DE1542389C3 - Verfahren zum physikalischen und/oder chemischen Stoffaustausch in flüssiger oder gasförmiger Phase mit körniger Behandlungsmasse - Google Patents

Verfahren zum physikalischen und/oder chemischen Stoffaustausch in flüssiger oder gasförmiger Phase mit körniger Behandlungsmasse

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DE1542389C3
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Description

Die physikalische, physikalisch/chemische oder chemische Behandlung von Flüssigkeiten und Gasen erfolgt in mannigfacher Weise mit oder an körnigen Massen aller Art, wie Trocknungsmassen, Adsorbermassen, Katalysatoren, Füllkörpermassen, lonenaustauschermassen, Filtermassen, Neutralisationsmassen usw., im folgenden als Behandlungsmasse bezeichnet. Hierbei wird die Flüssigkeit und/oder das Gas meist durch ruhende Schichten der Behandlungsmassen hindurchgeleitet. Zur Aufbereitung von erschöpfter oder verunreinigter Behandlungsmasse wird diese einer Regeneration und/oder Reinigung bzw. Rückspülung mit geeigneten flüssigen und/oder gasförmigen Mitteln unterworfen.
Während bei verschiedenen Verfahrensphasen z. B. beim Rückspülen eine Aufwirbelung und Verlagerung der Behandlungsmassen durch flüssige oder gasförmige Mittel erwünscht ist, soll bei anderen Verfahrensphasen z. B. der eigentlichen Behandlung und der Regeneration eine Aufwirbelung und Verlagerung der Behandlungsmassen zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades vermieden werden, wobei jedoch dem Quellen und Schrumpfen der Massekörner, welches durch die physikalischen und chemischen Vorgänge bedingt ist, Rechnung getragen werden muß. Beim Arbeiten mit körnigen Behandlungsmassen im Gegenstrombetrieb, der in vielen Fällen erst eine wirtschaftliche Behandlung mit hohem Wirkungsgrad möglich macht, durchströmen die zu behandelnden Flüssigkeiten oder Gase bzw. bei entgegengesetzter Betriebsweise die Regenerationsmittel, die körnige Masse von der Auflage (z. B. einem Düsenboden) ausgehend. Diese gleiche, vom Auflageboden ausgehende Strömungsrichtung liegt oft auch bei der Behandlung in Richtung der abnehmenden Korngröße vor.
Die vom Auflageboden ausgehende Strömung der Flüssigkeit oder des Gases wird bei den bekannt hohen Behandlungs- und Regenerationsgeschwindigkeiten eine unerwünschte Umschichtung und Aufwirbelung verursachen, wodurch der wirtschaftliche Gegenstromeffekt verlorengeht. Es ist also erforderlich, in gewissen Verfahrensschritten der körnigen Behandlungsmasse1 ein Aufwirbeln zu ermöglichen, dagegen in anderen' Verfahrensschritten die Behandlungsmasse fest gelagert zu halten, ohne die unter Umständen beträchtlichen Volumenänderungen der Massen zu behindern.
Durch die schweizerische Patentschrift 3 77 318, die deutsche Patentschrift 8 32 596, die deutsche Auslegeschrift 12 21197 sind mechanische Einbauten, wie bewegliche Kolben, beweglicher Siebboden und aufblasbarer Faltensack, zur Belastung der Behandlungs-
'5 masse bekannt. Da das erforderliche freie Rückspülvolumen bis zu 100% des Behandlungsmassevolumens ausmachen kann, muß die Verstellbarkeit dieser Vorrichtungen sehr groß sein. Diese Forderungen sind nicht immer einfach zu erfüllen, weshalb diese Vorrichtungen sehr aufwendig und störanfällig sind.
