DE1084241B - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Fluessigkeiten mit Ionenaustauschern - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Hauptpatentanmeldung M 22079 IVc/12d betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit Ionenaustauschern, die im Gleichstrom mit der Flüssigkeit durch die Behandlungszone geführt werden. Danach werden die Ionenaustauscher nach Abtrennung eines Teils der behandelten Flüssigkeit zusammen mit dem Rest derselben der zu behandelnden Flüssigkeit wieder zugesetzt, so daß der in der Flüssigkeit suspendierte Austauscher einen Kreislauf ausführt, dem stetig oder absatzweise regenerierter Ionenaustauscher zugesetzt und mindestens teilweise verbrauchter Ionenaustauscher zur Regeneration entnommen wird und dem behandelte Flüssigkeit an einer Stelle zugeführt wird, während im gleichen Maße an einer anderen Stelle behandelte Flüssigkeit abgezogen wird.

Die Strömung des Gemisches von Flüssigkeit und Ionenaustauscher durch den Behandlungsraum und die anderen Teile der Anlage wird entweder durch die mechanische Energie der eintretenden Flüssigkeit, z. B. mit Hilfe von Injektoren, aufrechterhalten.

Es wurde gefunden, daß der Kreislauf der Flüssigkeit und des Ionenaustauschers durch mehrere gegeneinander begrenzte Bereiche der Austauschzone mit einfachsten Mitteln und unter schonendsten Bedingungen für den Austauscher durch Einleiten von Gasen oder Dämpfen in Gang gehalten wird, indem ein gas- oder dampfförmiger Stoff, z. B. Luft, in das untere Ende desjenigen Teils der Behandlungszone eingeführt wird, in welchem die Flüssigkeit und der Ionenaustauscher aufwärts strömen. Die als Prinzip des Mischlufthebers bekannte Gasauftriebswirkung erlaubt außer der Förderung des Gemisches von Flüssigkeit und Ionenaustauscher auch Wechselwirkungen zwischen der Flüssigkeit und dem Gas oder Dampf. Beispielsweise kann Kohlensäure aus dem durch Kationenaustausch behandelten Wasser entfernt werden, oder es können Temperatur- oder chemische Veränderungen, z. B. Oxydationen, Reduktionen od. dgl., vorgenommen werden.

Eine Austauschzone, in welcher die zu behandelnde Flüssigkeit und die darin suspendierten Ionenaustauscher im Kreislauf umgewälzt werden, kann aus zwei senkrechten, nebeneinanderstehenden, an ihren Enden durch Querleitungen miteinander verbundenen Rohren bestehen. Vorzugsweise werden zwei vertikale Rohre konzentrisch ineinander in der Weise angeordnet, daß an den Enden Flüssigkeit und Ionenaustauscher aus einem Rohr in das andere übertreten können. In das Rohr, in welchem die Strömung aufwärts gerichtet sein soll, wird am unteren Ende oder in der Nähe desselben ein Gas, z. B. Luft, in gleichmäßiger, feiner Verteilung eingeleitet. Die in der Suspension aufsteigenden Glasblasen vermindern das Verfahren und Vorrichtung

zur Behandlung von Flüssigkeiten

mit Ionenaustauschern

Zusatz zur Patentanmeldung M 22079 IVc/12 d
(Auslegesdirift 1 076 084Ji

Anmelder:

Metallgesellschaft Aktiengesellschaft,
Frankfurt/M., Reuterweg 14

Dr. Werner Wisfeld, Dipl.-Ing. Dr. Erich Herrmann,

Frankfurt/M., Günter Derenk, Frankfurt/M.-Buchschlag, und Dipl.-Ing. Rolf-Karl Dorn, Frankfurt/M.,

sind als Erfinder genannt worden

mittlere spezifische Gewicht der Suspension gegenüber dem der nicht von dem Gas durchströmten Suspension in dem anderen Rohr. Durch diese Differenz zwischen den mittleren spezifischen Gewichten der beiden Flüssigkeitssäulen entsteht eine Kreislaufströmung, die in dem belüfteten Rohr aufwärts, im anderen Rohr abwärts fließt. Die Geschwindigkeit dieses Umlaufes ist durch Änderung der zugeführten Gasmenge regelbar.

