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Ionenaustauschereinrichtung
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Gegenstromprinzip verwendet. Mit Gegenstromprinzip können jene lonenaustauschersysteme bezeichnet werden, in denen die zu klärende Flüssigkeit zuerst mit dem weniger aktiven Teil, dann kontinuierlich mit den mehr aktiven Teilen der Ionenaustauschersäule in Berührung kommt. Solche Systeme können z. B. so entstehen, dass der Extraktionsvorgang in einem von unten nach oben sich bewegenden Strom, und die Regeneration in einem von oben nach unten sich bewegenden Strom durchgeführt wird. Diese Systeme können gegenüber den Systemen mit Gleichstromprinzip qualitative und wirtschaftliche Vorteile haben.
In den Ionenaustauschereinrichtungen mit Gegenstromprinzip ist die Umlagerung der Austauscherkörnchen unerwünscht. Wenn sich eine Verunreinigung grösseren Ausmasses in der Austauschersäule in erster Linie infolge der schwer zu vermeidenden Betriebsfehler oder infolge der mechanischen Verunreinigungen der Extraktions- oder der Regenerationslösung bemerkbar macht, wird die Auflockerung bzw. die Umlagerung der Austauscherkörnchen notwendig. Dies wird in der Regel durch das periodische Rückwaschen gewährleistet.
Die erwähnten Systeme mit Gegenstromprinzip ermöglichen das Rückwaschen nur in beschränktem Masse. Bei den bekannten Anlagen mit Gegenstromprinzip war die Umlagerung der Körnchen z. B. nur so möglich, dass ein Zusatzbehälter über den die Ionenaustauschermasse enthaltenden Hauptbehälter angeordnet wurde, und für die Regeneration ein Teil der Ionenaustauschermasse in diesem Zusatzbehälter rückgewaschen wurde. Die Regeneration wurde hier begonnen, dann wurde die in diesem Zusatzbehälter enthaltene Masse nach der Regeneration der Masse im Hauptbehälter in den Hauptbehälter zurückgespült. Es liegt jedoch auf der Hand, dass dieses Verfahren einerseits einen langwierigen Arbeitsvorgang anderseits eine wesentlich grössere Anlage beanspruchte und deswegen teuer war.
In andern Fällen war die Abstützung der Ionenaustauscherschicht labil, was die Wirksamkeit des Gegenstromes verminderte.
Zweck der Erfindung ist es, eine Ionenaustauschereinrichtung herzustellen, bei der einerseits die Abstützung der Ionenaustauscherschicht stabil ist, anderseits das Rückwaschen und damit gleichzeitig die Umlagerung der Ionenaustauscherkörnchen einfach gelöst werden kann.
Im Sinne der Erfindung werden diese Ziele ohne Zusatzbehälter durch Sicherung eines freien Raumes mit veränderlichem Volumen im Hauptbehälter erreicht.
Die zur Durchführung von Ionenaustauscherprozessen mit Gegen- oder Gleichstrom geeignete Einrichtung nach der Erfindung ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass im freien Raum über der Ionenaustauscherschicht ein zum Auffüllen mit Flüssigkeit oder Gas geeigneter Körper aus elastischem Material, z. B. Gummi, oder unelastischem Material, z.
B. aus Kunststoff (im weiteren kurz :"Kunststoff- körper" oder "Körper" genannt) so verwendet wird, dass im Laufe der Vorgänge, bei denen die Bewegung der lonenaustauscherschicht bzw. die Verdünnung der Flüssigkeit im Behälter unerwünscht ist, der genannte Körper aufgefüllt werden kann, der auf diese Weise den freien Raum über die Ionenaustauschermasse zum Teil oder ganz ausfüllt, während er in entgegengesetztem Falle infolge der Volumensver-
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ringerung des Körpers die Bewegung bzw. die Verdünnung ermöglicht.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann also nicht nur bei Ionenaustauschern mit Gegenstromprin- zip sondern auch bei Ionenaustauschern mit Gleichstromprinzip verwendet werden, und alle Arbeits- vorgänge, bei denen die Ionenaustauschermasse oder ihre Bewegung verhindert werden sollte, können in ihr einfach durchgeführt werden. Das Wesentliche der Erfindung wird in ihren Einzelheiten im Zusammen- hang mit den Ionenaustauschersystemen mit Gegenstromprinzip beschrieben.