Die Erfindung soll diese und andere Nachteile vermeiden. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum physikalischen und/oder chemischen Stoffaustausch in flüssiger oder gasförmiger Phase mit körniger Behandlungsmasse im Aufwärts- oder im Abwärtsstrom unter Verwendung einer körnigen Masse, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß als körnige Masse eine elastisch verformbare, neutral reagierende Preßmasse eingesetzt wird, die eine niedrigere Dichte aufweist als die Behandlungsmas'se. Die Preßmasse wird pneumatisch oder hydraulisch derart in den Behandlungsbehälter eingebaut, daß sie den gesamten, nicht von der Behandlungsmasse beanspruchten, freien Behälterraum ausfüllt und während des Stoffaustausches die Behandlungsmasse dicht gepackt hält. Zeitweilig wird die Preßmasse aus dem Behandlungsbehälter (z. B. während der Spülung) ausgetragen, zwischengelagert und gegebenenfalls gereinigt.
Dabei kann die Preßmasse entweder durch ihr Eigengewicht oder zusätzlich unter einem Druck wirken, der auf hydraulische, pneumatische oder mechanische Weise erzeugt und» unmittelbar auf die Preßmasse übertragen wird.
Für den Fall, daß das Eigengewicht der Masse die Preßkraft liefert, ist eine Veränderung oder Regelung der Preßkraft beispielsweise dadurch möglich, daß die Preßmasse mehr oder weniger in Flüssigkeit abgetaucht wird und so das Eigengewicht um einen veränderlichen Bruchteil entsprechend dem Auftrieb verringert wird oder daß mit Hilfe eines Steigrohres für die Preßmasse die Druckhöhe der Preßmasse erhöht wird.
Für den Fall, daß ein Druck unmittelbar auf die Preßmasse ausgeübt werden soll, kann dies beispielsweise hydraulisch geschehen, indem eine Flüssigkeitsvorlage, die eine Schwerflüssigkeit, wie Quecksilber, enthält, verwendet wird. Für eine unmittelbare Druckausübung auf pneumatischem oder hydraulischem Wege kann beispielsweise der Strömungswiderstand ausgenutzt werden, den eine zu diesem Zweck in der Preßmasse unterhaltene Gas- oder Flüssigkeitsströmung in der Preßmasse findet, wobei sich der Strömungswiderstand im Behandlungsbehälter, im Nebenbehälter oder in den verbindenden Rohrleitungen aufbauen kann.
Um die Behandlungsmasse beispielsweise zum Aufwirbeln freizugeben, kann die Preßmasse aus dem Behandlungsbehälter auf hydraulischem, pneumatischem oder mechanischem Wege ausgetragen werden.
Hierbei ist ein vom Behandlungsraum getrennter Ausweichraum für die Preßmasse innerhalb oder außerhalb des Behandlungsbehälters erforderlich. Ein hierfür vorgesehener besonderer Hilfsbehälter braucht für mehrere Behandlungsbehälter nur einmal vorhanden sein. Statt dessen kann die ausgetragene Preßmasse auch in einen anderen Behandlungsbehälter eingetragen und dort zum Festhalten der Behandlungsmasse verwendet werden. In diesen Fällen können also mit demselben Hilfsbehälter oder mit derselben Preßmasse mehrere Behandlungsbehälter wechselweise betrieben werden.
Volumenänderungen der Behandlungsmasse, wie das als Atmen bezeichnete Quellen und Schrumpfen von Ionenaustauschermassen, werden dadurch ermöglicht, daß die Preßmasse diesen Volumenänderungen folgen kann, was durch eine geeignete Wahl der Preßmasse zu erreichen ist. Wird als Preßmasse ein elastisch zusammendrückbarer Stoff, z.B. Schaumkunststoff verwendet, dann wird die gesamte Preßmasse beim Quellen der Behandlungsmasse auf ein kleineres Volumen zusammengedrückt. Preßmassen aus elastisch verformbarem Stoff, wie Gummi oder aus einem ) Elastomer, lassen sich ebenfalls auf ein kleineres Gesamtvolumen bringen, indem die einzelnen Preßmassekörper beim Quellen der Behandlungsmasse so verformt werden, daß sie das Covolumen, d. h. die Kornzwischenräume teilweise ausfüllen.
