle 3 ergibt sich, daß bei
parallelem Durchfluß durch die Bestrahlungskammern in der Weise, daß in jeder Schicht die Mindestbestrahlungsdosis
von 40 mWs/cm eingehalten wird, ein Gesamtdurchfluß von Q-40 (gesamt) = 1.61 m^/h möglich ist. Entsprechend ist
809886/0545
aus der letzten Spalte der Tabelle 3 zu entnehmen, daß bei
Hintereinanderschaltung der Bestrahlungskammern und bei einem Durchfluß von 1.61 nr/h das Medium mit einer Gesamt-
dosis von ca. 40 mWs/cm bestrahlt worden ist. Für ein
Medium mit einem Transmissionsfaktor T (1 cm) =0.7 ist Q_4-0 (gesamt) = 2.28 m5/h, für T (1 cm) = 0.8 ist der entsprechende
Wert Q-40 (gesamt) = 3.15 nr/h und für
T (1 cm) = 0.9 ist Q-40 (gesamt) = 4.37 m5/h.
Insgesamt zeigt die vorstehende Diskussion in Verbindung mit den Tabellen 2 und 3» daß die Unterteilung des Photoreaktors
eine erhebliche Leistungssteigerung erbringt. Dieses Ergebnis ist in Tabelle 4 zusammengestellt. Die
Zeilen der Tabelle 4 enthalten für Transmissionsfaktoren
T (1 cm) = 0.6 bis 0.9 die Durchflüsse Q-40 (max) bei den jeweils optimalen Schichtdicken, die Durchflüsse Q-40 des
Einkammer-Photoreaktors entsprechend Tabelle 2 bei einer Schichtdicke von d = 5 cm und die Durchflüsse Q-40 (gesamt)
bei einem Mehrkammer-Photoreaktor mit 5 Bestrahlungskammern von je 1 cm Schichtdicke (Gesamtschichtdicke d = 5 cm),
sowie die Steigerungsfaktoren F der Durchflüsse Q-40 des
Mehrkammer-Photoreaktors gegenüber dem Einkammer-Photoreaktor,
| Tabelle | 4 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.6 | |
| von Ein- | 2.56 | 1.46 | 0.99 | 0.73 | ||
| Leistungsvergleich | 2.56 | 1.42 | 0.73 | 0.33 | ||
| reaktoren für | und Mehrkammer-Fhoto- | 4.37 | 3.15 | 2.28 | 1.61 | |
| Medien verschiedener Transmissionsfaktoren | 1.70 | 2.16 | 3.13 | 4.88 | ||
| Q-40 (max) | T (1 cm) | |||||
| Q-40 | m3/h | |||||
| Q-40 (gesamt) | m3/h | |||||
| F | m3/h | |||||
809886/0545
Aus Tabelle 4- sind die Vorteile des Mehrkammer-Photoreaktors
gegenüber den bekannten Einkammer-Photoreaktoren unmittelbar ersichtlich. Allein durch die beschriebene Unterteilung der
Bestrahlungskammer des Einkammer-Photoreaktors zum Mehrkammer-Photoreaktor
lassen sich ohne zusätzliche Strahlungsquellen oder sonstige Maßnahmen Leistungssteigerungen von über 100 %
erzielen. Das bedeutet, daß bei gleicher Bestrahlungsdosis der Durchfluß bzw. bei gleichem Durchfluß die applizierte
Bestrahlungsdosis verdoppelt werden kann. Derartige Effekte lassen sich durch keine irgendwie geartete Kombination von
Einkammer-Photoreaktoren erreichen. Die erzielten Leistungssteigerungen sind sowohl bei Parallelschaltung der Bestrahlungskammern
als auch bei Serienschaltung der Bestrahlungskammern in den Beispielen gleich. In der Praxis bringt jedoch
die Serienschaltung erhebliche zusätzliche Vorteile. So bietet die Serienschaltung der Bestrahlungskammern eine
wesentlich erhöhte Sicherheit gegenüber Strömungskurzschlüssen und zusätzlich eine wesentlich verbesserte Durchmischung
des zu bestrahlenden Mediums im gesamten Strahlungsfeld. Durch die Serienschaltung von Bestrahlungskammern wird
nämlich das strömende Medium in wechselnden Richtungen durch die Bestrahlungszone geführt, wobei durch die erzwungene
Umsteuerung der strömenden Schichten eine Neuorientierung der Flüssigkeitspartikeln auf dem Weg durch die Bestrahlungskammern
erfolgt. Da bei der Serienschaltung zudem mit relativ höheren Strömungsgeschwindigkeiten, besonders in den
inneren Bestrahlungskammern, gearbeitet wird, sind Strömungsverhältnisse mit wesentlich höheren Reynolds-Zahlen gegenüber
den Einkammer-Photoreaktoren möglich. Dies hat zusätzlich zur besseren Durchmischung einen günstigen Effekt bei
der Unterdrückung von Niederschlagsbildungen.
-55-809886/0545
Tabelle 4 zeigt insbesondere auch, daß die Steigerungsfaktoren F bei abnehmenden Transmissionsfaktoren, aber
konstanter Schichtdicke stark zunehmen. Dies ergibt sich daraus, daß der Einkammer-Fhotoreaktor für jeden Transmissionsfaktor
eine optimale Schichtdicke besitzt, d.h. solche Photoreaktoren sind nur wenig anpassungsfähig an
Medien mit veränderlichen bzw. unterschiedlichen Transmissionsfaktoren. Demgegenüber besitzt ein Mehrkammer-Photoreaktor
den großen Vorteil, daß er auch bei Medien mit stark veränderlichen bzw. unterschiedlichen Transmissionsfaktoren
günstige Leistungen erbringt. Das Bestrahlungsergebnis beim Mehrkammer-Photoreaktor wird also
bei Medien mit niedrigem Transmissionsfaktor nicht dadurch beeinträchtigt, daß erhebliche Anteile der Gesamtschicht
nur minimale Bestrahlungsdosen erhalten, und andererseits erlaubt der Mehrkammer-Photoreaktor bei hohem Transmissionsfaktor
des Mediums die Ausnutzung des gegebenen Strahlungsflusses durch die hohe Gesamtschichtdicke aller
Be Strahlungskammern.
Mehrkammer-Photoreaktoren mit ringförmiger Anordnung von Strahlungsquelle und Durchflußreaktor sind aus mehreren
Rohrstücken aus Quarzglas aufgebaut, die ineinander angeordnet sind und deren Durchmesser so gewählt sind, daß
koaxiale Bestrahlungskammern der gewünschten Schichtdicke gebildet werden. Solche Quarzglasrohre können mit der gewünschten
Genauigkeit der Abmessungen hergestellt werden und sind mit geeigneten Durchmessern und Wandstärken im
Handel erhältlich. Die Quarzglasrohre werden in bekannter Weise zueinander zentriert vnd zwischen Verschlußteilen
(s.w.u.) gehaltert, die den Durchflußreaktor stirnseitig abschließen. Die Verschlußteile besitzen z.B. durch Stopfbuch
spackungen abgedichtete Halterungsnuten für die Quarzglasrohre und sind mit Innenkanälen und Anschlußstutzen
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versehen, durch die die Zuleitung und Ableitung des Mediums bei Parallelschaltung und bei Serienschaltung der Bestrahlungskammern
deren Verbindung untereinander bewirkt wird. In den Abbildungen 9 bis 12 sind Ausführungsbeispiele ringförmiger
Mehrkammer-Photoreaktoren mit Innenbestrahlung, mit einer Druckausgleichseinrichtung und mit Außenbestrahlung
dargestellt.
Ein für Innenbestrahlung eingerichteter Dreikammer-Photoreaktor 100 ist in Abb. 9 zur Hälfte im Längsschnitt dargestellt.
Er enthält einen Strahler 24 der vorgenannten Art, der zur Erhöhung der Bestrahlungsstärke im Photoreaktor
100 einfach oder mehrfach gewendelt sein kann. Der Strahler 24 ist achsnah im Inneren eines Durchflußreaktors
101 angeordnet, der von einem strahlungsundurchlässigen Außenmantel 102, von einem ersten Verschlußteil
und einem zweiten Verschlußteil 104 und von einem strahlungsdurchlässigen
inneren Hüllrohr IO5, das in dem ersten
Verschlußteil I03 gehaltert ist, gebildet ist. Das innere
Hüllrohr 105 ist ein einseitig geschlossenes Quarzglasrohr, an dessen geschlossenem Ende der Strahler 24 auf einer
Glaswollepackung 27 aufliegt. Der Durchflußreaktor 101 ist durch ein Quarzglasrohr 106 und ein einseitig geschlossenes
Quarzglasrohr IO7 mit Durchtrittsöffnungen 108 in der Wand
an seinem offenen Ende, die beide ebenfalls in dem ersten Verschlußteil 103 gehaltert sind, in drei Bestrahlungskammern 109, 110, 111 unterteilt. Die Bestrahlungskammern
109, 110 besitzen eine Schichtdicke von 0.8 bzw. 1.0 cm, während die von dem einseitig geschlossenen Quarzglasrohr
und dem Außenmantel 102 gebildete äußere Bestrahlungskammer eine Schichtdicke von 3.4 cm besitzt.
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Der Außenmantel 102 ist zur Verbindung mit den Verschlußteilen 103, 104· an beiden Enden mit Ringflanschen 112 versehen,
die längs ihres ümfangs verteilte Bohrungen 113 aufweisen. An der Außenseite der Ringflansche 112 befinden sich
Ausnehmungen 114 zur Aufnahme von abdichtenden O-Ringen 115.
Die Verschlußteile 103 und 104 tragen Plansche 116 mit
längs ihres Umfangs verteilten Bohrungen 117, deren Zahl und Durchmesser den Bohrungen 113 in den Ringflanschen
des Außenmantels 102 entsprechen. Der Außenmantel 102 und die Verschlußteile 103, 104 werden mit den Ringflanschen
und den Planschen 116 so angeordnet, daß die Bohrungen und 117 fluchten, so daß diese Teile durch Gewindebolzen 118,
die sich durch die Bohrungen 113 und 117 erstrecken, und Muttern 119 fest miteinander verbunden werden können.
