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Enthärtungsanlage mit Ionenaustauscher
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Die Erfindung betrifft eine Enthärtungsanlage mit einem ein Ionenaustauscherharz
enthaltenden Behälter, in dessen oberen und unteren Bereich Ein- und Auslässe zum
Hindurchleiten des zu enthärtenden Wassers sowie von Regenerations- und Rückspiilfliissigkeiten
angeordnet sind, an die ein Leitungs- und Ventilsystem angeschlossen ist,
Enthärtungsanlagen
dieser Art sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Das an die Ein- und Auslässe
des das Ionenaustauscherharz enthaltenden Behälters angeschlossene Leitung und Ventilsystem
gestattet es, die Zufuhr des zu enthärtenden Wassers zu unterbrechen und statt dessen
durch den Behälter zunächst eine Regenerationsflüssigkeit und dann eine Rückspülflüssigkeit
hindurchzuleiten und die hindurchgeleiteten Flüssigkeiten abzuführen, also insbesondere
in Abwässerkanäle einzuleiten.
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Es besteht die Forderung, daß der Druckabfall an solchen Enthärtungsanlagen
möglichst gering ist. Daher sind bei den bekannten Enthärtungsanlagen die Ein- und
Auslässe am Behälter so ausgelegt, daß auch bei maximalem Durchfluß des zu enthärtenden
Wassers am Behälter ein möglichst geringer Differenzdruck entsteht. Dieser Differenzdruck
ist im wesentlichen durch den Druckabfall an dem vom Ionenaustauscherharz gebildeten
Filterbett bestimmt. Dieser Differenzdruck gewährleistet zugleich, daß das Filterbett
von dem zu enthärtenden Wasser im wesentlichen gleichförmig durchströmt wird.
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Die gleichen Verhältnisse liegen auch beim Regenerieren und Rückspülen
des Filterbettes vor, wenn dabei mit Durchflußmengen gearbeitet wird, die den Durchflußmengen
des zu enthärtenden Wassers vergleichbar sind. Es ist jedoch anzustreben, bei der
Regeneration des Ionenaustauscherharzes mit einer möglichst geringen Durchflußgeschwindigkeit
der Regenerationsflüssigkeit zu arbeiten,
um den Verbrauch an Regenerationsflüssigkeit,
gewöhnlich eine Kochsalzlösung, sowohl aus Kostengründen als auch aus Gründen der
Belastung des Abwassersystems möglichst klein zu halten. Es besteht dann aber die
Gefahr, daß sich die langsam fließende Regenerationsflüssigkeit nicht mehr gleichmäßig
auf den Querschnitt des Filterbettes verteilt, sondern sich auf den Bereich von
Kanälen geringeren Strömungswiderstandes beschränkt, die sich durch die Packung
des feinkörnigen Ionenaustauscherharzes zufällig ergeben. Die Folge davon ist eine
ungleichmäßige Regenerierung des Ionenaustauscherharzes mit entsprechend ungenügender
Enthärtung des anschließend hindurchgeleiteten Rohwassers, und zwar unabhangig davon,
ob bei solchen Enthärtungsanlagen die #egenerationsf1üssigkeii dem Behälter von
oben oder von unten zugeführt wird.
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Enthärtungsanlage
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß beim Regenerieren des Ionenaustauscherharzes
die Regenerationsflüssigkeit das Filterbett auf dessen gesamtem Querschnitt im wesentlichen
gleichförmig durchströmt, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit sehr gering ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Behälter
einen von den Ein- und Auslässen für das zu enthärtende Wasser getrennten, besonderen
Einlaß für das Regenerationsmittel aufweist, der mit Einrichtungen zur gleichmäßigen
Verteilung des Regenerationsmittels auf den Behälterquerschnitt versehen ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Enthärtungsanlage werden also nicht wie
bisher für die Zu- und Abfuhr des Rohwassers und des enthärteten Wassers, der Regenerations-
und Rückspülflüssigkeiten die gleichen Ein- und Auslässe benutzt, an die nur die
unterschiedlichen Zufluß- und Abflußleitungen gemäß dem jeweiligen Betriebszustand
mittels entsprechend gesteuerter Ventile angeschlossen werden, sondern es ist für
das Regenerationsmittel ein besonderer Einlaß vorhanden, so daß die Möglichkeit
besteht, ungeachtet der Forderung, im normalen Betriebszustand den Strömungswiderstand
der Enthärtungsanlage möglichst gering zu halten, Einrichtungen zur gleichmäßigen
Verteilung des Regenerationsmittels vorgesehen werden können, die einen hohen Strömungswiderstand
haben und dadurch die Möglichkeit bieten, eine gleichmäßige Verteilung des Regenerationsmittels
auf den Behälterquerschnitt zu gewährleisten. Wenn mittels einer solchen Verteilereinrichtung
dafür Sorge getragen ist, daß das Regenerationsmittel dem Filterbett auf dessen
Querschnitt gleichmäßig zugeführt wird, ist auch gewährleistet, daß das Filterbett
auf seinem gesamten Querschnitt im wesentlichen gleichförmig von dem Regenerationsmittel
durchströmt und regeneriert wird. Auf diese Weise ist es dann möglich, mit einem
Minimum an Regenerationsmittel eine praktisch vollkommene Regenerierung des Ionenaustauscherharzes
zu erzielen.
