Verfahren zur Ausführung von Austauschreaktionen, insbesondere zur Enthärtung von Wasser. Vorliegende Erfindung betrifft ein Ver fahren zur Ausführung von Austausch reaktionen. Bei Austauschreaktionen wird ein Austauschmaterial verwendet, um eine Substanz aufzunehmen, und nachher durch eine Umkehr des Verfahrens, gewöhnlich als Regenerierverfahren bekannt, dieses Aus tauschmaterial wieder in seine frühere aktive Form zurückzuführen.
Ein Beispiel einer solchen Reaktionen, auf welche sich die vor liegende Erfindung insbesondere bezieht, ist die Enthärtung von Wasser durch basische Austauschmaterialien, wobei ein Austausch von Basen zwischen dem festen Austausch material und der Flüssigkeit stattfindet. Solche Reaktionen werden entweder als völ lig chemische Reaktionen betrachtet oder als auf Adsorption beruhend oder als die. charakteristischen Merkmale beider besitzend, je nach den Bedingungen, unter welchen das Verfahren ausgeführt wird.
Allgemein ge sprochen, wurde das Austauschmaterial, zum Beispiel das Enthärtungsmaterial für Was ser, bisher in der Praxis in Gestalt eines Filterbettes verwendet, dessen Integrität während dem Verfahren aufrecht erhalten wurde. Es wurde bereits der Vorschlag ge macht, mit diesem Material in Wasser sus pendiert zu arbeiten; aber dieser Vorschlag ist nicht zur praktischen Ausführung ge langt. Es haften jedoch dem Verfahren, das Austauschmaterial in Gestalt eines Filter bettes zu verwenden, verschiedene Nachteile an. Zunächst kann das Verfahren nicht vollkommen kontinuierlich sein, da die Ent- härtungsreaktion nach einer gewissen Zeit dauer unterbrochen werden und das Aus tauschmaterial regeneriert werden muss, um es wieder vollkommen aktiv zu machen.
Ferner können Teilchen des Austausch materials, welche einen gewissen Grad der Feinheit überschreiten, nicht in einem Filter verwendet werden, da. sie die Bildung von Schmutz begünstigen, welcher die Zwischen räume im Filterbett ausfüllt und letzteres undurchlässig macht. Aus diesem Grunde gibt es eine beträchtliche Menge von Ma terialien, wie Glaukonit, die wegen der Fein- heit ihrer Bestandteile nicht zur Enthärtung von Wasser verwendet werden können.
Wenn jedoch verhältnismässig grobe Teil chen in einem Filterbette sich befinden, so ist der Kontakt derart, dass wesentliche Teile der Oberflächen solcher Teilchen, die aktiv sein könnten und an der Reaktion teilnehmen könnten, daran verhindert werden" da sie nicht in Kontakt mit dem Wasser kommen können. Es hat sich als richtig heraus gestellt, dass zur Erhöhung der Adsorption es von grösserer Bedeutung ist, die freie Oberfläche des Austauschmaterials zu ver grössern, als die Reaktionszeit zu verlängern.
Hauptzweck vorliegender Erfindung ist es nun, die Ausführung solcher Austausch reaktionen derart zu ermöglichen, dass die freie aktive Oberfläche des Austauschkörpers so viel als möglich vergrössert wird, um züi ermöglichen, dass Austauschmaterial, gleich gültig, in was für einem feinen Zustande es sich befindet, verwendet werden kann und -ich, soweit als möglich, diese Reaktion in <B>i</B> al einem vollkommen kontinuierlichen Kreislauf auszuführen.
Ferner wird durch vorliegende Erfindung angestrebt, die Grösse der benötig ten Anlage, im Vergleich züi den bei den jetzigen Verfahren benützten Anlagen, so weit als möglich zu reduzieren, und endlich die Menge Austauschmaterial, welche nötig ist, für eine bestimmte Menge des zu be handelnden Materials zu reduzieren.
Gemäss dem Verfahren nach vorliegender Erfindung wird das Austauschmaterial wäh rend der Reaktion in Suspension in der Flüssigkeit, welche an der Reaktion teil nimmt, gehalten, welche Flüssigkeit gezwun gen wird, nach aufwärts zu strömen, das heisst entgegen der natürlichen Fallrichtung des Austauschmaterials.
Bei der Enthärtung von 'Wasser kann auf diese Weise das Aus tauschmaterial durch das aufwärts fliessende harte Nasser in Suspension gehalten wer den, oder es kann während des Regenerier verfahrens durch den aufwärts gerichteten Strom der Regenerierlösung, welche gewöhn lich eine Lösung von Kochsalz ist, in Sus pension gehalten werden, oder beide Teile des Verfahrens können ausgeführt werden, wo bei das Austausclimateria.l in Suspension durch die Aufwärtsströmung der betreffen den Flüssigkeit gehalten wird.
Beim vor liegenden Verfahren ist der tatsächliche Be trag, um welchen das Austauschmaterial fällt oder sinkt, gleicb der Differenz zwi schen seiner natürlichen Siiil@gescliwindigl@eit und der Geschwindigkeit der betreffenden nach oben strömenden Flüssigkeit. Die in der Praxis möglichen drei Fälle sind fol gende: 1.
Wenn die Geschwindigkeit der Auf wärtsströmung der Flüssigkeit gleich ist der natürlichen Sinkgeschwindigkeit des Austauschmaterials, so ist die tatsächliche Sinkbewegung des Austauschmaterials = 0, lind theoretisch bleibt das Austauschmaterial stationär im Raum;
diese Bedingung kann in der Praxis mit genügender Genauigkeit erreicht werden, obwohl es tatsächlich un möglich ist, eine Strömung der züi behan delnden Flüssigkeit oder der Regenerier- flüssigkeit züi erzeugen, welche wirbel frei ist. ?. Die Aufwärtsströmung des -Wassers kann mit einer Geschwindigkeit stattfinden, welche grösser ist als die natür liche Sinlzguschwindigkeit des Austausch materials.
