Ionenaustauschervorrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenaustauschervorrichtung, bei welcher ein Anionenaustauscher und ein Kationenaustauscher in Mischung miteinander zur Verwendung kommen.
Bei solchen Ionenaustauschervorrichtungen ist es bekannt, die verschiedene Sinkgeschwindigkeit des Anionenaustauschers und des Kationenaustauschers auszunutzen, um bei der Regenerierung eine Trennung derselben zu erreichen. Um dies zu erreichen, wird ein Rückspülwasserstrom durch die Ionenaustauschermasse geleitet, und wenn dieser Strom wieder gestoppt wird, legt sich das Anionenaustauschermaterial oberhalb des Kationenaustauschermaterials, so dass zwei getrennte Massen mit einer verhältnismässig scharfen Trennfläche entstehen. Es ist nun möglich, mittels Anschlüsse am oberen und unteren Ende der Kolonne, in welcher das lonenaustauschermaterial eingeschlossen ist, sowie eines Seitenanschlusses in der Höhe der Trennfläche getrennte Ströme von Regenerierungschemikalien durch die Anionenaustauschermasse und die Kationenaustauschermasse je für sich zu leiten.
In der Nähe der Trennfläche zwischen diesen beiden Massen ist es indessen unmöglich, eine gewisse Vermischung der Ströme von Regenerierungschemikalien zu vermeiden, und es entsteht deshalb um die Trennfläche herum in beiden Massen eine tote Zone, wo keine Regenerierung stattfindet. Dadurch wird die Ionenaustauscherwirksamkeit der gemischten Ionenaustauschermasse, die gebildet wird, wenn der Anionenaustauscher und der Kationenaustauscher nach der Regenerierung eines Luftstromes wieder miteinander gemischt werden, verringert.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beheben. Erfindungsgemäss hat die Ionenaustauschervorrichtung zwei Behälter, die mittels eines Über- laufes miteinander verbunden, im übrigen aber voneinander getrennt sind, wobei die Behälter je für sich an ihren unteren Enden Anschlüsse haben, die wahlweise als Zulauf und als Ablauf verwendbar sind, während sie an ihren oberen Enden gegenseitig unabhängige Anschlüsse für Regenerierungsflüssigkeiten haben.
Bei einer Vorrichtung dieser Art ist es möglich, eine vollständigere Trennung des Anionenaustauschers und des Kationenaustauschers zu erreichen.
Der Rückspülwasserstrom wird durch den einen Behälter, und zwar denjenigen, worin sich die gemischte Masse befindet, wenn die Vorrichtung für Ionenaustausch im Betrieb ist, aufwärtsgeleitet und setzt dann durch den anderen Behälter nach unten fort, wodurch das Ionenaustauschermaterial im erstgenannten Behälter mit nach oben geführt und zusammen mit dem Wasserstrom über den Überlauf in den anderen Behälter gelangt. Dieser Prozess wird gestoppt, wenn die sich zwischen den beiden Ionenaustauschermaterialien bildende Trennfläche bis an den Überlauf gelangt. Hiernach sind die beiden im Wasser aufgeschlemmten Ionenaustauschermaterialien in je einem der Behälter praktisch vollständig voneinander getrennt. Daraufhin kann die Regenerierung vermittels Ströme von Chemikalien, die durch je einen der Behälter geleitet werden, erfolgen, so dass eine Vermischung vollkommen ausgeschlossen ist.
Eine baulich besonders günstige Lösung wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der eine Behälter vom Zwischenraum zwischen zwei koaxialen Röhren gebildet wird, während der andere Behälter vom Innenraum der inneren Röhre gebildet wird.
Damit bei einer Vorrichtung dieser Art eine im wesentlichen waagerechte Trennfläche zwischen dem Anionenaustauschermaterial und dem Kationenaus tauscherinaterial erhalten wird, wenn der Rückspül strom aufwärts durch den äusseren Behälter und abwärts durch den inneren Behälter geleitet wird, ist es wichtig, dass der aufwärtsgehende Wasserstrom im äusseren Behälter über den ganzen ringförmigen Querschnitt gleichmässig verteilt ist. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die Ausmündung der Anschlüsse an das untere Ende des äusseren Behälters über den Umfang zu verteilen.