Bei Verwendung leistungsfähiger Ionenaustauscher auf Kunstharzbasis können die Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Behandlungszone bis zu 3000 m/h betragen. Die untere Grenze der Strömungsgeschwindigkeit ist durch die Sinkgeschwindigkeit der Ionenaustauscher in der Flüssigkeit gegeben. Bei der Behandlung von Wasser werden Strömungsgeschwindigkeiten von über 100 m/h, beispielsweise von 800 bis 1500 m/h, angewendet.

Die zu behandelnde Flüssigkeit und das Gas werden gemeinsam oder an nahe beieinanderliegenden Stellen in die Behandlungszone eingeführt. Zweckmäßig wird die beim Eintritt der Flüssigkeit in den Behandlungskreislauf frei werdende Druckenergie zur Beschleunigung der Umlaufgeschwindigkeit ausgenutzt, indem die zu behandelnde Flüssigkeit in gerichteten Strahlen

009 548/278

UÖ4

in den Kreislauf eingeführt wird oder Strahldüsen in die Zuleitung der zu behandelnden Flüssigkeit geschaltet werden, durch welche das zum Umlauf notwendige Gas angesaugt wird.

Kurz vor der Eintrittsstelle der zu behandelnden Flüssigkeit in den Kreislauf (in der Strömungsrichtung gesehen) wird die behandelte Flüssigkeit vom mitgeführten Ionenaustauscher getrennt und zur weiteren Verwendung abgeleitet. Aus der umlaufenden Suspension wird ein Teil der Ionenaustauscher abgezweigt, in bekannter Weise regeneriert und danach in den Kreislauf zurückgegeben.

Das Verhältnis von zu behandelnder Flüssigkeit zu darin suspendiertem Ionenaustauscher innerhalb der Behandlungszone wird möglichst klein gehalten. Auf ^5 10 Volumteilen Flüssigkeit werden in der Behandlungszone mindestens 1 Volumteil, vorzugsweise 5 und mehr Volumteile Ionenaustauscher suspendiert. Demgemäß durchläuft eine durchschnittliche Ionenaustauschermenge den Behandlungskreislauf verhältnissmäßig oft, bevor die Wahrscheinlichkeit eintritt, daß sie in die Regenerierzone gelangt. Zweckmäßig wird auch die in der Behandlungszone in Umlauf gehaltene Flüssigkeitsmenge groß gegenüber dem Flüssigkeitsdurchsatz gehalten. Bei kleinen Abmessungen der Behandlungszone ergeben sich dann verhältnismäßig große mittlere Aufenthaltszeiten der Flüssigkeit in der Zone. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit fördert den Ionenaustauschvorgang durch Beschleunigung der Diffusionsgeschwindigkeit in der nächsten Umgebung der Ionenaustauschpartikeln.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung diene die Zeichnung, in der Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt sind.

Abb. 1 stellt eine Vorrichtung zur Enthärtung von Wasser durch Kationenaustausch dar;

Abb. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Entsalzung von Wasser mit Hilfe von Kationen- und Anionenaustauschern.

Die Vorrichtung gemäß Abb. 1 besteht aus einer beliebigen Anzahl von Doppelrohren, die aus den inneren Rohren 1 und den äußeren Rohren 2 zusammengesetzt sind. Diese Rohre 1 und 2 sind konzentrisch ineinander angeordnet und bilden die inneren Behandlungsräume 4 und die äußeren Behandlungsräume 10. In jedem Doppelrohr sind die beiden Rohre 1 und 2 ein Stück gegeneinander versetzt, so daß am unteren Ende das innere, am oberen Ende das äußere Rohr überragt. Die Doppelrohre stehen oben mit dem Trennraum 15 und unten mit dem Trennraum 12 in Verbindung. In den Trennräumen kann sich die Suspension des Ionenaustauschers in der Flüssigkeit entmischen.