Die Korngröße und die Kornform der Preßmasse unterliegen allgemein keinen besonderen Bedingungen. Zweckmäßig ist es jedoch, das Verhältnis der Korngrößen von Preßmasse und Behandlungsmasse so zu wählen, daß das feine Korn nicht in die Kornzwischenräume, das Covolumen, des groben Korns eindringen kann. Außerdem kann es vorteilhaft sein, die Dränagesysteme für die Zu- und Abführung von Flüssigkeiten oder Gasen in die gröbere Masse einzubetten, so daß dieses System größere öffnungen erhalten kann, die keinen Verstopfungen ausgesetzt sind.
Die Preßmasse aus einem neutralen Stoff bestehend kann ganz, teilweise oder gar nicht von dem jeweiligen Gas- oder Flüssigkeitsstrom im Behandlungsbehälter durchsetzt werden.
Als weiteres Beispiel kann die Preßmasse als , Füllkörper wirksam sein und etwa einer Verrieselung von Flüssigkeiten zum Zwecke ihrer Be- oder Entgasung dienen. Hierfür kann vorteilhaft ein hochelastischer Füllkörper mit mathematischer oder unregelmäßiger Kornform verwendet werden, der die Möglichkeit gibt, durch einen pulsierenden Flüssigkeits- und/oder Gasstrom ein Kneten der Füllkörper und damit ein wirksames Reinigen von anhaftenden Schmutzteilen zu bewirken.
Bei der Behandlung von Flüssigkeiten und Gasen werden häufig Behandlungsmassen geschichtet nach unterschiedlichen Korngrößenbereichen eingesetzt, die sich bei der Rückspülung nach der Korngröße einordnen. Die Verwendung von Preßmasse, die die Behandlungsmasse dicht gepackt hält, gestattet hierbei, die Behandlungsmasse stets in Richtung der abnehmenden Korngröße durchströmen zu lassen, weil eine Verlagerung bzw. Umschichtung der Behandlungsmasse verhindert wird, wodurch verschiedene verfahrenstechnische Vorteile entstehen.
Auch ermöglicht der Einsatz von Preßmassen sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Behandlungsbehälter mit Vertikal-, Horizontal-, Radial- oder Rotationsströmung der Flüssigkeiten oder Gase, wobei auch pulsierende Strömungen anwendbar sind.
Für einige praktische Anwendungsfälle der Erfindung sind entsprechende Ausführungsbeispiele in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachstehend beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Anlage für die Entsalzung von Wasser mittels eines Kationen- und eines Anionenaustauschers, die im Gegenstrom zur Beladung regeneriert werden,
Fig.2 einen im Aufwärtsstrom zu beladenden Austauscher mit Gegenstromregeneration,
Fig.3 ein Abwärtsstromfilter mit vorgeschaltetem Preßmasserieseler,
Fig.4 einen zweischichtigen Abwärtsstromaustauscher mit vorgeschaltetem Preßmassefilter.
'5 Die Entsalzungsanlage nach Fig. 1 enthält einen Kationenaustauscher 1 und einen Anionenaustausch^ 2, die beide etwa bis zur halben Höhe (gestrichelte Linie) mit der Austauschermasse gefüllt sind. Ferner sind ein Speicherbehälter 3 für die Preßmasse und eine Schwemmpumpe 5 vorhanden, die die Preßmasse aus dem Speicherbehälter 3 in einen der Austauscher und zurück aus diesem in den Behälter 3 zu spülen vermag. Eine Dosierpumpe 4, die wahlweise an einen Vorratsbehälter 6 für Salzsäure oder an einen Vorratsbehälter 7
2S für Natronlauge anschließbar ist, dient dazu, diese Regenerationsmittel in den betreffenden Austauscher einzuleiten.
