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Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten mit Adsorptionsmitteln
oder oder Ionenaustauschern.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Plüssigkeiten
mit Adsorptionsmitteln oder Ionenaustauschern, wobei die Adsorption bzw. Beladung
und die Desorption bzw. Regeneration im Gegenstrom erfolgen und die Adsorptionsmittel
oder Ionenaustauscher in eine. Behälter angeordnet sind.
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Adsorptionsmittel und Ionenaustauscher können aus zu behandelnden
Flüssigkeiten adsorbierbare Stoffe bzw. austauschbare Ionen bis zu einem Sättigungszustand
aufnehmen und können danach durch eine Rerenrat. ionsbehandlung mit geeigneten Lösungsmitteln
oder Lösungen wieder in den Ausgangszustand, der eine erneute Beladung erlaubt,
verse-tzt werden. Aus der RegenerationsSlüssigkeit können die adsorbierten stoffe
bzw. die Salze der ausgetauschten Ionen zurückgèwonnen werden.
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Bei einer Gegenstrombehandlung wird die zur Regeneration bzw. Desorption
benu-tzte Regenerationslüssigkeit in einer zu der Strömungsrichtung der zu behandelnden
Lösung entgegengesetzten Richtung durch eine Schicht der; körnigen Adsorptionsmittels
oder des Ionenaustauschers geleitet.
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Im allgemeinen wird die zu behandelnde Flüssigkeit von oben nach unten
durch das Adsorptionsmittel bzw. das Ionenaustauschermaterial geleitet. Die Regenerationsflüssigkeit
wird dann von unten nach oben durch die Kornschicht geführt.
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Die Beladung bzw. Adsorption des Ionenaustauschers bzw. Adsorptionsmittels
und die Regeneration bzw. Desorp-tion im Gegenstrom besitzt mehere Vorzüge gegenüber
dem GleichstromverfahreL, bei dem die Behandlung- und die Regenerationsflüssigkeit
in gleicher Richtung durch die Kornschicht geleitet wird. bo wird bei der Behandlung
von Flüssigkeiten mit Adsorptionsmitteln oder Ionenaustauschern dem Gegenstromprinzip
in einer einzigen Verfahrensstu£e eine wesentlich geringere Restkonzentration der
zu entfernenden Komponenten und gleichzeitig eine hohe Ausnutzung der Kapazität
des Adsorptionsmittels oder Ionenaustauschers erreicht. Au#erdem ist bei dem Gegenstromverfahren
die Desorption bzw. Regeneration des Adsorptionsmittels bzw Ionenaustauschers mit
einem erheblich gerinsgeren, nahezu theoretischen Chemikalienaufwand möglich. Gegenüber
dem Gleichstromverfahren ergibt sich somit der Vorzug der geringeren Stufenzahl
und damit einer geringeren Anlagengrö#e sowie ein geringerer Aufwand an Blutions-bzw.
Regeneriermitteln.
