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Verfahren zum Durchführen von Ionenaustauschreaktionen Bei der industriellen
Durchführung von Ionenaustauschreaktionen machen die Kosten für die Regenerierung
der Ionenaustauscher einen hohen Anteil der Betriebskosten aus. Die Kosten für die
bei der Regenerierung einzusetzenden Chenikalien sind umso höher, Je vollständiger
der Nutzaustausch erfolgen soll, weil dann ein Mehrfaches der nach der stöchiometrischen
Umsetzung berechneten Menge an Chemikalien notwendig ist. Els hat nicht an Versuchen
gefehlt, die erforderliche Menge an Regenerierchemikalien herabzusetzen; so ist
es bekannt, den Ionenaustausch ii Gegenstrom durchzuführen, wobei die Regenerierkosten
zwar einen sehr niedrigen Wert haben, der jedoch nur mit einer umfangreiohen und
komplivierten Apparatur durchführbar ist0 Unvollkommen ist die sogenannte Sparregenerierung,
bei der die ausfließende Regenerierlösung in zwei (oder drei) Teile aufgeteilt,
der erate weitgehend ausgenutzte Teil abgezogen und der zweite (oder gegebenenfalls
der dritte) Teil, der noch einen erheblichen Überschuß an Regeneriermittel enthält,
in dem nachfolgenden Austausch als erste (bzw. zweite) Fraktion verwendet wirdO
Diese Aufteilung bringt z.B. bei der Wasserenthärtung eine Ersparnis an Kochsalz,
bei der die in einfachen Gang erforderlichen etwa 300 % der stöchiometrisch berechneten
Menge suf etwa 250 % sinkt.
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Mit der Erfindung ist erkannt worden, daß die Geringfügigkeit dieses
Erfolges darauf zurückzuführen ist, daß die nochmals zur Verwendung kommenden Lösungsteile
ohne irgendwelche Sorgfalt weitergeleitet und bis zur nächsten Verwendung eingelagert
werden, wobei das bei der Verdrängung der Salzlösung zugemischte Wasser das spezifische
Gewicht des zurückgeführten Lösungsteiles fortwährend ändert. Die einzelnen Lösungsteile
werden also stark miteinander vermischt Auch bei der Wiederverwendung
der
Lösungsteile wird die Verwischung weiter fortgesetzt. Du Ergebnis ist, daß die bei
der vorangehenden Regenerierung in die Lösung gelangten Kalziumionen in ganzen Lösungsvolumen
weitgehend gleichmäßig verteilt enthalten sind. Da aber infolge des Massenwirkungsgesetzes
die Regenerierfähigkeit der Kochselzlösung bereits durch sehr kleine Mengen Kalziumionen
erheblich herabgesetzt wird, ist -die bei der Wiederverwendung der betreffenden
Proktion erzielte Wirkung nur geriq, so daß nur die nachfolgend zugeführte frische
Kochsalzlösung tatsächlich voll wirksam wird.
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Ferner ist mit der Erfindung erkannt worden, daß eine erhöhte Wirksamkeit
der Regenerierlösung durch Vergrößerung d.r durch den Austauscher geführten Lösungsiengen
in Verhältnis zum abzug nur dann einen Sinn hat, wenn die Anzahl der Lagerungsgefäße
erheblich erhöht wird, ul die oben angeführte schädliche Vermischung auf kleinere
Lösungsvolumina zu beschränken. Damit ist zwar ein Schritt zur Verwirklichung des
vollkonmenen Gegenstromes getan; denn bei Verwendung einer größeren Anzahl von Gefäßen
wird der Unterschied der sich vermischenden Lösungsteile innerhalb eines Gefäßes
hinsichtlich ihrer Konzentration umso kleiner, Je mehr Gefäße verwendet werden,
so daß die nacheinander einzusetzenden Gefäßinhalte in günstiger Weise eine sich
stufenweise ändernde Zusammensetzung aufweisen, was die Vorbedingung zur Durchführung
des Gegenstromes ist.
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Dennoch läßt sich die Methode praktisch nur in seltenen Fällen verwirklichen,
da eine vergrößerte Anzahl von Lagerungsgefäßen eine erhebliche Verteuerung der
Einrichtung mit sich bringt. Demgegenüber soll nach der Erfindung der Gegenstrom
während des Ionenaustausches mit sehr gutem, Wirkungsgrad in einer verhältnismäßig
einfachen Einrichtung dadurch verwirklichen,daß die nacheinander ausfließenden,
unterschiedliche Zusammensetzung aufweisenden Flüssigkeitsanteile der Überschußmenge
ohne wesentliche
Vermischung in der gleichen Reihenfolge in das
Lagerungsgefäß eingelagert und bei der nachfolgenden Austauscherbehandlung in der
gleichen Reihenfolge auf den Austauscher zurückgeführt werden.
