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Bei einem bekannten Verfahren wird der Ionenaustausch kontinuierlich
im Gegenstrom durchgeführt.
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Dabei wird die Trübe in einen Behälter mit Einbauten eingeführt und
durch Luftzugabe umgewälzt. Aus dem nachgeschalteten Behälter werden aus einer Tasche
Austauscher und Trübstoff nach dem Mammutpumpenprinzip in den ersten Behälter eingeleitet
und mit umgewälzt. Die Trübe wird nun je nach dem gewünschten Effekt nach und nach
in mehrere andere Behälter übergeleitet. In den letzten Behälter wird frische Austauschermasse
zugegeben und im Gegenstrom zur Trübe stufenweise bis zum ersten Behälter geleitet
und von dort abgeführt, um anschließend außerhalb der beschriebenen Vorrichtung
gewaschen und regeneriert zu werden. Für das Waschen und Regenerieren kann eine
ähnliche Anlage benutzt werden.
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Grundsätzlich bietet dieses Gegenstromverfahren entscheidende technologische
Vorteile gegenüber allen bekannten Verfahren. Doch ergeben sich einige wesentliche
Nachteile dadurch, daß für die Gegenstromführung des Austauschers dieser zusammen
mit Trübstoffen aus Taschen in der Umwälzzone pneumatisch oder hydraulisch abgesaugt
werden muß; dabei ist die Verstopfungsgefahr der Saugleitungen relativ groß. Die
Begrenzung des Trübstoffgehaltes auf 6 <)/o in der Flüssigkeit stellt zweifellos
einen wesentlichen Nachteil für eine breitere Nutzanwendung des Verfahrens dar.
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Für die pneumatische Umwälzung des Austauschers und der Trübe ist
für jeden Behälter ein relativ großer technischer und energiemäßiger Aufwand nötig,
wobei die Gefahr der Ablagerung von Austauscher und Trübstoff trotzdem sehr groß
ist Besonders nachteilig ist aber die Notwendigkeit, für jede Austauschstufe einen
Behälter einsetzen zu müssen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei Austauschstufen in
einem Behälter untergebracht; damit ist ein entscheidender Vorteil gegenüber den
bekannten Verfahren und Apparaten gegeben.
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Die erste Behandlungsstufe für das Rohwasser bzw. die Trübe ist eine
Mischzone im Zentrum des Behälters, in der die Flüssigkeit zusammen mit dem Austauscher,
der aus der zweiten Stufe periodisch abgelassen wird, durch einen mechanischen Rührer
intensiv vermischt wird, so daß die Austauscherkapazität optimal ausgenutzt wird
und Ablagerungen auf dem Boden ohne weiteres zu vermeiden sind.
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Die zweite Austauschstufe besteht aus einem Wirbel- oder Filterbett
mit frischem Austauscher, durch den die vorbehandelte Flüssigkeit von unten nach
oben strömt und wobei die gewünschte optimale Behandlung der Flüssigkeit erreicht
wird.
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In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch
dargestellt.
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A b b. 1 ist ein senkrechter Schnitt, A b b. 2 ein waagerechter Schnitt
durch die Vorrichtung; A b b. 3 stellt ein Schaltschema für den Betrieb der Vorrichtung
dar.
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In einem runden Becken 10 ist in bekannter Weise ein Zentralrohr
11 mit konischer Erweiterung 12 und koaxial dazu ein Leitrohr 13 angeordnet. Zur
horizontalen Unterteilung des Zentralrohres 11 ist eine Ringplatte 22 eingebaut,
die eine Kreisöffnung 23 besitzt, in die zentral eine Fördervorrichtung 24, vorzugsweise
eine Zentrifugalpumpe mit Rührflügeln 26
(im folgenden kurz »Rührpumpe« genannt)
eingesetzt ist.
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Die Rührpumpe 24 wird durch einen Antrieb 27 auf der Bedienungsbühne
20, falls erforderlich, stufenlos regelbar angetrieben. Durch die horizontale Ringplatte
22 ist der Raum innerhalb des Zentralrohres 11 in eine untere Mischzone 1 und eine
darüberliegende Sedimentationszone II unterteilt.
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In der Mitte des Bodens des Beckens 10 befindet sich ein Sumpf28
mit Ablaßrohr29 und Absperrvorrichtung 30 zum Abzug von Austauscher und Trübstoff.