Es ist für die Erfindung grundsätzlich nicht nötig, dass die Behälter von zwei koaxialen Röhren gebildet werden, sondern es kann eine beliebige andere Form von Behältern, die über einen Überlauf miteinander verbunden sind, verwendet werden.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Auf der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform einer Ionenaustauschervorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2, 3 und 4 drei Ausführungsformen des oberen Teiles der Vorrichtung gemäss Fig. 1,
Fig. 5 und 6 eine vierte Ausführungsform des oberen Teiles der Vorrichtung gemäss Fig. 1 in zwei verschiedenen Betriebszuständen,
Fig. 7 einen senkrechten Schnitt durch eine etwas abgeänderte Ausführungsform einer Ionenaustauschervorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7,
Fig. 9 eine Seitenansicht mit teilweisem Schnitt durch einen bei beiden beschriebenen Ausführungsformen verwendbaren Fuss mit darauf montiertem Umstellventil und
Fig.
10 eine schematische Darstellung einer Ausführungsmöglichkeit für die Ventilöffnungen des Ventilkörpers und des Ventilgehäuses sowie für deren Anschlüsse.
In Fig. 1 sind 1 und 2 zwei koaxiale, senkrecht gestellte Röhren. Zwischen diesen beiden Röhren wird ein Aussenbehälter 3 und im Inneren der Innenröhre ein Innenbehälter 4 gebildet. Diese beiden Behälter sind über eine Überlaufkante 5 miteinander verbunden, die am oberen Ende der Röhre 2 gebildet ist, indem diese nicht ganz bis zum oberen Ende der Röhre 1 geführt ist. Unten ruht die Röhre 2 durch einen Fuss 6 auf dem Boden der Röhre 1.
Durch den Fuss 6 ist ein mittlerer Anschluss 7 an den Innenbehälter hindurchgeführt. An den Hohlraum des Fusses, der durch eine Anzahl am Umfang verteilte Öffnungen mit dem Behälter 3 kommuniziert, ist ein Anschluss 8 angeschlossen. Vom Boden des Behälters 3 sind zwei Röhren 9 und 10 durch den Behälter emporgeführt. Die Röhre 9 mündet am oberen Ende des Behälters 3 in diesen ein, während die Röhre 10 am oberen Ende des Behälters 4 in diesen einmündet.
Wenn die Vorrichtung zum Ionenaustausch verwendet wird, wird der Anschluss 7 für die Zuleitung des zu entionisierenden Wassers benutzt, während der Anschluss 8 als Ablauf verwendet wird. Das Ionenaustauschermaterial bildet eine im Aussenbehälter 3 liegende Masse 11, in welcher Anionenaustauschermaterial und Kationenaustauschermaterial innig miteinander vermischt sind.
Wenn das Ionenaustauschermaterial regeneriert werden soll, wird ein Rückspülstrom durch die Vorrichtung geleitet, indem der Anschluss 8 als Zulauf und der Anschluss 7 als Ablauf benutzt werden. Das Ionenaustauschermaterial wird vom aufwärtsgehenden Wasserstrom im Aussenbehälter 3 mitgenommen und dabei legt sich das Anionenaustauschermaterial wegen seiner kleineren Sinkgeschwindigkeit oben und das Kationenaustauschermaterial unten. Das Anionenaustauschermaterial wird deshalb vom Wasserstrom über die Überlaufkante 5 hinüber mitgenommen und gelangt dadurch in den Innenbehälter 4.
Wenn im wesentlichen das gesamte Anionenaustauschermaterial auf diese Weise in den Innenbehälter 4 gelangt ist, wird der Rückspülwasserstrom gestoppt.
Das Anionenaustauschermaterial und das Kationenaustauschermaterial sind nunmehr in getrennten Behältern voneinander getrennt und beginnen sich in je einem Behälter niederzuschlagen. Es werden nun durch die Röhren 9 und 10 Regenerierungsflüssigkeiten zugeführt, und zwar zum Beispiel NaOH durch Röhre 9 und HC1 durch die Röhre 10. Gleichzeitig werden beide Anschlüsse 7 und 8 als Ablauf für die Regenerierungsflüssigkeiten benutzt. Die Regenerierungsflüssigkeiten bilden somit getrennte, abwärtsgerichtete Ströme durch je einen Behälter. Wenn die Regenerierung abgeschlossen ist, wird ein Nachspülen mit destilliertem oder entionisiertem Wasser vorgenommen. Dabei werden die Röhren 9 und 10 als Zuläufe für das Wasser und die Anschlüsse 7 und 8 als Abläufe benutzt.
Es wird nun durch den Anschluss 7 ein Wasserstrom zugeführt, indem der Anschluss 8 als Ablauf benutzt wird. Das Anionenaustauschermaterial wird mit dem Wasserstrom im Innenbehälter 4 nach oben geführt und läuft zusammen mit diesem Wasserstrom über die Überlaufkante in den Aussenbehälter 3 hin über, wodurch sich das Anionenaustauschermaterial oberhalb des Kationenaustauschermaterials im Au ssenbehälter 3 lagert.
Um eine Vermischung der beiden Ionenaustauschermaterialien zu erzielen, wird nun durch den Anschluss 8 Luft zugeleitet. Nachdem auf diese Weise die beiden Ionenaustauschermaterialien innig miteinander vermischt worden sind, lässt man die Vorrichtung einige Zeit stehen, wodurch das gemischte Ionenaustauschermaterial zu einer kompakten Masse zusammensinkt. Die Vorrichtung ist nunmehr wieder für das Entionisieren von Wasser betriebsbereit.
Um zu vermeiden, dass eine der Regenerierungsflüssigkeiten wegen eines eventuellen Unterschiedes der Durchströmungswiderstände der beiden Säulen von Ionenaustauschermaterial so hoch ansteigt, dass sie über den Überlauf hinüberströmt und dadurch die andere Regenerierungsflüssigkeit verunreinigt, hat es sich als zweckmässig erwiesen, Mittel vorzusehen, um die Innenröhre am Überlauf zu schliessen.
Dies kann, wie in Fig. 2 veranschaulicht, mittels einer Ventilplatte erfolgen, die zum Beispiel durch Betätigung einer Schraube 13 von Hand auf die Überlaufkante herabgesenkt wird, jedoch kann die Betätigung auch automatisch erfolgen.
Ein automatisches Schliessen kann auf besonders einfache Weise erzielt werden, wenn die Regenerierungsflüssigkeiten mittels einer Saugpumpe durch die Vorrichtung getrieben werden, was übrigens auch aus anderen Gründen praktisch ist. Es entsteht hierdurch in den Röhren ein Unterdruck, der dazu ausgenützt werden kann, das Schliessen der Innenröhre zu bewirken, z. B. dadurch, dass ein in der Aussenröhre beweglicher Kolben unter der Einwirkung der Saugwirkung nach unten bewegt wird, um an der Überlaufkante 5 ein Abschliessen zu bewirken, wie in Fig. 3 illustriert, wenn die Regenerierung beginnt.
Wenn Wasser aus dem Wasserhahn zugeleitet wird, wird der Kolben wieder angehoben und legt sich an einen Anschlag, wodurch der Überlauf frei ist. Anstatt eines Kolbens kann auch eine auf einem elastischen Balg bzw. einer elastischen Membrane 16 montierte Ventilplatte 15 verwendet werden, wie in Fig. 4 veranschaulicht, oder es kann, wie in Fig. 5 und 6 veranschaulicht, eine elastische Platte 17 verwendet werden, die gegebenenfalls als ein Teller ausgebildet und am Rand eingespannt ist. Bei Unterdruck in der Vorrichtung legt sich diese Platte auf die Überlaufkante, wie in Fig. 5 gezeigt, während sie bei Überdruck angehoben wird und sich an eine mit einer Lüftungsöffnung 19 versehene Stützplatte 18 legt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 sind die beiden Röhren 1 und 2 zwischen einer Bodenplatte 21 und einer Deckelplatte 22 eingespannt. In der Bodenplatte 21 sind Rillen 23 und 24 für die Aufnahme der unteren Enden der beiden Röhren vorgesehen. In diese Rillen, und zwar insbesondere in die äussere Rille 23, sind geeignete Dichtungen eingelegt. Die Bodenplatte 21 weist eine mittlere kreisförmige Ausnehmung 25 und eine mit dieser koaxiale äussere, ringförmige Ausnehmung 26 auf.
