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Die Erfindung betrifft den Aufbau von Austauschern, insbesondere Ionenaustauschern
mit körnigem Austauschermaterial in wässrigem Medium, das während des Betriebs-
und Regenerationsprozesses sein Volumen ändert, und im Gegenstrom regenertiert werden
soll. Sie besteht darin, daß das körnige Äustauschermaterial gegen Verwirbelung
mittels poröselastischer Körper, z. B. Schaumgummi, fixiert ist.
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Die Regenerierung von Ionenaustauschern und deren nachfolgende Spülung
in der dem Arbeitsstrom entgegengesetzten Strömungsrichtung (Gegenstromregenerierung)
erbringt bekanntlich gegenüber der Gleichstromregenerierung Ersparnisse an Chemikalien
zum Regenerieren und an Spülwasser unter gleichzeitiger Verbesserung der Qualitäten.
Die Vorteile.der Gegenstromregenerierung werden aber zunichte oder zumindest stark
verringert, wenn das körnige Äustauschermaterial während des Regenerier-und
Spülprozesses
oder während des Betriebes verwirbelt wird.
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Eine Verwirbelung des körnigen Austauschermaterials erfolgt darum,
weil innerhalb des lonenaustauscherraumes ein freier Raum vorgesehen werden muß,
der eine Volumenänderung des körnigen Austauschermaterials zuläßt, die durch den
Ionenaustausch bedingt ist. Infolge des freien Raumes wird das körnige Austauscherbett
beim Durchströmen des Austauschers von unten nach oben hochgehoben, aufgelockert
und verwirbelt.
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Es sind Vorrichtungen bekannt geworden, welche zur Fixierung des körnigen
dustauschermaterials unter gleichzeitiger Zulassung der Volumenänderung des körnigen
Austauschermaterials verfornbare oder ausweichbare Böden des Gefäßes anwenden.
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Durch geeignete Kunstgriffe wurde es auch ermöglicht, das ganze Austauscherbett
in Form eines lfronfens durch lasserdruck plötzlich hochzuheben und dadurch die
Verwirbelung trend eines Durchströmens der Flüssigkeit von unten nach oben zu verhindern.
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Die beschriebenen La#nahmen hab en den Nachteil, da# sie entweder
aufwendig und kompliziert sind oder nicht zuverlässig funktionieren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden
und das körnige Austauschermaterial mit einfachen Mitteln gegen Verwirbelung zu
schützen, gleichzeitig aber auch eine Volunienänderung des körnigen Austauschermaterials
zuzu-;Lassen.
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Die Erfindung besteht darin, daß der für die Volumenvergrößerung des
körnigen Austauschermaterials notwendige freie Raum durch porös-elastische Körper,
z. B. Schaumgummi, ausgefüllt ist.
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Ein oder nehrere porös-elastische Körper müssen ihr Volumen durch
leichten, dem körnigen Austauschermaterial verträglichen Druck so weit verringern
können, wie dieses dem größt möglichen Volumenzuwachs des körnigen Austauschermaterials
entspricht.
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Der Austauscherraum ist z. B. so ausgefüllt, daß das körnige Austauschermaterial
seinen Zustand des geringst möglichen Volumens und die porös-elastischen Körper
ihren Zustand des größt möglichen Volumens waben. Dadurch ist das körnige Austauschermaterial
gegen Verwirbelung gesichert und seine Volumenvergrößerung ohne weiteres möglich.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein etwa durch die roren
der porös-elastischen Körper tretender Teilstrom des
Mediums dadurch
unschädlich gemacht, indem er durch eine ausreichende Schicht des körnigen Austauschermaterials
geleitet wird. Die für die Unschädlichmaohung der Teilströme erforderliche Schicht
im körnigen Austauschermaterial kann am Anfang, am Ende und/oder in der Mitte des
Austauscherbettes liegen.
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Teilströme des Mediums durch die Poren der porös-elastischen Körper
können auch verhindert werden, indem deren Oberfläche abgedichtet ist, was besonders
dann sinnvoll ist, wenn der unerwünschte Teilstrom eine Umfahrung des Mediums um
das Austauscherbett darstellen würde. Der Fall einer Uniftihrung ist z. B. dann
gegeben, wenn ein porös-elastisoher Körper sich von einem bis zum anderen Ende des
Austauscherbettes erstreckt oder wenn die Schicht des körnigen Austauschermaterials,
in welcher der Teilstrom unschädlich gemacht werden soll, für die sichere Unschädlichmachung
nicht ausreicht. Die Abdichtung der Oberfläche kann aus dem Material des porös-elastischen
Körpers selbstgebildet sein oder sie besteht aus einer elastischen Umhüllung, in
welche der porös-elastische Körper eingebracht ist. i;enn die Oberflache des porös-elastischen
Körpers abgedichtet ist, ist ein Druckausgleich zwischen dem Raum, welcher den porös-elastischen
Körper umhüllt, und dem Austauscherraum nötig, damit der rreßdruck, welcher die
Fixierung des körnigen
Austauschermaterials bewirken soll, von der
Elastizität des porös-elastischen Körpers ausgeht und nicht von unkontrollierbarer
Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen, die entweder eine Verwirbelung des körnigen
Austauschermaterials zulassen oder das Austauschermaterial zertrümmern würde.
