DE2703044C2 - Vorrichtung zum Entmischen und zur anschlieBenden räumlichen Trennung von ganz oder teilweise erschöpften Kationen- und Anionenaustauschem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Entmischen und zur anschließenden räumlichen Trennung von ganz oder teilweise erschöpften Kationen- und Anionenau* luschern, die als Mischbett in einem stehenden Filterbehälter vorliegen welches unterseitig gegen einen Filterboden abgestützt ist

Kationen- und Anionenaustausch*^ unterschiedlicher Dichten werden zur Behandlung flüssiger Medien in der Verfahrenstechnik eingesetzt Mit zunehmender Erschöpfung der Wirksamkeit der Ionenaustauscher kann es zur Vermeidung von z. B. Natrium- oder Chlorionenschlupf erforderlich sein, beide ionenaustauscher räumlich getrennt zu regenerieren. Da die Ionenaustauscher im Mischbettfilter in der Regel in einem Festbett gemischt sind, tritt das Problem auf, wie eine räumliche Trennung der einzelnen Ionenaustauscher bei Erreichen eines vorgegebenen Erschöpfungsgrades durchgeführt werden kann.

Das gleiche Problem tritt auf, wenn stark und schwach basische Anionenaustauscher bzw. stark und schwach saure Kationenaustauscher jeweils in einem Behälter enthalten sind.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der einwandfrei sichergestellt ist, daß die als Gemisch vorliegenden Ionenaustauscher exakt entsprechend ihrer unterschiedlichen Dichten in Schichten getrennnt und anschließend diese Schichten ohne Wiedervermischung auch im Bereich der Grenzflächen nacheinander abgezogen werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in dem Filterbehälter ein in zentraler Anordnung bis zum Filterboden reichender Einbau vorgesehen ist, dessen untere Hälfte als verschlossener, schlanker Rohrkörper oder Vollkorper und dessen obere Hälfte als offener Rohrkörper ausgebildet ist, in der Wand des offenen Rohrkörpers im Anschluß an den verschlossenen, schlanken Rohrkörper oder Vollkorper Offnungen vorgesehen sind, der offene Rohrkörper im oberen Bereich des Filterbehälters austritt und im oberen Bereich ferner in tangentialer Anordnung zur zylindrischen Filterbehälterwand mindestens in eine von außen in diesen eintretende Rohrleitung mündet
Die Vorteile, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden, bestehen darin, daß durch das Zusammenwirken der oben beschriebenen Konstruktionsmerkmale in einfacher Weise sichergestellt ist daß die Trennung eines aus verschiedenen Substanzdichten

to bestehenden Mischbettes einwandfrei dichtebezogen vorgenommen werden kann. Um diese Vorteile zu erreichen, wird physikalisch die Tatsache ausgenutzt, daß sich gemischte körnige Schüttgüter mit Partikeln unterschiedlicher Dichten unter dem Einfluß der Schwerkraft in einem fortschreitenden, nicht umkehrbaren Vorgang entmischen, wenn sie mit der höchsten der für die Kornfraktionen in Abhängigkeit von den Korngrößen, den Korndichten sowie den Kornformen bestimmbaren Lockerungsgeschwindigkeiten fluidisiert werden.

Der Entmischungsvorgang endet damit daß sich eine stabile Übereinanderschichtung von zwei getrennten Wirbelschichten bildet deren untere Schicht die höchste und deren obere Schicht die kleinste aus den Dichten des Fluidisiermittels und der jeweiligen Partikel gebildeten mittleren Dichte besitzt

Anschließend werden die Wirbelschichten, beginnend mit der oberen, nacheinander räumlich voneinander abgetrennt wobei zur Erzielung einer exakten Entmischung auch im Bereich der Trenngrenze zu der Unterschicht mit dem Ein- bis Zweifachen der Lockerungsgeschwindigkeit der jeweiligen Unterschicht fluidisiert wird.

Der Austrag der oberen Wirbelschicht geschieht

dadurch, daß das jeweilige Schichtmaterial vom dafür kurz oberhalb der Trenngrenze abfließenden Fluidisiermittel fortgefördert wird, wobei das von oben her nachsinkende Gut aufgrund seiner Sinkbewegung ausreichend fluidisiert bleibt Der Fördervorgang endet, sobald die Schichtoberfläche bis ti die Grenze des Einflußbereiches der den Transport verursachenden Strömungskräfte des abfließenden Fluidisiermittels abgesunken ist Die verbleibende Restschicht wird mit Hilfe einer Wirbelsenkenströmung entfernt die sich durch zentralen Abzug des vorher oberhalb der Restschicht ruhenden, jetzt in eine langsame Rotation versetzten Fluidisiermittels ausbildet wobei sich die Strömungssenke in Höhe der anfänglichen Restschichtoberfläche befindet.