Der Außenmantel 102 ist zu Beobachtungs- oder Kontrollzwecken im Bereich des Strahlungsfeldes des Strahlers 24
mit einer öffnung 120 versehen, in die ein Tubus 121 mit einem äußeren Ringflansch 122 eingepaßt ist. Bei Nichtgebrauch
ist der Tubus 121 durch einen fest und dicht, z.B. durch Verschrauben, mit dem Ringflansch 122 verbundenen
Deckel 123 verschlossen. Im Gebrauch ist der Tubus 121 über ein Quarzfenster mit dem Photodetektor
einer Überwachungseinrichtung für die durch den Durchflußreaktor 101 hindurchtretende Strahlung verbunden. Der
Außenmantel 102 kann zwecks Ausnutzung der bei hohem Transmissionsfaktor des Mediums auf den Außenmantel 102 aufgestrahlten
UV-Leistung mit einem die UV-Strahlen in das Medium reflektierenden Material versehen werden. Bei Verwendung
eines Außenmantels aus Quarz läßt sich die reflektierende Oberfläche auch auf der Außenseite anordnen, wodurch
Beeinflussungen des Reflektionsvermögens durch das Medium vermieden werden.
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Der Außenmantel 102 und die Verschlußteile 105, 104· bestehen
aus Metall wie rostfreiem Stahl, aus Metallen mit einem Schutzüberzug aus Glas, Emaille oder Kunststoff, aus
verzinktem Eisenblech, aus Keramik; es kann dafür jedes Material geeigneter mechanischer Festigkeit Verwendung
finden, das beständig gegen UV-Strahlung ist und keine Fremdstoffe oder Schadstoffe an das durchfließende Medium
abgibt. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und zur Erleichterung der Verarbeitung und Handhabung können das
Hüllrohr 105 und die Quarzglasrohre 106, 107 in den Bereichen,
die außerhalb des Strahlungsfeldes des Strahlers 24- liegen, mit Verlängerungsstücken, z.B. aus
Sinterquarz, verschmolzen sein.
Das Verschlußteil 103 ist allgemein ringförmig ausgebildet
und hat einen Innendurchmesser, der eng an den A.ußendurchmesser
des Hüllrohres 105 angepaßt ist. Das ringförmige Verschlußteil 103 trägt zwei Axialteile 124-, 125, die sich
zu beiden Seiten des Flansches 116 an dessen Innenseite erstrecken und zur Halterung des Hüllrohres 105 bzw. der
Quarzglasrohre 106 und 107 dienen. Das erste Axialteil 124-ist an seinem Außenende mit einer Gegenbohrung 126 versehen,
in die eine Stopfbuchspackung 127 eingesetzt ist. Die Stopfbuchspackung 127 besteht aus zwei durch einen Führungsring
129 getrennten O-Ringen 128, 130, die durch einen Anpreßring 131 mit einem Ringflansch 132, der durch Schrauben
133 an der Außenfläche des ersten Axialteils 124· befestigt ist, gegen die am Ende der Gegenbohrung 126 ausgebildete
Schulter 134· gedrückt werden. Dadurch wird das Hüllrohr 105 fest und abgedichtet an dem ersten Axialteil
124- gehaltert. Das zweite Axialteil 125 ist von innen
her mit drei konzentrischen Ringnuten 135, 136 und 137 versehen,
deren Tiefe von innen nach außen abnimmt und die
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ringförmige Stege 158, 139, 1*0 und 1*1 ausbilden. Die
Stege 138 und 139 besitzen geringe und unterschiedliche axiale Tiefe und begrenzen die innerste, tiefste Ringnut
135. Die mittlere Ringnut 136 wird von dem Steg 139 und dem längeren Steg 140 begrenzt, während die äußerste,
flachste Ringnut 137 von zwei gleich tiefen Stegen 140, 1*1 eingeschlossen ist. Die mittlere Ringnut 136 dient
zur Aufnahme des Quarzglasrohres 106, dessen Ende über einen O-Ring 1*2 dem Boden der Ringnut 136 anliegt; eine
Buchse 143 umschließt den O-Ring 142 und das obere Ende
des Quarzglasrohres 106. Das Quarzglasrohr 106 wird durch eine Stopfbuchspackung 127» die mit Schrauben 133 an der
Außenfläche des Stegs 1*0 befestigt ist, fest und abgedichtet in der mittleren Ringnut 136 gehaltert. Die äußere
Ringnut 137 dient zur Aufnahme des einseitig geschlossenen Quarzglasrohres 107, dessen offenes Ende über einen O-Ring
1** dem Boden der Ringnut 137 anliegt; eine Buchse 145 umschließt den O-Ring 144 und das offene Ende des einseitig
geschlossenen Quarzglasrohres 107. Das Quarzglasrohr wird durch eine Stopfbuchspackung 127, die mit Schrauben
133 an der Außenfläche des Stegs 141 befestigt ist, fest und abgedichtet oberhalb der Durchtrittsöffnungen 108 in
der äußeren Ringnut 137 gehaltert.
Das Verschlußteil 103 besitzt zwei diametral gegenüber in der Umfangsflache des Flansches 116 mündende Radialkanäle 146,
die in Anschlußstutzen 147 enden. An ihrem inneren Ende sind die Radialkanäle 146 mit einem rechtwinklig abzweigenden
Axialkanal 1*8 verbunden, der in den Boden der Ringnut 135 mündet. Dadurch wird eine Verbindung zwischen dem Anschlußstutzen
1*7 und der inneren EeStrahlungskammer 109 hergestellt.
Der Flansch 116 besitzt zusätzlich einen axial verlaufenden Entlüftungskanal 1*9, der die äußere Bestrah-
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lungskammer 111 mit einem Entlüftungsventil I50 an der
Außenseite des Flansches 116 verbindet.
Das Verschlußteil 104 besteht aus einer Platte I5I
einem zentralen Anschlußstutzen I52. Der Innenfläche der
Platte 151 liegt ein Ring 153 auf, der umfangsmäßig der
Innenwandung des Außenmantels 102 anliegt.
Der Durchfluß durch den Dreikammer-Photoreaktor 100 erfolgt zwischen den Anschlußstutzen 14-7 und I52 durch die
Bestrahlungskammern 109, 110 und 111, wobei die Bestrahlungskammern
110 und 111 durch die Durchtrittsöffnungen
in der Wand des einseitig geschlossenen Quarzglasrohres miteinander kommunizieren. Zur Erzeugung eines gleichförmigen
Strömungsprofils sind ringförmige Lochplatten 154,
155 vorgesehen. Die Lochplatte I5& ist an dem Steg 139 des
zweiten Axialteils 125 des ersten Verschlußteils IO3 befestigt
und wirkt auf die die innere Bestrahlungskammer durchsetzende Strömung ein. Die Lochplatte 155 liegt dem der
Innenfläche der Platte I5I des zweiten Verschlußteils 104
aufliegenden Ring 153 an und wirkt auf die die äußere Bestrahlungskammer 111 durchsetzende Strömung ein; an ihrer
Innenkante liegt das Quarzglasrohr 107 an, das dadurch an
seinem geschlossenen Ende zusätzlich geführt ist. Die Lochplatten 154, 155 bestehen aus Material, das gegen UV-Strahlung
und gegen das durchströmende Medium beständig ist und selbst keine Fremd- oder Schadstoffe an das Medium abgibt
(rostfreier Stahl, beschichtete Metalle, Kunststoff, Keramik, Quarz, Glas). Die Weite der Löcher ist so groß, daß die
Strömung nicht wesentlich behindert ist, jedoch ein über die Durchtrittsfläche gleichmäßiges Strömungsprofil erzeugt wird.
Dazu können die Löcher auch durch Öffnungen anderer geeigneter Gestalt wie Schlitze ersetzt werden.
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Pur den Dauerbetrieb des Dreikammer-Photoreaktors 100 spielt
die Durchströmungsrichtung kaum eine Rolle. Wesentliche Unterschiede können sich jedoch beim Anlaufen des Betriebes
ergeben. Bei wiederholten Unterbrechungen im Betrieb kann es erwünscht sein, schon nach kürzester Anlaufzeit Medium
des geforderten Reinheits- bzw. Entkeimungsgrades zu erhalten.
Dann ist es zweckmäßig, das Medium über den Anschlußstutzen 152 von der äußeren Bestrahlungskaramer 111 durch die
innere Bestrahlungskammer 109 zum Anschlußstutzen 14-7 strömen
zu lassen. Mit der gleichen Durchstromungsrichtung kann in Fällen von Niederschlagsbildung erreicht werden, daß der
störende Effekt zunächst auf die äußeren Bestrahlungskammern beschränkt bleibt und nicht zu schnell das Gesamtergebnis
in Frage stellt. Aus Gründen der Lampenkühlung wird man im allgemeinen jedoch die Strömungsrichtung von innen nach außen
bevorzugen, ebenso in Fällen der Begasung.
Der in Figur 9 dargestellte Dreikammer-Photoreaktor 100 besitzt eine innere Bestrahlungskammer 109 mit einer Schichtdicke
von 0.8 cm, eine mittlere Bestrahlungskammer 110 mit einer Schichtdicke von 1 cm und eine äußere Bestrahlungskammer
111 mit einer Schichtdicke von 3.4- cm. Der Außendurchmesser des Hüllrohres I05 beträgt 4- cm, die Wandstärke
der Quarzglasrohre 106 und IO7 beträgt jeweils 0.4 cm, und
die Transmission des Quarzglases bei 25^ nm ist bei dieser
Dicke T (0.4 cm) = 0.92. Im Hüllrohr IO5 befindet sich eine
Quecksilberniederdruck-Quarzlampe (G 36 T 6; General Electric)
von 75 cm effektiver Bogenlänge, deren Strahlungsfluß auf
dieser Länge eine Leistung von 11 W UV-254 nm an das Medium
an der durchstrahlten Innenfläche des Hüllrohres I05 abgibt. Zu Vergleichszwecken sind die in der folgenden Tabelle 5
angegebenen Werte auf einen Strahlungsfluß von I5 W UV-254 nm
über eine effektive Länge der Einstrahlungsfläche von 1 m bei der Bestrahlungskammer 109 normiert. Die folgende Tabelle
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zeigt in analoger Weise wie die vorstehende Tabelle 4- die
Durchflüsse Q-M-O (m^/h) des Dreikammer-Photoreaktors
mit einer Gesamtschichtdicke von 5.2 cm und von fiinkammer-Photoreaktoren
mit einer Schichtdicke d = 1 cm bzw. d = 5.2 cm für Medien mit Transmissionsfaktoren von
T (1 cm) = 0.9 bis 0.1, sowie die Steigerungsfaktoren P
der Durchflüsse 0-4-0 des Dreikammer-Photoreaktors gegenüber den vorgenannten Einkammer-Photoreaktoren.