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Bei einer insbesondere für kleinere Behälter geeigneten Ausführungsform
der Erfindung ist der Einlaß für das Regenerationsmittel mit einem brauseartigen
Verteilerkopf
versehen. Unter "brauseartiger Verteilerkopf" soll
eine den Einlaß abschließende, gewölbte Platte mit feinen Bohrungen verstanden werden,
durch welche hindurch das Regenerationsmittel in den Behälter in Form von feinen
Strahlen injiziert wird, die an gleichmäßig auf den Querschnitt des Behälters verteilten
Stellen auf das Filterbett auftreffen. Von diesen Stellen aus findet dann eine Ausbreitung
der Regenerationsflüssigkeit auf den gesamten Querschnitt des Filterbettes statt.
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Insbesondere bei größeren Behältern kann auch der Einlaß für das Regenerationsmittel
mit einem über dem Querschnitt des Behälters verteilten, Plüssigkeitsstrahlen erzeugenden
Düsensystem verbunden sein. Im einfachsten Fall kann ein solches Düsensystem von
einer Art Lochplatte gebildet werden, die sich über dem gesamten Querschnitt des
Behälters erstreckt. Es sind aber auch beispielsweise Däsensysteme mit sternförmig
angeordneten Armen, Ringdiisensysteme und dgl. denkbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einlaß
für das Regenerationsmittel nahe dem Boden des Behälters unterhalb eines das Ionenaustauscherharz
tragenden Siebbodens angeordnet. Das Anbringen des Einlasses für das Regenerationsmittel
am unteren Ende des Behälters begünstigt das gleichmäßige Durchströmen des Filterbettes
mit der Regenerationsflüssigkeit zumindest solange, wie sich noch ein Rest des zuvor
hindurchgeleiteten Wassers im Behälter befindet, weil sich eine gewisse Schichtung
zwischen der spezifisch schwereren,
als Regenerationsmittel verwendeten
Salzlösung und diesem Wasser einstellt. Weiterhin ist aber eine solche Anordnung
auch dann besonders günstig, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an den
Einlaß für das Regenerationsmittel auch eine Leitung zum Zuführen der Riickspülflüssigkeit
angeschlossen ist.
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Auch wenn beim Rückspülen mit einem erheblich größeren Durchsatz gearbeitet
werden kann als beim Regenerieren, ist es insbesondere dann, wenn das Rückspülwasser
in den Behälter von unten eingeleitet wird, um das von dem Ionenaustauscherharz
gebildete Filterbett aufzulockern, von hoher Wichtigkeit, daß das Rückspülwasser
dem Filterbett in gleichmäßiger Verteilung über dessen Querschnitt zugeführt wird,
um ein gleichmäßiges Auflockern des Filterbettes zu gewährleisten und zu vermeiden,
daß der Strom des Rückspülwassers an einer Stelle geringen Widerstandes durchbricht
und es dann zu Verwirbelungen und Umwälzungen kommt, von denen jedoch bestimmte
Bereiche des Filterbettes unberührt bleiben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der
Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung
einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es
zeigen
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Behälter einer ersten
Enthärtungsanlage nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie It-Il
durch den Behälter nach Fig. 1, Fig. 3 den unteren Abschnitt des Behälters einer
weiteren Enthärtungsanlage nach der Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie
IV-IV durch den Behälter nach Fig. 3 und Fig. 5 einen Schnitt ähnlich Fig. 4 durch
den Behälter einer weiteren Enthärungsanlage nach der Erfindung.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen den stehend angeordneten, im wesentlichen
rohrförmigen Behälter 1 einer Enthärungsanlage. In das obere Ende des Behälters
1 münden eine Leitung 2 zum Zuführen von Rohwasser sowie eine Leitung 3 zum Abführen
von Regenerationsmittel und Rückspülwasser. Weiterhin ragt in das obere Ende des
Behälters ein zentrales Rohr 4 hinein, das bis nahe zum unteren Ende des Behälters
reicht und zum Abführen des enthärteten Wassers dient. In den Boden 5 des Behälters
mündet ein Rohr 6, das zum Zuführen von Regenerationsmittel und Rückspülwasser dient
und dessen Mündung im Behälter 1 durch einen brauseartigen Verteilerkopf 7
abgeschlossen
ist. Im Abstand über dem Verteilerkopf 7 befindet sich im Behälter 1 ein Siebboden
8, über den das zentrale Rohr 4 nach unten hinausragt und der ein aus Ionenaustauscherharz
bestehendes Filterbett 9 trägt.
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Das Filterbett 9 endet in erheblichem Abstand unterhalb eines weiteren
Siebbodens 10, der nahe dem oberen Ende des Behälters angeordnet ist. Die Leitungen
2 bis 4 und 6 sind in nicht näher dargestellter Weise mit Ventilen versehen, die
es gestatten, diese Leitungen bei den verschiedenen Betriebs zuständen nach Bedarf
zu öffnen und zu schließen.
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Beim normalen Betrieb wird dem Behälter 1 über die in seinen Deckel
11 mündende Leitung 2 das zu enthärtende Rohwasser zugeführt. Die Fließgeschwindigkeit
des Rohwassers ist so groß, daß am Filterbett 9, das beispielsweise aus Kunststoffkügelchen
mit einer Korngröße von 0,3 bis 1,2 mm besteht, ein Druckabfall entsteht, der gewährleistet,
daß das Filterbett 9 auf seinem gesamten Querschnitt im wesentlichen gleichmäßig
von dem zugeführten Wasser durchströmt und dabei durch Ionenaustausch enthärtet
wird. Das sich unterhalb des unteren Siebbodens 8 über dem Behälterboden 5 befindende,
enthärtete Wasser wird über das zentrale Rohr 4 abgeführt.
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Der normale Wasserdurchsatz bei üblichen Anlagen beträgt beispielsweise
20001/h.
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Ist das Ionenaustauscherharz des Filterbettes 9 erschöpft, muß es
durch Zuführen einer Kochsalzlösung als Regenerationsmittel regeneriert werden.
Demgemäß werden die
Leitungen 2 und 4 gesperrt und es wird über
die in den Boden 5 des Behälters 1 miindende Leitung 6 das Regenerationsmittel zugeführt.
Um eine zur Regeneration ausreichend lange Verweilzeit der Kochsalzlösung in dem
Filterbett 9 zu erreichen und gleichzeitig den Verbrauch an Regenerationsmittel
auf das notwendige Naß zu reduzieren, um sowohl die Kosten für das Regenerationsmittel
niedrig zu halten als auch das Abwassersystem durch Einleiten nicht verbrauchten
Regenerationsmittels so wenig wie möglich zu belasten, muß das Regenerationsmittel
mit einer sehr geringen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden. Bei einem Nenndurchsatz
der Enthärtungsanlage von 2000 l/h Rohwasser liegt ein optimaler Durchsatz des Regenerationsmittels
bei etwa 20 l/h. Bei diesem geringen Durchsatz stellt sich am Filterbett 9 kein
Druckabfall ein, der noch eine gleichmäßige Verteilung des Regenerationsmittels
auf den Querschnitt des Filterbettes gewährleistet. Daher ist an der Mündung der
zum Zuführen des Regenerationsmittels dienenden Leitung 6 der brauseartige Yerteilerkopf
7 angeordnet, der so enge Bohrungen 12 aufweist, daß an diesen Bohrungen trotz des
geringen Durchsatzes des Regenerationsmittels ein Differenzdruck entsteht und das
Regenerationsmittel in Form von Strahlen 13 in den Behälter 1 injiziert wird, so
daß die an dem das Filterbett 9 tragenden Siebboden 8 an Stellen auftreffen, die
auf die Fläche dieses Siebbodens gleichmäßig verteilt sind. Durch den Aufprall der
Strahlen auf den Siebboden und das von dem Siebboden getragene Filterbett 9 findet
eine Verteilung des zugeführten Regenerationsmittels auf die Umgebung der Auftreffstellen
statt,
so daß auf diese Weise das Regenerationsmittel trotz des geringen Durchsatzes im
wesentlichen gleichmäßig auf den Querschnitt des Filterbettes 9 verteilt wird. Das
Zuführen des Regenerationsmittels am unteren Ende des Behälters hat dabei noch den
Vorteil, daß das spezifisch schwerere Regenerationsmittel von unten her im Behälter
aufsteigt und dabei das vom Enthärtungsvorgang her im Behälter vorhandene, spezifisch
leichtere Wasser vor sich hertreibt. Die geringe Geschwindigkeit, mit der das Regenerationsmittel
zugeführt wird, begünstigt dabei die Ausbildung einer Schichtung zwischen Regenerationsmittel
und dem auszutreibenden Wasser. Auch für die Ausbildung der Schichtung ist es jedoch
von Vorteil, daß das Regenerationsmittel von vornherein über den ganzen Querschnitt
des Behälters 1 im wesentlichen gleichmäßig zugeführt wird. Nachdem das Wasser ausgetrieben
und der Behälter 1 nur noch mit der Regenerationsflüssigkeit gefüllt ist, ist die
gleichmäßige Verteilung des zugeführten Regenerationsmittels auf den Querschnitt
des Behälters 1 für das gleichmäßige Durchströmen des Filterbettes 9 allein noch
von Bedeutung.
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Das Regenerationsmittel wird über die in den Deckel 11 des Behälters
1 mündende Leitung 3 in einen Abwasserkanal abgeführt.
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Wenn eine ausreichende Menge Regenerationsmittel zugeführt worden
ist, um das im Behälter 1 enthaltene Austauscherharz wenigstens annähernd vollständig
zu regenerieren, muß das im Austauscherharz enthaltende Regenerationsmittel vollständig
ausgespült werden. Zu diesem
Zweck wird über die im Boden 5 des
Behälters 1 mündende Leitung 6 nunmehr anstelle des Regenerationsmittels Rückspülwasser
zugeführt. Die Zufuhr des Rückspülwassers erfolgt damit über das gleiche Verteilersystem
wie die Zufuhr des Regenerationsmittels. Der Strom des zugeführten Rückspülwassers
wird so eingestellt, daß die Teilchen des Ionenaustauscherharzes von dem Wasserstrom
mitgerissen und angehoben werden. Dadurch wird das Filterbett 9 aufgelockert und
von feinkörnigen Verunreinigungen, welche den oberen Siebboden 10 passieren können,
befreit. Die Teilchen des Ionenaustauscherharzes werden dagegen durch den oberen
Siebboden 10 zurückgehalten. Im übrigen wird die Strömungsgeschwindigkeit des Rückspülwassers
so eingestellt, daß nur wenige Teilchen des Austauscherharzes diesen Siebboden erreichen.
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Auch für das Rückspülen ist es von Bedeutung, daß das Rückspülwasser
das Filterbett 9 auf den gesamten Querschnitt möglichst gleichförmig durchströmt.
Auch wenn zum Auflockern des Filterbettes 9 ein Durchsatz erforderlich ist, der
etwa-das Zehnfache des Durchsatzes des Regenerationsmittels beträgt, bei dem genannten
Beispiel also etwa 200 l/h, so besteht doch die Gefahr, daß durch eine ungleichmäßige
Kornverteilung im Filterbett 9 sich Kanäle mit vermindertem Strömungswiderstand
ausbilden, durch welche das Rückspülwasser durchbricht, so daß die Hauptmenge des
Rückspülwassers durch einen engen Bereich des Querschnittes des Filterbettes hindurchtritt
Dabei kann zwar eine gewisse Durchwirbelung des Filterbettes stattfinden, jedoch
erfaßt diese Durchwirbelung nicht
alle Bereiche, so daß also die
Rückspülung nur unvollständig ist. Dabei besteht insbesondere die Gefahr, daß bestimmte
Rand- und Eckbereiche des Filterbettes auch bei wiederholten Rückspülvorgängen nicht
erfaßt werden, so daß sich dort nicht nur Verunreinigungen ansammeln, sondern auch
Bakterienherde festsetzen können, die plötzlich durchbrechen und dann zu einer zunächst
unerklarlichen bakteriologischen Verunreinigung des enthärteten Wassers führen.
