1 1

Kosteneinsparung durch... ...optimierte Spültechnik

Wie wird die erforderliche Spülwassermenge berechnet? Welche Wasserqualitäten stehen zur Verfügung? Wie kann ich präventiv Spülwasser einsparen? Warum muss ich den Spüleffekt verstärken? Wie sehen typische Fehlerbilder aus?

von Herbert Hauser, Dipl. Ing. (FH) Oberflächentechnik

ProWaTech AG

Botzen 12

CH-8416 Flaach ZH

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1

2

Wasser

Grundlagen

H2O:

Transport- und Lösungsmittel

18,18 MOhm = 0,055 µS/cm

Quelle: Wikepedia

3

Grenzflächenenergie (J/m2) ~ Grenzflächenspannung (N/m) Formel: s(I/III) = s(I/II) + s (II/III) x cos g g = 0° → 1 g = 90° → 0 g = 180° → - 1

Die Widerungen des Alltags, Teil 1

III I

II

Grundlagen

4

Grundlagen

Prandtl‘sche Grenzschicht : Formel:

dP ~ √ h x l

r x vK Abtransport durch Konvektion Grenzschicht dp = laminare Strömung Feststoffoberfläche = 0 m/sec.

Die Widerungen des Alltags, Teil 2

5

Grundlagen

Nernst‘sche Grenzschicht : Formel:

JD ~ - D x c0 - cOF ci dN ~ dP / 10 Abtransport durch Diffusion(-sgradient) keine Feststoffe

Die Widerungen des Alltags, Teil 3

6

Grundlagen

auch ohne Kontamination während Spülprozess:

reaktive Metalloberfläche mit H2O

und O2

Die Widerungen des Alltags, Teil 4

Quelle: Wikepedia

7

Definition: V Verschleppung (Menge pro Zeiteinheit) Q eingesetzte Spülwassermenge pro Zeiteinheit c0 Konzentration im Aktivbad cn Konzentration in der n-ten Spüle R Spülkriterium in der n-ten Spüle

Spülen ist…?

Verdünnungslehre

Q ~ -- V

Q -- > 10 Bedingung: Gleichgewichteinstellung

V

8

Rechenbeispiele

Prozess: Elektropolieren INOX (2,5 Equiv./l Kat., 19,0 Equiv./l Ani.)

Durchsatz: 500 dm2/h Verschleppung: 1 l/h (0,20 l/m2)

Spülkriterium: 5‘000 (0,16 g/l Säuren)

Variante 1, eine Fliessspüle Spülwasserbedarf: 5‘000 l/h Abwasseranfall: 5‘000 l/h

Q

Q

Verdünnungslehre

9

Rechenbeispiele

Prozess: Elektropolieren INOX Durchsatz: 500 dm2/h Verschleppung: 1 l/h Spülkriterium: 5‘000 Variante 2, dreifach Spülkaskade Spülwasserbedarf: 17,1 l/h Abwasseranfall: 17,1 l/h

Q

Q

Verdünnungslehre

10

Rechenbeispiele

Prozess: Elektropolieren INOX Durchsatz: 500 dm2/h Verschleppung: 1 l/h Spülkriterium: 5‘000 Variante 3, Sparspüle/Fliessspüle Spülwasserbedarf (Sparspüle): 5,5 l/(h) Spülwasserbedarf (Kreislauf): 500 l/h Abwasseranfall (Sparspüle): 5,5 l/(h) Abwasseranfall (Eluate): 3,1 l/(h)

Q1

Q1 E

IAT

Verdünnungslehre

Q2

11

Vergleich Spültechnik

Verdünnungslehre

Vor-

/Nachteile

Sparspüle Kaskade Spritzspüle Fliessspüle

+ Hohe

Konzentration

(Recycling)

Geringster

Wasserbedarf

Universell

einsetzbar (kein

Kreislauf)

Geringer

Wasserbedarf

Zwei

Spülprozesse

in einer Wanne

Hoher

Spüleffekt

Höchste

Spülwasser-

qualität

und Prozess-

sicherheit

- Schwankende

Konzentrationen

(Qualität)

Geringer

Spüleffekt

(Agitation)

Hoher

Platzbedarf und

Prozesszeiten

Geringer

Spüleffekt

(Agitation)

Sprühnebel

Nur bei flachen

Teilen (keine

Trommeln)

bei kreislauf-

fähigen

Prozessen

in Verbdg. mit

Sparspülen

besonders

wirtschaftlich

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 4 5

mg/l Fe

Tag

Spüle, Nr. 1

12

Anlage Spüle

(l)

Konzentration

(g/l Fe)

Verschleppung

(l/Woche)

Vor-behandlung

350 1,02 4,9

Passivierung 350 0,56 2,6

Handanlage 500 2,11 14,5

Total (2012) 22,0

Total (2013) 30,0

Erfassung der Verschleppung

Kennzahlen

Kennzahlen

Fertigungsart Geometrie Verschleppung

Gestelltechnik Schwach schöpfende Teile

(Bleche, 10 sec.)