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-63-
Leistungsvergleich des Dreikammer-Photoreaktors 100 mit Einkammer-Photoreaktoren
von 1 cm bzw. 5·2 cm Schichtdicke für Medien verschiedener
Transinissionsfaktoren
T (1 cm) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
°Q-40 m5/h 3,53 2.46 1.75 1.26 0.93 0.49 0.48 0.32 0.16
\AJ
I
00 - -- m5/h 1.00 0.89 0.78 0.67 0.56 0.44 0.33 0.22 0.11 cn
ο(d = 1 cm)
**Q-40 m5/h 2.59 1.40 0.70 0.31 0.12 0.04 0.01 2 * 10~5 2 · 10~5
*"Εχη-Κ.
(d = 5.2 cm)
F (d = 1 cm) 3.52 2.76 2.24 1.89 1.67 1.11 1Λ3 1.43 1.43
P (d = 5.2 cm) 1,56 1.75 2.50 4.01 7.63 12.80 57.30
15 W UV-254 nm in axialer Position; Hüllrohr D. = 4 cm. ts3
1 -o
er
Es ergibt sich aus der Tabelle 5, daß die Leistung des Einkamraer-Photoreaktors mit der Schichtdicke d = 5.2 cm für
T (1 cm) = 0.7 einen Durchfluß Q-4-0 = 0.78 nr/h aufweist;
bei ebenfalls 4- cm Hüllrohraußendurchmesser und bei gleichem
Transmissionsfaktor erreicht die Leistung des Einkammer-Photoreaktors maximal einen Wert von Q-4-0 (max) = 1 nr/h bei
der Schichtdicke d = 2 cm. Die dreifache Unterteilung in dem in Figur 9 dargestellten Dreikammer-Photoreaktor 100 ergibt
dagegen einen Durchfluß Q-40 = 1.75 nr/h, so daß selbst gegenüber
der Optimalleistung des Einkammer-Photoreaktors der Steigerungsfaktor immer noch 1.75 beträgt. Dieses Ergebnis
wird erzielt, obwohl ein Teil der von der Strahlungsquelle ausgehenden UV-Strahlung von dem Quarzglas absorbiert wird,
aus dem die Quarzrohre 106 und 107 bestehen (in der Berechnung berücksichtigt).
Der in Figur 9 dargestellte Dreikammer-Photoreaktor 100 wird bevorzugt in allen solchen Fällen angewendet, in denen auch
bei relativ niedrigen Transmissionsfaktoren hohe Entkeimungsgrade erzielt werden sollen, und ist daher nicht auf die Entkeimung
von Trinkwasser oder dergleichen beschränkt.
Wie Tabelle 5 zeigt, ist der Einkammer-Photoreaktor nur im Bereich niedriger Schichtdicken, wie bei d = 1 cm, für den
Bereich der Transmissionsfaktoren T (1 cm) = 0.9 bis 0.3 anpassungsfähig, aber dies auf Kosten der Leistung. Der Einkammer-Photoreaktor
zeigt bei einer Schichtdicke im Bereich von 5 cm bereits bei T (1 cm) =0.7 einen so erheblichen
Leistungsabfall, daß Medien mit noch niedrigeren Transmissionsfaktoren für eine wirtschaftliche Entkeimung oft nicht
mehr infrage kommen. Dagegen zeigt der in Figur 9 beschriebene Dreikammer-Photoreaktor 100, s. Zeile 1 in Tabelle 5, im
Bereich der Transmissionsfaktoren T (1 cm) =0.9 bis 0.1 überlegene Leistung und Anpassungsfähigkeit. Der Dreikammer-Photoreaktor
100 nach Figur 9 eignet sich für den Gesamtbereich der
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Trinkwasserentkeimung, erreicht aber auch noch den Bereich biologisch vorgeklärter Abwässer mit Transmissionsfaktoren
T (1 cm) zwischen 0.6 und 0.25, und damit auch den von Zuckerlösungen,
farblosem Essig, leichten Weinen. Der durch Figur beschriebene Dreikammer-Photoreaktor 100 ist auch für Spezialzwecke,
z.B. die Wasserreinigung mit wesentlich erhöhten Strahlungsdosen gut geeignet.
Figur 10 zeigt eine Modifikation des Dreikammer-Fhotoreaktors
100 mit einer Druckausgleichseinrichtung. Dabei sind nur die gegenüber dem Dreikammer-Fhotoreaktor 100 geänderten
Teile entsprechend Figur 9 dargestellt und mit besonderen Bezugszeichen versehen.
Der Durchflußreaktor 171 nach Figur 10 besteht aus einem
Außenrohr 172, aus einem ersten Verschlußteil 175 und einem zweiten Verschlußteil 174-. Der (nicht gezeigte) Strahler
und die ebenfalls nicht gezeigten Quarzglasrohre 105, 106, 107 sind wie bei dem Durchflußreaktor 101 ausgebildet und
angeordnet.
Der Außenmantel 172 ist zur Verbindung mit den Verschlußteilen
173» 174· an beiden Enden mit Ringflanschen 182 versehen,
die längs ihres inneren Umfangs verlaufende Verstärkungen 181 und längs ihres äußeren Umfangs verteilte
Bohrungen 183 aufweisen. An der Außenseite der Ringflansche 182 befinden sich Erhöhungen 184, die mit Dichtungen 185 in
Ausnehmungen I90 an den jeweiligen Gegenflanschen 186 zusammenwirken.
Die Gegenflansche 186 der Verschlußteile 173, 174-besitzen
längs ihres inneren Umfangs verlaufende Verstärkungen 181 und längs ihres äußeren Umfangs verteilte Bohrungen 187,
deren Zahl und Durchmesser den Bohrungen 183 in den Ringflanschen 182 des Außenmantels 172 entspricht. Der Außenmantel
172 und die Verschlußteile 173, 174 sind so angeordnet,
daß die Bohrungen 183 und 197 fluchten, so daß sie durch Ge-
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windebolzen 188, die sich durch die Bohrungen 183 und 187 erstrecken, und Muttern 189 fest und druckdicht miteinander
verbunden sind.
Das Verschlußteil 173 ist an dem Gegenflansch 186 wie das
Verschlußteil 103 mit Axialteilen versehen, von denen nur das Axialteil 124 in Andeutung gezeigt ist. Diese Axialteile
sind identisch mit den Axialteilen 124, 125 des Durchflußreaktors 101 und dienen wie diese der Halterung von Quarzglasrohren
105, 106, 107; diese Teile sind daher in Fig. 10 nicht im einzelnen dargestellt. Wie der Flansch 116 besitzt
auch der Gegenflansch 186 zwei in seiner Umfangsflache mündende,
diametral gegenüberliegende Radialkanäle 146, die in Anschlußstutzen 147 enden.
An der dem Außenrohr 172 abgekehrten Seite trägt der Gegenflansch
186 einen damit fest verbundenen oder aus einem Stück gebildeten Ansatz 191» an den über einen Ringflansch 182 ein
gerundeter Deckel 192 mit einem Gegenflansch 186 in der vorstehend bereits beschriebenen Weise druckdicht angeflanscht
ist. Der Deckel 192 weist eine zentrale, druckdichte, hochspannungs-
und überschlagssichere Durchführung 193 für den Anschluß des (nicht gezeigten) Strahlers 24 auf. Ein Anschlußstutzen
194 ist zum Anschluß an einen Barostaten vorgesehen,
der handelsüblich ausgebildet ist und daher hier nicht weiter im einzelnen beschrieben wird.
Der Verschlußteil 174 besteht aus einem gerundeten Deckel
mit einem zentralen Anschlußstutzen 196 und mit einem Gegenflansch 186 zur Verbindung mit dem anderen Ringflansch 182
des Außenrohres 172 in der vorstehend bereits beschriebenen
Weise. Innerhalb des Deckels 195 stützt sich ein hier nicht dargestellter Ring I53 ab, dem wie im Durchflußreaktor 101
eine Lochplatte 155 aufliegt.
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Im Betrieb wird von dem Barostaten über den Anschlußstutzen
ein Druckgas auf den Durchflußreaktor 171 gegeben, vorzugsweise
ein Inertgas wie Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid. Durch den Barostaten wird ein Druck erzeugt und aufrechterhalten, der
dem Innendruck des Durchflußreaktors I7I gleich ist. Dadurch wird vermieden, daß an den Quarzglasrohren IO5, 106, I07 Druckdifferenzen
auftreten, die zu mechanischen Spannungen und zum Bruch der Quarzglasrohre führen können.
Figur 11 zeigt eine weitere Ausbildung eines Mehrkammer-Photoreaktors,
der sich von dem Dreikammer-Photoreaktor 100 im wesentlichen durch die Zahl der Bestrahlungskammern und
durch die Ausbildung des Hüllrohres unterscheidet. In Fig. ist ein Zweikammer-Photoreaktor 200 in gleicher Darstellung
wie der Dreikammer-Photoreaktor 100 in Figur 9 gezeigt.
Ein Durchflußreaktor 201 ist von einem strahlungsundurchlässigen Außenraantel 202, von einem ersten Verschlußteil 203
und einem zweiten Verschlußteil 204- und von einem strahlungsdurchlässigen
inneren Hüllrohr 205 gebildet, das von beiden Verschlußteilen 203 und 2CW- gehaltert ist. Das innere
Hüllrohr 205 ist ein beidseitig offenes Quarzglasrohr. Der
Durchflußreaktor 201 ist durch ein Quarzglasrohr 207, dessen Enden an den Verschlußteilen 203 bzw. 204- gehaltert sind, in
zwei Bestrahlungskammern 209, 211 unterteilt. Die innere Bestrahlungskammer 209 hat eine Schichtdicke von 2.4 cm, während
die von dem Quarzglasrohr 207 und dem Außenmantel 202 gebildete äußere Bestrahlungskammer 211 eine größere Schichtdicke
von 4.6 cm besitzt.