Die tatsächliche Sinhbcwcgttng ist negativ, d;is heisst. das Material bewegt sich naeli @nifwiirts mit einer Geschwindig keit, welche gleich ist der Differenz zwi schen der Geschwindigkeit der sich nach oben bewegenden Flüssigkeit und der natür lichen @inhgcschwindighcit;
des Austausch material. ). Endlich tann die Geschwindig keit der Aufwärtsströniun- der Flüssigkeit kleiner sein. als die natürliche Sink- gescIiwindigl@cit des Miitcri@lls:
dann fällt das letztere mit einer Geschwindigkeit, wel che kleiner ist als die natürliche Sink- geschwindigheit und welche gleich ist der Dif ferenz der natürlichen Sinlzgescliwindigkeit und der CTcschwindi@@@heit der Aufwärtsströ- mung der Flüssigkeit. Die Zeitdauer des Kontaktes zwischen dem Ausgaiig,smatcrial und der Fliissigkeit,
welche behandelt wer den soll, oder der Regenerierflüssigkeit kann in gewünschter Weise durch Wahl der Ge- schwindigkeit der Flüssigkeit und der Länge des Gefässes oder der Säule, in welcher die Reaktion stattfindet, erhalten werden.
Falls erwünscht, kann das ganze Verfahren, zum Beispiel im Falle der Enthärtung von Was ser, als geschlossener Kreisprozess ausgeführt werden, indem dafür Sorge getragen wird, dass das Austauschmaterial nacheinander mit den zu enthärtenden Wasserteilchen und dann mit der Regenerierflüssigkeit in Kon takt kommt.
Auf beiliegender Zeichnung sind Aus führungsbeispiele von Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens nach vorliegen der Erfindung dargestellt, in welcher: Fig. 1 schematisch im Aufriss eine erste Ausführungsform der Einrichtung darge stellt; Fig. 2 ist eine Fig. 1 entsprechende, aber . teilweise abgeänderte, Ausführungs- form;
Fig. 3 zeigt ein weiteres abgeändertes Ausführungsbeispiel; Fig. 4 zeigt ein der Fig. 2 ähnliches Aus führungsbeispiel, durch welches das Ver fahren annähernd als geschlossener Kreis prozess durchgeführt werden kann; Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem eine tatsächliche Bewegung des Austauschmaterials nach oben stattfindet; Fig. 6 zeigt eine Einrichtung, bei wel cher bei verschiedenen Teilen des Kreis prozesses verschiedene Teile der Einrichtung verwendet werden, und Fig. 7 zeigt ein Detail im Schnitt.
In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 ist angenommen, dass das Ver fahren derart ausgeführt wird, da.ss die Ge schwindigkeit *der Aufwärtsströmung der Flüssigkeit so nahe als möglich gleich der natürlichen Sinkgeschwindigkeit des Aus tauschmaterials ist.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Reaktionsbehälter 1 verwen det,, dessen Querschnitt ständig von oben nach unten abnimmt; in andern Worten, stumpften Kegels, dessen Spitze unten lie gen würde. Als spezieller Fall kann der jenige betrachtet werden, in welchem ein basisches Austauschmaterial, zum Beispiel Glaukonit, der zweckmässigerweise stabili siert wurde, beispielsweise durch Brennen, und durch Schlemmen oder auf eine andere Art derart aufgeteilt wurde, dass keines der Teilchen in einem Wasserstrom, der mit einer Geschwindigkeit von 2,5 cm pro Sek.
nach aufwärts sich bewegt, mitgerissen wird und in einem Wasserstrom, der mit einer Geschwindigkeit von 5 cm pro Sek. nach auf wärts sich bewegt, nicht nach abwärts sinkt. Dieser Bedingung entspricht Glaukonit, des sen Teilchen ein 40-Maschensieb passieren, aber von einem 60-Maschensieb @urüchgehal- ten werden. Die Einrichtung ist so angeord net, dass hartes Wasser durch das Rohr 2 ein strömen kann und eine 10 /aige gewöhnliche Salzlösung für Regenerierzwecke durch das Rohr B.
Das Rohr 2 besitzt ein Abschluss- ventil 4 und das Rohr 3 ein Abschlussventil 5, so dass jede der beiden oder beide Zufuhr leitungen ganz abgesperrt werden können. Die Geschwindigkeit der Aufwärtsstriimuuug jeder der beiden Flüssigkeiten durch den Behälter 1 wird durch ein Regulierventil 6 geregelt, und es kann angenommen werden, dass das Ventil 6 so eingestellt ist, dass Was ser oder Salzlösung in einer Menge von etwa neun Liter_ pro Minute durch den Behälter strömen.
Unter diesen Bedingungen ist der Innen durchmesser des Gefässes 1 'am obern Rand bei 7 76 mm, wodurch sich ein Querscshulitt ergibt, dem eine Geschwindigkeit von 2,5 ein pro Sekunde für die oben angegebenen Men gen entspricht. Am untern Ende bei 8 be trägt der Innendurchmesser des Gefässes 1 62 mm, der so berechnet ist; dass bei den Mengenverhältnissen eine Geschwindigkeit von 5 cm/Sek. entsteht. Die Höhe des Ge fässes 1 zwischen den Punkten 7 und 8 kann 1,83 m betragen, und das Gefäss besitzt am obern Ende eine Erweiterung 9, die vom Punkt 7 aus gemessen 203 mm hoch ist und Weiterung 9 ist mit einem Abflussrohr 10 versehen.
Mit dieser Einrichtung kann folgende Reihenfolge von Operationen ausgeführt werden: Das Ventil 4 wird geschlossen und das Ventil 5, zum Beispiel 30 Sekunden lang, offen gehalten, während welcher Zeit genügend Salzlösung einströmt, um das Ma terial zu regenerieren; dann wird Wasser drei Minuten lang eingelassen, durch Öffnen von Ventil .l und Schliessen von Ventil 5, welches Wasser man ablaufen lässt. Es dient nur, um die Salzlösung aus dem Glaukonit im Behälter 1 auszuwaschen.