In der überlagerten Strömung werden die jeweils an der Oberfläche liegenden Partikel der Restschicht vom Schichtrand her nacheinander zur Strömungssenke hintransportiert und vom Fluidisiermittel ausgetragen, wobei es von Vorteil ist, daß das im Bereich der Einlaufströmung sich ansammelnde Restschichtmaterial zuletzt in den abfließenden Fluidisierstrom gelangt. Dadurch wird die Senkeneinlaufströmung von der Grenzfläche zur unteren Wirbelschicht abgeschirmt, und es wird verhindert, daß deren Partikel gleichzeitig mit denen der Restschicht in die Transportströmung gelangen.

Zur Erklärung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen die in den Zeichnungen dargestellten Figuren, von denen zeigt

Fig.! ein Prinzipschaltbild, in dem im Mischbettfilter die Trennung von Anionen und Kationen bereits vollzogen ist,
F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Mischbettfilter,

Fig.3 einen Schnitt längs der Linie IU-H! der Fig.2 und

Fig.4 eine mögliche Ausführungsform des in zentraler Anordnung bis zum Filterboden reichenden Einbaus.

Nachdem im Filterbetrieb der gewünschte Erschöpfungsgrad der Ionenaustauscher-Mischung erreicht ist, wird der Filter-Wasserkreislauf 11 geschlossen und die Austauschertrennung durch Rückspülen über den Rückspülkreisbuf 12 eingeleitet ι ο

Der Rückspülkreislauf 12 hat entsprechend F i g. 1 den folgenden Verlauf:

Von der Kreislaufpumpe 1 wird der Rückspülwasserstrom durch den Filterboden 2 in den Filterbehälter 13 gefördert Durch eine nach Möglichkeit zentral am oberen Behälterboden angeordnete Abflußleitung 3 verläßt der Rückspülwasserstrom den Filterbehälter 13 und strömt durch den Anionen-Austauscherbehälter 4 zur Kreislaufpumpe 1 zurück.

Beim Rückspülen bilden sich zwei übereinandergeschichtete Wirbelschichten 5,6, wobei die obere Schicht £ den Ionenaustauscher geringerer Dichte und die untere Schicht 5 den Ionenaustauscher höhe, er Dichte enthält Die für die lonenaustauschertrennung optimale Rückspülgeschwindigkeit w_Oi beträgt etwa das Ein- bis Zweifache der Lockerungsgeschwindigkeit ho« der unteren Wirbelschicht 5. Die Lockerungsgeschwindigkeit ho/a der oberen spezifisch leichteren Wirbelschicht 6 ist unter der Voraussetzung ähnlicher mittlerer Korngröße und Körnungsverteilungen beider Wirbel- jo schichten kleiner als Wots, was sich in einem höheren Fluidisierup.gsgrad bzw. einer stärkeren Schichdehnung der Wirbelschicht 6 gegenüber der Wirbelschicht 5 bei der Rückspülgeschwindigkeit ηόι auswirkt.

Bei der hier angewendeten geringen Rückspülgeschwindigkeit von woi beruht der Trenneffekt praktisch nur auf den verschiedenen Schwerkraft- und Antriebskräften der Ionenaustauscher, wogegen Strömungskräfte keine Rolle spielen. Das hat zur Folge, daß die Dicke der Trennebene 14 zwischen den Wirbelschichten 5,6 in der Größe .!Ordnung eines Einzelkorndurchmessers liegt. Da allein der Dichteunterschied der Ionenaustauscher zur Trennung ausgenutzt wird, läßt sich bei genügend langer Rückspülung eine beliebig hohe Trenngüte erreichen.

Für ein Mischbett, welches zu gleichen Volumenteilen aus Kationen- und Anionenaustausch™ besteht und im Ruhezustand insgesamt eine Schichthöhe »1400 mm hat, beträgt die Rückspüldauer bis zur Trennung in zwei Wirbelschichten 5,6 etwa 30 min bei einer Rückspülge- so schwindigkeit von w_Oi = ^I bis 2) ivo/v Es empfiehlt sich zur Einleitung des Trennvorganges eine Rückspülung von ca. 15 min Dauer bei »02=2 woi vorzunehmen.

Im Anschluß an die Ionenaustauschertrennung wird die Schicht 6 durch den offenen Rohrkörper 7 abgesaugt und zum Regenerierbehälter 4 gefördert. Dazu wird bei unveränderter Rückspülgeschwindigkeit hoi der Wasserabfluß 3 am Kopfende des Filterbehälters 13 geschlossen und die Förderleitung 9 zwischen dem offenen Rohrkörper 7 und dem Regenerierbehälter 4 geöffnet. Das Kreislaufwasser fließt nun mitsamt dem Ionenaustauscher 6 in die Einlauföffnungen 8 des offenen Rohrkörpers 7, die oberhalb der Trennebene 14 angeordnet sind. Dabei sinkt von oben her ständig neues Schichtmaterial nach, wodurch die zur Förderung notwendige Fluidisierung aufrechterhalten bleibt.

Der Abstand der Unterkante der Einlauföffnungen 8 von der Trennebene 141> ii ruhenden lonenaustauscherschichten berücksichtigt die bei der Rückspulgeschwindigkeit vvoi auftretende Dehnung der unteren lonenaustauscherschicht 5 und einen von dsn jeweiligen Ionenaustauschern abhängigen Sicherheitsabstand.

