DE2303203C3 - Verfahren zur Massenkraft-Stromsortierung von Kationen- und Anionenaustauschharzem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Massenkraft-Stromsortierung von Kationen- und Anionenaustauschharzen nach deren unterschiedlichen Dichten und/oder Teilchendurchmessern.

Bei der Reinigung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten werden kationische und anionische Austauscherharze häufig im Gemisch miteinander verwendet, um aufgelöste und suspendierte Materie zu entfernen. Die Verwendung von »gemischten Harz«-Betten erwies sich gegenüber der Verwendung getrennter Betten aus Anionen- und Kationenaustauscherharzen als wesentlich vorteilhafter. Dieses Gemisch erlaubt, daß beide Austauschprozesse gleichzeitig bei benachbarten Perlen erfolgen. Die als Ergebnis dieser Verfahren in Freiheit gesetzten (H⁺) und (OH-) Ionen reagieren miteinander augenblicklich, so daß die Lösung neutral bleibt. Dieses fördert das günstige Gleichgewicht für den Kationen- und Anionenaustausch innerhalb der Säule, was zu einer besseren Ausnutzung des Harzes und zu einem Produkt höherer Qualität führt.

Das gemischte Harzbett-Verfahren weist jedoch einen sehr unvorteilhaften Nachteil auf. Diese Schwierigkeit tritt auf dem Gebiet der Ionenaustauschharztrennung vor der Regenerierung auf. Nach der Erschöpfung des lonenaustauschharzes ist es üblich, die Harze zu »regenerieren«, um sie in einem Reinigungssystem für die Wiederverwendung zu befähigen. Da die Kationenaustauschharze normalerweise durch Kontakt mit einer sauren Lösung und die Anionenaustauschharze durch Kontakt mit einer basischen Lösung regeneriert werden, ist es erforderlich, die gemischten Harzbetten vor der Regenerierung in die Kationenaustauscherharz- und Anionenauscherharz-Komponenten aufzutrennen.

Die Klassifizierung oder Trennung der teilchenförmigen lonenaustauschharz.betten hat in einigen Systemen, insbesondere in solchen, die das Fließbettkonzept verwenden, zu ernsthaften ■ Schwierigkeiten geführt. Üblicherweise wird das sogenannte hydraulische Klassifizierungsverfahren angewandt, indem eine Flüssigkeit, d. h. Wasser, mit sorgfältig geregeller Geschwindigkeit durch das gemischte Harzbett nach oben angeführt wird, wodurch eine Schichtung des teilchenförmi- ^5 gen Harzes bewirkt wird. Die leichteren Harzteilchen (normalerweise das Anionenaustauscherharz) bewegen sich zu der SDitze. während die schwereren Harzteilchen (normalerweise das Kationenauslauscherharz) in dem unteren Teil des Bettes verbleiben. Es resultieren zwei gut getrennte Harzschichten, die entweder an Ort und Stelle regeneriert oder in getrennte Regenerierungsgefäße übergeführt werden können.

Dieses hydraulische Klassifizierungsverfahren erfordert jedoch bis zur Vollendung eine erhebliche Zeitspanne. Die für im wesentlichen vollständige Klassifizierung und Trennung eines gesamten Bettes erforderliche Zeit beträgt üblicherweise 30 Minuten oder mehr. Dieses herkömmliche Verfahren ist mit wechselnden Erfolgen zur Trennung von Harzbettmengen auf einer mehr oder weniger kontinuierlichen Grundlage modifiziert worden. Der volumetrische Durchsatz pro Einheitsgröße unter Verwendung dieser modifizierten Verfahren läßt sehr viel zu wünschen übrig. Auch die Ausstattung mit Instrumenten für die Messung und Regelung der Harzhöhen innerhalb der Einheit hat sich als schwierig erwiesen.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Trennung eines teilchenförmigen, gemischten lonenaustauscherharzbettes zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile der herkömmlichen Verfahren nicht aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Massenkraft-Stromsortierung von Kationen- und Anionenaustauscherharzen nach deren unterschiedlichen Dichten und/oder Teilchendurchmesser, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das vermischte Harz in einem laminaren vertikalen Abwärtsstrom nach unterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten getrennt und die sich derart separierten Fraktionen gesondert gesammelt werden.

