DE4042632C2 - Ionenaustauschanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenaustauschanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Nach dem Stand der Technik ist bei der Gegenstromregenerierung von Ionenaustauschern üblich, die regenerierende Flüssigkeit im oberen Bereich des Austauschharzes abzuleiten, wodurch das Austauschharz zwischen dem oberen Bereich und der obersten Harzschicht nicht regeneriert wird. Hierdurch wird der Austauscher schneller erschöpft, da das regenerierende Harzvolumen gegenüber dem vorhandenen vermindert ist. Überdies kommt es in dieser nicht regenerierten Schicht des Austauschharzes teilweise zu Bakterienbildung.

Aus der DE-OS 19 39 344 ist eine gattungsgemäße Ionenaustauschanlage bekannt, bei der mittels eines Verteilers während der Gegenstromregenerierung Wasser und kein Regenierungsmittel in den oberen Teil der Kammer für das Kationenharz geleitet wird. Dieser Wasserstrom soll die Expansion des Kationenaustauschharzes verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenaustauschanlage bereitzustellen, die ohne zusätzliche Regenerierflüssigkeit eine Regenerierung der obersten Austauschharzschicht auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht und dafür Sorge zu tragen, daß die oberste Schicht des Austauschharzes frei von Bakterien ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Regenerierflüssigkeit, die das Ionenaustauschharz bereits wenigstens teilweise bei der Gegenstromregeneration durchströmt hat, wird aufgefangen und zur Regenerierung der obersten Schicht des Ionenaustauschharzes verwendet. Durch das Recycling wird verhindert, daß unverbrauchte Regenerierflüssigkeit in die Kanalisation gelangt, die Kosten für die Chemikalien werden gesenkt und außerdem wird erreicht, daß die oberste Schicht des Austauschharzes im wesentlichen frei von Bakterien ist.

Die Regenerierflüssigkeit wird vorteilhafterweise in einen Recyclingtank geleitet. Vorzugsweise ist stromauf des Recyclingtanks ein Leitwertmesser und ein Ventil vorgesehen, so daß einerseits der obere Regenerierflüssigkeitskreislauf durch Schließen eines Ventils während des Betriebes abgekoppelt werden kann und andererseits auch die Überprüfung des Leitwerts der Regenerierflüssigkeit ermöglicht wird. Wird ein genügend hoher Leitwert der Regenerierfiüssigkeit ermittelt, so ist die Regenerierflüssigkeit noch nicht verbraucht und sie kann zur Regenerierung der obersten Schicht des Ionenaustauschharzes nochmals verwendet werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht, daß die verbrauchte Regenerierflüssigkeit in die Kanalisation geführt werden kann. Diese verbrauchte Regenerierflüssigkeit ist nahezu frei von Säure, so daß die Belastung des Abwassers durch Säure vermindert wird.

Da das Verteilersystem oberhalb des Kationenaustauschharzes und zumindest auf der Höhe der Rohwasserzufuhr angeordnet ist, wird ermöglicht, daß die recycelte Regenerierflüssigkeit oberhalb des obersten Pegels des Austauschharzes aus dem Verteilersystem austritt, wodurch gewährleistet wird, daß eine Regeneration der obersten Schicht stattfinden kann.

Durch die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 wird ermöglicht, daß Säurereste, die sich oberhalb des Drainagerohrsystems befinden, mit dem Wasser aus dem Regenerierwassertank aus dem Ionenaustauschharz herausgespült werden.

Solche Anlagen haben sich gemäß Anspruch 5 insbesondere für die Brauwasseraufbereitung bewährt.

Die Erfindung wird nunmehr an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Der kreiszylindrische Behälter 11, z. B. aus Stahl, ist nach oben durch eine Kappe 12 und nach unten durch eine Kappe 13 abgeschlossen. Der Behälter 11 ist kreiszylindrisch und hat überall den gleichen Durchmesser. Innerhalb des Behälters 11 ist ein Boden 14 vorgesehen, der flüssigkeitsdicht ist und in den nach beiden Seiten durchlässige Verteilerdüsen 16 flächenmäßig verteilt vorgesehen sind.

Unterhalb des Bodens 14 ist ein weiterer Boden 17 ebenfalls in einer Durchmesserebene angeordnet, der an sich flüssigkeitsundurchlässig ist, jedoch flächenmäßig gleich verteilte Düsen 18 besitzt, die ebenfalls nach beiden Richtungen durchlässig sind. Ein Raum 19 zwischen der Kappe 13 und dem Boden 17 dient als Druckausgleichsraum für von unten nach oben strömende Flüssigkeit (bei der Gegenstromregeneration), so daß jede Düse 18 vom gleichen Druck beaufschlagt wird.

Zwischen den Böden 14, 17 ist eine Kammer 21 vorgesehen, in dem Austauschharz aufgeschüttet ist und zwar ohne Pressung und bis zu einem Pegel 22, der einen Abstand vom Boden 14 und auch einen Abstand vom unteren Bereich der Düsen 16 hat. Auch der Raum 23 dient über die ganze Breite des Behälters 11 als Druckausgleichszone. Das Anionenaustauschharz im Raum 21 liegt in der Chlorid- oder Sulfatform vor, oder aber in einer Kombination von beiden. Je nach den Anforderungen ist damit das Harz in der Lage, die Nitrate des Rohwassers gegen Chloride und/oder Sulfate auszutauschen.