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Die Vorteile des Gegenstromverfahrens können aber nur dann voll ausgenutzt
werden, wenn bei der Durchströmung der aus Ionenaustauscher oder Adsorptionsmittel
bestehenden Schicht mit Beladungsflüssigkeit bzw. Regenerierflüssigkeit keine Umschichtungen
eintreten. Diese Forderung ist nicht leicht zu erfüllen, weil. Ldsorptionsmittel
oder Ionenaustauscher zumeist Produkte sind, die bereits bei geringer Aufwärtsströmung
in Flüssigkeiten zu schweben
beginnen, so daß dadurch eine Durchwirbelung
und Umschichtung entstehen kann. Lurch diesen Umstand ist die technische Realisierung
des Gegenstromverfahrens sehr erschwert. Die bisher bekannt gewordenen Vorrichtungen
sehen beispielsweise vor, bei der Behandlung des Adsorptionsmittels oder Ionenaustauschers
im Aufwärtsstrom das Material gegen eine obere Entnahmevorrichtung zu drücken und
auf diese Weise das Bett festzulegen. Bei der anschließenden Behandlung von oben
nach unten wird das Bett wieder abgesenkt Eine Durchwirbelung des Bettes will man
vor allem dadurch verhindern, daB entsprechende Einbauten, z. B. Lochplatten, vorgesehen
werden. Diese Ma#nahmen sind nur bei relativ kleinen Behälterdurchmessern durchführbar,
jedoch ergeben sich auch hier noch gewisse Nachteile, wie z. B. die Möglichkeit
der Gasabscheidung unterhalb des in Gegenstrom beaufschlagten Bettes, sowie die
ltotwendigkeit, daß ds Adsorptionsmittel oder der Ionenaustauscher in einem Raum
mit nur sehr geringem Totvolumen, das im allgemeinen nur n1ch den Quellungseigenschaften
des Materials bemessen ist, festgelegt werden mu#. Es besteht somit keine Möglichkeit,
das Material erforderlichenfalls in diesen Raum durch Rückspülung von Verschmutzungen
und Abrieben zu befreien, so da# separate Behälter für die Rückspülung des Materials
vorgesehen werden müssen. Abgeehen davon, daß eine Umschichtung des Bettes bei Erzeugung
des Gegenstromes und bei anschließender äderung der Stromrichtung insbesondere bei
größerem Kolonnendurchmesser, z. B. über 2 m und mehr und auch durch Einbauten kaum
zu vermeiden ist, entsteht durch die separaten Rückspüleinrichtungen bei größeren
Behältern ein erheblicher apparativer Aufwand.
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Die Anordnung einer Schicht eines Adsörptionsmittels oder eines Ionenaustauschers
zwischen zwei flüssigkeitsdurchlässigen Böden ist auch nur dann anwendbar, wenn
die Schicht ihr Volumen in Abhängigkeit vom Bei den meisten Adsorptionsmitteln und
Ionenaustauschern tritt jedoch mit jeder iXnderung des Beladungszustandes auch eine
nderung des Schüttvoluens ein. Bei manchen Ionenaustauschern kann diese Volumenänderung
bis zu 20 Vo betragen.
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In der deutschen Patentschrift 832 596 ist ein Behälter für körnige
Filtermassen, Adsorptionsmittel und Ionenaustauscher in ruhender Schicht beschrieben,
in welcher das Kornbett auf einer flüssigkeitsdurchlässigen Unterlage liegt und
an der Oberfläche durch einen in Führungen am Gehäusemantel gleitenden, in der Höhe
verschiebbareb Siebboden zusammengehalten wird. Auch dieser Siebboden hat den Mangel
des hohen Strömungswiderstandes. Hinzu kommt, daß diese Siebböden recht genau im
Gehäusemantel geführt sein müssen , um einen iurchschlupf von Filtermaterial an
der Peripherie zu vermeiden. Deshalb bleiben diese Böden durch Verkantung leicht
hängen und erfüllen die ihnen zugedachte Aufgabe nicht.
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Im übrigen ist auch bei dieser Vorrichtung eine Rückspülung des Materials
ausgeschlossen.
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Ionenaustauscher haben im allgemeinen Kugelform und sind in Mischung
mit Flüssigkeiten fließfähig. Gleiches gilt auch für körnige Adsorptionsmittel mit
Korngrößen von 0,5 bis 2 mm. Diese Eigenschaft der Ionenaustauscher bzw. Adsorptionsmittel
gestattet es, sie in Form eines kompaktes Bettes mit Hilfe von lplüssigkeiten zu:
bewegen.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diese Eigenschaft der Ionenaustauscher
und Adsorptionsmittel benu-tzt, um sie nach dem Gegenstromverfahren beladen und
regenerieren zu können.
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Anhand er beispielsweisen und schematischen Figuren wird die erfindung
weiter erläutert.
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Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Vertikalschnitt.
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Die Figuren 2 bis 4 zeigen die Lage des Bettes in der Vorrichtung
nach Figur 1 bei verschiedenen Betriebszuständen.
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Figur 5 zeigt eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung im Vertikalschnitt.