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Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in zwei Richtungen.
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Erstens kann oan den Abzug beim Regenerieren verkleinern, wobei die
Ausnutsung des Regeneriermittels der theoretisch berechneten Zahl sehr nahe kont.
Der Abzug ist selbstverständlich immer gleich der frisch zusuführenden Menge des
Regeneriermitteis. Weiterhin kann man die durchgeleitete Lösungsienge beii Regenerieren
vergrößern, wodurch erreicht wird, daß der Austauscher praktisch vollständig regeneriert
wirdO Die Wirtschaftlichkeit des lonenaustausches, ausgedrückt als die verbrauchte
Menge des Regeneriernittels bezogen auf die Menge der im Rutzaustausch entfernten
Ionen, wird also durch beide Maßnahmen verbessert.
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Das Gesagte bezieht sich sinngemäß auch auf Fälle, wo man den Butzaustausch
verbessern will. Es kommt vor, z.B, bei der Konvertierung eines Alkalisalzes in
Ammoniumsalze in konzentrierten Lösungen, daß die Umsetzung nur in den ersten Lösungsteilen
in erwünschtem Maße verläuft in den nachfolgenden aber bald abninct. Bei einer erwünschten
Ausnutzung der Austauscherkapazität ist die erhaltene Lösung in ihrer Gesamtheit
nur unvollständig umgewandelt. Durch Anwendung der Erfindung wird auch hierbei erreicht,
daß im Abzug eine sehr weitgehende Umsetzung, im Austauscher eine weitgehende Umladung
erfolgt.
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Bekanntlich trifft bei. lonenaustausch eine Lösung immer auf ein
mit Wasser vollkommen gefülltes Austauscherbett. Die ersten Lösungsteile vermischen
sich mit dem Wasser und erst später erreicht die Konzentration der ausfließenden
Lösung die Eingangskonzentration. Die daait verbundene Änderung des spezifischen
Gewichtes würde die Ausführung des erfindungsgeaäßen Verfahrens stören. Durch eine
weitere Ausbildung des Verfahrens nach der,Erfindung soll nun die Menge des Abzuges
so bemessen
sein, daß damit zusammen der überwiegend größere Teil
des Wassers entfernt wird, das sich nit den ersten Lösungsteilen vermischt.
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Beim Ionenaustausch in konzentrierten Lösungen reicht of tmals der
gewünschte Abzug nicht aus, ul die gesamte Wassermenge ait sich abzuführen. In diesel
Fall kann man das Verfahren nach der Erfindung auch bei der Verdrängung des Wassers
anwenden. Zu diesem Zweck wird nur ein Teil der durchgeleiteten Flüssigkeitsmenge,
praktisch aus Wasser bestehend, abgezogen und die nachfolgenden Lösungsteile steigender
Konzentration ohne Vermischung in einem Lagerungsgefäß eingelagert. Diese Lösungsteile
bestehen aus Ionen, die durch den Ionenaustausch iaicht mehr verändert werden, d.h.
sie bleiben auch bei wiederholter Durchleitung durch den Austauscher praktisch chemisch
unverändert. Mach Beendigung der Verdrängung ist der Austauscher nit dieser Lösung
geftLllt, wobei deren Konzentration nahezu die Konzentration der später au behandelnden
Lösung erreicht. Diese befindet sich in einen zweiten Lagerungsgefäß und wird auf
den Austauscher zur chemischen Behandlung geführt. Dabei werden die ausfließenden
Lösungsteile solange auf das erste Lagerungsgefäß geführt, bis dieses gefüllt ist.
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Erst nachfolgend werden diejenigen Lösungsteile abgezogen, in denen
die chemische Umwandlung in gewünschten Maße vollzogen ist. Die Konzentration dieses
Abzuges ist nahezu gleich der der Eingangslösung. Saroh die Anwendung des ersten
Lagerungsgefäßes wird die Verdünnung der Lösung herabgesetzt. Demzufolge kann dies
auch in solchen Fällen angewendet werden, in solchen die Menge des Abzuges ausreicht,
das in die Lösung gelangte Wasser att abzuführen.