Der Außenmantel 202 ist zur Verbindung mit den Verschlußteilen 203, 204 an beiden Enden mit Ringflanschen 212 versehen,
die längs ihres Umfangs verteilte Bohrungen 213 aufweisen. An der Außenseite der Ringflansche 212 befinden sich
809886/0545 "68"
- 63 -
Ausnehmungen 214 zur Aufnahme von abdichtenden O-Ringen 215·
Die Verschlußteile 203, 2CW- tragen Flansche 216 mit längs
ihres Umfangs verteilten Bohrungen 217. Der Außenmantel 202 und die Verschlußteile 203, 2(W- werden durch Gewindebolzen 218,
die sich durch die Bohrungen 213 und 217 erstrecken und durch Muttern 219 gesichert sind, fest und abdichtend miteinander
verbunden.
Der Außenmantel 202 ist wie der Außenraantel 102 des Dreikammer-Photoreaktors
100 nach Figur 9 zu Beobachtungs- oder Kontrollzwecken mit einer öffnung 220 und einem Tubus 221 mit Ringflansch
222 und Deckel 223 versehen. Weiterhin trägt der Außenmantel 202 nahe dem Ende, das dem Verschlußteil 203 benachbart
ist, einen seitlichen Anschlußstutzen 224-, Der Außenmantel
202, die Verschl-jßteile 203, 204- und die Quarzglasrohre
205, 207 bestehen aus dem gleichen Material wie die
entsprechenden Teile des Dreikammer-Photoreaktors 100.
Die Verschlußteile 203, 204 sind allgemein ringförmig ausgebildet
und haben einen Innendurchmesser, der eng an den Außendurchmesser des Hüllrohres 205 angepaßt ist. Das Verschlußteil
203 besitzt ein Axialteil 225, das sich von dem
Flansch 216 her an dessen Innenseite in das Innere des Durchflußreaktors 201 erstreckt und zur Halterung des Hüllrohres
205 bzw. des Quarzglasrohres 207 an einem Ende des Durchflußreaktors
201 dient. An seinem Außenende ist das Verschlußteil 203 mit einer Gegenbohrung 226 versehen, in die eine Stopfbuchspackung
127 eingesetzt ist, die mit Schrauben 133 an der
Außenfläche des Verschlußteils 203 befestigt ist und das Hüllrohr 205 an diesem Ende des Durchflußreaktors 201 fest und
abdichtend haltert. An seinem inneren Ende ist das Axialteil mit einer ringförmigen Ausnehmung 235 versehen, die nach außen
von einem ringförmigen Steg 237 begrenzt ist. Das Axialteil hat einen Außendurchmesser, der eng an den Innendurchmesser
des Quarzglasrohres 207 angepaßt ist, so daß dessen eines Ende
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273555Q
auf den Axialteil 225 aufgeschoben ist. Eine Dichtmanschette 24-0,
die gegebenenfalls durch Ligaturen nach Art von Schlauchschellen gesichert ist, umgibt den freien Teil des Axialteils 225 und das
auf den übrigen Teil aufgeschobene Ende des Quarzglasrohres 207. Dadurch wird dieses Ende des Quarzglasrohres 207 fest und abdichtend
an dem Verschlußteil 203 gehaltert.
Das Verschlußteil 203 besitzt einen in seiner Außenfläche mündenden
Kanal 246, der in einem Anschlußstutzen 247 endet. Der
Kanal 246 ist an seinem inneren Ende mit einem Axialkanal 248
verbunden, der durch den Axialteil 225 hindurch verläuft und in den Boden der ringförmigen Ausnehmung 235 mündet. Dadurch
wird eine Verbindung zwischen dem Anschlußstutzen 247 und der inneren Bestrahlungskammer 209 hergestellt.
Das Verschlußteil 204 besitzt ein Axialteil 265» das sich von
dem Plansch 216 her an dessen Innenseite dem Durchflußreaktor 201 abgekehrt erstreckt und zur Halterung des Hüllrohres
am anderen Ende des Durchflußreaktors 201 dient. An seinem Außenende ist das Verschlußteil 204 mit einer Gegenbohrung 266
versehen, in die eine Stopfbuchspackung 12? eingesetzt ist, die mit Schrauben 133 an der Außenfläche des Verschlußteils
204 befestigt ist und das Hüllrohr 205 an diesem Ende des Durchflußreaktors 201 fest und abdichtend haltert. An seiner
Innenfläche ist an dem Verschlußteil 204 mit Schrauben 267 ein Ring 268 befestigt, von dem kranzartig nach außen gewölbte
Blattfedern 269 vorspringen, zwischen denen eine das andere Ende des Quarzglasrohres 207 umgebende Schutzmanschette
270 geführt ist. Das Verschlußteil 204 besitzt einen axial
verlaufenden Entleerungskanal 249» der die äußere Bestrahlungskammer 211 mit einem Entleerungsventil 250 an der Außenseite
des Flansches 216 verbindet.
Der Durchfluß durch den Zweikammer-Photoreaktor 200 erfolgt zwischen den Anschlußstutzen 224 und 247 durch die Bestrahlungs-
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kammern 209 und 211, die durch die (nicht dargestellten) Zwischenräume zwischen den von der Innenfläche des Verschlußteils
204- in den Durchflußreaktor 201 vorspringenden Blattfedern 269 miteinander kommunizieren. Zur Erzeugung eines gleichförmigen
Strömungsprofils sind Lochplatten 254-, 255 vorgesehen,
die wie bei dem Dreikammer-Photoreaktor 100 ausgebildet sind. Die Lochplatte 254 ist an dem von der ringförmigen Ausnehmung
vorspringenden Steg 237 des Axialteils 225 vom Verschlußteil befestigt und wirkt auf die die innere Bestrahlungskammer 209
durchsetzende Strömung ein. Die Lochplatte 255 liegt einem an der Innenfläche des Außenmantels 202 nahe dem Stutzen 224
befestigten Ring 251 an, der damit auch aus einem Stück gebildet
sein kann; innenseitig liegt sie dem Ende der Dichtmanschette an. Die Lochplatte 255 ist durch Sicherungsringe 256 gegen eine
Verschiebung gesichert; sie wirkt auf die die äußere Bestrahlungskammer 211 durchsetzende Strömung ein.
Der in Figur 11 dargestellte Zweikammer-Photoreaktor 200 besitzt eine innere Bestrahlungskammer 209 mit einer Schichtdicke
d = 2.4 cm und eine äußere Bestrahlungskammer 211 mit einer Schichtdicke d = 4.6 cm. Der Außendurchmesser des Hüllrohres
beträgt 7.2 cm, die Wandstärke der Quarzglasrohre 205 und 207 beträgt jeweils 0.4 cm, und die Transmission des Quarzglases bei
254 nm ist bei dieser Dicke T (0.4 cm) = 0.92. Im Hüllrohr befindet sich eine antimondotierte Xenon-Hochdrucklampe
(Original Hanau Quarzlampen GmbH, Hanau), deren Strahlungsfluß im Bereich von 260 bis 280 nm bei einer effektiven Länge von
80 cm der Einstrahlungsfläche bei der Bestrahlungskammer 209 eine Leistung von 100 W an das Medium an der durchstrahlten
Innenfläche des Hüllrohres 205 abgibt. Die folgende Tabelle 6 zeigt in analoger Weise wie die vorstehende Tabelle 5 die Durchflüsse
Q-40 des Zweikamraer-Photoreaktors 200 mit einer Gesamtschichtdicke
d = 7 cm und eines Einkammer-Photoreaktors gleicher Schichtdicke für Medien mit Transmissionsfaktoren von
T (1 cm) = 0.95 bis 0.6 sowie die Stexgerungsfaktoren F der
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2735S5Q
Durchflüsse Q-ΛΟ des Zweikammer-Photoreaktors 200 gegenüber
dem vorgenannten Einkammer-Photoreaktor.
Leistungsvergleich des Zweikammer-Photoreaktors 200 mit einem Einkammer-Photoreaktor gleicher Gesamte
schichtdicke (d = 7 cm) für Medien verschiedener Transmissionsfaktoren
| T (1 cm) | m3/h | 0.9 | 0. | 8 | 0.7 | 0.6 |
| Q-40 Zwei-K. 200 |
m5/h | 27.8 | 16. | 9.8 | 5.9 | |
| Q-40 Ein-K. |
20.18 | 8. | 85 | 3.47 | 1.18 | |
| P | 1.38 | 1. | 85 | 2.85 | 5.0 | |
100 W UV-260 bis 280 mn in axialer Position; Hüllrohr D1 = 7.2 cm.
Die Daten der Tabelle sind für die Transmission des Quarzglases bei 25^·· nm angegeben, um so den Vergleich mit den
Durchflußwerten Q-40 der gleichen Photoreaktoren bei Verwendung
von Quecksilberniederdruck-Quarzlampen zu erleichtern. Die Transmission des Quarzglases ist im Bereich von 260 bis
280 nm jedoch höher, woraus sich eine Erhöhung der in der Tabelle angegebenen Q-40-Werte ergibt.
Der Zweikammer-Photoreaktor 200 ist bei einer Schichtdicke der inneren Bestrahlungskammer 209 von d = 2.4 cm und der äußeren
Bestrahlungskammer 211 von d =4.6 cm entsprechend einer Gesamtschichtdicke von d = 7 cm für hohe Durchflüsse Q-40 in dem für
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die Trinkwasserentkeimung wesentlichen Bereich der Transraissionsfaktoren
T (1 cm) =0.7 vorgesehen. Der Leistungsvergleich in Tabelle 6 zeigt, daß bereits bei Verwendung von zwei Bestrahlungskammern
im Bereich zwischen T (1 era) = 0.85 bis 0.7 Steigerungsfaktoren von 1.55 erreicht werden. Wegen der angestrebten
Durchflüsse Q-4-0 wird hier auf mehr Bestrahlungskammern
verzichtet; aus dem gleichen Grunde darf der Außendurchmesser des Hüllrohres 205 nicht zu klein gewählt werden. Der Zweikammer-Photoreaktor
200 ist insbesondere für Zwecke der Wasserentkeimung in der Getränkeindustrie sowie für die UV-Desinfektion
in der Trinkwasserversorgung geeignet.
Für den Dauerbetrieb des Zweikammer-Fhotoreaktors 200 spielt
die Durchströmungsrichtung kaum eine Rolle. Aus Gründen der Lampenkühlung wird man im allgemeinen die Strömungsrichtung von
der inneren Bestrahlungskammer 209 durch die äußere Bestrahlungskammer 211 bevorzugen, ebenso im Falle der Begasung. Wegen
der hohen Durchflüsse treten auch bei Unterbrechungen im Betrieb des Zweikammer-Fhotoreaktors 200 praktisch keine störenden Anlauferscheinungen
auf. Lediglich bei der Gefahr des Auftretens von Niederschlägen wird man gegebenenfalls die umgekehrte Durchströmungsrichtung
wählen.