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Gleiche Deile sind in den Figuren mit gleichen Ziffern bezeichnet.
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Die in Abbildung 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht
aus dem Zylinder 1, der oben und unten durch die zweckmäßigerweise gewölbten Deckel
2 und 3 verschlossen ist. Im oberen Teil des aus dem Zylinder 1 und den Deckeln
2 und 3 gebildeten Behälters ist der horizontale Boden 4 angeordnet. Innerhalb des
Behälters befindet sich ein konzentrisch angeordneter Zylinder 5, der am oberen
Ende durch den Boden 4 abgeschlossen wird und unten kurz oberhalb des Deckels 2
frei endet. Hierdurch wird der Raum des Bodens 4 in einen äußeren Ringraum 6 und
einen inneren zylindrischen Raum 7 aufgeteilt. Der den Ringraum 6 nach oben abschließende
Teil des Bodens 4 ist flüssigkeitsdurchlässig, d. h. z. B. als Düsenboden oder Siebboden,
ausgebildet. Die von unten in den Behälter führende Leitung 8 endet in dem Raum
7 kurz unterhalb des Bodens 4 in einer Flüssigkei:tsverteilungs- und Sammelvorrichtung
9. Die Bettung 10 endet in einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung 11, die im Raum
7 nahe beim unteren Ende des Zylinders
5 angeordnet ist. Zwischen
dem oberen Deckel 3 und dem Boden 4 befindet sich der Raum 12, aus dem die Leitung
13 nach außen führt.
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Die Räume 6 und 7 werden nun, wie in der Figur durch Schraffur angedeutet,
soweit mit Austauscher- oder Adsorptionsmaterial gefüllt, daß bei maximaler Quellung
des nach Austauscher- oder Adsorptionsmaterials noch ein geringes Tçtvolumen von
einigen Prozenten des Gesamtvolumens der Räume 6 und 7 verbleibt. (Die Volumenvergrößerung
durch Quellung kann bei Ionenaustauschern und dsorptionsmitteln bis zu 30 7a' betragen.)
Die Vorrichtung kann nun wie folgt zur Behandlung von Blüssigkeiten benutzt werden:
Die zu behandelnde Flüssigkeit wird über die Leitung 8 zugeführt und tritt am oberen
Ende des inneren Zylinders 5 durch die Verteilungsvorrichtung 9 in den inneren zylindrischen
Raum 7 ein.
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Sie strömt mit relativ großer Geschwindigkeit in dem Zylinder 5 nach
unten und schiebt dabei infolge des auftretenden Strömungswiderstandes das Ionenaustausch-
oder Adsorptionsmaterial wie einen Kolben vor sich her, das dabei in den Dußeren
Ringraum 6 verdrängt wird, bis das Totvolumen im Ringraum 6 ausgefüllt ist, und
das Material an den flüssigkeitsdurchlässigen Teil des Bodens 4 angestaut wird.
(Dieser Zustand ist in Figur 2 dargestellt.) Das Bett ist dadurch in seiner Lage
fixiert. Im inneren Zylinder 5 befindet sich nur noch ein geringer Bruchteil der
gesamten Ionenaustauscher-oder Adsorptionsmittelmenge. Die am unteren Ende des Zylinders
5 umgelenkte Flüssigkeit strömt im Raum 6 nach oben und fließt über den flüssigkeitsdurchlässigen
Deil des Bodens 4 in den Raum 12 und von da über die Leitung 13 ab. Auf diese Weise
wird der größte Teil des Ads-orptions oder Austauschermaterials, ohne daß eine
Umschichtung
zu befürchten ist, von unten nach oben von der zu behandelnden Flüssigkeit duchflossen.