Die unteren Enden der Doppelrohre tauchen in den Trennraum 12 ein, durch dessen Boden Zuleitungen 6 für die zu behandelnde Flüssigkeit und Zuleitungen 3 für das Fördermittel zu jedem Doppelrohr geführt sind. Die Fördermittel, z. B. Gasleitungen 3, ragen ein Stück in den inneren Raum 4 eines jeden Doppelrohres hinein und enden in Gasverteilungsvorrichtungen 5, z. B. in Düsensystemen, welche eine feine und gleichmäßige Verteilung des Gases bewirken. Die Zuleitung 6 der zu behandelnden Flüssigkeit zu jedem Doppelrohr wird vorteilhaft parallel zu oder konzentrisch in der Gasleitung in den inneren Raum 4 so eingeführt, daß ihre Mündung 7 oberhalb der Gasverteilungsvorrichtung Hegt. Auch die Mündung 7 kann z. B. düsenähnlich ausgebildet sein, um der eintretenden Flüssigkeit die Gestalt eines gerichteten Strahles zu geben, der die Aufwärtsströmung des Gemisches aus Ionenaustauscher und Flüssigkeit fördert. Am oberen Ende eines jeden Doppelrohres wird die Mündung des inneren Rohres überflutet. Das Gas entweicht aus der Flüssigkeit, z. B. in die Atmosphäre, während die Suspension von Ionenaustauscher und Flüssigkeit zum Teil im äußeren Raum 10 des Doppelrohres abwärts strömt, zum anderen Teil durch den Ablauf 31 in den oberen Trennraum 15 gelangt.

Der durch den Raum 10 abwärts strömende Teil der Suspension gelangt in den unteren Trennraum 12, in welchem sich Flüssigkeit aus der Suspension abscheidet. Diese Flüssigkeit gelangt durch das Steigrohr 13 in ein Niveaugefäß 14, aus dem sie zur Verwendung abgezogen wird.

Der Strömungsquerschnitt des Trennraumes 12 erweitert sich von unten nach oben, so daß ein plötzlicher Abfall der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erfolgt. Dadurch trennt sich die behandelte Flüssigkeit schnell von dem Ionenaustauscher, der am Boden des Trennraumes 12 eine fließfähige Schicht bildet, aus welcher durch den Sog am unteren Ende der inneren Rohre 1 kontinuierlich Ionenaustauscher von der einströmenden Flüssigkeit mitgeführt wird.

Die Teilmenge der Suspension, die aus dem oberen Ende des inneren Rohres 1 durch den Ablauf 31 in den Trennraum 15 gelangt ist, trennt sich hier ebenfalls in Flüssigkeit und Ionenaustauscher. Der letztere bildet am konischen Boden dieses Gefäßes eine fließfähige Schicht, aus welcher Ionenaustauscher kontinuierlich oder intermittierend in Teilmengen in die unter dem Sammelraum angeordneten Behälter 32 geleitet werden kann. Diese Vorrichtung steht mit dem Trennraum 15 durch das Fallrohr 16 in Verbindung, welches mit einer Blende 17 oder einer anderen den Durchfluß des Ionenaustauschers regulierenden Vorrichtung versehen ist.

In dem Standgefäß 32 erfolgen die Regeneration und die nachfolgende Auswaschung noch anhaftenden Regenerationsmittels. Der Behälter 32 ist auf dem unteren Trennraum 12 angeordnet und mit diesem über eine flüssigkeitsdurchlässige Schicht22, z.B. eine Lage grobkörniger Stoffe, verbunden. In wesentlichem Abstand über dieser Schicht, etwa im unteren Drittel oder der Hälfte der Höhe des Standgefäßes 32, ist eine seitliche Zuführung 21 für die Regenerationsmittel vorgesehen, die innerhalb des Gefäßes in einer Verteilervorrichtung 20 mündet.

Vom Boden des Standgefäßes 32 sind Fallrohre 23 durch die flüssigkeitsdurchlässige Schicht 22 hindurch in den unteren Trennraum 12 geführt und reichen bis in die fließfähige Ionenaustauscherschicht. Diese Rohre sind an den unteren Enden mit Verschlüssen 27 versehen, die durch eine Antriebsvorrichtung 26 betätigt und gegebenenfalls durch eine Regelvorrichtung 24 und 25 nach dem Stand des Ionenaustauschers im Standgefäß 32 gesteuert werden.