Eine weitere Ausführung eines Zweikammer-Fhotoreaktors ist in Figur 12 dargestellt. Der Zweikammer-Photoreaktor 300 ist
zur Bestrahlung von außen mit einer (nicht gezeigten) Strahlungsquelle aus 14 Strahlern (Qucksilberniederdruck-Quarzlampen
NN 30/89 Original Hanau Quarzlampen GmbH, Hanau) vorgesehen. Die Strahler befinden sich in einem konzentrisch zu
einem Durchflußreaktor 301 angeordneten Reflektorsystem aus paraboloiden Reflektoren, deren jeder jeweils einem Strahler
zugeordnet ist. Die gesamte Anordnung ist von einem strahlungsundurchlässigen
Gehäuse umgeben, das auch die Vorschalt- und Bedienungselemente sowie die Überwachungseinrichtung für den
Betrieb des Zweikammer-Photoreaktors 300 aufnimmt. Solche Gehäuse und Strahlungsquellen sind bekannt und im Handel erhält-
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273555Q
lieh (WEDECO, Gesellschaft für Entkeimungsanlagen, Düsseldorf,
Herford) und brauchen daher hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Die Darstellung in Figur 12 entspricht ansonsten der
Darstellung des Dreikammer-Photoreaktors 100 in Figur 9.
Der Durchflußreaktor 301 wird von einem strahlungsdurchlässigen Außenrohr 302 aus Quarzglas, einer Halterung 303, einem Verschlußteil
3CW- und einem Innenrohr 305 aus Quarzglas gebildet.
Das Innenrohr 305 teilt den Durchflußreaktor 301 in zwei Bestrahlungskammern
309, 311, wobei die äußere Bestrahlungskammer 311 eine Schichtdicke von 2.5 cm und die innere Bestrahlungskammer
309 einen Innendurchmesser von 9·2 cm besitzt.
Das Außenrohr 302 ist über Ringflanschstücke 312, die nahe seinen Enden angeordnet sind, mit längs ihres Umfangs verteilten
Bohrungen 313 mit der Halterung 303 bzw. dem Verschlußteil
30^- verbunden. Die Halterung 303 bzw. das Verschlußteil 304-tragen
Ringflansche 316 mit längs ihres Umfangs verteilten
Bohrungen 317, deren Zahl und Durchmesser den Bohrungen 313 in
den Ringflanschstücken 312 entspricht. Die Ringflanschstücke
und die Halterung 303 bzw. das Verschlußteil 304· sind so angeordnet,
daß die Bohrungen 313 und 317 fluchten und die Teile
durch mit Muttern 319 gesicherte Gewindebolzen 318 miteinander
verbunden sind. Die Flanschteile 312 und 316 besitzen einen
Innendurchmesser, der eng an den Außendurchmesser des Außenrohres 302 angepaßt ist; innenseitig sind sie mit einander
zugekehrten ringförmigen Ausnehmungen 320 versehen, gegen deren Boden O-Ringe 321 durch eine Führungshülse 322 gedrückt werden.
Auf diese Weise wird das Außenrohr 302 fest und abdichtend gehaltert.
Die Halterung 303, das Verschlußteil 304- und das Innenrohr 305
bestehen aus dem gleichen Material wie die entsprechenden Teile des Zweikammer-Photoreaktors 200.
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Die Halterung 303 besitzt die Form eines axial abgestuften
Ringes, der in seiner ersten Stufe 323 eng an den Außendurchmesser des Außenrohres 302 und mit einer Schulter 358 eng an
den Innendurchmesser des Außenrohres 302 angepaßt und mit Anschlußstutzen 324· versehen ist; eine zweite Stufe 325 ist im
Innendurchmesser eng an den Außendurchraesser des Innenrohres 305 angepaßt und trägt eine Gegenbohrung 326, in die eine Stopfbuchspackung
127 eingesetzt ist, die mit Schrauben 133 an der
Außenfläche der Halterung 303 befestigt ist und das Innenrohr
305 fest und abdichtend in der Halterung 303 haltert. Oberhalb
der Halterung 303 befindet sich ein weiteres Ringflanschstück
312, mit dem ein mit einem Gegenflansch 327 versehenes Übergangsstück
328 entsprechend durch mit Muttern 319 gesicherte
Gewindebolzen 318 unter Einlagerung von O-Ringen 321 fest und
abdichtend verbunden ist. Das Übergangsstück 328 besitzt eine eng an den Außendurchmesser des Innenrohres 305 angepaßte lichte
Weite; es verläuft ein Stück über das eine Ende des Innenrohres 305 hinaus und verengt sich dann zu einem Anschlußstutzen 329.
Das Verschlußteil 304- besteht aus einem den Plansch 3^6 tragenden
axial verlaufenden Ring 34-0, der mit einer Platte 34-1, die
den Durchflußreaktor 3OI schließt, fest verbunden ist oder aus
einem Stück damit besteht. Die Platte 34-1 trägt an ihrer Innenseite
einen aufgesetzten Ring 34-2, der fest damit verbunden ist oder aus einem Stück damit besteht und in einem hochstehenden
Doppelring 343 von U-förmigem Querschnitt endet. Der Ring 34-2
verläuft unterhalb des Innenrohres 305 konzentrisch dazu; der
Doppelring 34-3 ist an dessen Abmessungen angepaßt, so daß das Innenrohr 305 an seinem anderen Ende in dem Doppelring 34-3
(unter Einlage eines elastischen Schutzrings 344) geführt ist. Der Ring 34-2 besitzt über seinen Umfang verteilte Durchtrittsöffnungen
34-5, über die die Bestrahlungskammern 309, 311 kommunizieren. Die Platte 34-1 ist mit einem axial verlaufenden
Entleerungskanal 349 versehen, der die äußere Bestrahlungskammer
311 mit einem Entleerungsventil 350 an der Außenseite der
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273S550
Platte 341 verbindet.
Der Durchfluß durch den Zweikammer-Photoreaktor 300 erfolgt zwischen den Anschlußstutzen 324 und 329 durch die Bestrahlungskammern 309 und 311. Zur Erzeugung eines gleichförmigen
Strömungsprofils sind Lochplatten 354, 355 vorgesehen, die entsprechend
dem Dreikammer-Photoreaktor 100 ausgebildet sind. Die Lochplatte 354 liegt innerhalb des Übergangsstückes 328, das mit
der Halterung 303 verbunden ist, der Abschmelzkante des Innenrohres
305 auf und ist durch einen Sprengring 356 gesichert.
Zwischen dem Anschlußstutzen 329 des Übergangsstücks 328 und
der Lochplatte 354, die auf die die innere Bestrahlungskammer
durchsetzende Strömung einwirkt, ist ein Stauraum 357 ausgebildet.
Die Lochplatte 355 ist zwischen der Abschmelzkante an dem einen Ende des Außenrohres 302 und der Schulter 358 gehaltert,
die in der ersten Stufe 323 der Halterung 303 ausgebildet
ist, und wirkt auf die die äußere Bestrahlungskammer durchsetzende Strömung ein.
Der in Figur 12 dargestellte Zweikammer-Photoreaktor 300 besitzt eine äußere Bestrahlungskammer 311 mit einer Schichtdicke
d = 2.5 cm und eine innere Bestrahlungskammer 309 mit einem Innendurchmesser von 9·2 cm. Der Außendurchmesser des Außenrohres
302 beträgt D = I5.8 cm, die Wandstärke der Quarzglasrohre
302 und 305 beträgt jeweils 0.4 cm und die Transmission
des Quarzglases bei 254 nm ist bei dieser Dicke T (0.4 cm) = 0.92.
14 in paraboloiden Reflektoren angeordnete Quecksilberniederdruck-Quarzlampen (NN 30/89 Original Hanau Quarzlampen GmbH, Hanau)
umgeben den Durchflußreaktor 301 konzentrisch und geben über den Umfang des Außenrohres 302 verteilt in das Medium eine mittlere
Einstrahlungsleistung von 85 W UV-254 nm über eine effektive Länge der Bestrahlungskammer 311 von 79 cm. In der folgenden
Tabelle 7 sind die Durchflüsse Q-40 des Zweikammer-Photoreaktors 3OO und eines Einkammer-Photoreaktors mit analoger Außenbestrahlung
mit 6 Quecksilberniederdruck-Quarzlampen gleicher Art und mit einem Innendurchmesser von D = 7 cm angegeben, sowie die auf
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eine Leistung von 15 W UV-254 nm normierten Werte der Durchflüsse
Q-40 bei Transmissionsfaktoren T (1 cm) von 0.9 bis 0.6.
Die Tabelle zeigt ebenfalls die Steigerungsfaktoren F, die aus den normierten Durchflüssen Q-40 errechnet sind.
-^Leistungsvergleich des Zweikammer-Photoreaktors
,mit einem Einkammer-Fhotoreaktor mit Außenbestrahlung
T, (1 cm) 0.9 0.8 0.7 0.6
Q-4& . mVh 30.5 24.2 16.1 9.5
Zwei-K. 300 (11 V/ UV)
Q-40 m5/h 2.97 2.58 1.57 0.91
Zwei-K. 300 normiert auf 15 W UV
Q-40 m3/h 5.91 5.84 5.65 4.72
Ein-K.
(6*11 W UV)
(6*11 W UV)
Q-40 mVh 1.34 1.31 1.28 1.06
Eink-K.
(6-11 W UV) normiert auf 15 W
(6-11 W UV) normiert auf 15 W
P 2.21 1.85 1.23 0.85
Quecksilberniederdruck-Quarzlampen 11 W UV-254 nm in kranzförmiger Anordnung.
Zweikammer-Photoreaktor 300: 14 Strahler, D = 15.8 cm Einkammer-Photoreaktor : 6 Strahler, D = 7 cm.