0,1 - 0,15 l / m2

Massenware

(Trommel)

50 kg Schüttgewicht

(Schneidezähne, 2x ½

Drehung)

2,0 - 3,0 l / Trommel

Vibratoren 15 kg Mikroteile

(Chips, 2 Mio. Teile)

3,0 - 4,0 l / Charge

Spezifische Verschleppung

13

14

Prozess Spülkriterium (R)

Vorbehandlung 500 - 2‘000

Abscheidebäder 2‘000 - 5‘000

Nachbehandlung 5‘000 - 20‘000

Medizinaltechnik,

Mikroelektronik,

Uhrenindustrie

20‘000 - 2‘000‘000

Kennzahlen

Spülkriterien

15

Abwasseranfall zu Flächendurchsätze

Betrieb 1 - Thermobeschichter

(Vorbehandlung, Sprühverfahren)

5,0 m3/d bei 900 m2 6 l / m2

Betrieb 2 - Leitenplattenhersteller

(DK, LBA, Endschichten)

144 m3/d bei 240 m2

(Zuschnitt)

600 l / m2

(Zuschnitt)

Betrieb 3 - Inhouse-Produzent

(Gleitschleifen, Elektropolieren, Passivieren)

8 m3/d bei 18 m2 440 l / m2

Kennzahlen

Abwasser-Quantitäten

16

Wasserqualitäten - Jedem das Seine

Kennzahlen

Frischwasser (250 - 650 µS/cm)

Weichwasser (0 oder 10 °fH)

Kreislaufwasser (5 - 30 µS/cm)

Reinwasser (1 - 5 µS/cm)

Reinstwasser (< 1 µS/cm)

Q1

Q1

P SS

E

IAT

FS

...

E

IAT

VE-S

... ...

17

Alternative Spültechnologien

Rekuperativ-Spülen

Q = 0

Q = 0

1 2

...-2-1-2-...

Aktivbad Spüle c1 = 0,5

Q

Q

1 2 3 4

Aktivbad Aktivbad Spüle Spüle

Mehrfachverwendung von Spülwasser

Vermeidungsmassnahmen

18

Spülwässer regulieren

Spülwassermengen-Regulierung

Fliessspülen

Vermeidungsmassnahmen

19

Prozessbäder: → Konzentrationen senken, Abspritzen/Vernebeln über Aktivbad,

Ueberlauf-Badbewegung, Badverdunstung erhöhen

Gestell- und Trommeltechnik: → Abtropfzeiten (10 sec.), Kippvorrichtung, Drehung über Aktivbad (2x ½), Drainagetrommeln, Saug-Blas-Systeme

Trocknungstechnik: → Puls-Blas-System (Gestelle), Trocknungszentrifugen (Massenware)

Präventive Massnahmen

Vermeidungsmassnahmen

20 20

Agitation:

→ Badumwälzung, Warenbewegung, Lufteinblasung,

Schwalldüsen → mehrfaches Ein-und Ausfahren der Ware → Spritzspülen: getaktetes Spritzen, Hochdruckspritzen, Vernebeln... → Ultraschall → Hydroson

Präventive Massnahmen

Vermeidungsmassnahmen

21

Ultraschallunterstützung

Druckwellen oberhalb Hörfrequenz (> 16 kHz) Dampfblasen, die wieder kollabieren: → Implosion und somit Mikrojet (>1‘000 bar)

Abtransport von Pigmenten, Salze... 27 kHz für Spülwässer Badumwälzung erforderlich Problem der stehenden Wellen Gefahr der Kavitation

Vermeidungsmassnahmen

22

Gestelltechnik: gute Gestellpflege, Anordnung der Teile, Gestellgeometrie, Kapillarwirkung

Trommeltechnik / Vibrotechnik: gute Trommelpflege, grosse Perforation, keine verschlissene Kontaktierungen oder "klebende Teile"

Vermeidungsmassnahmen

Hohe Verschleppungen vermeiden

23

Bereich Leitwert (µS/cm)

Mikroorganismen (Keimzahlen, KBE/ml)

Organika

(TOC, mg/l)

Endotoxine

(LAL-Test, EU/ml)

Kreislaufwasser

(Lohngalvanik) < 30 100 - 10‘000 0,1 - 5,0 -

Reinwasser

(Lohngalvanik) 1,0 - 5,0 < 300 0,1 - 3,0 -

Kreislaufwasser

(Medizinaltechnik) < 1,0 < 100 < 0,5 < 0,50

Highly Purified Water

(gemäss EP) < 1,1 (20°C)