Das Verfahren der Erfindung greift hauptsächlich auf das Prinzip zurück, daß die jeweiligen Fallgeschwindigkeiten der teilchenförmigen Kationen- und Anionenaustauscherharze in einer viskosen Flüssigkeit, d. h. Wasser, sich erheblich in Abhängigkeil von ihren Unterschieden der Dichte und des Teilchendurchmessers unterscheiden. Es wurde gefunden, daß sich die Dichten .und die wirksamen Teilchendurchmesser der üblicherweise verwendeten Kationen- und Anionenaustauscherharze selten in größerem Ausmaß entsprechen. Tatsächlich wurde gefunden, daß allgemein die Kationenaustauscherharze eine größere Dichte und einen größeren, wirksamen Teilchendurchmesser als die üblichen Anionenaustauscherharze aufweisen. Es wurde sodann vermutet, daß, da die herkömmlichen teilchenförmigen Ionenaustauscherharze im wesentlichen rund sind, der ungefähre Unterschied ihrer entsprechenden Fallgeschwindigkeiten in einer viskosen Flüssigkeit durch Anwendung der Prinzipien des Stokeschen Gesetzes bei Einbringung von Korrekturen für die Inhibierung von Teilchenkollisionen berechnet werden könnte.

Das Stokesche Gesetz gibt im wesentlichen an, daß die End- oder freie Absetzgeschwindigkeit eines im wesentlichen kugelförmigen Teilchens in einer viskosen Flüssigkeit direkt durch die Dichte und den wirksamen Durchmesser des Teilchens beeinflußt wird. Es wurde dann gefunden, daß, wenn eine Menge von gemischten Kationen- und Anionenaustauscherharzteilchen in die Spitze einer vertikalen Wassersäule injiziert wurden, eine nahezu vollständige Trennung oder Klassifizierung der zwei Harze erfolgt, bevor diese den Boden der Säule erreichen.

Nach der Klassifizierung können die Fraktionen physikalisch getrennt und in getrennten Gefäßen oder an Ort und Stelle regeneriert und in das flüssige Reini-

gungssystem zurückgeführt werden.

Es wurde gefunden, daß die für im wesentlichen vollständige Klassifizierung erforderliche Zeit durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber der, die für das bekannte hydraulische Klassifizierungssystem erforderlich ist, beträchtlich verringert wurde.

Die Kationen- und Anionenaustauscherharzteiichen in dem gemischten Bett, das klassifiziert werden soll, sollten vorzugsweise sowohl hinsichtlich der Dichte als auch des wirksamen Teilchendurchmessers sich unterscheiden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Klassifizierung gemischter Betten verwendbar ist, indem die Harze lediglich in bezug auf eine dieser Variablen sich unterscheiden.

Tatsächlich wird jeglicher Unterschied der Dichte dazu dienen, eine wirksame Klassifizierung zu ermöglichen. Im allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, daß das Verhältnis der Dichte des schwereren lonenausiauscherharzes zu der Dichte des leichteren Ionenaustauscherharzes zumindest etwa 1,05 : 1,0 beträgt, um eine optimale Trennung zu erreichen.

Eine wirksame Klassifizierung wird auch faktisch durch jeden Unterschied in den jeweiligen Teilchendurchmessern erreicht. Im allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, daß das Verhältnis der Durchmesser der größeren Teilchen zu dem Durchmesser der kleineren Teilchen zumindest etwa 1,1 : 1,0 beträgt, um die Klassifizierung zu optimieren.

Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, daß gemischte Harze, in denen die Kationen- und Anionenaustauscherharzteiichen kn wesentlichen bezüglich des Teilchendurchmessers und der Dichte identisch sind, dadurch klassifiziert werden können, daß selektive flotationsfördernde Stoffe mitverwendet werden, um einem der teilchenförmigen Harze einen größeren Auftrieb als dem anderen zu verleihen.