Die einzelnen Betriebsphasen der Anlage werden mit Hilfe von Ventilen K, A, P eingestellt. Das zu entsalzende Rohwasser, das auch zum Verdünnen und Auswaschen des Regeneriermittels und zum Spülen der Austauschermasse und gegebenenfalls der Preßmasse verwendet wird, läuft über das Regelventil R zu. Das entsalzte Wasser kann bei a X, das verbrauchte Regeneriermittel bei a 2 bzw. a 3, das Spülwasser bei a 4 austreten. Die Entnahme von Proben ist bei e 1, e2, e3, e4, e5 möglich. Die Anlage arbeitet in großen Zügen wie folgt:
Beim Austauscherbetrieb strömt Rohwasser nacheinander durch die Austauscher 1 und 2, und zwar über Ventile R und KX, Austauscher 1 abwärts, Ventil A 1, Austauscher 2 abwärts, Ventil A 2, Ausgang a X.
Zum Regenerieren des Kationenaustauschers 1 wird dieser zunächst im oberen Teil mit Preßmasse gefüllt, die mit Wasser aus dem Behälter 3 in den Austauscher eingeschwemmt wird. Zu diesem Zweck werden nach Schließen der Ventile K1, A 1, A 2 die Ventile P2, P4, K 6, K 3 geöffnet und die Pumpe 5 eingeschaltet, die über die geöffneten Ventile das im Kreis vorhandene Wasser in Umlauf bringt und dabei die Preßmasse aus dem Behälter 3 in den Austauscher 1 einträgt.
Anschließend werden zunächst die Ventile K 4 und Kl geöffnet, derart daß ein kleiner Rohwasserstrom den Austauscher 1 aufwärts durchströmt und dann die Ventile K5 und KXX geöffnet und die Dosierpumpe 4 eingeschaltet, wodurch Salzsäure aus dem Behälter 6 dem vorerwähnten Rohwasserstrom zugesetzt und die Austauschermasse im Austauscher 1 regeneriert wird. Durch Abschalten der Pumpe 4 und Schließen der
Ventile K5 und KXX wird die Regeneration beendet, worauf der noch andauernde Rohwasserstrom aus dem Austauscher die restliche Säure auswäscht und drängt, bis dann auch die Ventile K 4 und K 2 wieder geschlossen werden können.
6S Während des Regenerierens und Auswaschens wird die Austauschermasse dicht gepackt gehalten und ein Verlagern der Massekörner verhindert, durch die auf ihr lastende Preßmasse, die dabei durch Weiterlaufen der
Schwemmpumpe 5 einer zusätzlichen Preßkraft unterliegt. Nunmehr werden die Pumpenventile P\ und P3 geöffnet und P2 und P4 geschlossen, so daß sich die Strömungsrichtung im Schwemmkreis umkehrt und die Preßmasse aus dem Behälter 1 in den Behälter 3 übertragen wird. Nach Abschluß dieses Vorgangs wird Pumpe 5 abgeschaltet und der Kreis durch Schließen der Ventile K 3, K 6, P1 und P3 gesperrt.
Eine gelegentliche Rückspülung der Austauschermasse zwecks Abführung der anhaftenden Schmutzteile erfolgt im Anschluß an eine Beladung der Austauschermasse, und zwar mit Rohwasser, das nach Schließen der Ventile K 1 und A 1 und öffnen der Ventile K4,K6 und P5 den Austauscher 1 von unten nach oben durchströmt und bei a 1 abfließt. Anschließend erfolgt dann eine Regeneration mit erhöhter Säuremenge. Da bei der Rückspülung die Austauschermasse nicht mit Preßmasse belastet ist, wird erstere durch den Spülstrom aufgewirbelt, so daß die Schmutzteile wirksam entfernt werden können.
In der gleichen Weise wie für den Kationenaustauscher 1 spielen sich die Vorgänge beim Regenerieren und Spülen für den Anionenaustauscher 2 ab, indem die entsprechenden Ventile und die Pumpen in der angegebenen Weise bedient werden, wobei für die Regeneration die Dosierpumpe 4 an den Vorratsbehälter 7 angeschlossen und Natronlauge in den Austauscher 2 eingeleitet wird.