Der Leistungsvergleich des Zweikammer-Photoreaktors 300 ist mit einem in der Praxis bewährten zylindrischen Einkammer-Photoreaktor
mit Außenbestrahlung durchgeführt, da solche
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Einkaramer-Photoreaktoren wegen der Gefahr von Strömungskurzschlüssen
nicht mit größeren Durchmessern gebaut werden. Die Außenbestrahlung bietet als Alternative zur Leistungssteigerung
axialer Strahlungsquellen die Möglichkeit, erheblich gesteigerte Raum-Zeit-Ausbeuten, d.h. höhere Durchflüsse Q-40 bei gleichem
Apparatevolumen, zu erzielen. Obgleich solche Photoreaktoren mit Außenbestrahlung infolge der positiven Bestrahlungsgeometrie
wesentlich weniger die Nachteile starker Gradienten der Bestrahlungsstärke im Reaktorquerschnitt aufweisen, bietet auch
hier das Mehrkammer-Photoreaktor-Prinzip erhebliche Leistungssteigerungen.
Im praktischen Betrieb des Zweikammer-Photoreaktors 300 spielt
die Durchströraungsrichtung keine wesentliche Rolle.
Die Anwendung des Zweikammer-Photoreaktors 300 für Reinigungszwecke ist in den folgenden Versuchsbeispielen dargestellt:
1. Beseitigung von Rest-Ozon aus Wasser
Ozonisiertes Wasser mit einem Rest Ozongehalt von 0.3 g/m
(0.3 ppm) wird mit einem Durchfluß von Q = 40 nr/h durch den
Zweikammer-Photoreaktor 300 geleitet. Das in die innere Bestrahlungskammer 309 eintretende Wasser ist nach dem Austritt
aus der äußeren Bestrahlungskammer 311 praktisch ozonfrei
(<0.02 ppm); Nachweis durch Palinsches Reagens bzw. koloriraetrische Analyse (Diethyl-p-phenylendiamin und Kaliumiodid).
2. Entfernung von aromatischen Kohlenwasserstoffen aus Wasser
Eine Emulsion von ca. 10 g eines aromatischen Teeröls in 70 m
Wasser entsprechend dem Wasserinhalt eines Schwimmbassins enthält ca. 0.13 mg/1 Aromaten, die durch ihre charakteristische
UV-Absorption nachgewiesen werden. Das Wasser wird durch eine Sandfilteranlage mit einer Förderleistung von 25 nr/h im Kreislauf
geführt. Dabei ändert sich der Aromatengehalt (UV-Absorption)
nicht. Wird der Sandfilteranlage ein Zweikammer-Photoreaktor
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nachgeschaltet, so sind ira Auslauf des Photoreaktors keine
aromatischen Verunreinigungen mehr nachweisbar (UV-Absorption,
5 cm-Küvette).
Eine weitere Leistungssteigerung bei dem Zweikaramer-Photoreaktor
300 ist erzielbar, wenn zugleich eine Innenbestrahlung vorgesehen wird. Ein Photoreaktor solcher Art wird auf einfache
Weise durch Kombination der entsprechenden Elemente aus Fig. 11 und 12 erhalten, so daß sein Aufbau hier nicht im einzelnen
geschildert zu werden braucht. Als innere Strahlungsquelle dient dabei eine antimondotierte Xenon-Hochdrucklampe,
die zur Erhöhung der Bestrahlungsstärke auch einfach oder mehrfach gewendelt sein kann; als äußere Strahlungsquellen
dienen Quecksilberdampflampen geeigneter Emissionsbereiche. Solche Strahler sind im Handel erhältlich und brauchen daher
nicht im einzelnen dargestellt und erläutert zu werden.
Weitere Abwandlungen im Aufbau der Durchflußreaktoren 2, 21, 41, 101, 201, 301 ergeben sich daraus, daß dem Fachmann eine
Reihe bekannter, teilweise anders ausgebildeter Halterungsund Führungselemente für die den Reaktorraum unterteilenden
Trennwände zur Verfugung stehen. Diese können anstelle der in Fig. 1 bis 12 dargestellten Einrichtungen Verwendung finden.
In vielen Fällen genügt auch eine Ausführung mit nur einem seitlichen Anschlußstutzen 147, 224 oder 324.
Ein Problem besteht in all den Fällen, in denen die Entnahme des bestrahlten Mediums Schwankungen unterliegt und sogar
vorübergehend unterbrochen wird, gleichwohl aber eine konstante hohe Mindestleistung im Reinigungs- bzw. Entkeimungsgrade verlangt
wird. In solchen Fällen wird ein Mehrkammer-Photoreaktor nach Art von Fig. 9 bis 12 im Rücklauf betrieben. Figur 1$ zeigt
schematisch ein Fließdiagramm für den Bestrahlungsbetrieb mit Rücklauf für den Dreikammer-Photoreaktor 100; es kann jedoch
stattdessen auch ein Mehrkammer-Photoreaktor 20, 200 oder
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eingesetzt werden. Auch läßt sich der ohnehin für einen Bestrahlungskreislauf
vorgesehene Zweikammer-Photoreaktor 40 verwenden, der in dieser Betriebsweise bei Klimawäschern zum Einsatz gelangt,
für die Durchlaufdesinfektion mit teilweisem Rücklauf ,jedoch weniger geeignet ist als die anderen genannten Mehrkammer-Photoreaktoren.
Das Fließdiagramm enthält den Dreikammer-Photoreaktor 100, dessen Anschlußstutzen 152 über eine
Zufuhrleitung 4-01 und ein Zufuhrventil 402 an die Vorratsleitung des zu bestrahlenden Mediums angeschlossen ist. Der
Anschlußstutzen 147 ist über einen Strömungsteiler 403 mit
Entlüftungsventil 424 und Verbindungsleitungen 404, 405, die jede einen Durchflußanzeiger 406 tragen, mit einem Rücklauf
bzw. einem Entnahmeventil 403 verbunden. Dem Zufuhrventil ist dabei ein Durchflußbegrenzer 12 nachgeschaltet. Der Rücklauf
407 besteht aus einer Rücklauf-Förderpumpe in Gestalt einer Einweg-Förderpumpe 409 ^it konstanter Förderleistung,
einem nachgeschalteten Rückschlagventil 410 und einer Verbindungsleitung 411 mit Durchflußanzeiger 406, die stromab
von dem Ventil 402 in die Zufuhrleitung mündet. Der Rücklauf 407 kann anstelle der Einweg-Förderpumpe 409 auch eine in
ihrer Förderleistung einstellbare Rücklauf-Förderpumpe enthalten; gegebenenfalls kann der Rücklauf 407 auch mit einer
einstellbaren Strömungsdrossel ausgerüstet sein. Dabei ist das Gesamtvolumen des Rücklaufs 407 klein gegen das Volumen
des jeweiligen Mehrkammer-Photoreaktors.
Der in Figur 14 dargestellte Strömungsteiler 403 ist nach Art eines Drucküberlaufreglers aufgebaut. Die Schnittdarstellung
nach Fig. 14 zeigt ein Gefäß 420, das oben mit einem Entlüftungsventil 424 versehen ist und dessen Eingangsstutzen
zum Anschluß an den Dreikammer-Photoreaktor 100 vorgesehen ist. Der Eingangsstutzen 421 ragt; über den Boden des Gefäßes
hinaus in dessen Inneres hinein. Vom Boden des Gefäßes 420 aus verläuft ein erster Ausgang 422, der zum Anschluß an die Verbindungsleitung
404 zum Rücklauf 407 führt.
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Ein zweiter Ausgang 423 ist deutlich oberhalb der Mündung des Eingangsstutzens 421 an dem Gefäß 420 angeordnet und dient zum
Anschluß an die Verbindungsleitung 405 zum Entnahmeventil 408.
Die in Fig. 13 und 14 dargestellte Anordnung arbeitet wie folgt,
wobei angenommen ist, daß die Anlage mit dem Medium beschickt und entlüftet und daß die Ventile 402 und 408 zunächst geschlossen
sind:
Bei geschlossenem Entnahraeventil 403 und laufender Einweg-Förderpumpe
409 ergibt sich ein in sich geschlossener Kreislauf des Mediums, das über die Verbindungsleitungen 411, 401 und den Anschlußstutzen
152 des Dreikammer-Photoreaktors 100 in die Bestrahlungskammer
111 eintritt und diese nach Durchtritt in die mittlere Bestrahlungskammer 110 und von da nach Durchtritt durch die innere
Bestrahlungskammer IO9 über die Anschlußstutzen 147 wieder verläßt. Von dort gelangt es über den Eingangsstutzen 421 in das
Innere des Gefäßes 420 des Strömungsteilers 403, den es über den ersten Ausgang 422 verläßt, der über die Verbindungslextung 404
eingangsseitig an die Einweg-Förderpumpe 409 angeschlossen ist.
Die Öffnung des Entnahmeventils 408 erfolgt synchron gekoppelt mit der Öffnung des Zufuhrventils 402, durch das dem Dreikammer-Photoreaktor
100 über die Zufuhrleitung 401 zu bestrahlendes Medium zugeführt wird. Die Kopplung geschieht dabei durch bekannte
mechanische, elektrische, hydraulische, pneumatische Mittel oder dgl. Entsprechend dem zugeführten Volumen an zu bestrahlendem
Medium wird nun bestrahltes Medium durch das geöffnete Entnahmeventil 408 aus dem Bestrahlungskreislaufsystem verdrängt. Da das
zugeführte Medium bereits vor Eintritt in den Dreikammer-Photoreaktor 100 durch das im Rücklauf geführte bereits entkeimte Medium
verdünnt wird, passiert nun ein Medium mit niedrigerer Eingangskeirazahl
den Photoreaktor und eine niedrigere Endkeimzahl resultiert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß durch die Rückführung
bereits hochgereinigtes Material einer erneuten Bestrahlung unterworfen wird im Gemisch mit vorher unbestrahltem Medium, was im
Ganzen eine Effizienzänderung bedeutet. Bei dieser Arbeitsweise muß daher jeweils ein niedrigerer Durchfluß als im Betrieb ohne
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Rücklauf eingestellt werden, und zwar ricntet sich diese "Erniedrigung
auch nach dem Rücklauf verhältnis. 2735550
Um die Rücklaufbestrahlung mit größerer Wirksamkeit zu betreiben,
wird jedoch zweckmäßiger das zu entkeimende Medium diskontinuierlich in geringer Menge hinzugegeben und hindurchgeführt.