Über dem Sumpf ist mit einem Abstand eine Platte 31 angebracht, unter der sich Austauscher
und Trübstoffe in Ruhe ablagern können.
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Der gesamte Ringraum zwischen Zentralrohr 11 und Leitrohr 13 ist
erfindungsgemäß durch Radialwände 14, die mit dem Zentralrohr 11 und dem Leitrohr
13 fest verbunden sind, unterteilt. Dadurch werden im allgemeinen 8 bis 16 Leitkanäle
15 mit Auslaufverteiler 16 gebildet. In radialer Verlängerung der Radialwände 14
zur Wand des Beckens 10 hin sind Taschenwände 17 eingebaut, die eine der Zahl der
Leitkanäle 15 entsprechende Anzahl Taschen 18 abteilen. Die Taschen 18 besitzen
je eine Bodenklappe 19, die von einer Bedienungsbühne 20 zu betätigen sind. Am Einlauf
der Leitkanäle 15 ist jeweils eine Klappe 21 angebracht, die ebenfalls von der Bühne
20 betätigt werden.
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Die Rührpumpe 24 besitzt einen verlängerten Saugstutzen 25, der sich
bis kurz über den Beckenboden erstreckt. Ein solcher Saugstutzen ist bereits Gegenstand
eines älteren, nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlags. Am Pumpenaustritt
sind Prallbleche 34 zwischen dem äußeren Umfang der Ringplatte 22 und dem Zentralrohr
11 angeordnet.
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Die SedimentationszoneII ist mit der Mischzone 1 durch einen Ringspalt
35 verbunden. Eine Spülvorrichtung 32 mit Ringrohren läßt eine Aufwirbelung des
Austauschers zu, falls dies aus betrieblichen Gründen erforderlich ist.
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Im Saugstutzen 25 muß eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit
herrschen, damit Austauscher und Trübstoffe stets mitgerissen werden. Die Rührflügel
26 der Rührpumpe 24 müssen eine intensive Wirkung, vor allem am Boden, haben, um
den aus den Taschen abgelassenen Austauscher laufend aufzuwirbeln. Entsprechende
Rührerkonstruktionen mit Bodenwirkung sind bekannt.
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Bei der Auslegung des Beckendurchmessers ist entscheidend, daß in
Zone II der Austauscher sich absetzen und nach ZoneI abgeleitet werden muß, d. h.
eine bestimmte Aufstiegsgeschwindigkeit nicht überschritten werden darf, und wobei
gesichert sein muß, daß etwa das 1,2- bis 1,5fach der Rohwassermenge umgewälzt wird.
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Die unbehandelte Flüssigkeit wird durch eine Zuleitung 33 von oben
oder seitlich bzw. von unten in die erste Behandlungsstufe (Zone 1) eingeführt.
Durch die Saugwirkung der rotierenden Rührpumpe 24 wird durch den Saugstutzen 25
ein Gemisch von Flüssigkeit, Austauscher und gegebenenfalls Trübstoff vom Beckenboden
abgepumpt und in die Zone II gefördert. Hier beruhigt sich infolge Querschnittserweiterung
im Zentralrohr 11 die Flüssigkeit, dabei wird die Rotationsströmung am Pumpenaustritt
durch die Prallbleche 34 gebrochen. Nunmehr können Austauscher und Trübstoffteilchen
sedimentieren und durch den Ringspalt 35 in die ZoneI zurückfließen. Der
Rücklauf
wird nunmehr von der Wirkung der Rührflügel 26 erfaßt und zusammen mit der durch
Leitung 33 zulaufenden Flüssigkeit und dem Inhalt der Zone I intensiv vermischt.
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Die von der Pumpe 24 geförderte und in Zone II aufsteigende Flüssigkeit
ist nun vorbehandelt und vom Austauscher restlos bzw. Trübstoffen weitgehend befreit
und läuft infolge eines gewissen hydraulischen Gefälles durch die Klappen 21 in
die Leitkanäle 15 ein und über die Auslaufverteilung 16 in die Taschen 18, um aufwärts
steigend über den Ablauf 36 abzufließen. Dabei muß dem Austauscherbett in den Taschen
18 ein ausreichend großes Ausdehnungsvolumen belassen werden, damit kein Austauscher
am Ablauf 37 übertreten kann. Die Höhe der Taschen richtet sich weitgehend nach
der Füllhöhe des Austauschers und dem erforderlichen Ausdehnungsvolumen bzw. nach
der Art des geplanten Bettes (ruhendes oder Wirbelbett).