Am oberen Ende des Standgefäßes ist als Ableitung für die Regenerations- und Spülflüssigkeit ein Steigrohr 28 angeordnet, das zu dem Niveaugefäß 29 mit dem Ablauf 30 führt.

Die erforderliche Menge an Ionenaustauscher befindet sich zunächst im unteren Trenngefäß 12. Das zu behandelnde Wasser tritt aus der Leitung 6 und durch die Düsenöffnungen 7 ein. Sobald die Vorrichtung bis zum Niveau 33 gefüllt ist, beginnt der eigentliche Betrieb. Aus den Rohren 3 wird durch die Gasverteiler 5 Luft eingeführt. Durch die Verringerung der mittleren Dichte der Flüssigkeit im inneren Raum 4 der Doppelrohre gegenüber der im äußeren Raum 10 befindlichen bildet sich eine Zirkulation der Flüssigkeit aus, die in den inneren Räumen 4 aufwärts, in den

äußeren Räumen 10 abwärts gerichtet ist und auch bei völlig abgestellter Wasserzufuhr allein durch Einleitung von Luft in Gang gehalten werden kann. In dem Maße, in dem diesem Kreislauf die zu behandelnde Flüssigkeit aus den Leitungen 6 zugeführt wird, wird behandelte Flüssigkeit aus dem Trennraum 12 entnommen.

Die Aufwärtsströmung im Raum 4 führt am unteren Ende der Rohre 1 Ionenaustauschmaterial aus der

Ionenaustauschern, beispielsweise zur teilweisen oder vollständigen Entsalzung von Wasser durch Behandlung mit einem Kationenaustauscher und einem Anionenaustauscher in aufeinanderfolgenden Stufen.

Für jede dieser Stufen sind eine Behandlungsvorrichtung und eine Regenerationsvorrichtung vorgesehen, die in ähnlicher Weise, wie in Abb. 1 beschrieben, angeordnet sein können.

40 und 41 sind Doppelrohre mit den inneren Räumen

raum 12 zurück, um erneut an dem Kreislauf teilzunehmen. Der andere Teil gelangt in den oberen Sammelraum 15 und von dort in die Regeneration.

Die Wassermengen, die aus dem Behandlungskreislauf durch die Doppelrohre ausscheiden, gehen durch den unteren Trennraum 12 und das Steigrohr 13 in das Niveaugefäß 14, aus dem das behandelte Wasser abgezogen wird. Ein Teil der im Sammelraum 12 an-

Fließschicht am Boden des Trennraumes 12 mit. Diese 10 42 und 43 sowie den äußeren Räumen 44 und 45. Diese Ionenaustauschermenge kehrt zum Teil in den Trenn- Doppelrohre tauchen in die unteren Sammelräume 46

und 47, auf welchen die Standgefäße 48 und 49 angeordnet sind. In diesen Standgefäßen liegen die Regenerierzonen 50 und 51 sowie die Spülzonen 52 und 53.

Die Doppelrohre tragen an den oberen Enden Überlaufräume 54 und 55, aus denen die Anteile der Ionenaustauscher, die aus den beiden Behandlungskreisläufen ausscheiden, durch die Fallrohre 56 und 57 in die Standgefäße geleitet werden. Die Regenerationsgesammelten Flüssigkeit strömt durch die flüssigkeits- 20 mittel werden den Standgefäßen durch die Leitungen durchlässige Schicht 22 in das Standgefäß 32 ein und 58 und 59 zugeführt. Als Spülflüssigkeiten dienen in wäscht in der Spülzone 19 den regenerierten Ionenaus- jeder Stufe Teile der behandelten Flüssigkeiten, die tauscher von noch anhaftendem Regeneriermittel frei. aus den unteren Sammelräumen 46 und 47 durch die Aus der Leitung 21 wird durch den Verteiler 20 eine flüssigkeitsdurchlässigen Schichten 60 und 61 in die konzentrierte Lösung eines Regeneriermittels in regel- 25 Standgefäße aufsteigen und aus diesen über die Steigbarer Menge zugeführt und bildet mit der aufwärts rohre 62 und 63 und die Niveaugefäße 64 und 65 abströmenden Spülflüssigkeit die Regenerationsfiussig- geleitet werden.