< 10 (100 ml)

< 0,5 < 0,25

Anforderungen an das Prozesswasser

Besondere Anforderungen

Wasserqualitäten

Frischwasser aus Quellen-, Grund- und Seewasser (250 bis 650 µS/cm)

kein Aufbereitungsverfahren im Betrieb

Weichwasser der Enthärtung (0° fH oder 5° bis 10 °fH = teilenthärtet)

Ionenaustausch

Reinwasser (vollentsalztes-, Osmose- oder Demi.-Wasser (5,0 bis 30 µS/cm)

Umkehrosmose oder Ionenaustauscher

Reinstwasser (1,0 bis 5,0 µS/cm)

Umkehrosmose und Ionenaustausch

Hoch reines Wasser (< 1,0 µS/cm)

Elektrodeionisation, ...

Besondere Anforderungen

25

Medizialtechnik

Medizinaltechnik

UV-Entkeimung und Steril-Filtration

Vermeidung von TOC

Höchste Spülwasserquantität und -qualität

Mikrobiologische Anforderungen

Reinheit der Oberfläche

Komplexe Oberflächengeometrien

26

Mikrobiologische Anforderungen

→ Vermeidungsmassnahmen → Reinigungsmassnahmen (Chemie) → UV-Entkeimung

Medizialtechnik

27

Ultraviolett-Entkeimung

Ausrüstung: redundante UV-Durchflussstrahler Ueberwachung der Strahlerleistung Sterilfilter nach UV-Entkeimung Be- und Entlüfter für Behälter IR-Schweissen PP / PPN oder INOX

Medizialtechnik

28

Spülwasserkreislauf (< 0,2 µS/cm)

Mobile Ionenaustauscher Stationäre Ionenaustauscher

Medizialtechnik

29

Uhren- und Schmuckindustrie

Uhrenindustrie

Dekorative Funktion

Komplexe

Oberflächengeometrien

Mikrostrukturen

Spülwasserkreisläufe mit

hoher Spülwasserquantität

Schlussspülung mit

Reinstwasser < 2 µS/cm

Warmwasserspülen

Waschanlagen

30

Enthärtung / Umkehrosmose / Ionenaustausch

Uhren- und Schmuckindustrie

Osmose inverse Installation d`adoucissage 2x station de pompage

station de pompage

pour rétentat

Cation Anion

Eau de ville

Eau démi.

Régénération externe

NaCl

LI

°fH °fH

µS

BF10

LI

Permeat

UV

µS

31

Enthärtung / Umkehrosmose - state of the art

Qualitätsgesteuerte Doppel-Enthärtung in Reihenschaltung/Gegenstromregeneration

Umkehrosmoseanlage mit Online-Ueberwachung (F, P, Q)

Uhren- und Schmuckindustrie

µS

Ionenaustauscher-Kreislaufanlagen (RT)

BF10

LI

Wasser

LI

HCl

H2O

µS µS

NaOH

H2O

LI

Kationen Anionen

Regenerierstation

DP

µS

Rohwasserstation

Filter

Fliessspülen der Produktion

Eluate

µS

Salzfracht: 3 Equiv./m3

Badumwälzung: 3-5 x/h

Uhren- und Schmuckindustrie

33

BF10

LI

W

asser

Kationen Anionen

Rohwasser

Schlussspüle der Produktion

µS

PI FI

UV

QUV

externe

Regeneration

Ionenaustauscher-Kreislaufanlagen (50-55 °C)

Stand alone

fleckenfreie Trocknung

Uhren- und Schmuckindustrie

34

Senkung von gesamte organische Kohlenstoff (TOC)

Präventive Vermeidung:

→ Spültechnik (Eintrag), Materialien (Rohre, Harze)

Aktivkohle-Reinigung UV-Photooxidation

Uhren- und Schmuckindustrie

35

TOC-Entfernung via Aktivkohle

Jodzahl: 1‘050 mg/g min. BET: 1‘100 m2/g TOC < 0,5 mg/l im Auslauf

TOC (mg/l)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 1 2 3 4 5

TOC (stündlich)