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Für den Ausgleich des Druckes zwischen dem Raum, welcher den porös-elastischen
Körper umhüllt und dem Austauscherraum, kann auf verschiedene Arten gesorgt werden:
a) Durchbrüche durch die Umhüllung des porös-elastischen Körpers sind so angebracht,
daß während der Volumenminderung des körnigen Austauschermaterials flüssiges Medium
aus dem Austauscherbett in den porös-elastischen Körper eintritt und während der
Volumenvergrößerung wieder aus dem poröselastischen Körper in das körnige Austauschermaterial
an solcher Stelle austritt, daß es dort unschädlich gemacht wird.
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Durch eine zusätzliche Einrichtung kann die in den poröselastischen
Körper eingesaugte Flüssigkeit aus dem poröselastischen Körper abgelassen bzw. ausgespült
werden. Eine solche Reinigung wird man besonders nach der Regeneration des Rustauschers
vornehmen.
b) Eine Verbindung zwischen der Umhüllung des poröselastischen
Körpers und dem Rohwasser-Eintrittsraum des Austauschers besorgt den Druckausgleich.
Die Verbindungsleitung hat eine Anzapfung, die fortlaufend eine kleine Menge des
Rohwassers abführt und dadurch etwa aus dem porös-elastischen Körper austretende
unerwünschte Flüssigkeit von dem Rohwassereintritt in das Austauscherbett fernhält.
c) Der umhüllte Raum des porös-elastischen Körpers ist mit Flüssigkeit gefüllt und
mit einer Volumen-Ausgleichsblase verbunden, die sich z. B. über dem Austauscherraum
im Gefäß des Austauschers befindet. Durch Volumenvergrößerung des körnigen wustauschermaterials
wird die gleichwertige Flüssigkeitsmenge aus dem porös-elastischen Körper in die
Volumen-Ausgleichsblase gehoben, die der gleiche Druck umgibt, der auch im Austauscherbett
vorhanden ist. d) Eine klein bemessene Menge Preßluft oder Preßgas wird in die Umhüllung
des ords-elastischen Körpers gedrückt und durch eine Leitung wieder abgeführt, deren
Ende in das den Austauscher durchströmende Medium oder in ein Gefaß geführt ist,
das mit dem Austauscherraum verbunden (kommunizierend) ist, und dadurch unter dem
gleichen Druck
wie der Austauscherraum steht, wodurch die Luft innerhalb
der Umhüllung des porös-elastischen Körpers auf den gleichen Druck wie im Austauscherraum
gestaut ist. Aus dem kommuni-- zierenden Gefäß entweicht die überschüssige Luft
durch ein schwimmergesteuertes Ventil. Durch die Wahl der Höhenlage des Austrittspunktes,
an welchem die Luft in das kommunisiedende Gefäß austritt, kann auch eine gewisse
Druckdifferenz zwischen dem umhüllten Raum des porös-elastischen Körpers und dem
Austauscherraum erzielt werden.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Es stellt dar: Fig. 1 einen Ionenaustauscher mit porös-elastischen Körpern, welche
innerhalb des körnigen Wärmeaustauschermaterials eingebettet sind, Fig. 2 einen
Ionenaustauscher mit porös-elastischen Körpern, welche gleichzeitig die Seitenwände
des Austauscherraumes bilden, Fig. 3. einen Ionenaustauscher, dessen porös-elastischer
Körper sich oberhalb des Austauscherbettes befindet; in den Fig. 4, 5 und 6 werden
Beispiele für den Druckausgleich zwischen den Räumen der Umhüllung des porös-elastischen
Körpers und dem Austauscherraum erlautert.
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Der in Fig. 1 dargestellte Ionenaustauscher besteht aus dem Gefäß
1 mit den Abschlußstutzen 2 und 3, dessen Austauscherraum innerhalb der beispielhaft
als Düsenböden dargestellten Wände 5 und 6 von dem körnigen Austauschermaterial
4 und den poröselastischen Körpern 7 ausgefüllt wird. Eine Verwirbelung des körnigen
Austauschermaterials 4 ist sowohl bei einer Durchströmung in der Richtung von dem
Stutzen 2 zu Stutzen 3, als auch in der Richtung vom Stutzen 3 zu Stutzen 2 ausgeschlossen,
weil der Austauscherraum immer vollständig ausgefüllt ist. Sollte ein Teilstrom
durch den porös-elastischen Körper 7 hindurchtreten, dann wird der Teilstrom noch
oberhalb oer unterhalb des porös-elastischen Körpers 7 durch genügend aktives Austauschmaterial
4 erfaßt und unschädlich gemacht.