keit, die verbraucht durch das Steigrohr 28 in das Durch die Leitungen 66 und 67 mit den Verteiler-

Niveaugefäß 29 gelangt und bei 30 aus diesem abfließt. vorrichtungen 68 und 69 wird das Fördergas, ζ. Β. Die aus dem Behandlungskreislauf ausgeschiedene 30 Luft, in die Innenräume 42 und 43 der Doppelrohre Ionenaustauschermenge sammelt sich am Boden des eingeleitet.

oberen Trenngefäßes 15 und wird aus diesem durch Das zu entsalzende Wasser tritt durch die Leitung

das Fallrohr 16 mit regelbarer Strömungsgeschwin- 70 in den Innenraum 42 des Doppelrohres40 ein und digkeit in das Standgefäß 32 abgelassen, wo sie mit wird dort mit einem Kationenaustauscher behandelt, der aufwärts und entgegenströmenden Spül- und Rege- 35 der im Behandlungskreislauf durch die Räume 42 und nerationsflüssigkeit eine fließfähige Schicht 18 bildet. 44 des Doppelrohres 40 umläuft und aus dem Vorrat,

der sich als fließfähige Schicht am Boden des Trennraumes 46 befindet, mitgeführt wird.

Der Trennraum 46 füllt sich mit kationenfreier gang wird durch den Verschluß 27 geregelt und z. B. 4° Flüssigkeit, von der ein kleiner Anteil durch das durch die Füllhöhe des Ionenaustauschers im Stand- Standgefäß 48 für die Regeneration geführt wird. Die gefäß gesteuert. Hauptmenge wird mittels der Pumpe 71 durch die

Die Behandlung des Wassers mit dem Ionenaus- Leitungen 72 in den inneren Behandlungsraum 43 des tauscher und die Regeneration des letzteren sind also Doppelrohres 41 gefördert und gelangt dort in den getrennt voneinander regelbare Vorgänge. Die Ge- 45 Behandlungskreislauf von bereits behandelter Flüssigschwindigkeit, mit welcher die Suspension von Ionen- keit und Anionenaustauscher.

austauscher und Flüssigkeit als Behandlungskreis- Das entsalzte Wasser wird aus dem Trennraum 47

lauf durch die Behandlungsräume 4 und 10 umläuft, zum kleinen Teil durch das Standgefäß 49, in dem die wird durch die Luftzufuhr aus der Leitung 3 unter Regeneration des Anionenaustauschers stattfindet, Berücksichtigung der Förderwirkung des durch die 50 über das Steigrohr 63 und das Niveaugefäß 65 abge-Leitung 6 zugeführten zu behandelnden Wassers ein- leitet. Die Hauptmenge des salzfreien Wassers ge-

g g

Der regenerierte Ionenaustauscher gelangt aus dem Standgefäß 32 durch das Fallrohr 23 in die Fließschicht am Boden des Trennraumes 12. Dieser Über-

langt über das Steigrohr 74 in das Niveaugefäß 75 und wird aus diesem zur Verwendung durch 86 abgeleitet.

Vom Boden des Niveaugefäßes 75 führt eine Leitung 73 zum oberen Überlaufraum 54 des Doppelrohres 40. Auf diese Weise wird ein Kreislauf zwischen den beiden Austauschstufen hergestellt, durch welchen eine Teilmenge des entsalzten Wassers in den

gestellt. Unabhängig von dieser Verfahrensstufe ist die Behandlung des beladenen Ionenaustauschers in der Regenerationsstufe. Die Durchsatzgeschwindigkeit wird hier durch die Blende 17 und den gesteuerten Verschluß 27 geregelt. Ein Drosselventil in der Leitung 28 ermöglicht eine Veränderung der für die Spülung und die Regeneration aus dem behandelten Wasser abgezweigten Menge.

