DE1442942A1

DE1442942A1 - Verfahren zur Durchfuehrung der bei Ionenaustauschreaktionen erforderlichen Verfahrensschritte und zur Verhinderung von schaedlicher Vermischung

Info

Publication number: DE1442942A1
Application number: DE1964V0025359
Authority: DE
Inventors: Vajna Dr-Ing Chem Sandor
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1964-02-10
Filing date: 1964-02-10
Publication date: 1968-12-19
Also published as: FR1427291A; LU47938A1; IL22917A; BE659478A; SE323059B; CH484694A; NL6501640A; GB1101863A; NL152458B; US3448043A

Description

Pr. Inp;. Chem. oandor Va_tjna_t Bad Honnef ,.~i*irardetallee 15

Verfahren zur Durchführung der be-i^ Ionenä list auscTireSk't ionen erforderlichen Verfahrenaschritte und zur Verhinderung von schädlicher Vermischung

Beim Ionenaustauschverfahren müssen auf das Auötauscherbett verschiedene Lösungen aufgegeben werden, welche mit dem Aus·» tauscher in Reaktion treten. Es werden mindestens zwei solche Austauschreaktionen ausgeführt, durch welche Lösung und austauscher ihre Ionen mit den sog. Gegenionen austauschen. Die nacheinander aufgegebenen Lösungen müs en durch Wasseraufgabe getrennt werden. Somit verläuft das ganze Spiel in folgenden Phasen: Aus dem mit Wasser gefüllten Austauscherbett wird das vVasser durch die Lösung der einen Art verdrängt} die Ionen der Lösung werden dur£ii die Ionen des Austauschers ausgetauscht; der Austauscher wird mit den Ionen der Lösung beladen; die Lösung wird durch Wasser verdrängt 4 aus dem Austauscherbett wird das Wasser durch die Lösung der zweiten Art verdrängt; Ionen des Austauschers und der Lösung werden ausgetauscht} die Lösung der zweiten Art v/ird durch #sser verdrängt.

Obwohl die verschiedenen Flüssigkeiten voneinander scharf getreant aufgegeben werden, vermischen sie sich unvermeidbar mit der Flüssigkeit, die sich im Austauscherbett befindet. Statt einer scharfen Trennung weist daher die ausflieaaende Flüssigkeit eine Mischzone, mit ständig ändernder Konzentration auf und erst nachdem eine gewisse Menge an Flüssigkeit ausgeflossen ist, er- .{

reicht die Konzentration der Lösung die der aufgegebenen Flüssig-' keit.

Auch der Ionenaustausch verläuft immer stufenweise. Meistens sind die anfangs ausfliessenden Fraktionen vollständig umgesetzt, d.h. sie enthalten nur die vom Austauscher stammenden Ionen, aber die später folgenden Fraktionen weisen eine zunehmende Menge an

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den Ionen der Lösung auf; diesel bilden die sog. Reatctionszone. Als der Austauscher mit den Ionen der aufgegebenen Lösung vollständig beladen ist, bleibt die durchgeleitete Lösung unverändert. Man erhält also eine grosse Flüssfekeitsraenge, in der beide Ionen gleichzeitig und in veränderlicher Menge vorhanden sind.

Bei jedem Austausch treten also eine vordere und eine hintere Mischzone und eine Reaktionszone auf.

Infolge der xaxlsxan Mischzonei ist die abgezogene Lösung eterk verdünnt. Infolge des Auftretens der üeaktionszone kann man zu gleicher Zeit nicht erreichen, dass die Ionen der Lösung vollständig mit den Ionen des Austauschera ersetzt und gleichzeitig die Ionen des Austauschers vollständig mit denen der Lösung ausgetauscht werden.

Um die Verdünnung des Abzuges als PoI^e der hinteren Mischzone zu vermeiden, ist es bekannt, die Fraktionen dieser Zone einzulagern und im nächsten Zy&lus in der gleichen Reihenfol e wieder aufzugeben. Um die Ausnutzung der Chemikalien zu vergrössern, hat man,- vorwiegend bei der Regenerierung von Austauschern,- Frak-

iieaktions >
tionen der M±sxjizone eingelagert und in derselben Reihenfolge

beim nächsten Austausch wieder verwendet.