Der letztere kann etwa 8 kg des basischen Austausch materials enthalten, Nach Ablauf der drei Minuten wird das Wasser, zum Beispiel nach einem Reservoir, abfliessen gelassen, und es hat sich herausgestellt, dass das Aus tauschmaterial Wasser, das mit dieser ver hältnismässig hohen Geschwindigkeit zu strömt, enthärten kann" was einer mittleren Stundengeschwindigkeit von 135 m entspricht. Mit einer derartigen Einrichtung können, zum Beispel bei Behandlung von Wasser von einer Härte von 13 Teilen Kalk in 1f)0,000 Teilen. Wasser 128 bis 136 Liter weiehes Wasser in etwa 15 Minuten erzP"igt werden, bevor eine Regenerierung nötig wird.
@,#'enn gröberes basisches Austausch material verwendet wird, zum Beispiel ein Material, dessen Teilchen in einem nach auf wärts gerichteten Wasserstrom von 5 em,\Sek. Geschwindigkeit nicht mitgerissen werden und welche in einem nach aufwärts gerich teten )Wasserstrom von 10 ein/Sek. sich nicht nach abwärts bewegen, so besteht die einzige Änderung, der Einrichtung darin, dass es nötig wird,, die Durchmesser an den Stellen 7 und 8 auf 81 mm bezw. 57 mm abzu ändern.
Eine derartige Einrichtung wirkt wie die vorbeschriebene, und die Enthärtung geht mit einer mittleren Stundengeschwindig keit von 270 m vor sich; sie liefert die volle Menge enthärteten Wassers in etwa acht Mi nuten und die Zufuhr des Wassers muss' ent- sprechend auf 15,8 Liter pro Minute er höht werden.
Die Einrichtung kann offen oder ge schlossen unter Druck verwendet werden; im letzteren Falle muss die Salzlösung zu geführt und das basische Austauschmaterial gewaschen werden, wenn die Einrichtung nicht mit der Drucl@wasserzufulir verbunden ist. Die Anordnung der in diesem Falle nötigen Rohranschlüsse ist in den Zeieli- nungen nicht dargestellt; da sie selbstver ständlich ist und keinen Teil der Erfindung bildet.
Es ist natürlich nicht nötig, dass der für den Punkt 7 angegebene Durchmesser tatsächlich am obern Ende sich befindet. vorausgesetzt, dass dann der Durchmesser bei 7 nicht weniger beträgt als der für die besonderen Bedingungen angegebene. Falls der Durchmesser am obern Ende grösser ist, so bedeutet dies nur, dass während des Ar-: beitens der Einrichtung das basische Aus tauschmaterial nicht bis ganz zum obern Ende des Gefässes 1. steigen wird.
Ferner ist klar. dass' basisches Austauseli- ma.terial, das eine grössere Verschiedenheit in den Dimensionen seiner Teilchen und in seinen natürlichen Sinkgeschwindigkeiten zeigt, verwendet werden kann, wenn der Anzug des konischen Gefässes 1 vergrössert wird. Ein derarli-es Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt, in welchem die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 'verwendet sind.
Es ist nur nötig, dass die Flüssigkeit in einer solchen Menge zugeführt wird, dass im Punkt 8 eine CTesehwindigheit herrscht, welche grö sser als diejenige ist, bei welcher die grössten Teilchen' des basischen Austauschmaterials sinken können, und dass an einem andern Punkt 7 die Geschwindigkeit derart ist, dass die kleinsten Teilchen des basischen Austauschmaterials sinken werden.
Es ist ferner auch unnötig, dass der Be hälter 1 auf seiner ganzen Länge gleich mässig koniseh ist. Beispielsweise ist der Behälter 1 nach Fig. 3 zylindrischer Forin und die Erweiterung 9 ist an den Behälter I durch Vermittlung eines konischen Teils 11 angefügt; ferner ist die Zuleitung 12 mit- telst eines weiteren konischen Teils 13 an den Behälter 1 angeschlossen.
Die Durch messer sind derart, dass die Geschwindigkeit der im Behälter 1 nach oben fliessenden Flüssigkeit kleiner ist, als dass das Aus. tauschmaterial mitgenommen würde; die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Er weiterung 9 ist derart, dass das Material sinkt, während im konischen Teil 13 die Geschwindigkeit der Flüssigkeit grösser ist als diejenige,. mit welcher die gröbsten Teil chen des Materials sinken.
Daher wird alles Austauschmaterial über ein gewisses Niveau im Teil 13 gehoben, kann aber nicht über den konischen Teil 11 hinaus steigen, und der grösste Teil des Materials wird im Be hälter 1 zurückgehlaten. Zum Beispiel muss, wenn das basische Austauschmaterial die im ersten Ausführungsbeispiel erwähnte Feinheit besitzt, die Geschwindigkeit der Aufwärtsströmung der Flüssigkeit im Teil 13 mehr als 5 ein/Sek, betragen und die Geschwindigkeit im Teil 9 muss weniger als 2,5 cm/Sek. sein, während die Geschwindig keit im Behälter 1 zwischen diesen beiden Werten sein muss.
In der in Fig. 4 abgeänderten Ausfüh rungsform der Einrichtung besitzt der Hauptteil der letzteren einen Behälter 1 und eine Erweiterung 9 mit einer Abfluss- leitung 10, im wesentlichen, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Unter dem Behälter 1. ist jedoch ein Paar von Aufnehmern 14 und 15 vorgesehen, deren Durchmesser klei ner ist als der Durchmesser des Behälters 1 am untern Ende bei B. Die Aufnehmer oder Gefässe 14, 15 sind über Ventile 16 bezw. 17 mit dem Behälter 1 in Verbindung, und das harte Wasser wird abwechselnd dem einen oder andern der Gefässe 14, 15 von der Leitung 12 aus zugeführt, je nach der Be tätigung der Ventile 6a und 6b.