Vor der Umkehrung der Strömungsrichtung bei der nachfolgenden Desorption bzw. Regenerierung
kann der noch im inneren Zylinder 5 befindliche geringe Anteil des Materials, der
bei eventuellen Verschmutzungen der zu behandelnden Flüssigkeit hauptsächlich beansprucht
wird, getrennt rückgespült werden. Die Rückspülflüssigkeit wird dabei über die Leitung
10 und die Verteilungseinrichtung 11 zugeführt und über die Fltissigkeitssanrnielvorrichtung
9 und die Leitung 8 abgeführt. Die Lage der Kornschicht wahrend des Spülvorganges
ist schematisch in Figur 3 dargestellt.
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Bei der Desorption bzw. Regenerierung des Materials wird die Regenerationsflüssigkeit
über die Leistung 13 zugeführt und strömt von oben nach unten über das im Ringraum
6 befindliche Material.
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Das Material wird dabei von oben nach unten bewegt und zum Teil wieder
in den inneren Zylinder 5 gedrückt. In der Hauptmasse des Materials im äußeren Ringraum
6 tritt keine Vermischung oder Aufwirbelung ein. Die im Raum 6 nach unten strömende
Flüssigkeit wird am unteren Ende des Zylinders 5 in den Raum 7 umgelenkt und strömt
innerhalb des Zylinders 5 nach oben. Die Regenerationsflüssigkeit wird aus dem Raum
7 über die Flüssigkeitssammelvorrichtung 9 und die Leitung 8 entnommen. Die Lage
des Bettmaterials während der Regeneration ist schematisch in Figur 4 dargestellt.
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Die zu behandelnde Flüssigkeit kann auch durch die Leitung 13 zugeführt
und durch die Leitung 8 entnommen werden (Bettzustand wie in Figur 4). Die Regeneration
erfolgt dann in wngekehrter
Strömungsrichtung der Flüssigkeit. Die
Regenerationsflüssigkeit wird dann durch Leitung 8 zugeleitet und durch Leitung
12 abgeführt. Für diesen Fall zeigt Figur 2 die Lage des Bettes.
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Die Dimensionen der Vorrichtung sind so zu wählen, daß bei der Einführung
der Flüssigkeit durch die Leitung 8 das Bett in die Lage gEhst geschoben wird, die
in Figur 2 dargestellt ist.
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Damit dies geschieht, müssen die horizontalen Querschnitte des Raumes
7 und des Ringraumes 6 in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Das Querschnittsverhältnis
zwischen dem zylindrischen Raum 7 und Ringraum 6 wird zweckmä#igerweise von 1 :
10 bis 1 : 2 gewählt.
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Das untere Ende des inneren Zylinders wird zweckmäßigerweise nach
außen konisch erweitert. Eine solche konische Brweiterung ist schematisch in den
Figuren angedeutet und mit 14 beziffert.
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Zwischen dem unteren Ende des inneren Zylinders 5, d. h. bei den in
den Figuren gezeigten Vorrichtungen, zwischen den konischen Erweiterungen 14 und
dem Boden 2 befindet sich ein ringförmiger Durchlaß 15 zwischen dem Raum 7 und 6.
Die Ringfläche dieses Durchlasses wird so groß gewählt, daß sie etwa so groß ist
wie die Querschnittsfläche des Raumes 7. Die Ringfläche des Durchlasses 15 kann
aber auch bis zur Größe des Querschnittes des Ringraumes 6 dimensioniert werden.
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In Figur 5 ist eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt,
die es gestattet, im Behältervolumen mehr Ionenaustauscher- bzw, Adsorptionsmaterial
unterzubringen.
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Im Gegensatz zu der in Figur 1 bis 4 dargestellten Vorrichtung erstreckt
sich der innere Zylinder 5 bei der in Figur 5 dargestellten
Vorrichtung
bis an den oberen Deckel 3, der den Raum 7 nach oben abschlie#t. Der flüssigkeitsdurchlässige
Boden 16 begrenzt den Ringraum 6 nach eben. Zwischen dem oberen Deckel 3, inneren
Zylinder 5 und Sieb- oder Düsenboden 14 wird der Ringraum 17 gebildet, in den die
Leitung 13 13 mündet Der Ringraum 7 entspricht dem Raum 12 bei der in den Figuren
1 bis 4 dargestellten Vorrichtung.