Diese Maeanahmen haben aber keinen wesentlichen Erfolg gebxracht; es gelang auch nicht durch Vermehrung der Anzahl der eingelagerten Fraktionen den Effekt unter wirts haftlcih tragbaren Bedingungen su erhöhen. Dieser Misserfolg ist aufgrund der Erkenntnisse dtr vorliegenden Erfindung durch eine unerwünschte Vermischung der Fraktionen untereinander und auch innerhalb der einzelnen Fraktionen verursacht worden» Die*· Vermischung tritt infolg· der unterschiedlichen spezifischen Gewicht· der Lösungsfraktionen sowohl bei der Einlage ung wie bei der Aufgab· auf und ist am intensivsten in den toten Räumen des

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Lösungeweges· So haben die Fraktionen der vorderen Hischzone wachsendes spezifisches Gewicht. Zuerst wird die Fraktion mit den niedrigsten spezifischen Gewicht aufgegeben und trifft auf auf die über dem Austuuscherbett befindliche Flüssigkeltsschlcht, aus reinem Afasser bestehend« Die schweren Flüssigkeitsteile der Friktion eilen vor, das reine fässer bleibt oben in der Schicht zurück. Dieses iipiel wiederholt sich während der Aufgabe der

▼orderenganzen/'tfischzone und verursacht, dass die Fraktionen untereinander vermischt werden, wodurch der Konzentrationegradient verflacht wird. Ähnlicherweise ist das Auftreten der hinteren Kischssone schädlich· Die Fraktionen dieser Zone haben abnehmendes spezifia.hes Gewicht. Mach ihrer Aufgabe auf das Austauscherbett fol^t aber die frisch zugegebene !»bViung, deren spezifische Gewicht von den der verdünntest en letzten Fraktionen der Mischzone stark abweicht. Die frische Lösun/ vermischt sich also mit d«en eingelagerten dünnen Fraktionen, wobei sie mit den Ge,5enionen, welche in den Fraktionen enthalten sind, verunreinigt vird. Dadurch wird aber da Gleichgewicht des lonenaustausches in unerwünschte Richtung verschoben* Dieses wechselnde Konzentrationsgefälle bleibt aber auch in der ausfliessenden Lösung erhalten, so dass in den eingelagerten Fraktionen bei jeder Aufgabe eine zusätzliche unerwünsehvte Vermischung auftritt und dadurch die .iirkeamkeit des Austttumch.ee erheblich vermindert.

3q werden also infolg· der unerwünschten Vermischung sowohl die Mischeonen *i· die Heaktionssone ve längert« da die Vermischung alt der Amahl der Fraktionen, welche eingelagert un wieder aufgegeben werden, zunimmt, hat die Yergrdsserung dieser Anzahl auch

Des feit «rest treten Vischzonen und Reaktionszone stets gleichzeitig auf. oomit wirkt, wie es oben gezeigt war, die schädliche Yermiaenun - infolge der unterschiedlichen spezifischen Gewichte

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der Fraktionen der Mischsonen nachteilig auf dl« Reaktionsson«

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Die Verlängerung der beiden Zonen beeinträchtigen die Virtschaftlichkeit dee Ionenaustausch^ rfahrens« Die Produkt«.Bind stark verdünnt, der Waeserverbauch ist gross, die Nutsleletung eines Aushauschere niedrig und der Aufwand an Hegentritrmittel gross.

Die Brfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die oben geschilderte ungeregelte Vermischung innerhalb der eineeinen Zonen und auch untereinander derselben zu verhindern, indem ihr Ablauf

,"dem bisherigen abweichend gestaltet wird und weiterhin indem statt der ungeregeltes Vermischung in dem toten Raum oberhalb dee Auetauacherbettee eine geregelte und reproduzierbare Vermischung tritt β

Kur Lösung dieser Aufgabe geht das Verfahren nach der Erfindung BiW Durchführen der beim Ionenaustausch erforderlichen Verfahrensschritt« des Verdrängens von Wasser durch die Lösung, des Ionenaustauschte und der Verdrängung der Lösung durch Wasser, wobei dl· Abläufe In mehrere Fraktionen unterteilt und ein Teil der Fraktionen getrennt gelagert und im nächsten Zyklus wieder nachtlaander in unveränderter Reihenfolge über den Auetauscher geleitet werden, {fekenna>, dass die drei Verfahreneschritte getrennt dur hgeführt werden in der Weise, dass die Verdrängung dta " Wassers durch Fraktionen einer Lösung solcher Xosnen erfolgt, die mit der Austauscherbeladun^ praktisch identisch sind und deren Konzentration von Hull bis zu der Konsentration ' Sttnlmat, in welcher der Ionenaustausch stattfinden soll« die Verdrängung der Lösung nach beendetem Ionenaustausch alt Fraktionen einer solchen Lösung erfolgt, deren Ionen praktisch mit der · inzwischen veränderten Austauscherbexladung identisch sind und deren Konzentration praktisch von der Konzentr tion, bei der der