Wenn der Wasserstrom ganz abgestellt wird, so wird das basische Austauschmaterial im Behälter 1 infolge seines Gewichtes in das eine oder andere der beiden Gefässe 14 bezw. 1.5 sin ken, je nachdem das Ventil 16 oder 17 offen ist, und dann kann durch Schliessen des be treffenden Ventils das Material in dem Ge fäss 14 oder 15 isoliert werden, das es an füllt, um darin der Regenerier- oder einer andern Behandlung unterworfen zu werden. Die Gefässe 14 und 15 sind mit einem Ab lauf vermittelst der Ventile 18 und 19 ver bunden, sowie mit einer Zufuhrleitung für die Regenerierflüssigkeit unter Kontrolle der Ventile 20 und 21.
Wenn mit der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung Wasser ent härtet werden soll, so kann das Wasser durch Ventil 6b, Gefäss 15, Ventil 17 in den Be hälter 1 eingelassen werden, in welchem die Enthärtung stattfindet, und das enthärtete Wasser wird durch das Rohr 1,0 abfliessen. Die Geschwindigkeit des fliessenden Was sers ist derart, dass das basische Austausch material während der Reaktion oberhalb dem Ende 8 gehalten wird. Wenn das Ma terial erschöpft ist, so wird das Ventil 6b beschlossen, worauf das Material sofort in das Gefäss 15 sinkt.
Dann wird das Ventil 17 geschlossen und die Ventile 6a und 16 geöffnet, worauf eine weitere Ladung von basischem Austauschmaterial, die vorher im Gefäss 14 sich befunden hat, in den Behäl ter 1 geschwemmt wird, so dass' die Enthär- tung wieder vor sich geht. In der Zwischen zeit wird Salzlösung bei 21 eingelassen, wel che das Material im Gefäss 15 regeneriert und bei 19 abfliesst. Dann wird das Ventil 21 geschlossen und Wasser durch das Ventil 6b eingelassen, um die Salzlösung aus dem basischen Austauschmaterial im- Gefäss 15 auszuwaschen, wobei das Waschwasser bei 19 abfliesst.
Die regenerierte Charge im Ge fäss 15 ist dann wieder bereit, in den Be hälter 1 gebracht zu werden, wenn die dort befiüdliche Charge in das Gefäss 14 hinab gesunken ist. Auf diese Weise können die Enthärtungs- und Regenerierprozesse mit der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung in einem nahezu kontinuierlichen Kreisprozess aus geführt werden.
Wie bereits erwähnt, stellt Fig. 5 eine Einrichtung dar" mit welcher das Verfahren in einer Säule ausgeführt werden-kann, in %velcher die Geschwindigkeit der Aufwärts strömung in allen Punkten grösser ist als die Sinkgeschwindigkeit der grössten Teil chen des basischen Austauschmaterials. Letzteres ist in einem Gefäss 22 enthalten, und zwar in seinem aktiven oder regenerier ten Zustande.
Der Reaktionsbehälter 1 be steht aus einem Rohr von konstantem Quer schnitt; letzterer kann aber auch gegen das untere oder obere Ende zu sich vergrössJn, je nachdem eine gleichförmige Geschwindig keit in der ganzen Säule gewünscht wird oder eine Zunahme bezw. Abnahme der Ge schwindigkeit. Das zu enthärtende Wasser wird durch eine Leitung 12 zugeführt, pas siert einen Injektor 13 und fliesst durch eine Leitung 23, wobei eine Menge des basischen Austauschmaterials aus dem Gefäss 22 mit reisst.
Das Wasser tritt in den Behandlungs behälter 1, welcher es an seinem obern Ende verlässt, und fliesst zusammen mit dem ba sischen Austauschmaterial in den Aufneh mer 24; es ist vollkommen enthärtet, und das basische Austauschmaterial sammelt sich im Aufnehmer 24 an, während das entliä.rtete Wasser bei 25 abfliesst. Als Beispiel der Bedingungen, unter welchen die nötige Ent <B>e,</B> in dem Rohr 1,. welches den Be handlungsbehälter darstellt, ausgeführt wer den kann, mag erwähnt werden, dass das Rohr 1 einen Durchmesser von 50 mm und eine Höhe von<B>2,70</B> m, vom Einlasspunkt des In,jehtors 13 an bis zum obern Ende des Rohres 1 gemessen, besitzen kann.
Das Wasser wird durch das Rohr 12 in einer 'itlenge von 7,3 Liter pro Minute zugeführt und der Injektor ist derart konstruiert, dass ein Teil von basischem Austauschmaterial für je vier Teile Wasser in das Rohr 1 ge langt, wenn das basische Austauschmaterial Glauhonit, wie im ersten Ausführungsbei spiel beschrieben, ist, dessen natürliche Sinkgesehwindigkeit zwischen 2,5 und 5 cmrSek. liegt.
Es mag darauf aufmerk sam gemacht werden, dass gemäss der vor liegenden Erfindung die Bedingungen so gewählt sind, dass die Reaktion ganz im Rohr 1 während des Aufwärtsfliessens des Wassers stattfindet, ini (TCgensatz zu be kannten Apparaten, in welchen das harteWas- ser nur benützt wird, um das basische Aus tauschmaterial durch ein Rohr nach oben zu transportieren, zum Zwecke, es auf ein Filterbett in der Zone abzulagern,
in wel cher die tatsächliche Enthärtung satttfindet. Die in Fig. 5 gezeigte Einrichtung mit den erwähnten Abmessungen liefert Wasser von der Härte 0 mit einer mittleren metrischen Strömung von 217 m pro Stunde.
Bei der Einrichtung nach den F i". 6 und 7 wird die Kombination von vorbesehrie- benen Arbeitsweisen verwendet und in den verschiedenen Teilen der Einrichtung wer den verschiedene Arbeitsweisen vorgenom men.
In Fig. 6 ist da., basische Austausch material, als welches (llaukonit angenom men werden kann.. dessen Teilchen eine natürliche Sinkgescliwindigkeit zwischen 2,5 und 5 cm.