Bei dem Aufwärtsstromaustauscher nach Fig. 2 ist der Behälter 21 mit auf dem Düsenboden 21a ruhender Austauschermasse 22 und darüber mit Preßmasse 23 gefüllt. Das Entnahmesystem 25 ist in der Preßmasse angeordnet, die durch ein Steigrohr 29a oder/und eine Flüssigkeitsvorlage 296 zusätzlich belastet wird. Der Flüssigkeitsspiegel 24 wird zur Erhöhung der Preßkraft bis zur Höhe des Entnahmesystem abgesenkt, um den Auftrieb der Preßmasse niedrig zu halten.
Das Rohwasser tritt bei 26 ein, durchströmt von unten nach oben in Richtung der abnehmenden Korngröße die Austauschermasse 22 und wird in der gröberen Preßmasse über das Entnahmesystem 25 mit entsprechend großen öffnungen bei 27 abgeführt. Die auf der Austauschermasse ruhende Preßkraft hängt von dem Eigengewicht und von dem jeweiligen Auftrieb der Preßmasse ab. Durch eine Änderung des Flüssigkeitsspiegels 24 kann eine Feinregelung der Preßkraft vorgenommen werden, wobei bei höherem Flüssigkeitsspiegel der größere Auftrieb der eingetauchten Preßmasse die Preßkraft verringert.
Zur Regeneration der Austauschermasse wird bei 27 über das System 25 Regenerationsmittel eingeleitet, das von oben nach unten, d. h. in Richtung der zunehmenden Korngröße die Austauschermasse durchströmt, wodurch es zu einer hohen Ionenkonzentration der aktiven Feinschicht im oberen Teil der Austauschermasse kommt und in den unteren Schichten die Konzentration geringer ist. Das Regenerationsmittel wird bei 26 abgezogen. Nach der Umschaltung auf den Normalbetrieb und Einleiten von Rohflüssigkeit bei 26 steht der hohen Salzkonzentration der Flüssigkeit am Eintritt eine geringe lonenkonzentration in der Austauschermasse bei hohem Diffusionswiderstand gegenüber. Entsprechend der abnehmenden Salzkonzentration im Aufwärtsstrom erhöht sich die lonenkonzentration in der Austauschermasse bei sich ständig verringerndem Diffusionswiderstand. Diese Aufbereitungsart in Richtung der abnehmenden Korngröße kann als derzeitig wirtschaftlichste angesehen werden. Weiterhin wird der in der Rohrflüssigkeit mitgeführte Schmutz bereits in den unteren Schichten beginnend zurückgehalten, so daß auch mit einer längeren Laufdauer zwischen zwei Spülungen zu rechnen ist.
Für die gelegentliche Rückspülung der Austauschermasse zur Auswachung der Ablagerungen in ihren Kornzwischenräumen wird zuvor die Preßmasse z. B. auf hydraulischem Wege über Leitung 28 ausgetragen, wozu die Schwemmflüssigkeit bei 27 über das System 25
ίο eingeleitet wird. Nach der Rückspülung der Austauschermasse wird in umgekehrter Weise die Preßmasse über Leitung 28 wieder in den Behälter eingeschwemmt. Bei dem Abwärtsstromfilter nach Fig.3 übernimmt die Preßmasse die Funktion eines vorgeschalteten rückspülbaren Füllkörperrieselers. Die Füllkörper bestehen aus elastisch verformbaren und elastisch zusammendrückbarem Stoff und können durch einen pulsierenden Flüssigkeits- und Gasstrom geknetet und von den anhaftenden Stoffen befreit werden.
Während des Normalbetriebes durchströmt die zu behandelnde Flüssigkeit, bei 38 in den Behälter eintretend, die Füllkörperpreßmasse 33, in der z. B. eine Teilent- oder -begasung vorgenommen werden kann, anschließend die Behandlungsmasse 32, in der eine ( Filtration erfolgt, und verläßt den Behälter bei 36. Zur Spülung der Behandlungsmasse 32 werden die Füllkörper auf hydraulischem oder pneumatischem Wege über das System 31 b bei 39 ausgetragen, worauf in bekannter Weise die Behandlungsmasse 32 rückgespült wird.