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Der kontinuierliche Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht
wie folgt vor sich: Sämtliche Taschen 18, die in A b b. 2 und 3 von 1 bis 12 numeriert
sind, sollen beispielsweise mit Tonenaustauschermasse gefüllt sein, desgleichen
befindet sich in Zone 1 eine Menge Austauscher von etwa 3 bis 4 Taschen in Umwälzung.
Die Führung der Flüssigkeit wurde bereits beschrieben.
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Im Verlauf des zyklischen Umschaltens wird Klappe 21 (eventuell auch
ein Fußventil) am Einlaufkanal 15 zur dritten Tasche 18 geschlossen, so daß keine
vorbehandelte Flüssigkeit mehr zufließen kann.
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Anschließend wird die Bodenklappe 19 der gleichen Tasche geöffnet,
so daß der darin befindliche Austauscher völlig oder teilweise in die Zone I abfließen
und dort seine Restkapazität zur Vorbehandlung ausgenutzt werden kann.
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Die beschriebene Schaltung der Klappen 21 und 19 war einen Schaltschritt
vorher an der vierten Tasche ausgeführt worden, so daß da inzwischen die Austauschermasse
ausgefiossen ist und die Bodenklappe 19 (wie an der fünften Tasche Ab b. 3 dargestellt
ist) geschlossen werden kann. Nunmehr wird in die leere oder teilgeleerte Tasche
(dargestellt in der sechsten Tasche) wieder regenerierte Masse eingefüllt, so daß
nach Öffnung der Klappe 21 wieder vorbehandelte Flüssigkeit zufließen kann, die
im Aufstieg durch die Austauschermasse optimal ausgetauscht wird.
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Durch zyklisches Weiterschalten (Schaltschritt b) wird eine annähernd
»erschöpfte« Tasche abgeschaltet, abgelassen, neu gefüllt und als regenerierte Tasche
wieder in Betrieb genommen. Je nach dem Restgehalt der Flüssigkeit an austauschbaren
Ionen der eingesetzten Füllung ergibt sich die Länge des Schaltschrittes.
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In der zweiten Austauscherstufe (ZoneIII) wird die Austauschermasse
in den Taschen 18 entweder ein weitgehend ruhendes oder ein Wirbelbett bilden, je
nach Auslegung der Zone III oder zufließender Flüssigkeitsmenge.
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Der Flüssigkeitszulauf kann von Null bis zum Maximalwert schwanken,
ohne daß der Austauscheffekt irgendwie nachteilig beeinflußt wird oder betriebliche
Störungen auftreten können.
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Der in beiden Stufen eingesetzte Austauscher ist laufend in Aktion,
bis seine Kapazität erschöpft ist und er in einfacher Weise am Boden des Behälters
periodisch abgelassen wird.
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Der Abzug des erschöpften Austauschers erfolgt
aus dem Sumpf 28 des
Beckens 10 unter der Platte 31. Infolge der rotierenden Bewegung der Suspension
und der Sogwirkung der Rührpumpe 24 wird der Sumpf 28 immer ausreichende Mengen
erschöpfter Austauscher und Trübstoffe enthalten, die durch den Druck der Wassersäule
im Becken herausgespült werden, wenn Ventil 30 geöffnet wird. Dabei ist zur Vermeidung
von Verstopfungen darauf zu achten, daß die Ablaufleitung 29 einen ausreichend großen
Durchmesser hat und möglichst kurz ist.
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Zwei entscheidende Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der Vorrichtung sollen besonders erwähnt werden: Ein sehr wesentlicher Vorteil dieses
Verfahrens besteht darin, daß eine Verschmutzung des Austauscherbettes ohne nachteiligen
Einfluß auf die Wirksamkeit der Anlage ist, da zyklisch die Taschen geleert und
mit regenerierten und gereinigten Austauschern gefüllt werden.