Dies geschieht durch chargenweise Verdrängung eines Großteils des Reaktorinhalts bei gleichzeitigem Stopp des Rücklaufbetriebes,
gefolgt von einer Periode der Bestrahlung im Kreislauf, die je nach den gewünschten Dosen mehrere Umwälzungen
des Reaktorvolumens betragen kann. Dazu ist im Rücklauf 407 ein weiteres gesteuertes Ventil vorgesehen, das
durch eines der vorgenannten Mittel synchron im Gegentakt mit dem Entnahmeventil 4-08 bzw. dem Zufuhrventil 402 gekoppelt ist.
Die beiden gekoppelten Ventile bleiben so lange geöffnet, bis die vorgesehenen Portionen des unbestrahlten Mediums den Photoreaktor
befüllt und des bestrahlten Mediums den Photoreaktor verlassen haben. Nach Schließen der Ventile wird synchron das
Ventil im Rücklauf 4-07 geöffnet und die Bestrahlung im Kreislauf
bis zur nächsten Beschickungsperiode vorgenommen. Eine kontinuierliche Entnahme des entkeimten Mediums kann dann
dadurch erreicht werden, daß das Entnahmeventil 408 an einen
Zwischenbehälter mit Niveauregelung und einer mit einem Durchflußbegrenzer ausgestatteten Entnahmestelle angeschlossen ist.
Am einfachsten läßt sich die diskontinuierliche Zufuhr des Mediums mit Hilfe einer gesteuerten Dosierpumpe durchführen,
deren jeweilige Dosierportionen knapp unter dem Reaktorvolumen bleiben müssen. Das weitere (nicht gezeigte) gesteuerte Ventil
im Rücklauf 407 ist dabei durch eines der vorgenannten Mittel
synchron im Gegentakt an die Dosierpumpe gekoppelt, so daß die Zufuhr des Mediums nur bei geschlossenem Rücklauf 407 erfolgt.
Das Entnahmeventil 408 und das Zufuhrventil 402 können dann entfallen. Die Niveauregelung der vorerwähnten kontinuierlichen
Entnahmevorrichtung mit Zwischenbehälter kann auch dazu benutzt werden, bei verändertem Bedarf innerhalb der Grenzen der
Leistung der Apparatur die Perioden der Dosierung und damit den Durchschnitt des Durchflusses zu variieren. Auf diese Weise be-
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steht die Möglichkeit, beabsichtigte Erhöhungen der Dosis bei
vollem Erhalt der Funktion des Photoreaktors zu erreichen.
Bei der Reinigung und Desinfektion durch UV-Bestrahlung nach dem geschilderten Verfahren der Rücklaufbestrahlung empfiehlt
es sich, Mehrkammer-Photoreaktoren so zu betreiben, daß das Medium die Bestrahlungskammer mit dem geringsten Querschnitt
und der höchsten Bestrahlungsstärke zuletzt durchläuft.
Mehrkamraer-Photoreaktoren mit der einfachen Art des Rücklaufbetriebs
eignen sich besonders zur Wasserentkeimung auf Seeschiffen. Das Verfahren der portionsweisen Rücklaufbestrahlung
ist besonders für die Applikation hoher Dosen geeignet und damit zur Erzielung höchster Reinigungs- und Entkeimungsgrade.
Die erforderliche Sicherheit in der Erzielung des gewünschten Bestrahlungsergebnisses wird durch Durchflußsteuermittel erreicht,
die dafür sorgen, daß eine bestimmte, maximal zulässige Durchströmungsgeschwindigkeit des Mediums in den Mehrkammer-Photoreaktoren
nach Fig. 1 bis 12 nicht überschritten werden kann. Im einfachsten Fall genügt als Sicherheitselement eine
Strömungsdrossel in der Zuleitung zu dem jeweiligen Durchflußreaktor. Bei wechselndem Eingangsdruck empfiehlt sich eine
einstellbare Strömunccdrossel z.B. in Gestalt eines Ventils,
jedoch wird vorzugsweise hier der zuverlässigere Durchflußbegrenzer 12 eingesetzt. Dessen Zwischenschaltung wird aus
Sicherheitsgründen auch dann vorgenommen, wenn eine Pumpe mit einstellbarer Förderleistung verwendet wird, bei der die Förderleistung
unmittelbar eingestellt und auch überwacht werden kann.
Die vorbeschriebenen Mehrkamraer-Photoreaktoren sind mit üblichen,
bekannten Überwachungseinrichtungen der eingangs genannten Art versehen. Dadurch wird sichergestellt, daß bei Abfall der Bestrahlungsstärke
unter einen vorgegebenen Sollwert ein Alarm ausgelöst und die gesamte trahlunßsanlac;e abgeschaltet wird.
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Außerdem nimmt der Strahlungsfluß der Strahler mit der Zeit
ab. Wegen der eingangs diskutierten exponentiellen Abhängigkeit
des Bestrahlungsergebnisses und damit auch der Leistung des Mehrkammer-Photoreaktors von der Bestrahlungsstärke ist
für eine optimale Nutzung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung eine ständige Anpassung der Durchströmungsgeschwindigkeit
an die augenblickliche Bestrahlungsstärke notwendig. Dazu ist eine Förderpumpe 450 mit einstellbarer Förderleistung
eingangsseitig an einen Durchflußreaktor 101, 201 oder 301 angeschlossen, und ihre Förderleistung wird durch eine
Steuerung, die in Fig. 15 im Blockschaltbild dargestellt ist,
entsprechend der jeweiligen Bestrahlungsstärke eingestellt. Die Steuerung besteht aus einem mit dem Pumpenmotor 451 verbundenen
Tachogenerator 452 und einem strahlungsempfindlichen
Detektor 453, der an dem Tubus 121, 221 eines Durchflußreaktors
101 bzw. 201 oder an dem Innenrohr 302 des Durchflußreaktors 301 (mit einer geeigneten Durchführung) angebracht
ist und dessen Ausgangssignal einem Verstärker 454 anliegt.
Die Ausgangssignale des Tachogenerators 452 und des Verstärkers
454 sind an dem Eingang eines Leistungsverstärkers einander entsegengeschaltet, und die am Ausgang des Leistungsverstärkers 455 anliegende, verstärkte Differenzspannung dient
zur Versorgung des Pumpenraotors 451. Auf diese Weise wird durch eine aus handelsüblichen Bauteilen aufgebaute Steuerung die
Förderleistung der Pumpe 450 an die jeweilige Bestrahlungsstärke
angepaßt.
Bei den vorstehend geschilderten Mehrkammer-Photoreaktoren 100, 200, 300 sind die jeweiligen Bestrahlungskammern in Bezug auf
die Durchströmungsrichtung hintereinandergeschaltet. Diese Schaltung besitzt ihre besonderen Vorteile in der besseren
Durchmischung und dem Durchgang des Mediums durch sämtliche Bestrahlungskammern des Photoreaktors. In besonderen Fällen
kann jedoch auch eine Parallelschaltung von Bestrahlungskammern von Vorteil sein, und zwar dann, wenn Medien mit hohen
Transmissionsfaktoren zu verarbeiten sind. Zu einer solchen
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Parallelschaltung sind Durchflußreaktoren des Typs 201 oder 301 besonders geeignet, da sie leicht so abgeändert werden
können, daß die Bestrahlungskammern 209 und 211 bzw. 309 und
311 voneinander getrennt sind und jede für sich mit Anschlußstutzen
ausgerüstet und mit geeigneten Durchflußsteuerraitteln verbunden wird. Diese Abwandlung und Ausrüstung erfolgt mit
handelsüblichen technischen Mitteln, wie sie z.T. bereits vorher beschrieben wurden. Eine Anwendung eines solchen Durchflußreaktors
mit parallel geschalteten Bestrahlungskammern findet sich in Verbindung mit Anlagen zur umgekehrten Osmose,
die in zahlreichen Bereichen zur Herstellung reinen Wassers, z.B. bei der Trinkwassergewinnung aus Meerwasser, für Sonderzwecke
von Kliniken, Elektroniklabors und pharmazeutischen Betrieben, sowie in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt wird.
Für die umgekehrte Osmose sind verschiedene Typen von Membranen, oft auf der Basis organischer Materialien, gebräuchlich, die
sich als anfällig gegen Bewuchs durch Mikroorganismen erwiesen haben, wodurch die Betriebsfähigkeit der Anlagen und die
hygienische Qualität des erzeugten Wassers gefährdet werden. Aus Sicherheitsgründen wird oft der Umkehrosmose-Anlage eine
UV-Entkeimung nachgeschaltet. Zweckmäßig wird aber bereits das in die reversible Osmose eingeführte Medium einer UV-Entkeimung
unterworfen, um so den Mikroorganismenbefall der Membranen von vornherein zu minimieren. Hier bietet der Zweikammer-Photoreaktor
mit parallel geschalteten Bestrahlungskammern eine besonders günstige technische Lösung, um mittels eines Durchflußreaktors
und einer Strahlungsquelle sowohl das Ausgangsmedium als auch das Produktwasser gleichzeitig zu entkeimen.
Zur Erhöhung der photochemischen Effizienz der Reinigung bzw. Entkeimung empfiehlt es sich, mindestens eines der parallelgeschalteten
Bestrahlungssysteme nach Art des Mehrkammer-Photoreaktors
mit Serienschaltung auszubilden.
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Claims (40)
1. Verfahren zur Reinigung, insbesondere zur Entkeimung und
Desinfektion fließfähiger Medien in einem Durchflußreaktor mit einer vorbestimmten Mindestbestrahlung, d.h. Mindestdosis,
ultravioletter Strahlung überwiegend im Wellenlängenbereich von 240 bis j>20 nm,
dadurch gekennzeichnet, daß das Medium durch getrennte Bestrahlungskammern (S, 9; 25, 39, 4-9; 109, 110, 111;
209, 211; 309, 311) eines senkrecht zur allgemeinen Strahlungsrichtung
unterteilten Durchflußreaktors (2, 41, 101, 201, 301) gefördert wird und daß Bruchteile der in das
Medium in der der Strahlungsquelle (6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 39, *9, 109, 209, 311)
eindringenden Strahlung mindestens in die direkt folgende Bestrahlungskammer (9, 23, 110, 211, 309) einfallen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens 50 % der in das Medium in der der Strahlungsquelle
(6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 39, 49, 109, 209, 311) eindringenden Strahlung
in das Medium in der direkt folgenden Bestrahlungskammer (9, 23, 110, 211, 309) einfallen, daß in dem Medium
in der der Strahlungsquelle (6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 39, 4-9, 109, 209, 311) nicht
mehr als 50 % der eindringenden Strahlung absorbiert werden,
und daß von dem Medium in einem Durchflußreaktor mit bis zu 5 Bestrahlungskammern nicht mehr als (1 - 0.5n) · 100 %
der insgesamt eindringenden Strahlung absorbiert werden, wobei η die Anzahl der Bestrahlungskammern (8, 9 ... 311) ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Medium vor der Bestrahlung ein Oxidationsmittel zugeführt wird.
