DE1303056C2 - Vorrichtung zur durchfuehrung von ionenaustauschprozessen - Google Patents

Description

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Die Mehrzahl der in der Technik üblichen Ionen- yentils gedrosselt und gleichzeitig ΗΜβ>»>< ^b-

austauschverfahren benutzen Behälter, in denen sich gelassen. Durch den gleichzeitigen Druckabfall in den

eine feste ⁵$chüttung von Ionenaustauschmasse be- Austauscherkolonnen öffnen sich die Kugelventile

findet. Der Ionenaustauscher liegt in dem Filter auf und die Harzmengen aus den Vorralsgefaßen können

einer festen Auflage, welche als Sieb oder als fester 5 in die Kolonne eintreten. Nach kurzer bntleerungs-

Boden mit Düsen ausgebildet sein, kann. Die zeit regelt das Zeitschaltwerk wieder den Flussigkeits-

Flüssigkeit wird meist von oben nach unten durch zufluß, der Druck in den Kolonnen steigt, uie Kugei-

die körnige Ionenaustauschmasse geleitet, sie kann ventile schließen sich und der Austauschervorgang

aber auch in entgegengesetzter Richtung durch eine beginn von neuem.

solche Schüttung geleitet werden, wobei die Ionen- io Das Prinzip dieses Verfahrens besteht darm, dali austauschmasse von der Flüssigkeit nach oben gegen während des Austausch-, Regenerier- und Wascheine Siebfläche oder einen Düsenbodea geschwemmt Vorganges Austauscherharz vom Boden der jeweiligen und so zu einem festen Ionenaustauscherbett wird. Kolonne infolge des inneren Flüssigkeitsdrucks zu Der Vorteil dieser Verfahren ist darin zu sehen, daß dem nachfolgenden drucklosen, trichterförmigen die zu reinigende Flüssigkeit bei einmaligem Durch- 15 Zwischengefäß, das von der nächsten Kolonne durch gang durch das Ionenaustauscherbett weitgehend ge- ein Ventil abgeschlossen ist, transportiert wird, reinigt wird, d. h. der Ionenaustausch bis ^ur erreich- Anderersetis wird die Bewegung des Ionenbaren Grenze erfolgt. Dies ist deshalb möglich, weil austauscherharzes aus den trichterförmigen, druckdie Flüssigkeit während des Ionenaustausches weiter losen Zwischenbehältern über das Kugelventil in die fließt und mit noch frischem Ionenaustauscher in Be- 20 nächstfolgende Kolonne dadurch bewirkt, daß bei rührung kommt. Dies geschieht so lange, bis die Ab- Abstellen der Flüssigkeitszuläufe und öffnen der sorptionszone, die sich langsam durch die Ionen- Flüssigkeitsabflußventile der Flüssigkeitsinnendruck austauscherschüttung fortbewegt, am Ende der Ionen- absiiikt und dadurch ein öffnen der Kugelventile heraustauscherschüttung angelangt ist. Dann muß die vorgerufen wird. Das Harz muß also über ein Kugel-Zuführung von Lösung abgebrochen werden und der 25 ventil, das den gegenläufig gerichteten Flüssigkeits-Ionenaustauscher, gegebenenfalls nach Auswaschen, strom im Vorratsgefäß und in de.' Kolonne während mit einer zweiten Lösung behandelt werden, damit der Periode des Austausches trennt, bewegt werden. er wieder in den ursprünglichen Zustand zurück- Diese in der Austauscherströmurig befindlichen versetzt wird und erneut für die Behandlung der mechanischen Ventile schließen meist in Berührung ersten Lösung bereit ist. 30 mit den körnigen Austauschermassen nicht einwand-

Aus der französischen Patentschrift; I 291 343 ist frei. Zum anderen rufen sie einen starken Verschleiß ein kontinuierliches Ionenaustausch erfahren be- an Austauschermasse hervor, da selbst in den besten kannt, bei dem das Austauscherhairz bewegt wird. Es Ventilen bei jedem Schließvorgang einige der Aussind dabei drei Austauschersäulen hintereinander an- tauscherteilchen zerstört werden. Dies führt zu der geordnet, die durch Leitungen miteinander verbunden 35 unerwünschten Bildung von fein- und feinstkörnigem sind. Das System ist mit Austauscherharz gefüllt. Die Austauscher, der entweder mit den Lösungen aus-FlüssigkeitszufUhrung erfolg· in jeder der drei Aus- geschwemmt und verloren wird oder aber in dem tauschersäulen von unten her oberhalb eines koni- Filfer verbleibt und dort den Filterwiderstand schnell sehen Teils und ist durch Magnetventile steuerbar. heraufsetzt, so daß Strömungen im Verfahrens-Außerdem ist hier noch eine Flüssigkeitsableitung, 40 ablauf eintreten.