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In Fig. 2 ist der porös-elastische Körper 7 als zylindrische ; tand
des Austauscherraumes ausgebildet und erstreckt sich von einem zum anderen Düsenboden
5 und 6. In diesem Fall muß ein durch den porös-elastischen Körper 7 durchtretender
Teilstrom vermieden werden. Um den Teilstrom zu vermeiden, erhält der porös-elastische
Körper 7 einen verformbaren Uberzug b. Der sonst dichte verformbare ueberzug 8 ist
an mindestens einer Stelle 9 durchbrochen, welche sich in der Mitte des Austauscherraumes
zwischen den beiden Düsenböden 5 und 6 befindet. Die durchbrochene Stelle 9 hat
den Zweck, einen Druckausgleich zwischen dem von der körnigen Austauschermasse ausgefüllten
Laum und dem von dem orös-elastischen Körper ausgefüllten taum
zu
schaffen. Während das körnige Austauschermaterial 4 sein Volumen verkleinert, wird
von der Flüssigkeit in die Poren des porös-elastischen Körpers 7 Flüssigkeit eingeatmet.
Während der Volumenvergrößerung des körnigen Austauschermaterials 4 wird die eingeatmete
Flüssigkeit wieder ausgestoßen. Der Ausstoß erfolgt in das körnige Austauschermaterial
4 und wird von diesem unschädlich gemacht. Mit einer nicht gezeichneten Vorrichtung
kann der porös-elastische Körper 7 reingespült werden.
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Beim Austauscher nach der Fig. 3 befindet sich der poröselastische
Körper 7 oberhalb des körnigen Austauschermaterials.
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Die Gestaltung des porös-elastischen Körpers 7 muß so sein, daß das
Arbeits- und Regeneriermedium auch dann durchströmen kann, wenn er durch den Volumenzuwachs
des körnigen Austauschermaterials zusammengedrückt wird. Die Durchlässigkeit des
Körpers 7 kann durch die Gestaltung seiner Poren oder auch durch Kanäle in der Strömungsrichtung
verbessert werden.
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Fig. 4 veranschaulicht eine Art des Druckausgleiches zwischen dem
von der Hüile 8 umgebenen porös-elastischen Körper 7 und dem Austauscherraum, in
welchem sich das körnige Austauschermaterial 4 befindet, indem der Rohwassereintritt
2 mit der hülle U durch eine Leitung 12 verbunden ist. Die Verbindungsleitung 12
ist hier beispielhaft an der Spülleitung 10 angeschlossen und hat eine Anzapfung
1f, durch welche ständig ein
kleiner Rohwasserstrom abgeführt wird.
Etwa im Arbeitsstrom unerwünschte Flüssigkeit, die der porös-elastische Körper 7
ausstößt, wird durch die Anzapfung 13 abgeführt. Zum Reinspülen des porös-elastischen
Körpers ist die Leitung 12 angedeutet.
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Der Druckausgleich wird bei dem Ionenaustauscher nach Fig. 5 dadurch
erzielt, indem die Umhüllung 8, in welcher sich der porös-elastische Körper 7 befindet,
mit Flüssigkeit gefüllt ist, die ausgestoßen wird, wenn der porös-elastische Körper
7 zusammengedrückt wird. Die ausgestoßene Flüssigkeit tritt durch die Verbindungsleitung
14 in die verformbare Blase 15, die ihrerseits vom gleichen Flüssigkeitsdruck umgeben
ist, welche auch das körnige Austauschermaterial umgibt. Die Flüssigkeit kann bei
den beiden Stutzen 16 eingefüllt oder abgelassen werden. Durch ein z. B. mit Glas
abgedichtetes Schauloch 17 wird der Füllzustand der Blase 15 beobachtet, was eine
Beurteilung des Arbeitszustandes des körnigen Austauschermaterials 4 ermöglicht.
Die Spülleitungen 18 sind hochgezogen, um eine ungewollte Entleerung des Austauschers
zu verhindern. Durch Veränderung der Dichte der Füllflüssigkeit kann auch ein kleiner
Differenzdruck erzielt werden.
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Nach Fig. 6 wird gleicher Druck in der dem von der Umhüllung 8 umgebenen
Raum mit dem Druck des Austauscherraumes erzielt,
indem eine dosierte
Pressluftmenge oder ein anderes Preßgas durch den Anschluß 19 in die Umhüllung 8
gedrückt wird und durch die Öffnung 20 in den Arbeitsstrom austreten kann und dort
von dem Druck des flüssigen Mediums gestaut wird. Ist aber die Zumischung der Luft
oder des Gases im Arbeitsstrom unerwünscht, dann erfolgt die Stauung 23 der Luft
oder des Gases innerhalb eines kommunizierenden Gefäßes 21 und wird mittels eines
schwimmergesteuerten Ventils 22 abgeführt.
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Durch die Wahl der Höhenlage der Öffnung 23 in Bezug auf Austauscherraum
kann der Druck innerhalb der Umhüllung b eingestellt werden.