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Ionenaustauschfilter und Verfahren zu dessen Betrieb Die gebräuchlichen
Ionenaustauschfilter werden bei der Beladung im allgemeinen von oben und bei der
Regeneration von oben oder auch von unten beaufschlagt. D ie Erfindung betrifft
einen Ionenaustauschfilter besonderer Bauart, das in einer Richtung beladen und
in der umgekehrtenRichtung regeneriert wird.Bei dieser Betriebsweise eines Ionenaustauschfilters
läßt sich der Chemikalienverbrauch beim Wiederbeleben auf die theoretisch erforderliche
Menge senken und trotzdem ein vollkommener Austausch der gewünschten Ionen erzielen,
da die Austauscherschicht, die beispielsweise zuerst von der Salzsäure durchflossen,
also in jedem Fall vollkommen wiederbelebt, bei der anschließenden Beladung zuletzt
vom Wasser durchströmt wird. Das sich einstellende Gleichgewicht zwischen dem das
Filter verlassenden Wasser und den Austauscherteilchen ist vollkommen nach der Seite
der Entbasung verlagert, und es muß theoretisch möglich sein, ohne einen Salzsäureüberschuß
bei der Regeneration ein Wasser zu erzielen, das vollkommen frei von Natriumionen
ist.
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Voraussetzung für das Erreichen dieser Vorteile ist allerdings, daß
die Austauscherteilchen während eines Arbeitsspiels vom Beginn der Wiederbelebung
an bis zum Ende des anschließenden Beladungsvorgangs nicht umgelagert werden.
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Wird ein Ionenaustauschfilter von unten nach oben durchströmt, dann
tritt dabei eine Auflockerung der Füllung ein, die zu einer ungeregelten Bewegung,
d. h. zu einer Verwirbelung und Umlagerung der Füllung führt. Diese Umschichtung
läßt sich am einfachsten dadurch verhindern, daß das Ionenaustauschfilter in bekannter
Weise auch oben durch einen wasserdurchlässigen, aber austauscherundurchlässigen
Boden abgeschlossen wird und der Raum zwischen beiden Böden vollständig mit Austauscherteilchen
gefüllt ist.
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Die Ionenaustauscherteilchen besitzen aber einerseits, je nach Beladungszustand,
ein unterschiedliches Volumen und dürfen andererseits nicht unter Druck stehen,
ohne in ihrer Austauschfähigkeit nachzulassen bzw. zu zerfallen. Ein störungsfreier
Gegensinnbetrieb ist also mit dieser einfachen Filterkonstruktion nicht zu erreichen.
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Bei dem erfindungsgemäßen, oben durch einen austauscherundurchlässigen
Filterboden bekannter Rauart abgeschlossenen Filter wird die Umschichtung der Austauscherfüllung
dadurch verhindert, daß ein im unteren Filterteil angebrachter austauscherdurchlässiger
Lochboden die Umschichtung der Füllung zwischen dem oberen Filterboden und dem Lochboden
verhindert. Wird das Filter von oben nach unten betrieben, dann ruht die Austauscherfüllung
auf dem unteren Filterboden auf. Da der Raum zwischen beiden Filterböden bei größtmöglichem
Volumen der Austauscherteilchen zu mindestens 950/0 mit Austau-
scher gefüllt ist,
reicht die Füllung bei einer üblichen Filterhöhe von 1 m bis etwa 5 cm unterhalb
des oberen Filterbodens. Wird das Filter von unten nach oben in Betrieb genommen,
dann schiebt sich die Austauscherfüllung so lange durch die Löcher des Zwischenbodens,
bis die Füllung gegen den oberen Filterboden angepreßt wird. Durch die Erhöhung
der Geschwindigleit im freien Querschnitt der Lochplatte wird ein Abregnen der Austauscherfüllung
durch den Zwischenboden und damit die Umschichtung der Füllung verhindert. Die kritische
Mindestgeschwindigkeit, bei der die Füllung noch sicher gegen den oberen Boden gepreßt
wird, hängt selbstverständlich von der Art des Austauschers ab und beträgt z. B.
für stark sauren Kationenaustauscher auf Styrolbasis 20 m/h und für stark basischen
Anionenaustauscher auf Stvrolbasis 14 m/h. Solange diese Wassergeschwindigkeit im
freien Ouerschnitt der Löcher des Zwischenbodens nicht unterschritten wird, kann
das Filter von unten nach oben betrieben werden.