Eine zum Ionenaustausch mit Gegenstromprinzip geeignete Einrichtung wird in der üblichen Zy- linderausführung, entweder oben kegelförmigen oder unten kegelförmigen bzw. in der erweiterten Zy" linderausführungsform verwendet. Im Sinne der Erfindung wird ein zum üblichenRückwaschen des Ionen- austauschers notwendiger freier Raum über der Ionenaustauscherschicht - gemessen vom oberen Zulauf der Extraktions- oder Regenerationslösung und der Waschlösung - gesichert. Zur Abführung derRegene- rationslösung oder der Extraktionslösung wird ein aus Siebknöpfen oder einem andern zur Verhinderung des Abfliessens der Ionenaustauscherkörnchen geeigneten, gepressten Rohrsystem bzw.
aus porösem Rohr- werkstoff mit kleinem Widerstand gefertigtes, abführendes Netz eingebaut.
Im Betrieb der Ionenaustauschersäule von unten nach oben (Vorgang der Regeneration bzw. des
Waschens oder der Extraktion) wird die Verrückung der Ionenaustauscherschicht gemäss der Erfindung durch die Anwendung eines an der Wand des Behälters oder an einer andern in den Behälter eingebauten
Vorrichtung angehängten, hohlen, mit Flüssigkeit oder Luft füllbaren, elastischen Gummi-oder Kunststoffkörpers verhindert. Das gleiche kann auch mit einem durch elastische Kunststoff- oder Gummiplatten verbundenen, mit mit Gas oder Flüssigkeit füllbaren Verspannungselementen versehenen Körper erzielt werden.
Dieser Körper wird während des von unten nach oben durchgeführten Arbeitsvorganges in einem mit Luft oder einem andern Gas bzw. mit Wasser oder einer andern Flüssigkeit gefüllten Zustand gehalten.
Der gefüllte Kunststoff- oder Gummikörper schmiegt sich an die Wand des Ionenaustauscherbehälters und stützt sich an das über der Ionenaustauscherschicht angeordnete Abführungsrohrsystem ab bzw. an die Ionenaustauschermasse, er verhindert die Verrückung der Ionenaustauscherschicht, während er den freien Raum über dem Ionenaustauscher zum Teil oder ganz ausfüllt. Das Schwellen der Ionenaustauschermasse wird durch die notwendige Begrenzung des im Inneren des Kunststoffkörpers herrschenden Gas- oder Flüssigkeitsdruckes mit dem Sicherheitsventil ermöglicht.
Vor dem von oben nach unten verlaufenden Prozess wird die Flüssigkeit bei geschlossener Abführungsleitung der Ionenaustauschersäule und bei geöffneter, aus dem Kunststoffkörper herausragender Luftoder Flüssigkeitsleitung in den mit Ionenaustauschermasse nicht gefüllten Raum des Ionentauscherbehälters gedrückt. Der Flüssigkeitsdruck presst die gasförmige oder flüssige Füllung des Kunststoffkörpers heraus, der Körper schrumpft sich zusammen und nimmt seine ursprünglichen Abmessungen an, so dass er die Strömung der von oben nach unten strömenden Flüssigkeit auf die Ionenaustauschermasse nicht hindert. Durch eine entsprechende Auswahl der ursprünglichen Form des Kunststoffkörpers kann die gleichmässige Verteilung der von oben kommenden Flüssigkeitsströmung auf der Ionenaustauscherschichtge- fördert werden.
Natürlich ist auch die Möglichkeit vorhanden, die von oben nach unten strömende Flüssigkeit durch das schon erwähnte und über der Ionenaustauscherschicht angeordnete Wasserabführungs-bzw.-zu- führungssystem in die Ionenaustauschersäule zu fördern. In diesem Falle ist das Entleeren des Kunststoffkörpers auch für die Dauer des von oben nach unten durchgeführten Arbeitsvorganges nicht nötig. Bei dieser Betriebsweise genügt es, die Füllungsflüssigkeit oder das Füllungsgas aus dem Kunststoffkörper nur während des mit der Ausdehnung der lonenaustauscherschicht verbundenen Rückwaschungsvorganges zu verdrängen. Natürlich wird der Prozess auch dadurch nicht schädlich beeinflusst, wenn die Kunststoffkugel bei dieser Betriebsweise nicht gefüllt wird.
Beim Rückwaschen der Ionenaustauschermasse bedeutet der Umstand einen besonderen Vorteil, dass der freie Raum mit dem Mass der Füllung des Kunststoffkörpers beliebig verkleinert werden kann, und so die Waschgeschwindigkeit der verunreinigten Lösung bei gleichbleibend oder verringert zugeführter Wassermenge erhöht werden kann.
Die Einrichtung kann natürlich auch beim in Gleichstrom durchgeführten Ionenaustausch zur Verkleinerung des schädlichen Totraumes vorteilhaft verwendet werden.