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'Ionenaustausch stattgefunden hat bis praktisch auf-; Null abnimmt, und dass die chemie he Reaktion während des Ionenaustausche8 in eintr in Fr"ktionen unterteilten Lösung erfolgt, die die beiden lontn des Reaktion in nahezu i;e\Lichbleibender und der zugegebenen Lösung nahezu entsprechender Geeamt-

konzentration enthält, wobei in den nacheinander aufzugebenden

Fraktionen die Ionen der zugegebenen Lösung mit zunehmendem Anteil biß eur Gesumtkonzentration enthalten sind und dass dit

in da· Ionenaustauschergef&ss eingeführten Fraktionen in bekannter

Weise in Form von mehreren, nach unten gerichteten schärfen ötrah-

lez^auf den garnen Gefässquerschnitt gleichmässig verteilt werden ( und die kinetische Energie der Strahlen vor dem Auftreffen auf die über den Austauscherbett befindliche Flüssigkeitsschicht geringer Höhe ve nichtet wird, so dass die Fraktionen in Form von gleichaäßsig auf deto/ganzen Gefässquern hnitt verteilten

Tropfen mit der Flüseigkeit3schicht stets innig vermischt werden«

Eine weiter· Vervollkommnung des Verfahrens sieht vor, da·· die bei« Auftreffen auf die *ur Vernichtung der kinetischen Energie dienende Prallplatte entstehenden Gpritzer wieder lusammengeftthrt werden, «o dass die gesamte mit -den- Strahl geführte Plüsaigkeit·- j menge erhalten bleibt. Dadurch wird auch gleichseitig die Vermischung der Strahlen untereinander v-r hindert und die Verteilung im öefäeequerschnitt bewahrt· Hierzu dienen um jeden AufTreffpunkt auf die Prallplatte befestigte senkrechte fände.

Weiterhin sieht das erfindungjgeraäsae Vorfahren vor, das Zusammenflieeeen der Flüssigkeit unterhalb der Platte zu verhindern. Hierau werden um jedes Abflussloch der Platte senkrechte fände befestigt, weiche die Löcher voneinander trennen»

Soait besteht die Anlage zur Durchführung de· Verfahren· au· fol

senden Bestandteilen ι

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Sie Fraktionen werden in getrennten Gefaasen eingelagert, in die die Lösung aus dem Austauschergefäas durch eine bekannte Verteilervorrichtung eingeleitet wird* Die Entleerung der Fsraktionenbehälttr wird durch eine ebenfalls bekannte Vorrichtung so gewährleistet, dass die Reihenfolge dabei dieselbe bleibt, wie es bei der Binlagerung gewtaen ist. Beispieleweise kann folgender Mechanismus benützt werdent Die vom Austauschergefäsa kommende Leitung wird in soviel Leitungen verzweigt, wie es Behälter ^ibt und Jede Abzweigung trägt ein Ventil. Die Ventile sind elektropneumatisch betätigt. Bin Schwimmer im Fraktionsbehälter gibt Impuls als das vorgeschriebene Klvo im Gefäes erreicht ist; durch diesen Impuls wird dag in dieses Behälter führende Ventil zu- und das in das benachbarte behälter führende aufgemacht. Zur Entleerung dienen Leitungen, die aus jedem fraktionsbehälter zu einer Einmündungseteil© führen, wonach die Leitung in das Aust luschergefäss eingeleitet wird· Die an die Behälter anschliessenden Leitungen sind mit/einem Ventil ausgestattet, das ebenso betätigt vird die die vorigen. Bin Schwimmer in de» Behälter gibt einen Impuls für das augehörige Ventisl sum Schlieseen als der untere Stand des Flüssigkeltsnivos erreicht wird und gleichseitig einen Impuls sum öffnen das ±x aus dem benachbarten Behälter führenden Ventils* Gewieee Traktlonsbehälter können von dem Meonnismus nur gefüllt oder nur entleert werden. In die ersttren wird die abzuziehend· flüssigkeit gefüllt, also der Vorlaut, bestehend aus reinem Wasser und das Frodukt, bestehend aus der umgesetzten Lösung. In die Behälter zweiten Art wird die zugegebene Lösung bzw. das zugegebene Wasser gefüllt. Der Vorlauf wird zu Beginn des Ganges abgesogen, das Produkt nach der^Y ⁿMiachzone. Die Lösung wird nach dar Reaktionszone zugegeben und das Wasser nach der fnfÜI Mischzone.

Daa Austauschergefäas ist zum Teil mit Austauscher, darüber mit Luft gefüllt«, Im Luftraum befindet sich ein Behälter, in das die Zuleitung der Lösung einmündet. Der Boden dieses Behältars ist ■it gleichmässig verteilten Löchern versahen, deren Anzahl und Qrösse auf bekannte Weise so ermittelt wird, daas durch jedes Loch dieselbe Menge der Flüssigkeit strömt, über die höchste Lage des Austwcherbettes befindet sich einejhf iur Oberfläche parallel befestigte Prallplatte. Dies« ist so durchlöchert, dass die Löcher som^Auftreffpunk^der Flüssigkeitsstrahlen stets versetzt sind und somit kein Strahl unbehindert durch die Löcher gelangen kunn.