Seh. besitzen, im aktiven oder regenerierten Zustande in dem Gefäss 22 ent halten und wird, in gleielicr Weise, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 gezeigt, in den Beliandlungsbeliä.lter oder das Rolir 1 vermittelst des harten Wassers, das durch Leitung 12 zugeführt und einen Injektor 13 durchfliesst, gefördert.
Es kann wieder, wie früher, angenommen werden, dass die zu fliessende Wassermenge mittelst des Ventils 6 auf 7,3 Liter pro :Minute einreguliert wird und dass' auf vier Teile hartes Nasser ein Teil basisches Kontaktmaterial in das Rohr 1 gelangt. Ferner soll das Rohr 1 einen Innen durchmesser von 50 mm besitzen und seine Höhe zwischen dem Punkt 26 und dem obern Ende bei 27 soll 3,6 m betragen. Das Rohr 1 ragt in ein erweitertes Gefäss 9 hinein, des sen Innendurchmesser 0,157 m und dessen Höhe vom Punkt 28 bis zum obern Ende 0,609 m betragen soll.
Der Punkt 28 soll 0,304 m unterhalb dein Punkt 2 7 sich be finden, so dass das Rohr 1 auf<B>0,301</B> m Länge in das 'erweiterte Gefäss ,9 Hineinragt. 10 ist der Ablauf für das enthärtete Wasser. Das ZVasser hat, wenn es unter den vor genannten Bedingungen 27 erreicht hat, die Härte 0 erreicht und fliesst, zusammen mit dem bei 29 angedeuteten basischen Aus tauschmaterial in das erweiterte Gefäss 9 und von dort durch das Ablaufrohr 10. Das basische Austauschmaterial fliesst langsam durch ein Schieberventil 30 ab.
Das letztere ist im Detail in Fig. 7 gezeigt, in welcher 9a und 9b die Wandung des erweiterten Gefässes 9 zu jeder Seite der Ausflussöffnung bezeichnen, wobei die Kanten der Offnung nach innen zu abgeschrägt sind, und der Schieber 30 ist ebenfalls abgeschrägt, wie an seinem untern Ende gezeigt ist, um den Widerstand, welchen er dem Durchfliessen des nassen Glaukonits bietet, auf ein Mi nimum zu reduzieren. Ohne dieses Abschrä gen kann der Glaukonit nicht zum Durch- #;trömen des Ventils gebracht werden.
Der Glaukonit fällt in die weitere Flüssigkeits säule des Regenerier- oder Waschgefässes 31, dessen Durchmesser in dem gewählten Bei spiel 38 mm sein soll. Die Höhe des Ge fässes 31 vom obern Ende des Gefässes 22 bis zur höchsten Kante soll 2,.1 m betragen. In der Mitte dieser Höhe befindet sich eine Leitung angeschlossen zur Zufuhr von 10 Xöiger gewöhnlicher Salzlösung für Re- generierzwecke, welche das Ventil 5 durch strömt.
Das Wasser zum Auswaschen des Salzes aus dem regenerierten Material tritt durch ein Ventil 32 ein; die in der Zeit einheit zugeführte Menge Waschwasser ist ungefähr die gleiche wie diejenige der Salz lösung und soll 45 Liter pro Stunde be tragen. Die Geschwindigkeit des im untern Teil des Gefässes 31 aufwärtsfliessenden Waschwassers wird somit 1 cm \Sek. und die Geschwindigkeit der Mischung von Salz lösung und Waschwasser im obern Teil des Gefässes 31 wird etwa 2 cm/Sek. be tragen.
Daher wird das erschöpfte basische Austauschmaterial beständig im Gefäss 31 sinken, und zwar in der obern Hälfte lang sam und in der untern Hälfte etwas schnel ler, und wird in das Gefäss 22 zurückkehren, welches annähernd gefüllt gehalten wird, so dass kein Wasser durchsickern und zum Injektor 13 gelangen kann. Es hat sich er geben, dass eine Einrichtung von den oben angegebenen Dimensionen Wasser von 13 Härte auf 0 Härte in einer Menge von 7,35 Liter pro Minute bringt, was einer mittleren metrischen Strömung von 217 m pro Stunde entspricht.
Obgleich vorstehend in den speziellen Beispielen das Verfahren nach der Erfindung in Verbindung mit seiner Anwendung auf das Enthärten von Wasser und das Re generieren des Austauschmaterials beschrie ben wurde, ist es nicht auf diese speziellen; Anwendungsgebiete beschränkt. Es kann auch in andern Fällen angewendet werden, in welchen reversible Adsorption stattfindet. Zum Beispiel besteht ein bekanntes Ver fahren zum Entfernen von in Wasser ge löstem Eisen darin, da.ss man, Zeolith oder eines seiner Äquivalente verwendet, welche als Fördermittel für die höheren Mangan oxyde wirken.
Es ergeben sich bei einem Filter aus diesem Material sehr grosse Schwierigkeiten, da das vom Wasser be freite Eisenoxyd sich an die Teilchen des Mangan-Zeoliths anheftet und- das Filter rasch verstopft. Falls ein derartiges Manga.n- Zeolith, zum Beispiel in der in Fig. 1 dar gestellten Einrichtung, verwendet wird, so vollzieht sich die Reaktion sehr gut.
Die Teilchen des Austauschmaterials sind stän dig in leichter Bewegung,, und anscheinend als Folge dieser Bewegung wird das Eisen oxyd von der Oberfläche dieser Teilchen ab gerieben, und da es sehr leicht ist, wird es von dem nach oben strömenden Wasser mit gerissen, fliesst über das obere Ende der Vor richtung ab und kann durch Filtrieren leicht getrennt werden.
Die Erfindung eignet sich auch insbeson dere für Fälle, in welchen reversible polare Adsorption stattfindet; zum Beispiel kann sie verwendet werden, wenn das Austausch material ein Adsorptiv, wie Blutkohle, das behandelte Material eine wässerige Lösung, wie eine Lösung von Pikrinsäure, und die Regenerierlösung ein weniger aktives Lö sungsmittel,. wie Äthylalkohol, ist.