Die Ausführung der in der vorhergehend beschriebenen Anlage ist aus der Zeichnung ersichtlich. Die lonenaustauschermasse 2 wird auf dem Filterboden oder auf einer andern Tragschicht im zylindrischen Ionenaustauscherberhälter 1 untergebracht. Über die Ionenaustauscherschicht befindet sich das zur Verhinderung des Abfliessens der lonenaustauscherkörnchen geeignete, mit engen Spalten versehene Netz
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oder das aus einem andern porösen Werkstoff usw. gefertigte System 3. Über dem befindet sich der freie Raum 4 in der Säule. Oben auf der Säule ist der zur Zuführung der Extraktionslösung geeignete Verteiler 5 üblicher Ausführung. Der Kunststoffkörper (oder der elastische Gummikörper) wurde an den die Strömung der zufliessenden Flüssigkeit brechenden Platten 6 befestigt.
Zur Füllung des Körpers mit Flüssigkeit oder Gas dient die Rohrleitung 7, die mit einem Sicherheitsventil 8 versehen wird.
Die Einrichtung funktioniert folgendermassen : Beim Arbeitsgang Extraktion werden die Ventile "a" und"b"geöffnet. Nach Beendigung der Extraktion wird die Ionenaustauschersäule zweitweise durch die Ventile"c"und"d"ruckgewaschen. Während dieser zwei Arbeitsgänge bleibt der Kunststoffkörper ungefüllt. Danach muss die Ionenaustauschersäule in einem von unten nach oben sich bewegenden Strom
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fliesst. Nach dem Erreichen des entsprechenden Druckes z. B. von 2 atü werden die Ventile"e"und"d" geschlossen, und die Regenerationslösung wird nach Öffnen der Ventile"f"und"g"in einem Strom von unten nach oben durch die Ionenaustauscher ladung strömen gelassen. Auf diesem Wege wird der Überschuss an regenerierenden Chemikalien in einem langsamen und dann in einem schnellen Tempo ausgewaschen.
Danach werden die Ventile"a"und"b"geöffnet, und der Kunststoffkörper wird entleert.
Nach Beendigung der Entleerung beginnt ein neuer Extraktionsvorgang bei geöffneten"a"und"b"Ven- tilen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Durchführung von lonenaustauschprozessen nach dem Gegenstrom-oder Gleich-
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schicht einen zum Auffüllen mit einer Flüssigkeit oder einem Gas geeigneten, aus elastischem Material, z. B. Gummi oder unelastischem Material, z. B. Kunststoff, bestehenden Körper enthält, der während der Arbeitsgänge, während derer die Bewegung der Ionenaustauscherschicht bzw. die Verdünnung der Flüssigkeit im Behälter unerwünscht ist, aufgefüllt werden kann und auf diese Weise den freien Raum über die Ionenaustauscherschicht zum Teil oder ganz ausfüllt.
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Ion exchange device
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Countercurrent principle used. The countercurrent principle can be used to describe those ion exchange systems in which the liquid to be clarified first comes into contact with the less active part and then continuously with the more active parts of the ion exchange column. Such systems can e.g. B. arise in such a way that the extraction process is carried out in a stream moving from bottom to top, and regeneration is carried out in a stream moving from top to bottom. These systems can have qualitative and economic advantages over systems based on the direct current principle.
The rearrangement of the exchange granules is undesirable in the ion exchange devices based on the countercurrent principle. If a major degree of contamination becomes noticeable in the exchanger column primarily as a result of operating errors that are difficult to avoid or as a result of mechanical contamination of the extraction or regeneration solution, loosening or rearrangement of the exchange granules is necessary. This is usually ensured by periodic backwashing.
The systems mentioned with the countercurrent principle only allow backwashing to a limited extent. In the known systems with countercurrent principle, the rearrangement of the granules was z. B. only possible in such a way that an additional container was arranged over the main container containing the ion exchange mass, and part of the ion exchange mass was backwashed in this additional container for the regeneration. The regeneration was started here, then the mass contained in this additional container was flushed back into the main container after the regeneration of the mass in the main container. It is obvious, however, that this method, on the one hand, required a lengthy work process and, on the other hand, required a much larger system and was therefore expensive.
In other cases the support of the ion exchange layer was unstable, which reduced the effectiveness of the countercurrent.
The purpose of the invention is to produce an ion exchange device in which, on the one hand, the support of the ion exchange layer is stable, and, on the other hand, the backwashing and thus at the same time the rearrangement of the ion exchange granules can easily be solved.
In the context of the invention, these goals are achieved without additional containers by securing a free space with a variable volume in the main container.
The device according to the invention suitable for carrying out ion exchange processes with countercurrent or cocurrent is accordingly characterized in that in the free space above the ion exchange layer a body made of elastic material suitable for filling with liquid or gas, e.g. B. rubber, or inelastic material, e.g.
B. made of plastic (hereinafter referred to as "plastic body" or "body") is used so that in the course of the processes in which the movement of the ion exchange layer or the dilution of the liquid in the container is undesirable, said body can be filled, which in this way fills the free space over the ion exchange mass partially or completely, while in the opposite case it fills up as a result of the volume loss
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Reduction of the body allows movement or thinning.