Die erfindungsgemäße Verwendung des besonderen Verteilersystems auch für das Rückspülwasser
gewährleistet, daß das Rückspülwasser ebenso wie das Regenerationsmittel gleichmäßig
auf den gesamten Querschnitt des Filterbettes 9 verteilt wird, so daß das Filterbett
gleichmäßig aufgelockert und gereinigt wird, wie es für einen einwandfreien Betrieb
einer solchen Enthärtungsanlage notwendig ist.
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Das Rückspülwasser wird ebenso wie das Regenerationsmittel über die
in den Deckel 11 des Behälters 1 mündende Leitung 3 abgeführt und in einen Abwasserkanal
geleitet. Nach Beendigung des Rückspülvorganges werden die zum Zu- und Abführen
des Rückspülwassers verwendeten Leitungen 6 und 3 wieder abgesperrt und der Enthärtungsvorgang
wieder aufgenommen, indem die Leitung 2 zum Zuführen des Rohwassers und die Leitung
4 zum Abführen des enthärteten Wassers wieder geöffnet werden.
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Der bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 zum Zuführen
des Regenerationsmittels und des Ri;ckspiilwassers benutzte brauseartige Verteilerkopf
ist für
kleinere Enthärtungsanlagen gut geeignet, bei denen der
das Filterbett enthaltende Behälter einen relativ kleinen Querschnitt hat, so daß
er von den aus dem Verteilerkopf austretenden Strahlen gleichmäßig überdeckt wird.
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X5ir Behälter größeren Querschnittes kann die Anwendung eines einzigen
solchen Verteilerkopfes nicht ausreichend sein, so daß dann andere Einrichtungen
zur gleichmäßigen Verteilung des Regenerationsmittels und ggf. auch des Rückspülwassers
angewendet werden müssen. Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer
Einrichtung zum Verteilen des Regenerationsmittels und des Rückspülwassers auf einen
Behälter 21 größeren Querschnittes, die anstelle eines brauseartigen Verteilerkopfes
ein Düsensystem aufweist, das von einem mit Bohrungen 32 versehenen Ringrohr 27
gebildet wird. Die Bohrungen 32 sind so angeordnet, daß die daraus austretenden
Flüssigkeitsstrahlen 33 die zugeführte Flüssigkeit gleichmäßig über den gesamten
Querschnitt des Behälters 21 verteilen. Das Ringrohr 27 ist wiederum an eine Leitung
26 angeschlossen, die zum Zuführen des Regenerationsmittels sowie auch des Rückspülwassers
dient. Die Abfuhr des Regenerationsmittels und des Rückspülwassers erfolgt in nicht
näher dargestellter Weise am oberen Ende des Behälters 21, wie es auch bei der Ausführungsform
nach den Fig. 1 und 2 der Fall ist.
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Ebenso erfolgt am oberen Ende des Behälters das Zuführen des Rohwassers.
Das enthärtete Wasser wird jedoch über eine Leitung 24 abgeführt, die in den Boden
25 des Behälters mündet und nach oben durch ein Sieb 28 abgeschlossen ist, dessen
Strömungswiderstand vernachlässig bar klein ist. Über dem Sieb 28 befindet sich
das Filterbett
29, in welches das zur Verteilung des Regenerationsmittels
und des Rückspülwassers dienende Ringrohr 27 eingebettet ist.
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Eine weitere Möglichkeit, das Regenerationsmittel und das Rückspülwasser
auf Behälter mit größerem Querschnitt zu verteilen, besteht in der Anbringung einer
größeren Anzahl von brauseartigen Verteilerköpfen 47, wie sie der in Fig. 5 im Querschnitt
dargestellte Behälter aufweist.
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Diese Verteilerköpfe 47 sind in einem das Filterbett tragende Siebboden
48 befestigt, der dem Filterboden 8 des Behälters nach Fig. 1 entspricht. Es versteht
sich, daß die Verteilerköpfe 47 alle an eine nicht näher dargestellte, gemeinsame
Leitung zum Zuführen des Regenerationsmittels und des Rückspülwassers angeschlossen
sind. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Vielzahl der bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 vorhandenen Verteilerköpfe 47 die Möglichkeit bietet, auch große Querschnitte
gleichmäßig mit dem Regenerationsmittel und dem Rückspülwasser zu versorgen. Auch
in diesem Fall kann wieder das enthärtete Wasser am Boden des Behälters 41 abgeführt
werden, da sich die Verteilerköpfe 47 im Abstand vom Behälterboden befinden.
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