die ebenfalls über Magnetventile steuerbar ist, an- Erfindungsgegenstand ist eine Vorrichtung zur gebracht. Die einströmenden Flüssigkeiten durch- Durchführung von kontinuierlichen Ionenaustauschfließen jeweils von unten nach oben die mit Aus- prozessen, bestehend aus mindestens zwei Kolonnen tauscherharz gefüllten Kolonnen und treten am mit ventilgesteuerten Zuflußleitungen der Behandoberen Kolonnenteil aus. 45 lungslösung. wobei die Kolonnen mit Ionen-

Während der Behandlung der Flüssigkeiten mittels austauschermasse gefüllt sind, in denen das AusIonenaustauscher werden kontinuierlich die Aus- tauschermaterial von oben nach unten bewegt wird, tauscherharze, die sich im konischen Kolonnenteil die Behandlungslösung von unten nach oben strömt unter der FlUssigkeitszuführung befinden, mit einem und die miteinander durch Röhren, die ebenfalls mit Teil der Behandlungsflüssigkeit über ein Regelventil 50 Austauschennasse gefüllt sind, vom Fuß der einen zu drucklosen trichterförmigen Vorratsgefäßen, die Kolonne zum Kopf der nächsten Kolonne verbunden über der nächstfolgenden Kolonne angeordnet und sind, in denen das Austauschermaterial durch Druckdurch ein Kugelventil von dieser abgeschlossen sind, unterschied periodisch von einer in die nachfolgende transportiert. Die Bewegung des Harzes erfolgt in- Kolonne bewegt wird, und die eine große Länge und folge des inneren Drucks der Austauschersäule, her- 55 einen kleinen Durchmesser im Verhältnis zu den vorgerufen durch die Menge an zugeführter Flüssig- Austauschcrkolonnen haben und die Länge und der kett, und kann so lange fortgesetzt werden, bis die Durchmesser je nach den physikalischen Eigentrichterförmigen drucklosen Vorratsgefäße bis zu schäften des angewendeten Austauschermaterials enteinem am oberen Ende angebrachten Drahtgewebe sprechend dimensioniert sind, dadurch gekennzeichgcfüllt sind. Zwischen den Vorratsgefäßen und den 60 net, daß die Verbindungsrohre im Verhältnis zur darunterliegenden Kolonnen befindet sich jeweils ein Kolonnenhöhe mindestens doppelt so lang sind und Kugelventil, das durch den Flüssigkeitsdruck in der der Durchmesser der Verbindungsrohre zum DurchKolonne geschlossen wird. Dieses Ventil ist not- messer der Kolonnen mindestens 1 :4,5 beträgt und wendig, da andernfalls Austauscherharz aus der Ko- in den von der Austauschermasse durchflossenen lonne in das Vorratsgefäß gedrückt werden würde. 65 Kolonnen und Röhren keine Ventile angeordnet sind. Wenn nach einer bestimmten Zeitspanne der Aus- Der Transport der Austauschermasse wird bei tauschvorgang beendet ist, wird durch (!in Zeitschalt- dieser Vorrichtung dadurch hervorgerufen, daß ein werk die Flüssigkeitszufuhr mit Hilfe eines Magnet- Druckunterschied von einer Kolonne zur nächst-

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folgenden erzeugt wird, was dadurch bewerkstelligt erste Gefäß 11 durch 13 ein und verläßt das Gefäß,

wird, daß der Flüssigkeitszufluß in der zweiten Ko- nachdem es den darin befindlichen Ionenaustauscher

lonne gedrosselt wird. Infolge des Überdrucks in der durchflossen hat bei 18. Über dem Flüssigkeitseintritt

ersten Kolonne wird dann die Austauschermasse in bei 16 bildet sich durch das Anschwemmen der Aus-

die nächstfoigende Kolonne gefördert, ohne daß 5 tauschermasse 12 gegen die obere Verteilereinrichtung

irgendwelche Ventile in diesen Leitungen notwendig 17 ein freier Raum aus. Die Austauschennasse 12

sind. Andererseits ruht die Austauschermasse wäh befindet sich in Ruhe und bildet ein festes Bett zwi-

rend des Austauschvorgang^s, da ein gleich großer sehen der Verteilervorrichtung 17 und dem unteren