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1. Das Verfahren läßt einen wesentlich höheren Trübstoffgehalt als
vergleichbare Verfahren in der zugeführten Flüssigkeit zu, da für die Umwälzung
in der Mischzone eine mit dem Rührer gekoppelte sehr robuste Umwälzpumpe Verwendung
findet, die die Trübe am Boden des Behälters absaugt und bequem auch radioaktiven
Erzschlamm, Sand und Austauscher fördern kann. Damit können also Druckanlagen vermieden
werden, die zwar mit höheren Durchsatzgeschwindigkeiten und zugleich geringeren
Austauschermengen betrieben werden könnten, aber wegen der Verstopfungsgefahr durch
die Trübstoffe meist nicht in Frage kommen, es sei denn, die Trübstoffe wurden vorher
durch z. B. Sedimentation ausgeschieden. Die betriebliche und wirtschaftliche Unzulänglichkeit
einer Trübstoffvorabscheidung bzw. der Vorzug, stark trübe Flüssigkeit ohne besondere
Risiken und ohne hohe Energiekosten verarbeiten zu können, sind dabei offensichtlich.
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In einer Zwischenstufe über der ersten und vor der zweiten Austauscherstufe
werden Austauscher restlos und Trübstoffe bis zu einer bestimmten Größe zum Sedimentieren
gebracht und in die erste Stufe zurückgeleitet, während die vorbehandelte Flüssigkeit
in die zweite Stufe mit verbliebenen Trübstoffresten eingeführt wird. Erschöpfter
Austauscher und Trübstoffe werden aus einem Sumpf am Boden des Behälters periodisch
unter Ausnutzung des vorhandenen Flüssigkeitsdruckes abgelassen.
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Falls erforderlich, kann in der zweiten Austauscherstufe durch Filtration
im Austauscherbett auch der feine Trübstoff in der Flüssigkeit entfernt werden.
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Dabei kann durch Zugabe von Flockungsmitteln in die erste oder Zwischenstufe
der Filtereffekt vorteilhaft beeinflußt werden.
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2. Die betriebliche und wirtschaftliche tXberlegenheit des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der Vorrichtung ist ferner dann gegeben, wenn große Mengen von z.
B. radioaktiv verunreinigtem Abwasser, z. B.
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1000 mS/h und mehr, mit Ionen-Austauscher oder speziellen Adsorptionsmitteln
entstrahlt werden sollen. Bei diesen Verfahren wird z. B. die Austauschermasse optimal
beladen, um nach dem Abzug aus der Anlage vernichtet zu werden. Die Betriebsanlage
kann dabei gemäß Ab b. 1 als offenes Becken in Betonausführung gebaut und drucklos
betrieben werden.
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Konkurrierende Anlagen bestehen dabei aus mehreren Druckbehältern
mit Armaturen zur Umschaltung
der Behälter. Weiterhin sind zahlreiche
Rohrleitungen und Meßvorrichtungen sowie im allgemeinen eine komplizierte und teure
Schaltautomatik erforderlich. Die Betriebssicherheit ist dabei problematisch, da
die Gefahr von Leckstellen in Druckanlagen und an Armaturen stets gegeben ist. Außerdem
muß wegen radioaktiver Strahlungen um die Stahldruckapparate meist noch ein Strahlenschutz
aus Beton gebaut werden.
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Besonders kompliziert ist dabei der Abzug des verseuchten Austauschers
aus den geschlossenen Behältern bzw. auch die Neufüllung, wozu nochmals besondere
Maßnahmen erforderlich sind und Sicherheitsbestimmungen zu beachten sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dagegen Gefahren und betriebliche
Schwierigkeiten wesentlich geringer, und der Strahlenschutz ist durch die Betonwand
des Behälters bereits vorhanden. Die einzusetzende Austauschermasse ist in der erfindungsgemäßen
Anlage allerdings wesentlich größer, da zum Zweck der Abscheidung von Austauschermasse
in der Zone II und zur Verhinderung des Austreibens von Austauscher beim Aufstieg
des Wassers in der Zone III nur geringe Geschwindigkeiten von 3 bis 5 mih zulässig
sind. Da andererseits die Kapazität des Austauscheri bei den höheren Durchsatzgeschwindigkeiten
in Druckanlagen entsprechend schneller erschöpft ist, kann der Einsatz von größeren
Austauschermengen kein Nachteil sein.
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Die Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt
sich vor allem auf Gebiete, auf denen die bekannten Verfahren und Vorrichtungen
nicht mehr überzeugend angewandt werden können.
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Vor allem kann die Auslegung von Anlagen für verschiedene große Wassermengen
nach bekannten hydraulischen Überlegungen durchgeführt werden.
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Die Risiken sind also gering.