DE19529224C2 - Vorrichtung zur Vollentsalzung von Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vollentsal­ zung von Wasser, bei der in einem einem separaten Katio­ nenaustauscher nachgeordneten und vom zu behandelnden Wasser von oben nach unten durchströmten Filterbehälter von oben nach unten ein Rückspülraum, eine in den Rück­ spülraum hinein auflockerbare Hauptschicht aus Anionen­ austauschharz und eine Sicherheitsschicht aus annähernd ortsfest gehaltenem Anionenaustauschharz aufeinanderfol­ gen.

Der für einen Beladebetrieb in Abwärtsrichtung eingerich­ tete Filterbehälter einer solchen Vorrichtung gibt dem darin enthaltenen Ionenaustauschharz systembedingt einen Festbettcharakter. Die Vorrichtung unterscheidet sich da­ mit grundsätzlich von Ionenaustauschfiltern mit Schwebe­ bettcharakter, die vom zu behandelnden Wasser von unten nach oben durchströmt werden. Beim Beladebetrieb in Ab­ wärtsrichtung findet keine nennenswerte Verlagerung von Ionenaustauschharz statt, so daß die Erschöpfung des Io­ nenaustauschharzes in einer gleichmäßigeren Front voran­ schreitet, dementsprechend deutliche Schaltsignale für die Umstellung auf den Regenerierbetrieb gewonnen werden können, der Beginn des Abfallens des hohen Wirkungsgra­ des der Wasserbehandlung zeitlich hinausgeschoben wird und sich die Tiefe der Sicherheitsschicht verringern läßt.

Aus dem Dokument DE 25 55 131 A1 ist bereits eine Vor­ richtung zur Vollentsalzung von Wasser bekannt, wie sie eingangs angeführt ist. Um den Regeneriermittelbedarf herabzusetzen, den Strömungswiderstand zu stabilisieren, die Leistung zu verbessern und die Herstellungskosten der Vorrichtung niedrig zu halten, ist dort ein kleinerer Teil des Anionenaustauschharzes gepreßt zwischen einem Düsenboden und einem darüber angeordneten Düsenzwischen­ boden eingeschlossen, wobei das Volumenverhältnis von eingeschlossenem Teil und nicht eingeschlossenem Anionen­ austauschharz vorzugsweise bei 1 : 3,5 liegt. Mit Hilfe des Düsenzwischenbodens wird gewährleistet, daß die Re­ generiermittellösung in einer unteren Sicherheitszone aus unbeladenem Anionenaustauschharz zunächst überhaupt nicht beansprucht wird, anschließend an teilweise bela­ denem Anionenaustauschharz eine hohe Regenerierwirkung hat und zuletzt in der obersten Anionenaustauschharzzone bei knapper Bemessung noch eine gute Ausnutzung an hoch­ gradig erschöpftem Anionenaustauschharz erfährt. Das Vor­ sehen einer in den Rückspülraum hinein auflockerbaren Hauptschicht aus Anionenaustauschharz hat den Zweck, ne­ ben dem Harzabrieb die vom zu behandelnden Wasser einge­ tragenen Fremdteilchen insbesondere dort wieder zu ent­ fernen, wo sie sich vorzugsweise ablagern, den Strömungs­ widerstand des Ionenaustauschfilters erhöhen und dessen Leistungsgrenze absenken. Außerdem dient das Rückspülen dazu, sich im Beladebetrieb entwickelnde bevorzugte Strö­ mungspfade aufzulösen, die die Beladephase verkürzen, ein vorzeitiges Regenerieren erzwingen und damit den Chemika­ lienverbrauch erhöhen.