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Die Lochplatte ist derart angebracht, daß der Raum über ihr mindestens
genauso groß wie der unter ihr
ist. Zweckmäßig beträgt der Abstand
vom unteren Filterboden 30 cm.
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Das in der Zeichnung dargestellte Ionenaustausch filter enthält zwischen
den beiden Filterböden a bekannter Bauart den Ionenaustauscher. Ein Abstaiid des
in der Zeichnung als Lochplatte dargestellten Zwischenbodens b von 30 cm vom unteren
Filterboden genügt, um einerseits die Volumenänderung der Austauscherfüllung aufzunehmen
und andererseits die Entlüftung des Filters zu ermöglichen. Bei der Be ladung wird
das Ventil c geöffnet, am Ventil d der gewünscht Durchsatz eingestellt, während
alle anderen Ventile geschlossen sind, d.h., das Filter wird wie üblich angefahren
und abgestellt.
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NIuß die Austauscherfüllung regeneriert werden, dann werden die Ventile
g und h (Entlüftung und Chemikalienablauf) geöffnet und das Filter iiber das voll
geöffnete Ventil f, das die Verdünnungwassermenge für das Chemikal bei der gewünschten
Regeneriergesclnvindigkeit durchläßt, und das entsprechend geöffnete Ventil e mit
einer Geschwindigkeit von etwa 1 cmlsec (auf den freien Querschnitt des Filters
bezogen) beaufschlagt. Dabei preßt sich die Austauscherfüllung gegen den oberen
Filterboden an, und der Raum zwischen dem Zwischenboden (Lochplatte b) und dem oberen
Filterboden bleibt auch dann mit Austauscher gefüllt, wenn durch Schließen der Ven
tile g und e der Durchsatz auf die Regenenergeschwin digkeit verringert wird. Nach
Beendigung der Chemikal ienzugabe - der in der Zeichnung vorgesehene Injektor ist
als Beispiel gedacht - und Schließen des Ventils 1 wird der wiederbelebte Austauscher
wie üblich zunächst mit der Regeneriergeschwindigkeit vorgespült. Zum endgültigen
Ausspülen des Chemikalienüberschusses wird das Ventil g geöffnet, das Ventil h geschlossen
und die gewünschte Spülwassermenge mit dem Ventil e dosiert. Nach beendeter Spülung
wird zunächst das Ventil f geschlossen, dann Ventil i geöffnet und möglichst rasch
das Spülventil e geschlossen. Dann rieselt der Austauscher in der bereits geschilderten
Weise in den Raum zwischen unterem Filterboden und der Lochplatte b, während das
verdrängte Wasser über das Ventil i und den mit einem Entlüftungsrohr versehenen
Schwanenhals ausfließt. Damit steht das Filter zum nächsten Arbeitsspiel bereit.
Das Ventil k ist nur der Vollständigkeit halber mit aufgenommen worden und dient
dazu, das Filter erforderlichenfalls einmal ganz entleeren zu können.
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Im folgenden sei die Arbeitsweise eines derartigen Ionenaustauschfilters
beschrieben. Das Filter, das von oben nach unten regeneriert und von unten nach
oben beladen wurde, bestand aus einem Plexiglaszylinder von 450 mm Durchmesser und
1000 mm Tlöhe, der 20 cm oberhalb des unteren Filterbodens mit einer Lochplatte
versehen war. Die Lochplatte enthält Löcher von 22 mm Durchmesser, die mit einem
Lochabstand von 44 mm in der üblichen Weise an den Ecken gleichseitiger Dreiecke
angeordnet waren. Damit beträgt der freie Querschnitt der Löcher etwa cin Fünftel
des freien Querschnitts des Filters.