Das Klassifizierungsverfahren kann durch Aufrechterhaltung eines laminaren, abwärts gerichteten Flüssigkeitsstromes in der vertikalen, säulenförmigen flüssigen Klassifizierungszone begünstigt werden. Dieser laminare Flüssigkeitsstrom bildet den teilchenförmigen Harz fluß stromlinienförmig aus und begrenzt bis zu einem gewissen Ausmaß die willkürliche vertikale Bewegung der Teilchen. Dieses führt zu einer Verringerung der Gesamtzahl der inhibierenden Teilchenzusammenstöße. Darüber hinaus beeinflußt die hydraulische Transportenergie, die aus dem abwärts gerichteten Wassernuß resultiert, die Fallgeschwindigkeit der Teilchen mit dem größeren Oberflächenbereich in einem größeren Ausmaß als jene der kleineren Teilchen. Wasser wird vorzugsweise als Hilfsflüssigkeit verwendet. Die Geschwindigkeit des Laminarflusses der Flüssigkeit ist nicht starr festgelegt und kann eine Reynold-Zahl vor. annähernd 200 bis annähernd 2200 in Abhängigkeit von der Temperatur der Verfahrensflüssigkeiten aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter dadurch begünstigt werden, daß eine gemischte Ionenaustauscherharz-Lagerzone getrennt und unterschieden, jedoch in Verbindung mit der vertikalen, säulenförmigen Zone gehalten wird. Die Lagerzone sollte ausreichend groß sein, um das Volumen der zu klassifizieren den gemischten Harze plus dem Raum aufzunehmen, der eine 80%ige oder größere Expansion jenes Vo!u mens des Harzes erlaubt. Die Gesamtwirksamkeit des Verfahrens wird in verschiedenen Richtungen verbessert.
Zum ersten dient die Zone als Harzaufnahmegefäß und als Vorrichtung für die gleichförmige Injektion des gemischten Harzes in die vertikale, säulenförmige Klassifizierungszone. Darüber hinaus sieht die Lagerzone eine Vorrichtung zum Rückstau des gemischten lonenausiauscherharzes vor, um Feinstoffe vor der Klassifizierung hiervon zu entfernen. Der Durchmesser der Rückstausektion kann größer als jener der Hauptklassifizierungssäule gemacht werden, wodurch eine Verringerung der Höhe der Gesamteinheit ermöglicht wird. Darüber hinaus kann das gemischte Harz vorläufig gemäß den vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren hydraulisch klassifiziert werden, bevor es in die Hauptklassifizierzone injiziert wird. Die Lagerzone weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf.

Das Verhältnis von Kationenaustauscherharz zu Anionenaustauscherharz hat eine geringe Wirkung, sofern überhaupt, auf die Wirksamkeit des Verfahrens. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß äquivalente Ergebnisse erhalten werden, wenn das Gewichtsverhältnis von Kationenaustauscherharz zu Anio.ienaustauscherharz von 2 : 1 zu 1 : 2 variiert.

Die ErPndung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, die keine Einschränkung darstellen:

Beispiele

Eine Folge von Versuchen wurde unter Verwendung einer pilot plant, in der die Haupttrennsäule einen Durchmesser von 10,16 cm (4 inch) und eine Höhe von 304,8 cm (10 Fuß) und alle vorstehend beschriebenen Merkmale aufwies, durchgeführt. Etwa 9,91 dm³ (0,35 Kubikfuß) eines gemischten lonenaustauscherharzes wurden in die Spitzensektion eingeführt. Mit dieser Einheit wurde eine 90%ige Trennung der beiden Harze in annähernd 3 Minuten erreicht. Durch diese Versuchsfolge wurde weiter festgestellt, daß eine Veränderung des Verhältnisses von Kationen- zu Anionenharz in dem Gemisch von 2 : 1 zu 1 :2 die Ergebnisse nicht beeinflußte. Die in der Versuchsfolge verwendeten Harze stellten handelsübliche Kationen- und Anioncnharze dar, die durch lange Aussetzung in Leitungswasser mit einem Gesamtgehalt aufgelöster Feststoffe von annähernd 200 ppm erschöpft worden waren. Es ist offensichtlich, daß durch Vergrößerung der Höhe der Trennungssäule über 304,8 cm hinaus die Haupttrennung meßbar verbessert wird.

Eine zweite Versuchsfolge wurde durchgeführt, wobei festgestellt wurde, daß die Temperatur einen erheblichen Einfluß auf die Gesamtleistung dieses Verfahrens nimmt. Für diese Versuche wurden Wärmeaustauscher.

die die Aufbereitungsflüssigkcitstemperatiir regeln, hinzugefügt und eine Prüffolge über einen Bereich von 10,0 bis 32,2°C (50 bis 90⁰F) durchgeführt. Es wurde gefunden, daß durch Regelung der Abwärtsstromkomponente es ziemlich leicht ist, den gleichen Prozentsat/ an. Harztrennung in gleichen Zeitabschnitten über den studierten Temperaturbereich zu reproduzieren. Für diese Versuchsfolge wurden gleicher Typus, Form. Vo lumen und Verhältnisse der Ionenaustauscherharze, die in Beispiel 1 angegeben wurden, verwendet.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Mass°nkraft-Stromsortierung von Kationen- und Änionenaustauschharzen nach deren unterschiedlichen Dichten und/oder Teüchendurchmessern, dadurch gekennzeichnet, daß das vermischte Harz in einem laminaren vertikalen Abwärtsstrom nach unterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten getrennt und die sich derart separierten Fraktionen gesondert gesammelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des laminarer, Flüssigkeitsstromes eine Reynold-Zahl in dem Bereich von etwa 200 bis etwa 2200 ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zum Ausgleich der Temperatur regelt.