Die Füllkörpermasse 33 kann in einem Preßmassetank einer gesonderten Behandlung durch einen pulsierenden Flüssigkeits- und Gasstrom unterzogen werden, wobei in den Behälter Flüssigkeit einstömt, welche die freiwerdenden Schmutzteile ausspült, und ein pulsierender Gasstrom die Füllkörper zusammendrückt und sich wieder ausdehnen läßt, wodurch sie von Schmutz befreit werden. Die Füllkörper können z. B. aus geschäumten Kunststoffen oder Gummiwerkstoffen bestehen. Auch ist es möglich, beide Teilströme, d. h.
Flüssigkeit und Gas pulsieren zu lassen.
Entsprechend dem Behandlungseffekt, der durch den Rieseier hervorgerufen werden soll, ist es möglich, die Höhe des Flüssigkeitsspiegels und damit die aktive Oberfläche der nicht getauchten Füllkörper automa-
tisch zu regeln. (■
Wird als Behandlungsmasse eine zu regenerierende Austauschermasse eingesetzt, so wird das Regeneriermittel bei 36 zugegeben und nach Durchströmen der Behandlungsmasse im Aufwärtsstrom bei 37 wieder abgeführt. Während dieser Periode soll die Füllkörperpreßmasse auf der Behandlungsmasse mit ihrem vollen Gewicht aufliegen, wozu der Wasserspiegel möglichst tief gehalten wird.
Bei dem zweischichtigen Abwärtsstromaustauscher nach Fig.4 spielt die Preßmasse zugleich die Rolle eines vorgeschalteten Filters. Die Rohflüssigkeit gelangt bei 46 über den Verteiler 416 in den Behälter 41 und durchströmt im Abwärtsstrom den Preßmassefilter 43 und anschließend die Austauschermasse 42, worauf sie durch den Düsenboden 41a bei 48 aus dem Behälter austritt. Der Preßmassefilter 43 besteht aus einem elastisch zusammendrückbaren Stoff, wie Schaum-Polystyrol, -Polyvinylchlorid, -Gummi od. dgl. um die atmende Austauschermasse stets dicht gepackt zu halten.
Zur Regeneration wird das Regenerationsmittel bei 48 in den Behälter 41 eingeführt und durchströmt die Austauschermasse 42 im Aufwärtsstrom, worauf es den
Behälter über das System 45 bei 47 verläßt. Zur Rückspülung kann die Preßmasse 43 durch einen Spülstrom, der bei 47 eintritt, aus dem Behälter bei 49 ausgetragen werden, wodurch der für die Austauschermasse erforderliche Rückspülraum frei wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum physikalischen und/oder chemischen Stoffaustausch in flüssiger oder gasförmiger Phase mit körniger Behandlungsmasse im Aufwärtsoder im Abwärtsstrom unter Verwendung einer körnigen Masse, dadurch gekennzeichnet, daß man
    a) als körnige Masse eine elastisch verformbare, neutral reagierende Preßmasse einsetzt, die eine niedrigere Dichte aufweist als die Behandlungsmasse,
    b) die Preßmasse pneumatisch oder hydraulisch in den Behandlungsbehälter derart einbringt, daß sie den gesamten, nicht von der Behandlungsmasse beanspruchten, freien Behälterraum ausfüllt,
    c) die gemäß b) eingebrachte Preßmasse während des Stoffaustausches die Behandlungsmassc dicht gepackt hält und
    d) die Preßmasse pneumatisch oder hydraulisch aus dem Behandlungsbehälter wieder austrägt, gegebenenfalls auch zeitweilig während des Stoffaustausches.
DE1542389A 1966-12-09 1966-12-09 Verfahren zum physikalischen und/oder chemischen Stoffaustausch in flüssiger oder gasförmiger Phase mit körniger Behandlungsmasse Expired DE1542389C3 (de)

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