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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis j, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Medium während der Bestrahlung
ein Oxidationsmittel zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Teilstrom des bestrahlten Mediums nach dem Durchlauf in den Durchflußreaktor
(4-1, 101, 201, 301) zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium ultravioletter Strahlung im Wellenlängenbereich von 260 bis 280 nm ausgesetzt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium nacheinander durch die
Bestrahlungskammern (8, 9 .... 511) des Durchflußreaktors (2, 41, 101, 201, 301) gefördert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium parallel durch die
Bestrahlungskammern (8, 9 .... 311) des Durchflußreaktors (2, 41, 101, 201, 301) gefördert wird.
9. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der
vorstehenden Ansprüche, bestehend aus einem einer Strahlungsquelle mit mindestens einem Strahler, der ultraviolette Strahlung überwiegend im Wellenlängenbereich von
240 bis 320 nm emittiert, zugeordneten Durchflußreaktor mit einer Zuleitung und einer Ableitung für das zu bestrahlende Medium und mit einer Überwachungseinrichtung für die
den Durchflußreaktor durchsetzende ultraviolette Strahlung,
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußreaktor (2, 41, 101, 201, 301) durch senkrecht zur allgemeinen Bestrahlungsrichtung verlaufende Trennwände aus für die ultraviolette
Strahlung durchlässigem Material in getrennte Bestrahlungskammern (8, 9 .... 311) unterteilt ist, daß die in das
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Medium mindestens in der Bestrahlungskammer (9, 23, HO,
211, 309), die der der Strahlungsquelle (6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 59, 49, 109, 209, 511)
direkt folgt, einfallende Strahlung Bruchteile der Strahlung beträgt, die in die der Strahlungsquelle (6, 24)
unmittelbar benachbarte Bestrahlungskammer (8, 59, 4-9» 109,
209, 511) eindringt, und daß die Einrichtung zur Einhaltung
einer vorbestimmten Mindestdosis der Strahlung aus Durchflußsteuermitteln für das Medium besteht, die an die Zuleitung
oder an die Ableitung des Durchflußreaktors (2, 41,
101, 201, 301) angeschlossen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bruchteil der in die Bestrahlungskammer (9, 23, 110, 211,
309), die der der Strahlungsquelle (6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 39, 49, 109, 209, 311)
direkt folgt, einfallenden Strahlung mindestens 50 % der in
die der Strahlungsquelle (6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 39, 49, 109, 209, 311) eindringenden
Strahlung und die Absorption in der der Strahlungsquelle (6, 24) unmittelbar benachbarten Bestrahlungskammer (8, 39, 49,
109, 209, 311) nicht mehr als 50 % beträgt und daß die
Gesamtabsorption in einem Durchflußreaktor mit bis zu 5 Bestrahlungskammern
bis zu (1 - 0.5n) * 100 % der insgesamt
einfallenden Strahlung beträgt, wobei η die Anzahl der Bestrahlungskammern (8, 9, .... 311) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände aus Quarzglas bestehen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 mit einer Strahlungsquelle aus einem oder mehreren, jeweils in einem Hüllrohr nach
Art einer Tauchlampe in einen Behälter eingesetzten Strahlern, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Hüllrohr
(25, 45) von wenigstens einem Quarzglasrohr (35,
55) unter Ausbildung wenigstens einer inneren Bestrahlungskammer
(39, 49) umgeben ist und daß die inneren
809886/0545
-5-
- sr-
Bestrahlungskaminern (39» 49) gemeinsam entweder eingangsseitig
an die Zuleitung (91) oder ausgangsseitig an die Ableitung (90) des Durchflußreaktors (41) angeschlossen
sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Strahlungsquelle
und der Durchflußreaktor ringförmig zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchflußreaktor (101, 201, 301) aus zwei mit Anschlußmitteln versehenen Verschlußteilen (103, 104·; 173, 17*;
203, 204; 303, 304), die die Bestrahlungskammern (109,
110, 111; 209, 211; 309, 311) stirnseitig begrenzen, und aus zwischen den Verschlußteilen (103, 104; 173,
203, 204; 303, 304) an diesen angebrachten Rohrstücken (102, 105, 106, 107; 172; 202, 205, 207; 302, 305)
unterschiedlichen Durchmessers besteht, die koaxial ineinander angeordnet sind unddie Bestrahlungskammern
(109, 110, 111; 209, 211; 309, 311) längsseitig begrenzen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verschlußteile für jede Bestrahlungskammer einen Anschlußstutzen besitzen, der über mindestens einen
Innenkanal mit der zugehörigen Bestrahlungskammer in Verbindung steht.
15· Vorrichtung nach Anspruch 13 zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
benachbarte Bestrahlungskammem (109, 110; 110, 111;
209, 211; 309, 311) abwechselnd an gegenüberliegenden Enden miteinander in Verbindung stehen.
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16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (207, 305) an ihren Enden abwechselnd
abdichtend gehaltert und geführt sind und daß benachbarte Bestrahlungskammern (209, 211; 509,
jeweils an den geführten Enden der Rohrstücke (207, 305)
miteinander in Verbindung stehen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß das innere Rohrstück (205) an beiden Enden durch entsprechende Durchbrüche der Verschlußteile (205,
204·) hindurchgeführt und in den Durchbrüchen abdichtend gehaltert ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17t dadurch gekennzeichnet,
daß das äußere Rohrstück (102, 172, 202) strahlungsundurchlässig ist und eine Beobachtungsöffnung (120,
220) aufweist und an die Verschlußteile (10$, 104; 175, I?*»·; 203, 204) abdichtend angeflanscht ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß das äußere Rohrstück (102, 172, 202) verspiegelt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19» dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrstücke (IO5, 106, 108) an einem
Verschlußteil (103) abgedichtet gehaltert sind, daß das innere Rohrstück (IO5, 107) und jedes zweite nach
außen folgende an dem dem Verschlußteil (103) abgewandten Ende geschlossen sind und jedes der zweiten
nach außen folgenden geschlossenen Rohrstücke (105, 107) nahe dem zu ihrer Halterung dienenden Verschlußteil
(103) mit Durchtrittsöffnungen (108) versehen ist
809886/0545
und daß das Verschlußteil (103) einen Innenkanal (146, 148) besitzt, dessen eines Ende in die innere Bestrahlungskammer
(109) und dessen anderes Ende in einen Anschlußstutzen (147) mündet.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß eine der Strahlungsquelle (24) abgewandte Bestrahlungskammer (111; 211; 309) eine
Schichtdicke besitzt, die mindestens das Zweifache der Schichtdicke der der Strahlungsquelle (24) unmittelbar
benachbarten Bestrahlungskammer (109; 209; 311) beträgt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung einen mit druckdichten
Durchführungen (193) versehenen, druckdicht mit dem die Rohrstücke (105, 106, 107) halternden
Verschlußteil (173) verbundenen, an einen Barostaten angeschlossenen Deckel (192) aufweist, wobei der
Sollwert der barostatischen Druckregelung vom Eingangsdruck des Mediums am Durchflußreaktor (101)
bestimmt ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Bestrahlungskammer (8, 9 .... 311) mit einem über den Strömungsquerschnitt wirksamen Ausgleichselement (13, 15, 71,
154, 155, 254, 255, 354, 355) für das Strömungsprofil versehen ist.
-8- ^- 809886/05A5
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24-,
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußreaktor 101, 201, 301) ausgangsseitig mit einem Strömungsteiler
(403, 420) versehen ist, dessen einer Ausgang
(423) an die Entnahmeleitung (405) und dessen zweiter Ausgang (422) unter Zwischenschaltung einer Rücklauf-Förderpumpe
(409) und eines Rückschlagventils (410) an den Eingang (91) des Durchflußreaktors (41, 101,
201, 301) angeschlossen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklauf-Förderpumpe (409) in ihrer Förderleistung
einstellbar ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung eine einstellbare Strömungsdrossel
aufweist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (6, 24)
von mindestens einer antimondotierten Xenon-Hochdrucklampe, die eine starke Emission im Wellenlängenbereich
von 260 bis 280 nm besitzt, gebildet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle zusätzlich mindestens eine
Quecksilberdampflampe aufweist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (6, 24) mindestens
einen gewendelten Strahler enthält.
609886/0545
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (24)
im Inneren des Durchflußreaktors (101, 201) in achsnaher Stellung angeordnet ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17 und
22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle mindestens 4 achsparallel und symmetrisch
zwischen dem Durchflußreaktor (301) und einem diesen umgebenden Reflektorsystem angeordnete Strahler
aufweist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31 und 32, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil der die Strahlungsquelle bildenden Strahler im Inneren des Durchflußreaktors und
ein anderer Teil der Strahler, mindestens 4, achsparallel und symmetrisch zwischen dem Durchflußreaktor
und einem diesen umgebenden Reflektorsystem angeordnet sind.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33» dadurch gekennzeichnet,
daß eine antimondotierte Xenon-Hochdrucklampe mindestens im Inneren des Durchflußreaktors angeordnet
ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußsteuermittel eine Strömungsdrossel aufweisen.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35» dadurch gekennzeichnet,
daß eine einstellbare Strömungsdrossel vorgesehen ist.
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-MS-
37· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußsteuermittel
einen vom Eingangsdruck unabhängigen Durchflußbegrenzer (12) aufweisen.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußsteuermittel
eine Pumpe (4-50) mit einstellbarer Förderleistung
aufweisen.
39· Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuereinrichtung für die Pumpe (450) mit
einstellbarer Förderleistung vorgesehen ist, die mit einem von der Überwachungseinrichtung mit
Sollwerteinstellung ausgehenden Steuersignal beaufschlagt ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39» dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung einen Leistungsverstärker (455) und einen von dem Pumpenmotor (45^)
angetriebenen Tachogenerator (452) aufweist und daß das Tachogeneratorsignal dem Steuersignal der
Überwachungseinrichtung am Eingang des Leistungsverstärkers (455) entgegengeschaltet ist.
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