Entsprechend dem Rohwasser-Nitratgehalt steigt der Sulfat- oder Chloridgehalt proportional an. Man kann durch die Wahl oder Kombination dieses Regenerationsmittels jederzeit bestimmen, ob man ein sulfat- oder chloridreicheres Fertigwasser haben möchte.

Verwendet man zwei Behälter 11 und läßt die eine Kammer 21 mit H₂SO₄ und die andere mit HCl regenerieren, so kann man jederzeit jeden Sulfat- und Chloridgehalt im nitratarmen Fertigwasser einstellen.

Auf den Boden 14 ist im Raum 24 bis etwa zum Pegel 26 Kationenaustauschharz aufgeschüttet. Der darüberliegende Raum 27 ist frei von Harz.

Oberhalb der Düsen 16 ist ein Drainagerohrsystem 28 vorgesehen, das sich über den gesamten Querschnitt des Behälters 11 gleichmäßig verteilt und über eine Leitung 29 an einen Differenzleitwertmesser 31 angeschlossen ist.

Knapp unterhalb des Pegels 26, mit einem Abstand von etwa 20 bis 50 cm, ist ein zweites Drainagerohrsystem 32 vorgesehen, das ebenfalls gleichmäßig über den Querschnitt des Behälters 11 verteilt ist und über eine Leitung 33, in der ein Ventil 34 liegt, mit einem Leitwertmesser 36 verbunden ist. Oberhalb des Pegels 26 ist ein Verteilersystem 37 vorgesehen, mit dem über den Querschnitt des Behälters 11 gleichmäßig Flüssigkeit verteilt werden kann.

Über eine Leitung 38 kann bei geöffnetem Ventil 39 Rohwasser dem Verteilersystem 37 zugeführt werden. Gleichermaßen kann auf der anderen Seite über eine Leitung 41 aus dem Recyclingbehälter 42 über eine Pumpe 43 Flüssigkeit zugeführt werden. Der Recyclingbehälter 42 erhält seine Flüssigkeit aus der Leitung 33. Aus 42 heraus kann durch einen Überlauf 44 Flüssigkeit gemäß dem Pfeil 46 in eine Neutralisation gelangen.

Durch eine elektrische Leitung 47 ist der Differenzleitwertmesser 31 mit einem zweiten Differenzleitwertmesser 48 verbunden.

Das Drainagerohrsystem 28 ist im Kationenaustauschharz oberhalb des Bodens 14 angeordnet. In der Praxis ist der Abstand etwa 25 cm. Wenn man die Wasserqualität im Bereich des Pegels 22 mit derjenigen auf der Höhe des Drainagerohrsystems vergleicht, kann man den Differenzleitwert ermitteln und feststellen, inwieweit das Kationenaustauschharz erschöpft ist.

An der Leitung 29 ist eine Leitung 49 angeschlossen, in der ein Ventil 51 liegt. Es folgt eine Mengenmesser 52, danach ein Ventil 53 und dieses speist zu einem gemeinsamen Punkt 54. Hierauf folgt eine Leitung 56 für die Fertigwasser-Abfuhr.

Der tiefste Punkt der Kappe 13 ist an eine Leitung 57 angeschlossen, in der ein Ventil 58 liegt und die zu einem Mengenmesser 59 und über ein Ventil 61 zum gemeinsamen Punkt 54 führt.

Vor dem Ventil 58 geht eine Leitung 62 über ein Ventil 63 in einen Regenerierwassertank 64. Über eine Leitung 66 und einen Mengenmesser 67 kann Regenerierwasser zu einem Injektor 68 unter Druck geführt werden. Dessen Mischstelle kann über einen Säure-Zumeßbehälter 69 Säure zugeführt werden, nämlich entweder HCl oder H₂SO₄. Je nachdem, ob in dem Raum 21 das Anionenaustauschharz in Chlorid- oder Sulfatform oder in Kombination von beiden vorliegt, wird HCl oder H₂SO₄ oder eine Kombination von beiden verwendet. Der Säurezumeßbehälter 69 ist über ein Ventil 71 mit dem Mischraum des Injektors 68 verbunden. Das in der Leitung 66 fließende Regenerierwasser ist nicht nur enthärtet, sondern schon aufbereitet. In diesem Wasser sind also keine Kationen mehr vorhanden, während ja im Rohwasser bekanntlich noch Kationen und Anionen enthalten sind.

Die im Injektor 68 gemischte Flüssigkeit wird, wenn das Ventil 72 geöffnet ist, über eine Leitung 73 der Leitung 57 zugeführt. In einer solchen Regenerationsphase sind natürlich die Ventile 58, 63, 51 und 39 geschlossen.

Am Ende eines Laufzeitzyklus ist das Anionenaustauschharz, das ja die Nitrate austauscht, erschöpft und ist voller Nitrate. Man läßt nun das Regenerierwasser über die Leitung 66 einströmen und mischt dieses in 68 mit HCl. Es ist 71 und 72 dabei offen und 39, 51 und 58 geschlossen. Die HCl steigt also im Anionenaustauschharz nach oben und hierdurch wird verdünnte Salpetersäure erzeugt. Diese dient nun dazu, das nachgeschaltete Kationenaustauschharz mit zu regenerieren. Dieser Regeneriervorgang ist nahezu kostenlos, weil die Regenerierflüssigkeit bei dem Regenerieren des Anionenaustauschharzes mit produziert wird.

Würde man mit H₂SO₄ in der Regeneration anfangen, dann würde die Regenerationsflüssigkeit für das Kationenaustauschharz ebenfalls automatisch erzeugt. Dem Injektor 68 wird 30% HCl zugeführt und im Injektor auf ca. 6% verdünnt. H₂SO₄ wird mit einer Konzentration von 96 bis 98% zugeführt und im Injektor 68 auf weniger als 10% verdünnt.

Die regenerierende Säure tritt über die Düsen 18 in die Kammer 21 und durch die Düsen 18 in die Kammer 24 und fließt über das Drainagerohrsystem 32 in den Recyclingbehälter 42. Erst wenn der Leitwertmesser 36 eine hohe absolute Leitfähigkeit anzeigt, ist ein Säureüberschuß vorhanden und dieser Säureüberschuß wird mit der Pumpe 43 in das Verteilersystem 37 gepumpt. Man hat damit einen Kreislauf: Bei 37 kommt die Säure heraus und bei 32 wird sie wieder abgezogen. Das Auswaschen ist beendet, wenn 36 eine geringe Leitfähigkeit anzeigt. Bis unterhalb 32 wird durch die aufsteigende Säure ohnehin regeneriert. Mit dem Recycling wird nun die oberste Lage des Kationenaustauschharzes regeneriert, das heißt mit dem Teil der Flüssigkeit, die sonst unwirtschaftlich in die Neutralisation geleitet würde. Eine Leitung 74 nach dem Differenzleitwertmesser 48 führt zum Regenerierwassertank 64. Es fließen dort größenordnungsmäßig 100 l/Stunde und dieses Wasser wird nicht - wie sonst - in den Abwasserkanal geführt. Vielmehr wird dieses Wasser dem Regenerierwassertank 64 zugeführt.

Der Regenerierwassertank 64 nimmt den oben erwähnten Wasserstrom auf, den die Differenzleitfähigkeits-Messer benötigen. Durch den Regenerierwassertank 64 hat man überdies einen konstanten Betriebsdruck.

Das Wasser aus dem Regenerierwassertank 64 wird in nicht gezeichneter Weise nach der Regeneration dem Verteilersystem 37 zugeführt. Sollten sich oberhalb des Drainagerohrsystems 32 noch Säurereste befinden, dann können diese nicht schaden, denn das Regenerierwasser wird durch das gesamte Austauscherbett hindurchgedrückt, jedoch nicht über die Leitung 56 entlassen. Dies wird so lange durchgeführt, bis die Differenzleitfähigkeit eine gute Wasserqualität anzeigt. Man geht also nicht - wie dies seither üblich war - nach der Regenerierung wieder auf Betrieb, sondern erst dann, wenn das Wasser die notwendige Qualität hat. Die Restsäure macht damit keine Schwierigkeiten. Bislang hat man die oberste Schicht einfach nicht behandelt und ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch diese oberste Schicht bakterienfrei bleibt.

Claims (5)

1. Ionenaustauschanlage
mit einer ersten Kammer (24) für Kationenharz
mit einer zweiten Kammer (21) für Anionenharz und
mit einer Gegenstromregeneriervorrichtung, die so schaltbar ist, daß die zweite Kammer (21) im Regenerierstrom stromauf der ersten Kammer liegt, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß im oberen Bereich des Kationenaustauscherharzes ein Drainagerohrsystem (32) vorgesehen ist, mittels dessen die Regenerierflüssigkeit aus dem Kationenaustauscherharz abgeleitet werden kann,
• 2. daß das Drainagerohrsystem (32) über einen Recyclingtank (42) an eine Pumpvorrichtung (43) angeschlossen ist und
• 3. daß die Pumpvorrichtung (43) ein Verteilersystem (37), das oberhalb des Kationenaustauscherharzes und zumindest auf der Höhe der Rohwasserzufuhr angeordnet ist, speist, so daß die obere Schicht des Kationenaustauscherharzes unter Verwendung von Regenerierflüssigkeit, die das Kationenaustauscherharz wenigstens teilweise im Gegenstrom durchströmt hat, in Stromrichtung regenerierbar ist.

2. Ionenaustauschanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Recyclingtanks (42) ein Leitwertmesser (36) angeordnet ist.

3. Ionenaustauschanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Recyclingtank (42) einen Überlauf (44) aufweist, der in die Kanalisation führt.

4. Ionenaustauschanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilersystem (37) mit einem Regenerierwassertank (64) verbunden ist.

5. Verwendung der Ionenaustauschanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Brauwasseraufbereitung.