Diese bekannte Vorrichtung zur Vollentsalzung von Wasser genügt für sich genommen noch nicht den höchsten Anforde­ rungen an den Entsalzungsgrad, wie sie beispielsweise an das Wasser für Hochdruckdampfanlagen gestellt werden. Vor allem stört der zu hohe Schlupf von Natriumionen hinter dem Kationenaustauscher aus der zum Regenerieren des An­ ionenaustauschers verwendeten Natronlauge. Deshalb wird das zu behandelnde Wasser nach dem Passieren des Anionen­ austauschers häufig noch durch ein Ionenaustausch-Mischbettfilter hindurchgeleitet, wo es unzählige Male klein­ räumig wechselnd auf die beiden vorzugsweise aus Harzpar­ tikeln bestehenden Ionenaustauschmaterialien trifft. Ein solches Mischbettfilter hat jedoch einige Nachteile. Ins­ besondere ist das Regenerieren des Ionenaustausch-Mischbettfilters stets mit größeren Schwierigkeiten verbunden, weil der Behandlung des Kationenaustauschmaterials mit Säure und der Behandlung des Anionenaustauschmaterials mit Lauge eine saubere Trennung der beiden Ionenaustausch­ materialien vorausgehen muß. Bei einer unsauberen Tren­ nung würde das nachfolgende Regenerieren den verunreini­ genden Anteil der jeweils anderen Mischbettkomponente tendenziell eher weiter beladen. Im rückgemischten Misch­ bettfilter bilden diese Anteile Störstellen, die das Ar­ beitsergebnis des Mischbettfilters verschlechtern, die Beladephase des Mischbettfilters verkürzen und elektri­ sche Differenz-Leitfähigkeitsmessungen zum rechtzeitigen Beenden der Beladephase erschweren.

Nachteilig an einem nachgeordneten Ionenaustausch-Mischbettfilter ist auch der Umstand, daß die Regeneriermit­ tellösungen nicht wie bei einfachen Festbettfiltern im Gegenstrom zur Beladerichtung zunächst mit noch völlig unbeladenem Ionenaustauschharz, anschließend mit nur teil­ weise beladenem Ionenaustauschharz und zuletzt mit hoch­ gradig erschöpftem Ionenaustauschharz in Kontakt kommen, was einen sehr hohen Chemikalienüberschuß erfordert. Fer­ ner stören an einem nachgeordneten Ionenaustausch-Mischbettfilter die Aufwendungen für das Rückmischen der bei­ den Ionenaustauschmaterialien, die Höhe der zusätzlichen Anlagekosten, der gesteigerte Platzbedarf, das größere Abwasseraufkommen und die vermehrte Wartung der Vorrich­ tung zur Vollentsalzung von Wasser.

Aus dem Dokument DE 27 23 297 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von vollentsalztem Prozeßwasser bekannt, bei dem das die Haupt-Kationenaustauscherstufe oder die Haupt-Kationenaustauscherstufen mit einem Rest-Natriumgehalt verlassende Wasser vor dem Eintritt in den Anionenaus­ tauscher durch eine stark saure Kationenaustauscherstufe als vom Arbeitsfilter unterschiedenen Feinreinigungsfil­ ter geführt wird, worin das Austauschermaterial zu höch­ stens 50% als Schwebebett und der verbleibende Rest als Festbett vorliegt. Damit wird der sogenannte Natrium­ schlupf noch vor dem Anionenaustauscher fast vollständig beseitigt und erübrigt sich die Nachschaltung eines Misch­ bettaustauschers nach dem Anionenaustauscher. Das Schwe­ bebett erfordert jedoch eine aufwärts gerichtete Strömung des aufzubereitenden Wassers und die Hintanfügung eines Harzfangs zum Zurückhalten insbesondere der feinen Abrieb-Partikel des verwendeten Ionenaustauschharzes. Zudem ist es nicht rückspülbar und läßt keine Betriebspausen in der Beladephase zu, weil dadurch stärker beladenes Ionenaustauschharz in den Endbereich des Feinreinigungs­ filters verlagert würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vor­ richtung zur Vollentsalzung von Wasser, wie sie eingangs angeführt ist, eine hohe Filterqualität mit einem im Hin­ blick auf niedrige Gestehungskosten geringen apparativen Aufwand und mit in Hinblick auf niedrige Betriebskosten sparsamem Chemikalienverbrauch, kleiner Abwassermenge und geringem Wartungsbedarf zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dergestalt gelöst, daß sich im gleichen Filterbehälter an die aus annähernd orts­ fest gehaltenem Anionenaustauschharz bestehende Sicher­ heitsschicht nach unten nacheinander eine eine Drainage zum Ableiten oder Zuleiten von Regeneriermittellösung enthaltende flüssigkeitsdurchlässige Trenneinrichtung zum Auseinanderhalten zweier Schichten aus körnigem Harz und eine aus annähernd ortsfest gehaltenem Kationenaustausch­ harz bestehende zweite Sicherheitsschicht anschließen.

Eine solche Vorrichtung garantiert eine Hochleistungs- Vollentsalzung von Wasser ohne ein abschließendes Ionenaustausch-Mischbettfilter. Es wird nicht nur ein dritter Filterbehälter eingespart, sondern auch der apparative Aufwand für das Entmischen der Mischbettkomponenten, die zumindest bei einer Mischbettkomponente externe Vornahme des Regenerierens und für das Rückmischen der Mischbett­ komponenten nach ihrer getrennten Regenerierung. Mit dem Wegfall des Harztransportes entfällt auch das dafür benö­ tigte Transportwasser, was sonst die Abwassermenge ver­ größert. Für die Hauptschicht aus Anionenaustauschharz und die Sicherheitsschicht aus Anionenaustauschharz kann eine Gegenstrom-Serienregenerierung vorgesehen sein, wo­ durch sich der Chemikalienüberschuß weiter verringert. Entsprechendes gilt, wenn die aus Kationenaustauschharz bestehende zweite Sicherheitsschicht bei ihrer Regenerie­ rung dem separaten Kationenaustauscher in Serie vorge­ schaltet ist. In dieser Konstellation sinkt auch der Waschwasserverbrauch beträchtlich. Zur Abgrenzung der aus annähernd ortsfest gehaltenem Anionenaustauschharz beste­ henden ersten Sicherheitsschicht von der in den Rückspül­ raum hinein auflockerbaren Hauptschicht aus Anionenaus­ tauschharz ist gewöhnlich ein Düsenzwischenboden vorge­ sehen. Dieser Düsenzwischenboden kann jedoch unter Hin­ nahme geringer Qualitätseinbußen aus Kostengründen weg­ gelassen sein. Die aus annähernd ortsfest gehaltenem Kat­ ionenaustauschharz bestehende zweite Sicherheitsschicht bindet hochgradig letzte Salzreste, insbesondere den Schlupf an hinter dem separaten Kationenaustauscher auf­ tretenden Natriumionen. Beide Sicherheitsschichten ent­ falten zu ihrem unteren Ende hin die größte Wirksamkeit und können vergleichsweise klein gehalten werden. Weitere mit der Erfindung erzielte Vorteile bestehen insbesondere auch darin, daß sich durch die Vermeidung eines Ionen­ austausch-Mischbettfilters und den Wegfall eines dritten Filterbehälters der Platzbedarf der Entsalzungsvorrich­ tung und der Wartungsaufwand für diese beträchtlich ver­ ringern.

Ein aufgrund der in den Unteransprüchen angegebenen Er­ findungsausgestaltungen bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der überwiegend schematischen Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Vorrichtung zur Vollentsalzung von Wasser gelangt das zu behandelnde Was­ ser über den Rohwassereinlaß 10 zunächst in den säulen­ förmig aufragenden Behälter des separaten Kationenaustau­ schers 11, und zwar an dessen Deckenkalotte. Von dort rieselt es durch einen Rückspülraum 12 auf das eine hori­ zontale Drainage 13 überschichtende Kationenaustauschharz 14 hinunter, durchströmt dann allmählich die von einem Düsenboden 15 getragene Filtersäule aus Kationenaustausch­ harz 14 und wird schließlich aus der Bodenkalotte des Kat­ ionenaustauschers 11 zur Deckenkalotte des gemeinsamen Filterbehälters 16 für die in den Rückspülraum 17 hinein auflockerbare Hauptschicht 18 aus Anionenaustauschharz, die aus annähernd ortsfest gehaltenem Anionenaustausch­ harz bestehende erste Sicherheitsschicht 19 und die aus annähernd ortsfest gehaltenem Kationenaustauschharz be­ stehende zweite Sicherheitsschicht 20 übergeleitet.

Es bietet sich an, daß die zum Auseinanderhalten der bei­ den Sicherheitsschichten 19 und 20 vorgesehene Trennein­ richtung 21 aus Inertharz besteht, so daß das Unbrauch­ barwerden eines räumlich begrenzten Teils des Anionen­ austauschharzes und/oder Kationenaustauschharzes unter­ bleibt. Am Inertharz stört jedoch sein Abrieb und der Um­ stand, daß es nicht einfach in einer mittleren Dichte zwischen dem schwereren Kationenaustauschharz und dem leichteren Anionenaustauschharz zu erhalten ist. Eine netzartige Struktur als Trenneinrichtung 21 unterliegt der Gefahr der Zersetzung. Zu alledem ist es eine durch­ aus vorteilhafte Alternative, daß die zum Auseinanderhal­ ten der beiden Sicherheitsschichten 19 und 20 vorgesehene Trenneinrichtung 21 aus von der oberen Sicherheitsschicht 19 abgezweigtem Anionenaustauschharz und/oder aus von der unteren Sicherheitsschicht 20 abgezweigtem Kationenaus­ tauschharz besteht.

Der Filterbehälter 16 weist im Bereich der unteren Sicher­ heitsschicht 20 einen reduzierten Durchmesser auf, um die Sicherheitsschicht 20 zu vertiefen, in ihr mit weni­ ger Kationenaustauschharz auszukommen, eine höhere Strö­ mungsgeschwindigkeit zu ermöglichen und den Materialauf­ wand an Blech, Düsen und Gummierung zu vermindern. Ent­ sprechendes gilt in größerem Rahmen für den in der Zeich­ nung dargestellten Fall, daß der Filterbehälter 16 im Be­ reich der beiden Sicherheitsschichten 19 und 20 und deren Trenneinrichtung 21 einen reduzierten Durchmesser auf­ weist. Als nicht sprunghafter Übergang zwischen dem engen Unterteil des Filterbehälters 16 und dem weiten Oberteil des Filterbehälters 16 ist ein Kalottenring vorgesehen.

Eine weitere Ersparnis im apparativen Aufwand besteht da­ rin, daß die Hauptschicht 18 aus Anionenaustauschharz und die obere Sicherheitsschicht 19 aus Anionenaustauschharz ohne die Zwischenfügung eines Düsenbodens 22 aneinander­ grenzen. Dadurch wird zugleich der Druckverlust im Be­ reich des Filterbehälters 16 etwas vermindert. Das Rück­ spülwasser könnte in diesem Fall statt am unteren Ende des Filterbehälters 16 am unteren Ende der Hauptschicht 18 aus Anionenaustauschharz in den Filterbehälter 16 ein­ geleitet werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die beiden Sicherheitsschichten 19 und 20 zuvor gesondert mit Waschwasser behandelt sind.

Außerdem kann der apparative Aufwand für die Entsalzungs­ vorrichtung noch dadurch verringert sein, daß im oberen Bereich der Hauptschicht 18 aus Anionenaustauschharz auf die Drainage 23 verzichtet ist. In diesem Fall benötigt man kein zusätzliches Anionenaustauschharz für eine Über­ schichtung der Drainage 23, kann die Körnung des Anionen­ austauschharzes stärker streuen und ist man nicht so streng an eine bestimmte Regeneriergeschwindigkeit gebun­ den. Allerdings muß man dann die gegenüber der Gegen­ stromregenerierung aufwendigere und leistungsschwächere Gleichstromregenerierung anwenden, bei der die Regene­ riermittellösung wie das zu entsalzende Wasser von oben nach unten strömt. Dieser Nachteil wird jedoch teilweise dadurch wieder ausgeglichen, daß für die Hauptschicht 18 aus Anionenaustauschharz und die Sicherheitsschicht 19 aus Anionenaustauschharz eine Gleichstrom-Serienregene­ rierung vorgesehen ist.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dagegen für die Hauptschicht 18 aus An­ ionenaustauschharz und die Sicherheitsschicht 19 aus An­ ionenaustauschharz eine Gegenstrom-Serienregenerierung 24 vorgesehen. Die vorzugsweise Natronlauge enthaltende Re­ generiermittellösung wird in diesem Fall über die in die Trenneinrichtung 21 eingebettete Drainage 25 von unten her zunächst durch die aus annähernd ortsfest gehaltenem Anionenaustauschharz bestehende erste Sicherheitsschicht 19 hindurchgeleitet und zuletzt über die Drainage 23 am oberen Ende der in den Rückspülraum 17 hinein auflocker­ baren Hauptschicht 18 aus Anionenaustauschharz wieder aus dem Filterbehälter 16 abgeleitet. Daraus resultieren eine höhere Filterqualität, ein kleinerer Chemikalienüberschuß, ein geringerer Waschwasserbedarf und ein seltener erfor­ derliches Rückspülen.

Entsprechende Vorteile ergeben sich auch für den Bereich der Kationenaustauschharze der Vorrichtung zur Vollent­ salzung von Wasser, nachdem die aus Kationenaustauschharz bestehende zweite Sicherheitsschicht 20 bei ihrer Regene­ rierung dem separaten Kationenaustauscher 11 in Serie vor­ geschaltet ist. Diese Gegenstrom-Serienregenerierung 26 führt gemäß der symbolischen Zeichnungsdarstellung über eines der allerorts verwendeten Schaltventile 27, die kleine Bodenkalotte des Filterbehälters 16, den Düsenbo­ den 28 des Filterbehälters 16, die flüssigkeitsdurchläs­ sige Trenneinrichtung 21, die in die Trenneinrichtung 21 eingebettete Drainage 25, die Bodenkalotte des separaten Kationenaustauschers 11, den Düsenboden 15 und die dicht unter dem Rückspülraum 12 des Kationenaustauschers 11 vor­ gesehene Drainage 13. Die Regeneriermittellösung enthält hierbei vorzugsweise Salzsäure.

Das Kationenaustauschharz 14 des separaten Kationenaus­ tauschers 11 kann sich von demjenigen der zweiten Sicher­ heitsschicht 20 mehr oder weniger unterscheiden. Dasselbe gilt für die Hauptschicht 18 und die Sicherheitsschicht 19 beim Anionenaustauschharz. Vorzugsweise besteht jedoch die Hauptschicht 18 aus stark basischem Anionenaustausch­ harz, die erste Sicherheitsschicht 19 ebenfalls aus stark basischem Anionenaustauschharz und die zweite Sicherheits­ schicht 20 aus stark saurem Kationenaustauschharz, wenn die Qualitätsanforderungen an das am Fertigwasserauslaß 29 der Entsalzungsvorrichtung abgegebene Wasser besonders hoch sind und die Abmessungen des Filterbehälters 16 klein gehalten werden sollen.

In der überwiegend schematischen Zeichnung sind die gän­ gigen Zusatzanschlüsse für das Waschwasser und das Rück­ spülwasser zur Erzielung einer besseren Übersichtlichkeit weggelassen, ebenso die gängigen Differenzmeßeinrichtun­ gen für die elektrische Leitfähigkeit zur Überwachung des Erschöpfungszustandes der aufeinanderfolgenden Ionenaus­ tauschharze in Hinblick auf ein optimales Umschalten auf den Regenerierbetrieb. Das Waschwasser folgt ohnehin dem Weg der jeweiligen Regeneriermittellösung.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Vollentsalzung von Wasser, bei der in einem einem separaten Kationenaustauscher (11) nachge­ ordneten und vom zu behandelnden Wasser von oben nach unten durchströmten Filterbehälter (16) von oben nach unten ein Rückspülraum (17), eine in den Rückspülraum (17) hinein auflockerbare Hauptschicht (18) aus Anio­ nenaustauschharz und eine Sicherheitsschicht (19) aus annähernd ortsfest gehaltenem Anionenaustauschharz aufeinanderfolgen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich im gleichen Filterbehälter (16) an die aus annähernd ortsfest gehaltenem Anionen­ austauschharz bestehende Sicherheitsschicht (19) nach unten nacheinander eine eine Drainage (25) zum Ablei­ ten oder Zuleiten von Regeneriermittellösung enthal­ tende flüssigkeitsdurchlässige Trenneinrichtung (21) zum Auseinanderhalten zweier Schichten aus körnigem Harz und eine aus annähernd ortsfest gehaltenem Kat­ ionenaustauschharz bestehende zweite Sicherheits­ schicht (20) anschließen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Auseinanderhalten der beiden Sicherheits­ schichten (19, 20) vorgesehene Trenneinrichtung (21) aus Inertharz besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Auseinanderhalten der beiden Sicherheits­ schichten (19, 20) vorgesehene Trenneinrichtung (21) aus von der oberen Sicherheitsschicht (19) abgezweig­ tem Anionenaustauschharz und/oder aus von der unteren Sicherheitsschicht (20) abgezweigtem Kationenaustausch­ harz besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbehälter (16) im Bereich der unteren Sicherheitsschicht (20) einen reduzierten Durchmesser aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbehälter (16) im Bereich der beiden Sicherheitsschichten (19, 20) und deren Trenneinrichtung (21) einen reduzierten Durchmesser aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hauptschicht (18) aus An­ ionenaustauschharz und die Sicherheitsschicht (19) aus Anionenaustauschharz eine Gleichstrom-Serienregenerierung vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hauptschicht (18) aus An­ ionenaustauschharz und die Sicherheitsschicht (19) aus Anionenaustauschharz eine Gegenstrom-Serienregenerierung (24) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kationenaustauschharz be­ stehende zweite Sicherheitsschicht (20) bei ihrer Re­ generierung dem separaten Kationenaustauscher (11) in Serie vorgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschicht (18) aus stark basischem Anionenaustauschharz, die erste Sicherheits­ schicht (19) aus stark basischem Anionenaustauschharz und die zweite Sicherheitsschicht (20) aus stark sau­ rem Kationenaustauschharz besteht.