The device according to the invention can therefore not only be used in ion exchangers with countercurrent principle but also in ion exchangers with cocurrent principle, and all work processes in which the ion exchanger mass or its movement should be prevented can be carried out easily in it. The essentials of the invention are described in detail in connection with the ion exchange systems using the countercurrent principle.
A device suitable for ion exchange using the countercurrent principle is used in the usual cylinder design, either conical at the top or conical at the bottom, or in the extended cylinder design. measured from the upper inlet of the extraction or regeneration solution and the washing solution. To discharge the regeneration solution or the extraction solution, a pressed pipe system made of knobs or another suitable to prevent the ion exchange granules from flowing out is used.
Built-in drainage network made of porous pipe material with low resistance.
In operation of the ion exchange column from bottom to top (process of regeneration or des
Washing or extraction), the displacement of the ion exchange layer according to the invention is carried out by using one built into the container on the wall of the container or another
Device attached, hollow, elastic rubber or plastic body that can be filled with liquid or air. The same can also be achieved with a body connected by elastic plastic or rubber plates and provided with tensioning elements that can be filled with gas or liquid.
This body is kept in a state filled with air or another gas or with water or another liquid during the working process carried out from bottom to top.
The filled plastic or rubber body nestles against the wall of the ion exchange container and is supported on the discharge pipe system arranged above the ion exchange layer or on the ion exchange mass, it prevents the ion exchange layer from moving while it partially or completely fills the free space above the ion exchanger . The swelling of the ion exchange mass is made possible by the necessary limitation of the gas or liquid pressure inside the plastic body with the safety valve.
Before the process, which runs from top to bottom, with the discharge line of the ion exchange column closed and with the air or liquid line open and protruding from the plastic body, the liquid is pressed into the space of the ion exchange container that is not filled with ion exchange material. The liquid pressure presses out the gaseous or liquid filling of the plastic body, the body shrinks and assumes its original dimensions, so that it does not prevent the flow of the liquid flowing from top to bottom onto the ion exchanger mass. By appropriately selecting the original shape of the plastic body, the uniform distribution of the liquid flow coming from above on the ion exchange layer can be promoted.
Of course, there is also the possibility of conveying the liquid flowing from top to bottom into the ion exchange column through the already mentioned water removal or supply system arranged above the ion exchange layer. In this case, it is not necessary to empty the plastic body for the duration of the work process carried out from top to bottom. With this mode of operation it is sufficient to displace the filling liquid or the filling gas from the plastic body only during the backwashing process associated with the expansion of the ion exchange layer. Of course, the process is not adversely affected if the plastic ball is not filled in this mode of operation.
When backwashing the ion exchange compound, the fact that the free space can be reduced as desired with the size of the filling of the plastic body means that the washing speed of the contaminated solution can be increased with the same or reduced amount of water supplied.
The device can of course also be used advantageously in the case of ion exchange carried out in direct current to reduce the harmful dead space.
The design of the system described above can be seen in the drawing. The ion exchange mass 2 is accommodated on the filter base or on another support layer in the cylindrical ion exchange container 1. The network provided with narrow gaps, which is suitable for preventing the ion exchange granules from flowing away, is located over the ion exchange layer
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or the system 3 made of another porous material, etc. Above that is the free space 4 in the column. At the top of the column is the distributor 5 of the usual design suitable for supplying the extraction solution. The plastic body (or the elastic rubber body) was attached to the plates 6 breaking the flow of the inflowing liquid.
The pipe 7, which is provided with a safety valve 8, is used to fill the body with liquid or gas.
The device works as follows: During the extraction process, valves "a" and "b" are opened. After the extraction is complete, the ion exchange column is backwashed twice through valves "c" and "d". The plastic body remains unfilled during these two operations. After that, the ion exchange column must be in a current moving from bottom to top
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flows. After reaching the appropriate pressure z. B. from 2 atm, the valves "e" and "d" are closed, and the regeneration solution is allowed to flow through the ion exchanger charge after opening the valves "f" and "g" in a stream from bottom to top. In this way, the excess regenerating chemicals are washed out at a slow and then at a fast pace.
Then valves "a" and "b" are opened and the plastic body is emptied.
When the emptying is complete, a new extraction process begins with the "a" and "b" valves open.
PATENT CLAIMS:
1. Device for carrying out ion exchange processes according to the countercurrent or cocurrent
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layer a suitable for filling with a liquid or a gas, made of elastic material, for. B. rubber or inelastic material, e.g. B. plastic, contains existing body that can be filled during the operations during which the movement of the ion exchange layer or the dilution of the liquid in the container is undesirable and in this way fills the free space over the ion exchange layer partially or completely.