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Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung von Ionenaustauschreaktionen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges und besonders vorteilhaftes
Verfahren zur Durchführung von Ionenaustauschreaktionen in mit Ionenaustauschmaterialien
beschickten Filtern, bei dem die aufzubereitende Flüssigkeit von oben nach unten
und die Regenerierflüssigkeit von unten nach oben durch die Filter geleitet wird.
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Bei Ionenaustauschfiltern herkömmlicher Bauart erfolgt die Beaufschlagung
des Ionenaustauschmaterials während der Arbeits- und Regenerationsperiode in gleicher
Richtung, und zwar von oben nach unten. Hierbei wird die untere Zone der Austauscherfüllung
nicht so gut regeneriert wie die oberen Austauscherschichten, weil die Regenerationslösung
beim Zusammentreffen mit dieser unteren ihre Wirksamkeit bereits zum Teil verloren
hat. Für die Güte des Ionenaustauschvorganges ist aber nun gerade der Zustand des
lonenaustauschmaterials 9n der Zone, aus welcher die behandelte Flüssigkeit austritt
von ausschlagwbender Bedeutung. Die gleichgerichtete Strömung für Arbeits- und Regenerationsperiode
schliesst daher stets den Nachteil ein, dass an der Stelle, wo die-behandelte Flüssigkeit
das Filterbett verlässt, sich ein nicht bestregeneriertes lonenaustauschmaterial
befindet.-Im praktischen Betrieb versucht man, diesen Nachteil durch einen entsprechenden
Regenerierchemikalienüberschiiss auszugleichen, was natürlich nur auf Kosten der
Wirtschaftlichkeit erfolgen kann. Zum Beispiel beträgt in solchem Falle der Säurebedarf
zum Regenerieren eines starksauren Kationenaustauschers etwa 240 der aufgenommenen
Ionenmenge, um den Schlupf in gewissen Grenzen zu halten.
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Es war deshalb sehr naheliegend, mit gegenläufiger Strömungsrichtung
zu regenerieren, das heisst, das Arbeitsspiel von oben nach unten und den Regenerationsverlauf
von unten
nach oben oder das Arbeitsspiel von unten nach oben und
den Regenerationsverlauf von oben nach unten vor sich gehen zu lassen. Welche Methode
dabei gewählt wird, ist an sich belanglos, das Wesentliche ist nur die Einhaltung
des Gegenstromprinzips, mit dem der Bedarf für die Regeneration des Ionenaustauschmaterials
bis auf etwa 110 der aufgenommenen Ionenmenge herabgesetzt werden kann.
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Es sind Verfahren bekanntgeworden, die im Gegenstromprinzip arbeiten.
So zum Beispiel arbeitet das Gegenstom-Ionenaustauschfilter nach Patent 1 070 596
und 1 051 248 in der Betriebsphase von unten nach oben; die Regenerationschemikalien
werden aber von oben nach unten durchgeleitet. Der Aufbau dieses Filters ist verhältnismässig
aufwendig, weil ein zweiter Filterboden notwendig ist und für die erforderliche
Rückspülung der filtermasse ein Spülaufastzbehälter geschaffen werden muss. Währnd
des Arbeitsprozess muss die Ionenaustauscherfüilung durch die Aufwärtsströmung des
Wassers gegen den oberen Düsenboden gedrückt werden. Aus diesem Grunde ist das Filter
gegen Belastungsschwankungen empfindlich, weil eine gewisse Mindestdurchströmungsgeschwindigkeit
nicht unterschritten werden darf.
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Bei der Arbeitsweise eines anderen Verfahrens geht der Durchfluss
von oben nach unten und die Regeneration in ugekehrter Richtung, also von unten
nach oben vor sich. Ohne
besondere Massnahmen wurde auch dabei kein
zufriedenstellender Regenerationseffekt erzielt, weil durch das Aufwärtsströmen
der RegenerierchemikalieÆnlösung das Filterbett leicht aufgelockert wird und deshalb
der Ionenaustausch nicht in der an sich erwartbaren Qualität erfolgt. Daraufhin
wurde eine Gegenmassnahme ergriffen, um das Ionenaustauscherbett während der Regeneration
gegen Auflockerung zu sichern. Diese Massnahme besteht darin, dass man von oben
in das.Filter Wasser einleitet und dieses gemeinsam mit der von unten eingeleiteten
Regenerierlösiing abführte, ohne jedoch auch hierdurch zu einem wirklich befriedigenden
Ergebnis zu gelangen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren, welches, wie eingangs bereits erwähnt,
das Arbeitsspiel ebenfalls von oben nach unten und den Regenerationsverlauf von
unten nach oben durchführt, lässt demgegenüber alle die vorerwähnten Nachteile vermeiden
und ausgezeichnete Ergebnisse erlangen, und zwar dadurch dass auf den Ionenaustauschmaterialien
eine Belastungsschicht aus inaktivem oder aktivem Material gelagert und zwischen
beiden ein Ableitungsdrainagesystem vorgesehen wird, durch dieses vor dem Regenerieren
der Ionenaustauschmaterialien die darüberstehende Flüssigkeit abgelassen und so
die Belastungsschicht trockengelegt wird una durch dieses dann die von unten nach
oben durch die Ionenaustauschmaterialien geleitete Regenerierflüssigkeit abgeführt
wird.