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Nach Beendigung des Abzuges werden die nachfolgend ausfließenda Lösungsteile
erfindungsgemäß in das zweite Lagerungsgefäß zurückgeführt, die fehlende Ab@ug@menge
durch frische Lösung ersetzt und nachfolgend die Lösung vom austauscherbett durch
Wasser verdrängt. Bei dieser Verdrängung entstehen wiederum Lösungsteile, deren
chemische Zusammensetzung sich kaum
mehr ändert, deren Konzentration
aber kontinuierlich abnimmt. Würde man diese Lösungsteile unmittelbar in das zweite
Gefäß einlagern, so würden sich di. Schichten zufolge ihres veränderlichen spezifischen
Gewichtes untereinander vermischen. Um dies zu vermeiden, werden nach einer weiteren
Vervollkommnung der Erfindung diejenigen Lösungsteile, deren Konzentration abnimmt,
getrennt aufgefangen und homogenisiert. Da die im zweiten Lagerungsgefäß befindlichen
fraktionen der vorherigen Verfahrensgänge ebenso homogenisiert worden sind, hat
der frisch zukommende Anteil die gleiche Konzentration und verursacht deshalb kein
schädliche Vermischung, Will man jedoch die Verdünnung der Lösung herabsetzen, so
kann man bein Verdrängen der Lösung ein drittes Lagerungsgefäß wie folgt benutzen.
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Die frisch zukommende, zu behandelnde Lösung wird erst auf den Austauscher
gebracht, nachdem die im zweiten Lagerungsgefäß gespeicherte Menge durch den Austauscher
geflihrt worden ist. Zur Verdrängung dieser Lösung wird das dritte Lagerungsgefäß
angeschlossen. Die abfließende Lösung wird zaerst zur Auffüllung des zweiten Lagerungsgefäßes
benutzt. Die nachfolgend ausfließende Lösung hat abnehmende Konzentration und wird
in das dritte Lagerungsgefäß geleitet, das durch nachfolgende Aufgabe von Wasser
auf den Ionenaustauscher aufgefüllt wird.
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Um die Vermischung der einzelnen Lösungsteile ii Lagerungegefäß zu
vermeiden, verfährt man gemäß weiterer Ausbildung des Verfahrens, Je asoMen ob das
spezifische Gewicht der nacheinander ausfließenden Ldsungsteile ab- oder sunint,
wie folgt@ Beim abnehmenden spezifischen Gewicht wird die zufließene Lösung auf
die jeweilige Oberfläche der ii Lagerungsgefäß befindlichen Flüssigkeit geführt;
beim zunchmenden spezifischen Gewicht dagegen geschieht die Zuführung an der untersten
Stelle des Lagerungsgefäßes. Um die Vermischung aich bei der Entleerung des Gefäßes
zu verhindern, wird dabei umgekehrt verfahren. Im ersten Fall leitet man die Flüssigkeit
von der untersten
Stelle des Lagerungsgefäßes ab, im zweiten Fall
von der jeweiligen Oberfläche der Flüssigkeit.
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Die Zu- oder Abführung der Flüssigkeit der Oberfläche kann mittels
eines Schwimmers erfolgen, der durch die sich bewegende Oberfläche der Flüssigkeit
stets mitgenommen wird und das Ende einer flexiblen Leitung für die Flüssigkeit
trägt.
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Man kann aber auch anders verfahren: Die spezifisch leichter werdenden
Flüssigkeitsteile können auf die jeweilige Oberfläche der im Lagerungsgefäß befindlichen
Flüssigkeit mittels einer spiralfdrxig gebogenen offenen Rinne zugeführt werden,
die sich über die ganze Höhe des Lagerungsgefäßes erstreckt. Die oben zugeführte
Flüssigkeit rinnt in der Binne nach unten und tritt jeweils beim Erreichen der Flüssigkeitsoberfläche
aus. Durch entsprechende Einstellung des Neigungawinkele und der Breite der Rinne
kann man die Zuflußgeschwindigkeit so niedrig halten, daß beim Überschwellen keine
Aufwirbelung der ruhenden Flüssigkeit eintreten kann. Die Rinne wird an der Gefäßwand
oder in der Mitte des Gefäßes befertigt.
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Will man die im Lagerungsgefäß ruhende Flüssigkeit von der Oberfläche
abführen, so kann man auch so verfahren, daß man sie von unten her durch die unbehandelte
Flüssigk.it verdrängt Zum Schluß bleibt also das Lagerungsgefäß mit der letzteren
gefüllt.
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Da nach Abfthrung des Abzuges das Lagerungsgefäß, aus welchen die
Flüssigkeit an den Austauscher geleitet wird, oft noch nicht leer ist, wenn schon
die ausfließenden Lösungsteile eingelagert werden sollen, werden in diesel Fall
zwei gleiche Lagerungsgefäße verwendet, die abwechselnd geleert bzw. gefüllt werden.
Wird die leichtere behandelte Lösung durch die spezifisch schwerere unbehande te
von unten nach oben verdrängt, so werden drei gleiche Gefäße verwendet, die ihre
Rolle
periodisch vertauschen; ein Gefäß ist mit der behandelten
Lösung vom veränderlichen spezifischen Gewicht, das andere mit der unbehandelten
Lösung gefüllt und das dritte Gefäß wird mit dem Inhalt des zweiten gefüllt.