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Ober- und unterhalb der Prallplatte befindet eich Je «in Gitter aus senkrechten V and en, welche somit eio*$ienenirabenartlg· Struktur erReben. Die Zellen des oberen Gittere acnliessen je einen Auftreffpunkt eines Flüssigkeitsstrahl« la *ich{ die des unteren (litters je ein Abflussloch. Die «Vandhöhe des oberen Gitters ist so bemessen, dass kein Spritzer aus der Zelle gelangen kann. Die lande des unteren Gitters laufen nach unten in Spitzen su, von denen die ssuflieesende Flüssigkeit nur nach unten tropfen kann.

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Claims

Patentansprüche

1« Verfahren zum Durchführen der beim Ionenaustausch erforderlichen Verfahrensscoritte des Verdrängens de3 Wassers durch die Lösung« des Ionenaustausches und der Verdrängung der Lösung durch Wasser, wobei die Abläufe in mehrere Fraktionen unterteilt und •in Teil der Praktionen getrennt gelagert und im nächsten Zyklus wieder nacheinander in unveränderter Reihenfolge über den Austauscher geleitet Werden, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Verfahrensschritte getrennt durchgeführt werden in der Weise, dass die Verdrängung des Wassers durch Fraktionen einer Lösung solcher Ionen erfolgt, die mit der Austauscherbeladun^ praktisch identisch sind und deren Konzentration von Null bis zu der Konzentration zunimmt, in welcher der Ionenaustausch stattfinden soll, die Verdrängung der Lösung nach beendetem Ionenaustausch mit Fraktionen einer solchen Lösung erfolgt, deren Ionen praktisch mit der inzwischen veränderten imstauscherbeladung identisch sind, und deren Konzentration praktisch von der Konzentration, bei der der Ionenaustausch stattgefunden hat bis praktisch auf KuIl abnimmt, und dass die chemische Reaktion während des IonenaustMU3ch.es in einer in Fraktionen unterteilten Lösung erfolgt, die die beiden Ionen der Susta-uschreaktion in nahezu gelichble !bender und der zugegebenen Lösunt nahezu entsprechender Gesamtkonzentration enthält, wobei in den nacheinander aufzugebenden Fraktionen die Ionen der zugegebenen Lösung mit zunehmendem Anteil bis zur Geeamtfconzentration enthalten sind und dass die in das IonenauBtauBchergefäss eingeführten Fraktionen in bekannter Weise in Form von mehreren, nach unten gerichteten scharfen Strahlen auf den ganzen Querschnitt des Gefässes gleichmäsnlg verteilt werden und die kinetische Energie der Strahlen vor dem .Auftreffen auf die über dem Austauscherbett befindliche Flüssigkeits-

schicht geringer Höhe vernichtet wird, so dass die Friktionen

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in Form von gleichmdssig auf de*l· ganzen Gef ässciuersclmitt verteilten 'i'ropfen mit der Flüssigkeitsschicftt stets innig venalscht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Vernichtung der kinetischen Energie der Strahlen verspritzende Flüssigkeit wieder zusammengeführt wird,
3. Verfahren nach Anspruch 1. und 2. dadurch, gekennzeichnet,

dass das Zusammenfliessen der nach, der Vernichtung der kinetischen Snergcie der Flüssigkeitsstruhlen entstüenden Tropfen verhindert wird.
4. Anlage zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen i

1,-bi9 5·» bestehend aus getrennten Flüssigkeitsbehältern zur

:βη und für sich bekanntes/ Aufnahme der Fraktionen, aus eTnemYMecVmismus zur Füllung bzw. zur Entleerung dieser Fraktionen, aus einem Austauschergefäss mit Zu- und Ableitungen von und zu den Pr ktionenbe^ältern, und in welchem ein Austauscherbett solcher Dimensionen enthalten ist _% dass auch beim höchsten Stand des Bettes ein beträchtlicher TeILl des ^uefässes leer bleibt und mit Luft gefüllt ist, aus einem Behälter, welcher sich im oberen Teil des Austauschergefäesee befindet und in welches die Flüesigkeitszuleitung einmündet und dessen Boden mit ^leichmässig verteilten Löchern versehen ist, ; deren anzahl und Grosse auf an und für sich bekannter .Veise berechnet ist, weiterhin aus einer Prallplatte, welch« im Austüuschergefäes über die höchste La^e d-s Bettes befestigt 1st und parallel nit der Bettoberfläche liegt und mit auf defc, ganxen Gefäeaquerschnitt verteilten und zu den Auftreffpunkten der von oben kommenden Strahlen versetzten Löchern versehen let, weiterzwii aus senkrechten lÜ bestehenden Gittern über und unter der Plattenebene, deren Zellen oben je einen Flüesigkeitestrall, unten je ein Abfluasloch in eich schlieesen.