Ferner kann auch die Erfindung auf Verfahren an gewendet werden, welche die reversible Ad- sorption von radioaktiven Materialien, wie Uranium X', durch Holzkohle aus einer wässerigen Lösung betreffen, wobei Lösun gen von Thoriumsalzen und dergleichen, als Regenerieragentien verwendet werden kön nen.
Process for carrying out exchange reactions, in particular for softening water. The present invention relates to a method for executing exchange reactions. In exchange reactions, a substitute material is used to take up a substance, and then through a reversal of the process, commonly known as the regeneration process, that exchange material is returned to its previously active form.
An example of such a reaction, to which the present invention relates in particular, is the softening of water by basic exchange materials, an exchange of bases between the solid exchange material and the liquid taking place. Such reactions are regarded either as entirely chemical reactions or as being based on adsorption or as the. possessing characteristics of both, depending on the conditions under which the process is carried out.
Generally speaking, the replacement material, for example the softening material for water, has hitherto been used in practice in the form of a filter bed, the integrity of which was maintained during the process. The proposal has already been made to work with this material suspended in water; but this proposal has not reached practical implementation. However, the process of using the replacement material in the form of a filter bed has various disadvantages. First of all, the process cannot be completely continuous, since the softening reaction is interrupted after a certain period of time and the exchange material has to be regenerated in order to make it fully active again.
Furthermore, particles of the exchange material which exceed a certain degree of fineness cannot be used in a filter, since. they promote the formation of dirt, which fills the spaces in the filter bed and makes the latter impermeable. For this reason there are a considerable number of materials, such as glauconite, which, because of the fineness of their constituents, cannot be used to soften water.
If, however, relatively coarse particles are in a filter bed, the contact is such that substantial parts of the surfaces of such particles, which could be active and take part in the reaction, are prevented from "coming into contact with the water" It has turned out to be correct that, in order to increase the adsorption, it is more important to enlarge the free surface of the exchange material than to lengthen the reaction time.
The main purpose of the present invention is to enable such exchange reactions to be carried out in such a way that the free active surface of the exchange body is enlarged as much as possible in order to enable exchange material, regardless of the fine state in which it is, can be used and -I, as far as possible, to carry out this reaction in a completely continuous cycle.
Furthermore, the present invention seeks to reduce the size of the required system, compared to the systems used in the current process, as much as possible, and finally to reduce the amount of replacement material that is necessary for a certain amount of the to be treated Reduce material.
According to the method according to the present invention, the exchange material is kept in suspension in the liquid which takes part in the reaction during the reaction, which liquid is forced to flow upwards, i.e. against the natural direction of fall of the exchange material.
When softening 'water, the exchange material can be kept in suspension by the upward flowing hard water in this way, or during the regeneration process by the upward flow of the regeneration solution, which is usually a solution of common salt, in Sus pension can be held, or both parts of the process can be carried out, where the Ausausclimateria.l is kept in suspension by the upward flow of the relevant liquid.
In the case of the present method, the actual amount by which the exchange material falls or sinks is the same as the difference between its natural silicon velocity and the velocity of the relevant upward flowing liquid. The three possible cases in practice are as follows: 1.
If the speed of the upward flow of the liquid is equal to the natural rate of descent of the exchange material, then the actual descent of the exchange material = 0, and theoretically the exchange material remains stationary in space;
this condition can be achieved in practice with sufficient accuracy, although it is actually impossible to generate a flow of the ignition-treating liquid or of the regeneration liquid which is free of eddies. ?. The upward flow of the water can take place at a speed which is greater than the natural Sinlzgusch Speed of the exchange material.
The actual Sinhbcwcgttng is negative, i.e. is called. the material moves naeli @nifwiirts with a speed which is equal to the difference between the speed of the liquid moving upwards and the natural speed;
of the exchange material. ). Finally the speed of the upward flow of liquid can be slower. than the natural sinking gescIiwindigl @ cit des Miitcri @ lls:
then the latter falls with a velocity which is smaller than the natural rate of descent and which is equal to the difference between the natural velocity of descent and the velocity of the upward flow of the liquid. The time of contact between the output, material and the liquid,
which one is to be treated or the regenerating liquid can be obtained in a desired manner by choosing the speed of the liquid and the length of the vessel or column in which the reaction takes place.
If desired, the entire process, for example in the case of softening water, can be carried out as a closed cycle process by ensuring that the exchange material comes into contact one after the other with the water particles to be softened and then with the regeneration liquid.
The accompanying drawings show exemplary embodiments of devices for carrying out the method according to the present invention, in which: FIG. 1 shows schematically in elevation a first embodiment of the device; Fig. 2 is a Fig. 1 corresponding but. partially modified, embodiment;
Fig. 3 shows a further modified embodiment; FIG. 4 shows an exemplary embodiment similar to FIG. 2, through which the process can be carried out approximately as a closed loop process; Fig. 5 shows an embodiment in which there is an actual upward movement of the replacement material; Fig. 6 shows a device in wel cher in different parts of the circular process different parts of the device are used, and Fig. 7 shows a detail in section.
In the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 4 it is assumed that the method is carried out in such a way that the speed * of the upward flow of the liquid is as close as possible to the natural rate of descent of the exchange material.
According to the embodiment of FIG. 1, a reaction container 1 is used, the cross section of which decreases continuously from top to bottom; in other words, a truncated cone whose point would be below. The one in which a basic exchange material, for example glauconite, which has expediently been stabilized, for example by burning, and by feasting or in some other way, can be considered as a special case in which none of the particles in a water stream that at a speed of 2.5 cm per second.
moves upwards, is entrained and does not sink downwards in a stream of water moving upwards at a rate of 5 cm per second. This condition corresponds to glauconite, the particles of which pass through a 40-mesh sieve, but are retained by a 60-mesh sieve @. The device is arranged in such a way that hard water can flow in through the pipe 2 and a 10 / aige normal salt solution for regeneration purposes through the pipe B.