Druck in allen Kolonnen durch entsprechende Rege- Ende der Schüttung. Unter der Flüssigkeitszuführung

lung der Flüssigkeitszuführung er?eugt wird. io 16 und in der Leitung 20 zu dem zweiten Gefäß 21

Weil die Verbindungsleitungen im Verhältnis zu befindet sich ebenfalls ionenaustauscher, desgleichen den Kolonnen lang und eng sind, ist der Widerstand im zweiten Gefäß 21, wo bei 23 Regenerierlösung der darin befindlichen Austauscherschicht so groß, einströmt und das Gefäß bei 27 verläßt, sowie unter daß keine nennenswerten Flüssigkeitsmengen von 26 und in der Leitung 30 zum dritten Gefäß, durch einem zu dera nächsten Gefäß überströmen. Das Ver- 15 welches von 36 nach 37 Waschwasser fließt, schließhältnis der Länge zum Durchmesser der Röhren kann lieh auch unter 36 und in der Leitung 40, durch die je nach den physikalischen Eigenschaften des an- der Austauscher wieder in das erste Gefäß zu-ückgewendc::n Austauschmaterials schwanken. Bei gebracht wird. In jedem Gefäß befindet sich also eine einem köt.vgen Austauscher mit einem mittleren ruhende, von der betreffenden Lösung durchDurchmesser von 0,8 mm erwiesen sich Verbindungen 20 flossene Austauscherschicht 12,22 und 32.
von 2,5 bzw. 2,2 m Länge und 2 cm Durchmesser In der ersten Kolonne bildet sich entsprechend der z'wischen den Kolonnen von 1,1 m Länge und 20 durchfließenden Flüssigkeitsmenge und des Filterbzw. 9 cm Durchmesser als vollkommen aus- widerstander» der Austauscherschüttung ein Überreichend, druck aus. Durch Anpassung der Flüssigkeitsmengen,

Die Vorrichtung soll durch die Figuren erläutert 25 welche durch das zweite und dritte Gefäß fließen

werden. müssen sowie durch die Höhe der Austauscher-

Fig. 1: Sie besteht z.B. aus einem zylindrischen schüttung, durch entsprechende Dimension des FiI-

Gefäß I, welches fast gänzlich mit Ionenaustauscher- Urs und eventuell durch Drosselung der Ventile 19.

material 2 gefüllt ist. Im unteren Teil des zylindri- 29 und 39 wird dafür gesorgt, daß der in dem ersten

sehen Gefäßes befindet sich eine Zuführung, welche 30 Gefäß herrschende Druck auch in den beiden anderen

im Inneren des Gefäßes mit einer Flüssigkeitsverteiler- Gefäßen erreicht wird.

vorrichtung 3 in Verbindung steht. Diese Flüssigkeits- Die annähernde Druckgleichheit in allen zu der verteilervorrichtung kann z. B. aus einem einfachen Vorrichtung gehörenden zylindrischen Gefäßen ist Rohr oder auch aus einem ring-, kreuz- oder platten- beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung förmigen Gebilde bestehen. Allen diesen Gebilden 35 wichtig. Die Druckgleichheit braucht zwar nicht vollist gemeinsam, daß sie am Ende mit einem flüssig- kommen zu sein, sondern der Druck in den einzelnen keitsdurchlässigen, aber für die Ionenaustauscher- Gefäßen kann — wie die Erfahrung gezeigt hat — masse undurchlässigen Sieb, Gewebe 4 od. dgl. in gewissen Grenzen voneinander abweichen, ohne abgeschlossen sind. Außerhalb des Austauschfilters daß dadurch der Verfahrensablauf gestört wird, denn befindet sich an dem zu der Flüssigkeitsverteiler- 40 in den engen, mit Austauscher gefüllten Röhren 20, vorrichtung führenden Rohr ein automatisch zu be- 30 und 40 ist der Filterwiderstand der ruhenden tätigendes Ventil 9, welches den Strom der zugeführ- Austauschelschicht so groP, daß keine nennenswerten ten Flüssigkeit abzusperren in der Lage ist. Im oberen Flüssigkeitsmengen von dem einen zu dem folgenden Filterteil befindet sich eine Flüssigkeitsverteiler- Gefäß überströmen.