Sobald die Höhe der lonenaustauscherschicht 6 bis etwa zur Unterkante der Einlauföffnungen 8 abgesunken ist, kommt der lonenaustauscherabfluß von selbst zum Stillstand, und es fließt nur noch unbeladenes Kreislaufwaisser zum Regenerierbehälter 4. Während des Ionenaustauscherabflusses nimmt die Schichthöhe etwa mit der Rückspülgeschwindigkeit wa\ ab, so daß der Abfluß der oberen lonenaustauscherschicht 6 mit einer ursprünglichen Höhe im Ruhezustand von 700 mm nach etwa 10 bis 15 min abgeschlossen ist

Das im Filterbehälter 13 oberhalb der noch verbliebenen Ionenaustauscherfüllung befindliche Wasservolumen wird z. B. durch einen Teilstrom 15 des Kreislaufwasserstromes 12, der aus einer tangential und rechtwinklig zur Behälterachse in Wandnähe angebrachten Rohrleitung 10 austritt, in eine langsame Rotation versetzt

Die Rotation des Wassers im Fiherrraum 16 der Wirbelschichten führt in der Nähe der freien Oberfläche der verbliebenen oberen Wirbelschicht 6 zu einer radial zur Filterachse gerichteten Sekundärströmung 17. Zusammen mit der als Strömungssenke anzusehenden zentralen Ionenaustauscherabsaugung bildet sich die in F i g. 3 schematisch wiedergegebene Strömungsform einc^r Wirbelsenke aus, in der nur die Ionenaustauscher 6 der freien Wirbelschichtoberfläche zu den Einlauföffnungen 8 des offenen Rohrkörpers 7 transportiert werden, von wo sie in den Ionenaustauscherbehälter 4 gelangen. Hierbei werden die Ionenaustauscher der obenauf schwimmenden restlichen Wirbelschicht 6 erfaßt und aus dem Filterbehälter 13 herausgepült. Die Ionenaustauscherförderung endet von selbst, sobald die restliche Wirbelschicht 6 vollständig ausgetragen ist.

Die Verwendung einer Wirbelsenke für den lonenaustauscheraustrag erweist sich im mehreren P-inkten als vorteilhaft. Eine Wirbelsenke läßt sich als punktsymmetrische Strömung unabhängig von der Durchmessergriße in jedem Filterbehälter vom Kreisquerschnitt symmetrisch zur Behälterachse erzeugen. Wegen der Punktsymmetrie der Druck- und Geschwindigkeitsgrößen treten in Umfangsrichtung keine stärkeren Verformungen der WirbelschichtoberTläche auf. die wiederum zu störenden, den zentral gerichteten Harzabfluß überlagernden Fließbewegungen in der Wirbelschicht führen würden. Zudem füllt die Wirbelsenkenströmung den gesamten Behälterquerschnitt aus, so daß unter der Bedingung einer glatten Behälterwand und einer von Einbauten freien Schichtoberfläche keine strömungstoten Gebiete entstehen können, in denen sich unerwünschte Reste der oberen Wirbelschicht ansammeln können.

Der offene Rohrkörper 7 kann unverändert auch zum Rückstransport des regenerierten Anionsnaustauschers benutzt werden. In diesem Fall unterbleibt die Rückspülung durch den Filterboden 2, während das Transportwasser jber die Abflußleitung 3 und der Leitung 18 den Filterbehälter 13 verläßt und durch den Anionenaustauschbehälter 4 geführt wird.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet mit einer Abfolge von Einzelvorgängen, die jeweils durch die Betätigung von Schalt- und Regelarmaturen eingeleitet werden und nach einer bestimmten Zeit selbständig enden. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die lonenaustauschertrennune auch von weniger geübtem

Bedienungspersonal durchgeführt werden kann. Außerdem erübrigt sich ein Sichtkontakt zu den verschiedenen lonenaustauscherbehältern, so daß sich die Vorrichtung auch zum Einsatz in abgeschirmten kerntechnischen Anlagen anbietet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum Entmischen und zur anschließenden räumlichen Trennung von ganz oder teilweise erschöpften Kationen- und Anionenaustauschern, die als Mischbett in einem stehenden Filterbehälter vorliegen, welches unterseitig gegen einen Filterboden abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Filterbehälter (13) ein in zentraler Anordnung bis zum Filterboden (2) reichender Einbau vorgesehen ist, dessen untere Hälfte als verschlossener, schlanker Rohrkörper oder Vollkorper und dessen obere Hafte als offener Rohrkörper (7) ausgebildet ist, in der Wand des offenen Rohrkörpers (7) im Anschluß an den verschlossenen, schlanken Rohrkörper oder Vollkörper öffnungen (8) angebracht sind, der offene Rohrkörper (7) im oberen Bereich des Filterbehälters (13) austritt und im oberen Bereich ferner in tangential» Anordnung zur zylindrischen Wand des Filterbehäitcrs (13) mindestens in eine von außen in diesen eintretende Rohrleitung (10) mündet