The pipe 2 has a shut-off valve 4 and the pipe 3 has a shut-off valve 5, so that each of the two or both supply lines can be completely shut off. The rate of upward flow of each of the two liquids through the container 1 is controlled by a regulating valve 6 and it can be assumed that the valve 6 is set to allow water or saline to flow through the container in an amount of about nine liters per minute stream.
Under these conditions, the inside diameter of the vessel 1 'at the upper edge is 7 76 mm, resulting in a cross-section that corresponds to a speed of 2.5 one per second for the men specified above. At the lower end at 8 be the inner diameter of the vessel 1 62 mm, which is calculated; that with the proportions a speed of 5 cm / sec. arises. The height of the vessel 1 between points 7 and 8 can be 1.83 m, and the vessel has an extension 9 at its upper end, which is 203 mm high, measured from point 7, and extension 9 is provided with a drain pipe 10.
The following sequence of operations can be carried out with this device: the valve 4 is closed and the valve 5 is kept open, for example for 30 seconds, during which time sufficient saline solution flows in to regenerate the material; then water is admitted for three minutes by opening valve 1 and closing valve 5, which water is allowed to drain. It is only used to wash the salt solution out of the glauconite in container 1.
The latter can contain about 8 kg of the basic exchange material. After the three minutes have elapsed, the water is allowed to drain off, for example after a reservoir, and it has been found that the exchange material increases with water at this relatively high rate flows, can soften "which corresponds to an average hourly speed of 135 m. With such a device, for example when treating water with a hardness of 13 parts lime in 1f) 0.000 parts. Water 128 to 136 liters of white water in about 15 minutes be prepared before a regeneration is necessary.
@, # 'if a coarser basic exchange material is used, for example a material whose particles are in an upwardly directed water flow of 5 em, \ sec. Speed are not carried away and which in an upwardly ended) water flow of 10 a / sec. do not move downward, the only change to the facility is that it is necessary, the diameter at points 7 and 8 to 81 mm respectively. 57 mm to be changed.
Such a device works like the one described above, and the softening takes place at an average hourly speed of 270 m; it delivers the full amount of softened water in around eight minutes and the supply of water must be increased accordingly to 15.8 liters per minute.
The device can be used open or closed under pressure; in the latter case the saline solution must be added and the basic exchange material washed if the device is not connected to the pressure water supply. The arrangement of the pipe connections required in this case is not shown in the lines; as it is self-evident and does not form part of the invention.
It is of course not necessary that the diameter given for point 7 is actually at the upper end. provided that the diameter at 7 is then not less than that given for the particular conditions. If the diameter at the top is larger, this only means that while the device is working, the basic exchange material will not rise all the way to the top of the vessel 1.
It is also clear. that basic exchange material, which shows a greater difference in the dimensions of its particles and in its natural sinking speed, can be used if the tightening of the conical vessel 1 is increased. Such an exemplary embodiment is shown in FIG. 2, in which the same reference symbols are used as in FIG. 1 '.
It is only necessary that the liquid is supplied in such an amount that at point 8 there is a windiness which is greater than that at which the largest particles of the basic exchange material can sink, and that at another point 7 the Velocity is such that the smallest particles of the basic exchange material will sink.
Furthermore, it is also unnecessary for the container 1 to be evenly conical over its entire length. For example, the container 1 according to FIG. 3 is cylindrical in shape and the extension 9 is attached to the container I by means of a conical part 11; Furthermore, the supply line 12 is connected to the container 1 by means of a further conical part 13.
The diameters are such that the speed of the liquid flowing upwards in the container 1 is less than that of the end. barter material would be taken; the speed of the liquid in the extension 9 is such that the material sinks, while in the conical part 13 the speed of the liquid is greater than that. with which the coarsest particles of the material sink.
Therefore, all replacement material is raised above a certain level in part 13, but cannot rise above the conical part 11, and most of the material is returned in container 1. For example, if the basic exchange material has the fineness mentioned in the first embodiment, the speed of the upward flow of the liquid in part 13 must be more than 5 in / sec, and the speed in part 9 must be less than 2.5 cm / sec. while the speed in container 1 must be between these two values.
In the embodiment of the device as modified in FIG. 4, the main part of the latter has a container 1 and an extension 9 with a drainage line 10, essentially as shown in FIGS. 1 and 2. Under the container 1. However, a pair of transducers 14 and 15 is provided, the diameter of which is kleini ner than the diameter of the container 1 at the lower end at B. The transducers or vessels 14, 15 are respectively via valves 16. 17 in connection with the container 1, and the hard water is alternately supplied to one or the other of the vessels 14, 15 from the line 12, depending on the actuation of the valves 6a and 6b.
If the flow of water is turned off completely, the basic exchange material in the container 1 is respectively due to its weight in one or the other of the two vessels 14. 1.5 sink, depending on whether the valve 16 or 17 is open, and then the material in the Ge vessel 14 or 15 can be isolated by closing the relevant valve, which it fills to be subjected to regeneration or other treatment to become. The vessels 14 and 15 are connected to an outlet by means of the valves 18 and 19, and to a supply line for the regeneration liquid under the control of the valves 20 and 21.
If water is to be hardened with the device shown in Fig. 4, the water can be let through valve 6b, vessel 15, valve 17 in the loading container 1, in which the softening takes place, and the softened water is through the pipe 1.0 drain. The speed of the flowing water is such that the basic exchange material is kept above the end 8 during the reaction. When the material is exhausted, the valve 6b is decided, whereupon the material sinks into the vessel 15 immediately.
Then the valve 17 is closed and the valves 6a and 16 opened, whereupon a further load of basic exchange material, which was previously in the vessel 14, is washed into the container 1 so that the softening takes place again . In the meantime, salt solution is let in at 21, which regenerates the material in the vessel 15 and drains off at 19. Then the valve 21 is closed and water is admitted through the valve 6b in order to wash out the salt solution from the basic exchange material in the vessel 15, the washing water flowing off at 19.
The regenerated batch in the vessel 15 is then ready again to be brought into the container 1 when the batch located there has sunk into the vessel 14. In this way, the softening and regeneration processes can be carried out with the device shown in FIG. 4 in an almost continuous cycle process.