verrichtung 5, welche die gleichen Merkmale auf- 45 Ist nun der gewünschte Teil der in dem ersten Geweist, wie sie für die untere Vorrichtung 3 be- faß befindlichen Austauschermasse erschöpft, wird schrieben wurden. Durch diese Vorrichtung und das das automatische Ventil 14 eine bestimmte Zeit geRohr 6 wird die bei 3 und 4 eingelassene Flüssigkeit schlossen. Sofort nach Schließen dieses Ventils sinkt abgeleitet. Am oberen Kolonnenende befindet sich der Druck in dem ersten Gefäß ab, denn der Überein Rohr 7, durch das die Ionenaustauschmasse in 50 druck kann durch 17 und 18 entweichen. Außerdem den Behälter eintritt, und am unteren Ende des zy- wird jetzt der Austauscher nicht mehr durch einen lindrischen Behälters ein ebensolches Rohr 8, durch aufwärts gerichteten Flüssigkeitsstrom gegen die das die Ionenaustauschmasse abgeführt wird. Verteilervorrichtung 17 gedruckt. Als Folge sinkt der

Es ist zweckmäßig, ein weiteres mit der gesamte über dem Flüssigkeitseintritt 16 befindliche Flüssigkeitszuführung 3 in Verbindung stehendes 55 Austauscher 12 ab und aus dem dritten Gefäß 31, Ventil 10 vorzusehen, das geöffnet ist, wenn das in dem noch Überdruck herrscht, wird durch die Lei-Ventil 9 geschlossen und geschlossen ist, wenn das tung 40 Austauschermasse in das erste Gefäß nachVentil 9 geöffnet ist. Wie später erklärt wird, kann gedrückt, und zwar so lange, bis das GePB ganz dadurch die für den Transport des Austauschers von gefüllt ist. Sobald das Gefäß gefüllt ist, hört die einem in das andere Gefäß benötigte Zeit verringert 60 Austauscherströmung von selbst auf und nun kann werden. auch das Ventil 14 wieder geöffnet werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung von Ionen- Anschließend an diesen Vorgang schließt sich das

austauschprozessen besteht aus mindestens zwei der Ventil 24 an der zweiten Kolonne. Jetzt wird die unter

in F i g. 1 dargestellten Kolonne, sie kann jedoch der Flüssigkeitsverteilervorrichtung 16 und in dem

auch aus einer größeren Anzahl solcher Gefäße be- 65 Rohr 20 befindliche Austauschermasse durch den

stehen. Beim Betrieb einer aus drei zylindrischen Ge- Überdruck im ersten Gefäß in das zweite Gefäß ge-

fäßen bestehenden Einrichtung, die in F i g. 2 gezeigt drückt. Auch hier endet die Austauscherströmung

ist, tritt z. B. die zu reinigende Flüssigkeit in das von selbst, sobald das Gefäß vollständig mit Aus-

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tauschermasse gefüllt ist. Ventil 24 wird jetzt wieder geöffnet und in der gleichen Weise schließt sich jetzt Ventil 34 der dritten Kolonne. Der Austauscher fließt nun aus dem zweiten Gefäß durch die Leitung 30 in das dritte Gefäß.

Im Anschluß daran wiederholt sich der Vorgang mit dem Schließen von Ventil 14 an dem eisten Gefäß.

Eine weitere Verbesserung der beschriebenen Vorrichtung wird durch die Ventile 15, 25 und 35 bewirkt. Während das Ventil 14 der ersten Kolonne geschlossen wird, ist Ventil 15 geöffnet oder in dem zweiten Gefäß 24 geschlossen und 25 geöffnet oder bei dem dritten Gefäß 34 geschlossen und 35 geöffnet. Diese Maßnahmen bedeuten zwar eine Vermehrung der nötigen Ventile um je ein Stück pro Kolonne, jedoch sinkt dabei, durch den absteigenden Flüssigkeitsstrom unterstützt, die Austauschermasse schnell und geschlossen, d. h. ohne Durchmischung ab, wodurch der Austauscher besser ausgenutzt werden kann. Darüber hinaus ist die Zeitdauer, in der der Flüssigkeitsstrom unterbrochen werden muß, sehr kurz und beträgt nur einige Sekunden gegenüber einigen Minuten bei der Schaltung ohne die Ventile 15, 25 und 35. Die durch die Ventile 15, 25 und 35 entweichende Flüssigkeit fließt zurück und kann anschließend erneut durch die Austauschcrmasse geleitet werden. Weil das Überpumpen der Austauschermassc aus einem Gefäß in das andere bei dieser Schaltung schneller erfolgt, kann diese Vorrichtung insgesamt kleiner sein und mit weniger Austauschermasse betrieben werden.