Die kreisförmige Ausnehmung 25 ist mit dem Anschluss 7 und die ringförmige Ausnehmung 26 mit dem Anschluss 8 verbunden. Über der kreisförmigen Ausnehmung liegt ein Sieb 27, der den Querschnitt der Innenröhre 2 ausfüllt, und über der ringförmigen Ausnehmung 26 liegt ein anderer Sieb 28, der den ringförmigen Querschnitt des zwischen den beiden Röhren 1 und 2 gebildeten Aussenbehälters 3 ausfüllt. Die Siebe dienen dem Zweck, die durch die Anschlüsse zugeleiteten Flüssigkeitsströme über die Querschnitte der beiden Behälter zu verteilen. Auf der Oberseite des Siebes 28 ist im Bereiche des Zulaufes 8 ein Plättchen 29 mit einem kleinen Loch 30 angeordnet. Durch diese Einrichtung soll vermieden werden, dass ein zu grosser Anteil der zuströmenden Flüssigkeit direkt durch den Sieb 28 nach oben strömt, anstatt sich über die ringförmige Ausnehmung 26 zu verteilen.
Es hat sich erwiesen, dass durch die Verwendung des Plättchens 29 mit dem Loch 30 auch im Bereiche des Anschlusses 8 eine gleichmässige Strömungsgeschwindigkeit im Innenbehälter, gleich der Strömungsgeschwindigkeit über den übrigen Teil des Umfanges, erreicht werden kann.
Bei dieser Ausführungsform liegt die Röhre 10 ganz im Inneren der Innenröhre 2. Am oberen Ende der Innenröhre 2 ist ein Stützbügel 31 angeordnet, der die Innenröhre umschliesst und sich mit Rippen an die Wandung der Aussenröhre abstützt.
Um bei der Regenerierung die beiden Behälter voneinander abzusperren, wird bei dieser Ausführungsform eine Membrane 32 verwendet.
Um die Anschlüsse 7 und 8 und die Röhren 9 und 10 mit den äusseren Quellen für das zu entionisierende Wasser, Rückspülwasser, Regenerierungschemikalien, Spülwasser und Luft auf einfache Weise verbinden und umstellen zu können, kann ein Ventil benutzt werden, das nach bekannten Prinzipien so ausgebildet werden kann, dass in bestimmten Stellungen eines gemeinsamen Ventilkörpers sämtliche Verbindungen für jede Betriebsphase der Vorrichtung hergestellt werden.
Eine Ausführungsmöglichkeit eines solchen Ventils ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Die von den beiden Röhren 1 und 2 gebildete Ionenaustauschersäule ist dort auf einem hohlen Fuss 31 montiert, der eine schräge Vorderwand 52 hat, auf welcher ein Ventilgehäuse 53 montiert ist, in dem ein Drehventilkörper 54 angebracht ist, welcher mittels eines Handhebels 55 umgestellt werden kann. Die Anschlüsse 7 und 8 und die Röhren 9 und 10 sind durch Schläuche 83, 81, 87 und 85 mit Anschlüssen 82, 80, 86 und 84 des Ventilkörpers verbunden, welche Anschlüsse mit Ventilöffnungen des Ventilkörpers kommunizieren.
Eine Ausführungsmöglich- keit der Anordnung dieser Ventilöffnungen ist in Fig. 10 schematisch dargestellt, welche ebenfalls durch eine symbolische Figur innerhalb des den Ventilkörper darstellenden Kreises die Verbindung der verschiedenen Ventilöffnungen mit dem unteren Ende des Innenbehälters, dem unteren Ende des Aussenbehälters, dem oberen Ende des Innenbehälters und dem oberen Ende des Aussenbehälters veranschaulicht. Ferner zeigt Fig. 10 die Anordnung der Ventilöffnungen des Ventilgehäuses und der damit verbundenen Anschlüsse für Wasser bei 91, z. B. an einem Wasserhahn, Wasserauslass bei 92, HCl bei 93, NaOH bei 94 und eine Saugpumpe bei 95.