As already mentioned, FIG. 5 shows a device with which the process can be carried out in a column, in% of which the speed of the upward flow is greater in all points than the sinking speed of the largest part of the basic exchange material contained in a vessel 22, in its active or regenerated state.
The reaction vessel 1 be available from a tube of constant cross-section; The latter can, however, also increase towards the lower or upper end, depending on whether a uniform speed is desired in the entire column or an increase or decrease. Decrease in speed. The water to be softened is fed in through a line 12, passes an injector 13 and flows through a line 23, a quantity of the basic exchange material being carried away from the vessel 22.
The water enters the treatment tank 1, which it leaves at its upper end, and flows together with the basic exchange material in the Aufneh mer 24; it is completely softened, and the basic exchange material collects in the transducer 24, while the water drained off at 25 flows off. As an example of the conditions under which the necessary ent <B> e, </B> in the pipe 1,. which represents the treatment container, which can be carried out, it may be mentioned that the tube 1 has a diameter of 50 mm and a height of 2.70 m from the inlet point of the inlet gate 13 to measured at the top end of the tube 1, may have.
The water is supplied through the pipe 12 at a rate of 7.3 liters per minute and the injector is constructed in such a way that one part of the basic exchange material for every four parts of water reaches the pipe 1 when the basic exchange material is glauhonite, as described in the first exemplary embodiment, its natural rate of descent is between 2.5 and 5 cmrSec. lies.
Attention should be drawn to the fact that, according to the present invention, the conditions are chosen so that the reaction takes place entirely in pipe 1 while the water is flowing upwards, in accordance with known apparatuses in which the hard water is only used is to transport the basic exchange material through a pipe upwards for the purpose of depositing it on a filter bed in the zone,
in which the actual softening takes place. The device shown in Fig. 5 with the dimensions mentioned delivers water of hardness 0 with an average metric flow of 217 m per hour.
In the installation according to FIGS. 6 and 7, the combination of the previously described working methods is used, and different working methods are carried out in the different parts of the installation.
In Fig. 6 there is a basic exchange material which (llauconite can be assumed to be.) Its particles have a natural rate of descent between 2.5 and 5 cm.
See have, in the active or regenerated state in the vessel 22 and is, in the same way, as shown in the embodiment of FIG Injector 13 flows through, promoted.
It can again be assumed, as before, that the amount of water to be flowing is regulated to 7.3 liters per minute by means of the valve 6 and that for every four parts of hard water, one part of basic contact material gets into the pipe 1. Furthermore, the tube 1 should have an inner diameter of 50 mm and its height between the point 26 and the upper end at 27 should be 3.6 m. The pipe 1 protrudes into an enlarged vessel 9, whose inner diameter is 0.157 m and whose height from point 28 to the upper end should be 0.609 m.
Point 28 should be 0.304 m below point 2 7, so that pipe 1 protrudes <B> 0.301 </B> m length into the 'enlarged vessel 9. 10 is the drain for the softened water. When it has reached 27 under the aforementioned conditions, the ZVasser has reached hardness 0 and flows, together with the basic exchange material indicated at 29, into the expanded vessel 9 and from there through the drain pipe 10. The basic exchange material slowly flows through a slide valve 30.
The latter is shown in detail in Fig. 7, in which 9a and 9b denote the wall of the enlarged vessel 9 on either side of the outflow opening, the edges of the opening being chamfered inwards, and the slide 30 also being chamfered, as on its lower end is shown in order to reduce the resistance it offers to the flow of the wet glauconite to a minimum. Without this beveling, the glauconite cannot be made to flow through the valve.
The glauconite falls into the further liquid column of the regeneration or washing vessel 31, the diameter of which in the selected case should be 38 mm. The height of the vessel 31 from the upper end of the vessel 22 to the highest edge should be 2.1 m. In the middle of this height is a line connected to the supply of 10% normal saline solution for regeneration purposes, which the valve 5 flows through.
The water for washing the salt from the regenerated material enters through a valve 32; the amount of wash water added in the unit of time is roughly the same as that of the salt solution and should be 45 liters per hour. The speed of the washing water flowing upwards in the lower part of the vessel 31 is thus 1 cm \ sec. and the speed of the mixture of saline solution and washing water in the upper part of the vessel 31 becomes about 2 cm / sec. bear.
Therefore, the exhausted basic exchange material will steadily sink in the vessel 31, namely slowly in the upper half and a little faster in the lower half, and will return to the vessel 22, which is kept approximately full so that no water seeps through and to the Injector 13 can get. It has been shown that a device of the dimensions given above brings water from 13 hardness to 0 hardness in an amount of 7.35 liters per minute, which corresponds to an average metric flow of 217 m per hour.
Although the method according to the invention in connection with its application to the softening of water and the regeneration of the replacement material has been described above in the specific examples, it is not to this specific; Application areas limited. It can also be used in other cases in which reversible adsorption takes place. For example, one known method of removing iron dissolved in water is to use zeolite, or one of its equivalents, which act as a promoter for the higher manganese oxides.
There are very great difficulties with a filter made of this material because the iron oxide freed from the water adheres to the particles of the manganese zeolite and quickly clogs the filter. If such a Manga.n zeolite, for example in the device shown in FIG. 1, is used, the reaction takes place very well.
The particles of the exchange material are constantly in slight movement, and apparently as a result of this movement the iron oxide is rubbed off the surface of these particles, and since it is very light, it is carried over by the water flowing upwards off the top of the device and can be easily separated by filtration.
The invention is also particularly suitable for cases in which reversible polar adsorption takes place; For example, it can be used when the exchange material is an adsorptive such as blood carbon, the treated material is an aqueous solution such as a solution of picric acid, and the regeneration solution is a less active solvent. like ethyl alcohol, is.
Furthermore, the invention can also be applied to methods which relate to the reversible adsorption of radioactive materials such as uranium X 'by charcoal from an aqueous solution, with solutions of thorium salts and the like being able to be used as regenerating agents.