Uhren- und Schmuckindustrie

36

Korbzentrifuge zur Feststoffabtrennung

Kenndaten für INOX: < 90 °C, 0 < pH < 14

2 - 4 m3/h > 10 Mikrometer > 2 % Dichteunterschied 1’930 x g

Gleitschleifen / Bandschleifen

37

Applikationen: → Prozesswasser-Kreislauf

→ Abwasser-Vorreinigung

Korbzentrifuge zur Feststoffabtrennung

Gleitschleifen / Bandschleifen

38

Verfahren Technologie Kosten pro m3

enthärtetes Wasser (0 °fH) Ionenaustauscher + CHF 00.90*

vollentsalztes Wasser (15 µS/cm) Umkehrosmose + CHF 02.40*

Spülwasser-Kreislauf (3 Equivalente/m3) Ionenaustauscher CHF 00.30

Spülwasser-Kreislauf /

Abwasser-Reinigung

Ionenaustauscher /

physikalisch/chemische

Abwasseranlage

CHF 50.00

Spülwasser-Kreislauf /

Abwasser-Reinigung

Ionenaustauscher /

Brüdenverdichter CHF 80.00

* ohne Frisch-/Abwassergebühren (CHF 2.50 - 5.00/m3)

Betriebskosten

Spezifische Kosten durch Prozesswassererzeugung

39

Verfahren Technologie Kosten pro m3

Spülwasser-Kreislauf /

Abwasser-Reinigung

Ionenaustauscher /

physikalisch/chemische

Abwasseranlage

CHF 50.00

Spülwasser-Kreislauf /

Abwasser-Reinigung

Ionenaustauscher /

Brüdenverdichter CHF 80.00

schadstofffreie Spülwässer (0,5 mg/l Me) pH-Wert Einstellung CHF 00.80

Externe Entsorgung Speicherstation CHF 500.00

Betriebskosten

Spezifische Kosten durch Abwasserreinigung

Beispiel: Elektropolieren von Edelstahlsieben

Typ Spezifische

Kosten (pro l)

Chemisch Entgraten CHF 0.30/l

Beizen CHF 2.00/l

Elektropolieren CHF 6.50/l

Betriebskosten

Spezifische Kosten durch Prozesslösung

40

Elektropolieren von Edelstahlsieben

Typ Ver-

schleppung

Spezifische

Kosten

Gesamtkosten

(anno)

Entgraten

/Elektropolieren

von Sieben

60 l/Tag CHF 5.85/l

(3.40/kg,

1.72 kg/l)

CHF 105’300.00

Betriebskosten

Praxisbeispiel

41

Elektropolierlösung 5.85 CHF/l x 60 l/Tag = CHF 351.50/Tag

Entgiftungschemikalien 0.21 CHF/kg NaOH x 115 kg/Tag = CHF 24.15/Tag

7.20 CHF/kg OS x 1,25 kg/Tag = CHF 9.00/Tag

Schlammentsorgung 0.85 CHF/kg Schlamm x 72 kg/Tag= CHF 61.20/Tag

Total: = CHF 421.20/Tag

oder jährlich: 421.20 CHF/Tag x 250 Tage/Jahr = CHF 105‘300.00

42

Typische Fehlerbilder

Anätzungen

Kürzere Wechselintervalle

Höhere Durchflussmenge

Weiterführender Ätzprozess

Unzureichende Spülwassermenge

43

Typische Fehlerbilder

Tropfflecken

Kontaktierungsstelle

Restsalze

Gestellpflege

Kreislaufspüle

Reinwasserschlussspüle

Warmwasserspüle

44

Typische Fehlerbilder

Kapillarwirkung

schöpfend, hohe Verschleppung

Sacklöcher, Bohrungen, etc.

hohe Wasserqualität

Warmwasserspülen

mehrfaches Ein- und Ausfahren

Vibrationstechnik/Warenbewegung/Luft

Direkte Anströmung

45

Typische Fehlerbilder

Unzureichende Wasserqualität

und -quantität

Antrocknen, Passivschichten

Querverschmutzungen

Zwischenspülfehler

Steigerung der Wasserqualität und -quantität

separate Kreisläufe

Prozesse und Produkte abgestimmt

46

Typische Fehlerbilder

Mikroorganismen

Algen im Kreislaufwasser

UV-Entkeimung

Biozid-Dosierung

Turnusmässige Reinigung

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Fragen

Kennen Sie Ihre Betriebskosten für jedem Prozessschritt? Verwenden Sie die richtige Wasserqualität? Wie können Sie Abwasser weiter vermindern? Setzen Sie die optimale Spülwassermenge ein? Kann ich Produktionsfehler dem Spülwasser zuordnen?

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Zusammenfassung

Machen Sie sich mit Ihren Spülprozessen vertraut Basis für eine optimierte Spültechnik: IST-Analyse Hinterfragen Sie kritisch die IST-Situation Einzelbetrachtung für ökologische und ökonomische Lösung Nur so viel Prozesswasser und -qualität wie notwendig

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Kosteneinsparung durch... ...optimierte Spültechnik

ProWaTech AG

Botzen 12

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und Herbert Hauser, Dipl. Ing. FH Oberflächentechnik

und Herbert Hauser, Dipl. Ing. FH Oberflächentechnik

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