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Das Versuchsfilter wurde als Anionen- und Entkieselungsfilter eingesetzt
und verarbeitete das gleiche Wasser wie die Anionenstufe einer 1954 in Betrieb genommenen
Vollentsalzungsanlage, deren Filter einen Durchmesser von 600 mm und eine Leistung
von 5 tjh besitzen.
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Das Filter und das Anionenfilter der Betriebsanlage konnten in einem
Beladungsvorgang 130 t Wasser mit folgendem Anionengehalt verarbeiten:
Chlorid (C1)
.................. 5 bis 10 mg/l Sulfat (S 04) ................. 2 mg/l Kohlensäure
(C 02) 5 mg/l Kieselsäure (SiO2) 35 ingIl Im Filterablauf war bei beiden Filtern
kein Chlorid, kein Sulfat und keine Kohlensäure mehr nachspeisbar, während der Kieselsäuregehalt
im Betriebsfilter auf 0,2 bis 0,3 mg/l, im Gegensinnfilter sogar auf 0,02 bis 0,05
mg/l herabgesetzt wurde.
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Zur Wiederbelebung waren bei dem Betriebsfilter 0,22kg Natriumhydroxyd
(NaOH)/t und bei dem Versuchsfilter nur 0,05 bis 0,06kg Na 0 Hit durchgesetztes
Wasser erforderlich. Der Chemikalienverbrauch des Filters beträgt damit nur knapp
300/0 des Gleichstromfllters.
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Das Betriebsfilter wird bei einer Nennleistung von 5 t/h mit einer
Geschwindigkeit von knapp 18 m/h betrieben (auf den freien Filterquerschnitt bezogen);
diese Geschwindigkeit kann ohne Qualitätsverschlechterung des ablaufenden Wassers
bis auf 25 m/h gesteigert werden. Da die Austauschermasse ruht, kann bei geringerem
Wasserbedarf die Geschwindigkeit beliebig gesenkt werden. Das Versuchsülter wurde
mit den gleichen Geschwindigkeiten betrieben, was bei einer Geschwindigkeit von
25 m/h einer Erzeugung von knapp 4 t/h und bei 18 m/h von 2,8 t/h entspricht. Solange
die Geschwindigkeit im freien Ouerschnitt der Löcher der Lochplatte, die das 4,5fache
der auf den freien Filterquerschnitt bezogenen Geschwindigkeit beträgt, größer gehalten
wurde als 14m/h (Leistung 0,5 t/h), lagert sich die Austauscherfüllung zwischen
Lochboden und oberem Filterboden nicht um, und die Qualität des Wassers bleibt unverändert.
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Es bat sich als zweckmäßig herausgestellt, das Gegenstromfilter bei
Beginn der Durchströmung von unten nach oben mit hoher Leistung (Geschwindigkeit,
auf den freien Filterquerschnitt bezogen 15 m/h, auf den freien Querschnitt der
Lochplatte bezogen 70 70m/h) anzufahren, da dann die Austauscherfüllung sehr rasch
und ohne jede Umschichtung der Füllung gegen den oberen Filterboden angepreßt wird.
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Ohne den Lochboden kann das Filter nicht ohne Umschichtung der Füllung
von unten nach oben angefahren werden.
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So das von unten nach oben durchströmte Filter abgestellt werden,
dann wird bei einem einfachen Schließen des Eintrittsventils das unterhalb des Lochbodens
befindliche Wasser durch die Austauscherfüllung nach oben steigen und dabei die
Füllung umschichten. Diese Umlagerung der Austauscherteilchen beim Abstellen wird
dadurch vermieden, daß das im unteren Filterteil befindliche Wasser nach Schließen
des Eintrittsventils iiber ein Ablaßventil am Boden des Filters abgelassen wird,
wobei ein Schwanenhals das Leerlaufen des Filters verhindert.