Die Vorrichtung gemäß Abb. 1 kann in der ein- 60 Kationenaustauschprozeß zurückkehrt,
fachsten Weise so ausgeführt werden, daß sie nur ein Maßgebend für das Verhältnis, in

Doppelrohr als Behandlungszone enthält, dem dann eine obere und eine untere Trennzone zugeordnet sind. Andere Möglichkeiten der Ausführung bestehen z. B. darin, daß das zu behandelnde Wasser in den Behändlungskreislauf z. B. am oberen Ende des Doppelrohres oder an einer anderen geeigneten Stelle zugeführt wird.

Die Vorrichtung gemäß Abb. 2 dient vorzugsweise

dem beide

Flüssigkeitssteile zueinander stehen, ist die Förderleistung der Pumpe 71, die mehr Flüssigkeit von der Kationenaustauschstufe zur Anionenaustauschstufe fördert, als der gesamten Anlage über das Niveaugefäß 75 entnommen wird.

Die Regeneration der beiden Ionenaustauscher erfolgt für jede Stufe gesondert, grundsätzlich aber in der gleichen Weise, wie bei der Vorrichtung gemäß

zur mehrstufigen Behandlung von Flüssigkeiten mit 7° Abb. 1 beschrieben wurde.

Die Fallrohre 76 und 77, die von den Standgefäßen 48 und 49 in die Trennräume 46 und 47 führen, sind mit Verschlüssen 78 und 79 versehen, welche durch Antriebsvorrichtungen 80 und 81 betätigt und durch Regelorgane 82 und 83 gesteuert werden. Zweckmäßig werden auch in den Fallrohren 56 und 57 Regelvorrichtungen 84., 85 angebracht, mittels welchen die Strömungsgeschwindigkeiten gesteuert werden, mit denen die beladenen Ionenaustauscher aus den Überlauf- und Trennzonen 54 und 55 in die Standgefäße 48 bzw. 49 gelangen.

Beispiel

Es soll ein Rohwasser mit 17,5° dH. mit Hilfe eines auf Polystyrolbasis aufgebauten Kationenaustauschers, der nur Sulfosäuregruppen als aktive Ionenaustauschgruppen enthält, enthärtet werden. Die stündlich zu verarbeitende Wassermenge beträgt lOO cbm.

Die Enthärtungszone gemäß der Erfindung besitzt folgende Abmessungen:

Von den konzentrischen Rohren ist der Durchmesser des inneren Rohres 0,8 m, der Durchmesser des äußeren Rohres 1,2 m, die Rohrlänge beträgt etwa 2,5 m. Die in den Rohren während der Enthärtung befindliehe Austauschermenge ist 1,5 cbm. Die Wassermenge, die durch einen Querschnitt der Behandlungszone fließt, ist etwa das Zehnfache von der Wassermenge, die in der gleichen Zeit zu- und abgeführt wird. Die Härte des behandelten Wassers ist etwa 0,1° dH.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln von Flüssigkeiten mit im Kreislauf durch eine Austauschzone geführten Ionenaustauschern, die mit der Flüssigkeit im Gleichstrom geführt werden, nach Patentanmeldung M 22079 IVc/12d, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreislaufführung der Flüssigkeit und der Ionenaustauscher durch mehrere gegeneinander begrenzte Bereiche der Austauschzone durch Einleiten von Gasen oder Dämpfen in an sich bekannter Weise bewirkt wird.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei konzentrische vertikale Rohre (1,2), durch Zuleitungen für zu behandelnde Flüssigkeit (6) und für ein gasförmiges Fördermittel (3) im unteren Teil eines Rohres, durch Trennräume (12,15) an den Enden des Doppelrohres mit der Ableitung (13,14) für behandelte Flüssigkeit am unteren und der Ableitung (16) für entnommenen Ionenaustauscher am oberen Trennraum.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die zwischen die beiden Trennzonen und parallel zu dem Doppelrohr geschaltete, an sich bekannte Regenerierzone (18,19).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 448 108;
österreichische Patentschrift Nr. 118 739;
britische Patentschrift Nr. 604 688.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 548/278 6.60