Die beschriebene Vorrichtung zur Durchführung von Ionenaustauscherprozessen bringt gegenüber den seitherigen Vorrichtungen entscheidende Verbesserungen. Die zur Durchführung einer bestimmten lonenaustauschreaktion erforderliche Vorrichtung kann sehr klein sein und mit einer geringen Austauschermenge betrieben werden. Da der zu behandelnden Flüssigkeit die frische Ionenaustauschermasse entgegenströmt, kann die erforderliche Austauscherschicht klein gehalten und trotzdem die Masse vollständig mit den auszutauschenden Ionen beladen werden. Auch wird die Lösung dabei so weit wie möglich von den auszutauschenden Ionen befreit. Man kann aus dem gleichen Grunde die erforderliche Rcgeneriermitteimenge unter die sonst übliche Menge senken und auch die Waschwassermenge verringern, ohne den Prozeß dadurch zu verschlechtern.

Durch diese Vorteile kann man höhere Konzentrationen im Regenerat und im Waschwasser erzielen, was besonders dann — wenn das Regenerat weiter aufbereitet werden soll — von Vorteil ist.

Die beschriebene Vorrichtung kann zur Durchführung verschiedener Austauschverfahren angepaßt werden. Eine Vorrichtung mit zwei Kolonnen ist r. B. geeignet, eine eisenchloridhaltige Abfallösung, z. B. ein Beizercispülwasser, zu reinigen. In der ersten Kolonne werden die Eiscnior.en des Spülwassers von einem Kationenaustauscher gebunden. Die beladenc Austauschermassc wird in der beschriebenen Weise in ein zweites Filter gepumpt, wo ihr eine Salzsäure als Regcncriermittel entgegenströmt. Diese Salzsäure entfernt die Eisenionen vom Austauscher und überführt sie in eine konzentrierte Eisenchloridlösung. Wenn eine Zufügung von frischer, d.h. cisenfreicr Regenerierlösiang zu dem enteisenten Abwasser unbedenklich ist, kann mit Hilfe von frischer Regeneriersäure der regenerierte Austauscher in, die erste Kolonne zurückgepumpt werden; eine aus zwei Kolonnen bestehende Vorrichtung ist hierüber also ausreichend.

ίο Sollen hingegen keine Teile der frischen Regenerierlösung in das enteisente Spülwasser gelangen, z. B. wenn dieses anschließend mit einem Anioncnauslauscher entsäuert werden soll, so wird eine dritte Kolonne zugeschaltet, in der aus dem Austauscher die Regcnerierlösung ausgewaschen wird. Die dafür notwendige Vorrichtung entspricht der in der Fig. 2 dargestellten. In der gleichen Vorrichtung kann auch Wasser enthärtet oder entbast werden, wobei dann in der ersten Kolonne 11 da» iu behandelnde Roh-

ao wasser seine Härtebildner an die Austauschermassc abgibt, die dann in der zweiten Kolonne 21 mit der Regeneratiorislösung, z. B. einer Natriumchloridlösung oder einer Salzsäure regeneriert wird. In der dritten Kolonne 31 schließlich werden die am Aus-

a5 tauscher haftenden Reste der Regenerierlösung mit Wasser ausgewaschen.

Eine Vorrichtung, die aus 4 Kolonnen besteht, ist z. B. in den Fällen notwendig, in denen sowohl nach Beladung als auch nach der Regeneration das Austauschermaterial von den Behandlungslösungen — Beladungslösung und Regenerationslösung — befreit werden muß. Vorrichtungen mit mehr als 4 Einzelkolonnen sind z. B. dann notwendig, wenn zusätzlich eine Umladung des Austauschers vorgenommen werden muß.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Durchführung von kontinuierlichen lonenaustauschprozessen, bestehend aus mindestens zwei Kolonnen mit ventilgesteuerten Zuflußleitungen der Behandlungslösung, wobei die Kolonnen mit lonenaustauschermasse gefüllt sind, in denen das Austauschermalerial von oben nach unten bewegt wird, die Behandlungslösung von unten nach oben strömt und die miteinander durch Röhren, die ebenfalls mit Austauschermasse gefüllt sind, vom Zufluß der einen Kolonne zum Kopf der nächsten Kolonne verbunden sind, in denen das Austauschermaterial durch Druckunterschied periodisch von einer in die nachfolgende Kolonne bewegt wird, und die eine große Länge und einen kleinen Durchmesser im Verhältnis zu den Austauscherkolonnen haben und die Länge und der Durchmesser je nach den physikalischen Eigenschaften des angewendeten Austauschermatcrials entsprechend dimensioniert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrohrc im Verhältnis zur Kolonnenhöhe mindestens doppelt so lang sind und der Durchmesser der Verbindungsrohre zum Durchmesser der Kolonnen mindestens 1 :4,5 beträgt und in den von der Austauschcrmasse durchflossenen Kolonnen und Röhren keine Ventile angeordnet sind.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen