DE1958198C - Ionenaustauschvornchtung zur Be handlung von Flüssigkeiten mit festem Ionenaustauschmatenal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenaustauschvorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten mit festem so Ionenaustauschmaterial, welche eine am oberen Ende mit einem Überlauf versehene Kolonne mit mehreren übereinanderliegenden Behandlungszonen aufweist und mit periodischer vertikaler Verschiebung des Austauschermaterials arbeitet.

Eine derartige Ionenaustauschvorrichtung ist aus der USA.-Patentschrift 2 815 322 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind in der Kolonne zwei Behandlungsabschnitte vorgesehen, wobei in dem einen Abschnitt eine Beladung des Austauschermaterials und in dem anderen Abschnitt eine Regeneration erfolgt. Nachteilig bei dieser bekannten Ionenaustauschvorrichtung ist vor allem ihr relativ großer Raumbedarf und die Schwierigkeiten, die im Zusammenhang mit einem kontinuierlichen Betrieb im Hinblick auf die Steuerung auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Ionenaustauschvorrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß die räumlichen Abmessun- «en insbesondere die Höhenabmessung, ohne Beeintkichtigung der Leistungsfälligkeit der Vorrichtung verringert werden können und eine einfache und si chere Steuerung des Betriebs möglich ist.

Diese Aufaabe wird gemäß der Erfindung dadurcr oclöst daß die Kolonne von mehreren sie umschlie Senden konzentrischen Ringkammern umgeben ist daß die Kolonne und die Ringkammern abgeschlossei und mit Austauschermaterial gefüllt sind, daß die Rinokammern abwechselnd in ihren oberen oder unteren Bereichen Durchlässe aufweisen, daß der Über lauf für das Austauschermaterial in eine konzentrische Auffangkammer führt und daß eine Zuführum für die zu behandelnde Flüssigkeit in den Ringkam mern vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist die konzentrische Auffangkam mer anschließend an die äußerste Ringkammer an «eordnet und mit einer Entleerungsleitung ausgestai

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindu:u zeichnet sich dadurch aus, daß der Fuß der Κοίυπικ in einer Kammer endet, die einen langentialen Ein!.' für das lonenaustauschermaterial und einen boden-. · tieen Flüssigkeitsauslaß aufweist.

"Vorteilhafterweise weist die Kammer am Umfain einen Auslaß zum Abzug der verbrauchten FlüssigU: auf. Die Zuführung für die zu behandelnde Flüssigku wird zweckmäßigerweise im unteren Bereich der c> sten Ringkammer oder in halber Höhe der zweiu-v Ringkammer angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand o: Zeichnung beispielsweise beschrieben. In dieser zei<:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausfiih rungsform einer Ionenaustauschvorrichtung gemül. der Erfindung.

Fig. 2 eine schematische Ansicht einerGcsamtan lage mit einer Ionenaustauschvorrichtung gemäß de Erfindung, und die

F i g. 3 und 4 weitere Ausführungsvarianten.

Nach F i g. I umfaßt die Ionenaustauschvorrich tung eine zylindrische Kolonne 10, die mit einer Ein richtung 11 zur Zuführung von Regenerierflüssigkci ausgestattet ist, und deren Fußende in einer Kamme; 12 mündet, welche bodenseitig einen Flüssigkeitsaus laß 13 sowie im oberen Teil einen tangentialen Einlal. zur Zuführung von Ionenaustauschmaterial besitzt.

Die obere Hälfte der Kolonne 10 ist von einer Anordnung umgeben, welche durch ein obere Abschluß wandung 15 und eine untere Abschlußwandung 2( verschlossen ist und eine erste zylindrische Wandung 16 enthält, die um die Kolonne 10 eine erste Ringkam mer 17 festlegt, sowie eine zweite zylindrische Wan dung 18, die eine zweite Ringkammer 19 definiert. Die beiden Ringkammern weisen abwechselnd in ihrer oberen oder unteren Bereichen Durchlässe auf. Radia außerhalb der äußeren Ringkammer 19 befindet siel eine konzentrische Auffangkammer 21, die ebenfall: durch die Deckwand 15 verschlossen ist. Über den oberen Ende der Kolonne 10 befindet sich innerhalt der Deckwand 15 eine Zuführeinrichtung 22 für Flüs sigkeit.

Saugköpfe 23 zum Abzug von Flüssigkeit sind ir geeigneter Höhe in der ersten Ringkammer 17 angeordnet. Diese Saugköpfe 23 sind durch Rohre IA mit einem Sammler 25 verbunden, der an eine Entlee rungsleitung 26 angeschlossen ist.

In Nähe des Bodens der Ringkammer 17 ist eir

ringförmiger Rohrstutzen 27 angeordnet, der geeignet verteilte Öffnungen aufweist, die einer über die Leitung 28 zugeführten Flüssigkeit den Austritt ermöglichen.

Oberhalb der zweiten Ringkammer 19 befindet sich ein weiterer ringförmiger Rohrstutzen 29 mit Auslaßöffnungen, der an eine Speiseleitung 30 abgeschlossen ist.

In Bodennähe der konzentrischen Auifangkammer 21 ist ein drittes Ringrohr 31 vorgesehen, das Auslaßöffnungen aufweist und mit einer Flüssigkeitszuleitung 32 verbunden ist. Eine Entleerungsleitung 33 taucht im wesentlichen bis zur halben Höhe der konzentrischen Auffangkammer 21 in diese ein. Der durch die Deckwand 15 verschlossene Raum ist mit einer Entleerungsleitung 34 verbunden.

Die vorstehende Ionenaustausch vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise:

Die Kolonne 10 sowie die Ringkammer 17.19 sind mit lonenaustauschmaterial gefüllt. Die Auffangkaminer 21 weist ebenfalls bis zu einem bestimmten Niveau lonenaustauschmaterial auf.

Die zu behandelnde Flüssigkeit mit relativ hoher Dichte wird über die Leitung 28 zugeführt, durchquert unsteigend eine Beladungszone A und tritt durch die Saugköpfe 23, die Rohre 24. den Sammler 25 und die Leitung 26 aus.

Eine Waschflüssigkeit mit geringerer Dichte als die zu behandelnde Flüssigkeit wird durch die Leitung 30 und das Ringrohr 29 zugeführt, durchquert fallend die Wasehzone B und steigt in der Zone A wieder auf und wird ebenfalls über die Saugköpfe 23 abgeführt.

Durch die Leitung 32 und das Ringrohr 31 eingeführte Flüssigkeit schwämmt die in der Auffangkammer 21 vorhandenen Austauschermaterialien auf und transportiert einen Teil davon mit sich durch die Entlee rungsleiiung 33.

Das lonenaustauschmaterial wird intermittierend über die Leitung 14 in die Kammer 12 eingeführt, und /war mittels einer Transportflüssigkeit und einem soleben Druck, daß das die verschiedenen Ringkammern füllende Austauschermaterial sich entlang den durch die Pfeile angedeuteten Richtungen zürn unteren Ende der Kolonne bewegt, in der Kolonne 10 hochsteigt, über den Überlauf in die Ringkammer 17 gelangt und von dieser zur Ringkammer 19 übertritt und über deren oberen Rand in die Auffangkammer 21 gelangt. Eine bei 11 zugeführte Regenerierflüssigkeit durchquert fallend die Zone C und tritt wieder durch 13 aus, während eine bei 22 zugeführte Waschflüssigkeit die Zone D und dann die Zone C durchquert, um bei 13 etwa zur gleichen Zeit wie die Regenerierflüssigkeit wieder auszutreten.

Die schematische Darstellung nach F i g. 2 zeigt zusätzlich zu der Ionenaustauschvorrichtung die für den Betrieb zusätzlich erforderlichen Anordnungen und Organe.

Die Einlasse 22 und 30 werden aus einem Flüssigkeitsbehälter 40 mittels einer Pumpe 41 gespeist. Die Zuführeinrichtung 11 wird aus einer Wanne 42 mittels einer Pumpe 43 mit Regenerierflüssigkeit versorgt.

Die zu behandelnde Flüssigkeit befindet sich in einem Behälter 44 und wird mittels einer Pumpe dem Ringrohr 27 zugeführt.

Die mit 46 bezeichnete Anordnung stellt einen Behalter mit Niveauregelung dar. Die Einrichtungen 47, 48 und 49 sind Organe zur Durchsatzregelung und zwar in Abflußrichtung, und mit 50 und 52 sind Organe zur Durchsatzregelung in Zuflußrichtung bezeichnet. Die Bezugszeichen 51, 52, 54 und 55 kennzeichnen Geräte zur Steuerung der Durchsatzmenge. Ein Behälter 56 dient dazu, das lonenaustauschmate-

rial von Verunreinigungen zu befreien, die die zu behandelnde Flüssigkeit enthalten kann. Schließlich sind mit 57, 58, 59, 60, 61 62, 63, 64, 65 und 66 automatische Steuerschieber und Steuerventile bezeichnet. Die durch die Leitung 30 ankommende Flüssig-

keitsmenge paßt sich auf Grund der vorgenommenen Regelungen automatisch den abgezogenen Flüssigkeitsmengen an.

Während der Behandlungsperiode sind die Ventile

57, 58, 59, 60, 61 und 62 geöffnet. In durch einen Zeitgeber vorbestimmten Zeitintervallen werden die

Behandlungen unterbrochen und die Ventile 57, 58, 59, 60, 61 und 62 geschlossen. Daraufhin öffnen die Ventile 64, 65 und 66, und zugeführte Flüssigkeit bewirkt, daß in dem Behälter 56 enthaltendes Ionenaus-

tauschmaterial in die Kammer 12 transportiert und dadurch das Austauschermaterial in der Ionenaustauschvorrichtung vertikal verschoben wird. In der Praxis ist nach etwa 10 Sekunden der Behälter 46 gefüllt, worauf der Schwimmer 67 das Schließen der

Ventile 64, 65 und 66 und das öffnen der Ventile 57.

58, 59. 60, 61 und 62 bewirkt.

Nach etwa 20 Sekunden öffnet das Ventil 63 und bleibt während einer regelbaren Zeit offen, die geringer als die Behandlungszeit ist. Dann beginnt der Zyklus von neuem.

In dem Betriebsablauf bildet sich im oberen Teil der Zone A (s. F i g. 1) eine Zwischenfläche zwischen behandelter Flüssigkeit und Waschflüssigkeit. Auf Grund des gegebenen Dichtegradienten besteht keine

Gefahr, daß eine Mischung erfolgt, da die zu behandelnde Flüssigkeit, die eine größere Dichte aufweist, sich unten befindet. Während der periodischen Verschiebung des lonenaustauschmaterials gelangt diese Zwischen- oder Trennfläche mit dem Austauscherma-

terial in der Zone A nach unten. Um zu vermeiden, daß diese Trennfläche das Niveau der Saugköpfe 23 erreicht, wodurch die Waschflüssigkeit mit der zu behandelnden Flüssigkeit mitgerissen werden würde, wird durch Regelung der verschiedenen Abzugsmen-

gen sichergestellt, daß diese Trennfläche während der Behandlungsperioden wieder in ihre Ausgangslage aufsteigt.

Die Zwischen- oder Trennfläche variiert hinsichtlich ihrer Lage somit zwischen der Position I und der Position II.

Die Saugköpfe 23 werden zweckmäßigerweise in einer Höhe angeordnet, in der sie sich unter der Position II befinden.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform betrifft ein Arbeiten im Dauerbetrieb.

Variieren die Durchsatzmenge oder die Konzentration der zu behandelnden Flüssigkeit mit der Zeit, so wird die Kolonne für eine maximale Behandlungskapazität vorgesehen, der eine maximale Durchsatzmenge am Austauschmaterial (beispielsweise auf Grund von zwei Verschiebungen in der Stunde), eine maximale Durchsatzmenge der Regenerierflüssigkeit und eine maximale Abzugsmenge entsprechen.

Im Fall einer Enthärtungsbehandlung einer Lösung, beispielsweise mittels einer Anordnung nach F i g. 2, ist eine Härtesonde in der Ausgangsleitung für die behandelte Lösung angeordnet. Der den Zyklus steuernde Zeitgeber ist beispielsweise auf 6 Minuten

eingestellt. Am Ende des Zyklus bleiben die Ventile 58 und 59 geöffnet. Dagegen schließen die Ventile 57, 60 und 61 und die Regeneratorpumpe 43 kommt zum Stillstand, wobei die Behandlung fortgesetzt wird. Der Zeitgeber setzt den Zyklus nicht wieder in Gang, d. h. er hält die Behandlung an und veranlaßt die Verschiebung des Austauschermaterials, wenn der spezifische Leitungswiderstand des enthärteten Wassers den festgesetzten Maximalwert erreicht. Ebenso sind die Regeneratordurchsatzmengc und die Ausslrömmenge auf maximale Mengen eingestellt; sie werden jedoch periodisch unterbrochen, wodurch der Verbrauch an Regenerierungsflüssigkeit der Durchsatzmenge und der Konzentration des zu behandelnden Wassers angepaßt werden kann.

In verschiedenen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, entsprechend der Darstellung in Fig. 3 eine Abzugsanordnung 68 im Umfangsbereich der Kammer 12 zu verwenden. Dabei gewährleistet der Abstand zwischen der Ebene, in der sich die Abzugseinrichtungen 68 befinden, und dem unteren Ende 69 der Kolonne 10, daß die Trennfläche von Transportflüssigkeit und Regencricrungsflüssigkeit in der Kammer 12 während der stoßartigen Zuführung der Transportflüssigkeit bestehen bleibt. Die Ebene der Abzugseinrichtungen 68 darf indessen nicht zu hoch vorgesehen sein, da sonst die Gefahr einer Verwirbelung des Austauscherbettes in der Kammer 12 entsteht und das Bett dann nicht mehr stabil wäre.

Bei der Ausführungsform nach Fig.4 wird die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Leitung 70 und das mit öffnungen versehene Ringrohr 71 zugeführt, durchquert fallend die Behandlungszone E und tritt durch das Ringrohr 72 und die Leitung 73 wieder aus. Die durch die Leitung 30 und das Ringrohr 29 zugeführte Waschflüssigkeit durchquert fallend die Zone F und die Zone E, und wird dann durch das Ringrohr 72 mit der behandelten Lösung abgezogen.

Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Aufrechterhaitung der zwei Trennflächen α und b zwischen zu behandelnder Lösung und Waschflüssigkeit an den zwei Grenzlagen I und II mit Hilfe von zwei Leitwiderstandszellen C₁ und C₂, die das öffnen des Ventils 74 zur Zuführung von Waschflüssigkeit bzw. das Schließen des Ventils 75 zur Zuführung von Spülflüssigkeit regeln.

Zunächst soll die Regelung der Trennfläche α betrachtet werden.

Im Moment der Verschiebung des Harzbettes fällt die Trennfläche α zwischen behandelter Lösung und Waschflüssigkeit derart, daß sie zum Wiederansteigen gebracht werden muß, um sie innerhalb der Grenze I zu halten.

Um das Waschen des Harzes in der Waschzone zu gewährleisten, wird stromabwärts die bei 13 abgeführte Flüssigkeitsmenge auf einen Wert oberhalb der bei 111 ankommenden Salzlösungsmenge geregelt

Nach dem Verschiebestoß bleibt das Ventil 74 geschlossen.

Folglich steigt die Trennfläche wieder an, da der Druck an dem Ausgang 73 der behandelten Lösung 5 oberhalb des Druckes bei 13 am Ausgang der abströmenden Flüssigkeit ist. Wenn die ZeIIeC₁ durch die zu behandelnde Lösung erreicht wird, öffnet das Ventil 74 des Waschkreises 22.
Unter diesen Bedingungen steigt die Trennfläche

ίο weiter an, wenn die durch 22 eingespritzte Menge an Waschflüssigkeit zu gering ist. Folglich muß durch 22 eine derartige Menge an Waschflüssigkeit zugeführt werden, daß die Flüssigkeitsmenge zusätzlich der bei 11 ankommenden Salzsäuremenge größer als bei 13 abgezogene Flüssigkeitsmenge ist. Als Folge davon wird die Trennfläche α wieder fallen, und C₁ schließt das Ventil 74 usw.

Man erhält somit eine Regelung der Trennfläche a an der Grenze 1, über die diese Trennfläche nicht steigen darf.

Die Regelung der oberen Trennfläche b erfolgt in der nachstehend beschriebenen Weise.

Im Moment der stoßweisen Verschiebung des Harzbettes steigt die Trennfläche b zwischen behandelter Lösung und Spüllösiing derart, daß sie wieder zum Fallen gebracht werden muß, um sie innchalb der Grenze II zu halten.

Die Regelungen der Durchsatzmenge entsprechend F i g. 2 vor der Fluidisierung bei 32 und der

Spülung bei 30 werden abgestellt.

Während der Wiederholung der Behandlungen ermöglicht die in die Lösung getauchte Zelle C₂ die Öffnung des Spülventils 75. Die Trennfläche beginnt dann zu fallen.

Nach ungefähr 20 Sekunden beginnt der das Verschieben der Harze steuernde Zeitgeber zu laufen. Er steuert das gleichzeitige öffnen der Ventile 76 (Fluidisierung) und 77 (Verschieben). Die durch die Leitung 32 ankommende Flüssigkeitsmenge wird stromauf-

wärts auf einen Wert etwas unterhalb der durch die Leitung 33 austretenden Flüssigkeitsmenge geregelt. Damit die Trennfläche weiterhin fällt, ist es erforderlich, daß die Summe von Spül- und Fluidisierungsmenge größer als die Menge der Transportflüssigkeit

ist. Wenn die Zelle C₂ durch das Spülwasser erreicht wird, ist die Trennfläche wieder gefallen und das Ventil 75 schließt. Um das Wiederaufsteigen der Trennfläche zu vermeiden, wird mit Hilfe des manuell zu betätigenden Ventils 75' die Menge an Spülflüssigkeit

derart geregelt, daß das Schließen von 75 nach dem Ende des Verschiebens und vor dem nächsten Versctnebevorgang erfolgt.

Beispielsweise soll dann, wenn die VerschiebestoBe alle 6 Minuten auftreten, die Zeitdauer der Ver-

Schiebung auf 3 Minuten eingestellt und die Spülmenge m der Weise geregelt sein, daß das Ventil 75 sich im Intervall von 3 bis 6 Minuten schließt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

I 958 Patentansprüche:

1. Ionenaustauschvorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten mit festem Ionenaustauschmaterial, welche eine am oberen Ende mit einem Überlauf versehene Kolonne mit mehreren übereinanderliegenden Behandlungszonen aufweist und mit periodischer vertikaler Verschiebung des Austauschermaterials arbeitet, dadurch ge-io kennzeichnet, daß die Kolonne (10) von mehreren sie umschließenden konzentrischen Ringkammern (17, 19) umgeben ist, daß die Kolonne und die Ringkammern abgeschlossen und mit Austauschermaterial gefüllt sind, daß die Ringkammern abwechselnd in ihren oberen oder unteren Bereichen Durchlässe aufweisen, daß der Überlauf für das Austauschermaterial in eine konzentrische Auffangkammei (21) führt und daß eine Zuführung für die zu behandelnde Flüssigkeit in den Ringkammern vorgesehen ist.

2. Ionenaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrische Auffangkammer (21) anschließend an die äußerste Ringkammer (19) angeordnet und mit einer Entlecrungsleitung (33) ausgestattet ist.

3. Ionenaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß der Kolonne (10) in einer Kammer (12) endet, die einen tangentialen Einlaß (14) für das lonenaustauschermaterial und einen bodenseitigen Flüssigkeitsauslaß (13) aufweist.

4. Ionenaustauschvorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) am Umfang einen Auslaß (68) zum Abzug der verbrauchten Flüssigkeit aufweist.

5. Ionenaustauschvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (27) für die zu behandelnde Flüssigkeit im unteren Bereich der ersten Ringkammer (17) angeordnet ist.

6. Ionenaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (71) für die zu behandelnde Flüssigkeit in halber Höhe der zweiten Ringkammer (19) angeordnet ist.