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Im Rahmen eines solchen Vorgehens wird durch die Belastungsschicht
ein Auflockern der Austauscherschicht während der Regeneration verhindert, ohne
dass hierfür irgendwelche zusätzlichen Massnahmen irgendwelcher Art erforderlich
wären und damit wiederum verbundene Nachteile in Kauf genommen werden müssten. Je
nach Höhe der Belastungsschicht bzw.
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Überdeckung des Ableitungsdrainagesystems kann dabei die jeweils gewünschte
oder erforderliche Belastung für das zu regenerierende lonenaustauschmaterial ohne
weiteres eingestellt werden.
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Für die Belastungsschicht kann mit Vorteil auch das gleiche Material
wie für die unterhalb des Ableitungsdrainagesystems angeordnete lonenaustauscherschicht
verwendet werden.
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Ferner kann es gegebenenfalls von Vorteil sein, das Abführen der oberhalb
des Ableitungsdrainagesystems stehenden Flüssigkeit und/oder die Ableitung der Regenerierflüssigkeit
durch ein Absaugen derselben mittels einer Pumpe oder dgl. zu unterstützen.
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Filter zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit oberen
Zuleitungen für die aufzubereitende Flüssigkeit und unter Zuleitungen für die Regenerierflüssigkeit
sowie unteren Ableitungen für die aufbereitete Flüssigkeit und unteren Düsenboden
für die darauf anzuordnenden Ionenaustauschmaterialien weisen Obigem gemäss oberhalb
der Ionen
austauschbeschickungsschicht ein Ableitungsdrainagesystem
auf, durch welches die oberhalb desselben stehende Flüssigkeit und die durch die
Ionenaustauschbeschickungsschicht geleitete Regenerierflüssigkeit abgeführt werden
kann.
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In der beigefügten Zeichnung ist ein solches Filter zur Durchführung
des erfindungsgemässen Verfahrens in beispielsweiser Ausführungsform schematisch
veranschaulicht, welches nachstehend näher erläutert sei.
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Im Filterkörper 1 lagert auf dem Düsenboden 2 das Ionenaustauschmaterial
4, auf diesem wiederum die Belastungsschicht 5.
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Zwischen 4 und 5 ist ein Drainagesystem 3 zum Ableiten der Regenerierchemikalienlösung
angeordnet.
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Die Arbeitsweise dieses Gegenstromfilterssist die folgende: Die aufzubereitende
Flüssigkeit, z. B. Wasser, tritt bei 6 in das Filter 1 ein und durchströmt zunächst
die Belastungsschicht 5 und dann das aktive Ionenaustauschmaterial 4, um schliesslich
durch den Düsenboden das Filter aus 7 im aufbereiteten Zustand zu verlassen. Nach
Erschöpfung des Ionenaustauschmaterials ist dieses nach vorausgegangener Rückspülung
zu regenerieren, wobei die Regeneration von unten nach oben vorgenommen wird. Vor
Einleiten der Regenerierlösung wird aus dem oberen Teil des Filters die aufzubereitende
Flüssigkeit bis zum Drainagesystem 9 über 9 abgelassen.
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Zwangsläufig wird hierbei die über dem Drainagesystem liegende Belastungsschicht
entwässert. Infolge der Trockenlegung des Belastungss¢hichtmaterials kann es durch
die aufwärteströmende Regenerierlösung nicht aufgelockert werden, weil es nicht
mehr in der Flüssigkeit, z.B. Wasser, liegt und dadurch das lonenaustauschmaterial
nicht mehr fliessen kann. Durch die Trockenlegung der Belastungsschicht wird diese
um das Gewicht des von den Körnern der Belastungsschicht verdrängten Flüssigkeitsvolumens,
z.b. Wasservolumens schwerer. Dadurch wird eine örtliche Bewegung des darunterliegenden
Ionenaustauschmaterials unterbunden. Nach dem Absenken des Wassers bis zum Drainagesystem
9 wird nunmehr die Regenerierlösung bei 8 in das Filter geleitet und infolge der
Drosselung im Du"senboden 2 gleichmässig über die Filterfläche verteilt. Die Regenerierlösung
strömt durch die Schicht 4 nach oben, um über das Drainagesystem 3 das Filterbett
bei 9Zl verlassen. Die verbrauchte Regenerierlösung kann frei austreten oder mittels
Pumpe abgesaugt werden. Aus der Zeichnung ist zu erkennen, dass das über dem Drainagesystem
befindliche Material nicht mit von der Regenerationslösung durchströmt wird und
deshalb als Belastungsschicht zu werten ist. Diese Schicht drückt das eigentliche
Filterbett 4 auf den Düsenboden, damit die Regeneration wirksam, ohne Umschichten
des Ionenaustauschmaterials, verläuft. Nach dem Auswaschen der Chemikalienreste
steht das Filter für den Arbeitsprozess wieder zur Verfügung.