DE4042633C2

DE4042633C2 - Ionenaustauschanlage, Verwendung der Ionenaustauschanlage und Verfahren zum Aufbereiten von Wasser

Info

Publication number: DE4042633C2
Application number: DE4042633A
Authority: DE
Inventors: Winfried Blank
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2010-06-23
Also published as: DE4042632C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenaustauschanlage gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1, die Verwendung der Ionenaustauschanlage sowie ein Verfahren zum Aufbereiten von Wasser.

Um sowohl Kationen als auch Anionen auszutauschen, ist es allgemein üblich, daß das Rohwasser einen Kationen- und einen Anionenaustauscher durchläuft. Im Kationenaustauscher werden die Kationen des Rohwassers gegen die freien Wasserstoffionen des Kationenaustauschers ausgetauscht und die äquivalent freie Säure erzeugt. Aus der Carbonathärte entsteht CO₂, aus Chloriden HCl, aus Sulfaten H₂SO₄ und aus den Nitraten HNO₃. Im Anionenaustauscher werden die Anionen des Rohwassers oder des bereits kationenausgetauschten Wassers aus getauscht.

Ionenaustauscher haben eine unterschiedliche Selektivität gegenüber verschiede nen Ionenarten. So nimmt bei vielen Anionenaustauschharzen die Bindungsstärke zum Anionenaustauschharz, beispielsweise von Chlorid über Sulfat zum Nitrat zu (Dr. O.-A. Neumüller: Römpps Chemie-Lexikon, 8. Auflage (1983), Franckh'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart). Durch die unterschiedliche Bindungsstärke der Anionen zum Anionenaustauscher kommt es zu zeitlichen Schwankungen der Anionenkonzentration im Fertigwasser. Bei einem Anionenaustauscher, dessen Bindungsstärke vom Chlorid über Sulfat zum Nitrat zunimmt und der in der Chlo ridform vorliegt, findet folgender Prozeß statt:

Wird z. B. Nitrat und Sulfat enthaltendes Roh- oder kationenausgetauschtes Was ser durch den frisch regenerierten Anionenaustauscher geschickt, so werden zu nächst Sulfat und Nitrat gegen Chlorid ausgetauscht, da beide das Chlorid infolge der höheren Bindungsstärke verdrängen. Sulfate und Nitrate werden somit im an fänglichen Fertigwasser nahezu vollständig entfernt. Durch den Austausch gegen Chlorid werden Sulfat und Nitrat an den Anionenaustauscher gebunden.

Nach ca. 50% der Laufzeit, d. h. der Austauscher ist bereits etwas erschöpft, fin det - da weniger austauschbares Chlorid zur Verfügung steht - aufgrund der gro ßen Bindungsstärke des Nitrats an den Anionenaustauscher der Austausch Sulfat gegen Nitrat statt, d. h. Nitrat wird gebunden und hierfür wird Sulfat ausgetauscht. Der Sulfatgehalt im Fertigwasser steigt deutlich an. Sind keine gegen Nitrat aus tauschbaren Ionen im Anionenaustauscher mehr vorhanden, kommt es zum Ni tratdurchbruch.

Das nach dem Stand der Technik hergestellte Fertigwasser weist somit die fol genden Nachteile auf:

Die Anionenzusammensetzung des Fertigwassers ist infolge der unterschiedlichen Bindungsstärke verschiedener Anionen erheblichen zeitlichen Schwankungen unterworfen, so daß die Zusammensetzung des Fertigwassers stark variiert. Dies ist für alle das Fertigwasser weiterverarbeitenden Betriebe, z. B. Brauereien, uner wünscht.

Häufig ist es wünschenswert, daß das Fertigwasser noch einen geringen ge wünschten Gehalt an bestimmten Anionen, beispielsweise Sulfat oder Nitrat, auf weist. Wird der Anionenaustauscher in der Chloridform verwendet, so werden an fänglich nahezu alle Sulfate und Nitrate gegen Chlorid ausgetauscht und im Fer tigwasser ist praktisch kein Sulfat und Nitrat mehr vorhanden. Für den gewünsch ten geringen Gehalt an diesen Anionen müssen bei den Anlagen nach dem Stand der Technik entweder große Ausgleichsreserven eingebaut werden, oder sie müs sen dem Fertigwasser auf aufwendige Weise wieder zugesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenaustauschanlage und ein Verfahren be reitzustellen, welche auf einfache Weise ermöglichen, die zeitlichen Schwankun gen der Anionenkonzentration wenigstens teilweise zu vermindern und Fertigwas ser bereitzustellen, das auch eine gewünschte Menge bestimmter Anionen, z. B. Sulfat oder Nitrat, enthält.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 10 gelöst. Liegt die erste Kammer mit dem Kationenaustauschharz im Rohwasserstrom stromauf der zweiten Kammer mit dem Anionenaustauschharz, so wird zunächst das Kationen austauschharz vom Rohwasser durchströmt. Nach dem Durchströmen des Katio nenaustauschers sind zwar die Kationen im wesentlichen entfernt, die Anionen sind jedoch noch in der ursprünglichen Konzentration enthalten. Wird ein Strom des im wesentlichen kationenausgetauschten Wassers nun aus dem Behälter herausgeleitet, ohne daß es durch der Anionenaustauscher durchgetreten ist, und wird dieser Strom des im wesentlichen kationenausgetauschten Wassers nun mit dem kationen- und anionenausgetauschten Wasser zusammengeführt, so lassen sich bestimmte Anionenkonzentrationen, beispielsweise Chlorid, Sulfat, Nitrat, wenigstens teilweise im Fertigwasser einstellen. Durch das Verschneiden werden ebenfalls zeitliche Schwankungen verringert.

Die Merkmale gemäß Anspruch 2 beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Anordnung der Kammern für Kationen- und Anionenaustauscher.

Als besonders platzsparend hat sich die Ausführung gemäß Anspruch 3 erwiesen, insbesondere in der Weiterbildung gemäß Anspruch 4.

Um einen guten Durchtritt des ionenauszutauschenden Wassers und der Regene rationsflüssigkeit zu erreichen und ein Durchmischen von Kationen- und Anionen austauscher zu verhindern, sind der erste und der zweite Behälter vorzugsweise durch einen Düsen aufweisenden Boden gemäß Anspruch 5 getrennt.

Durch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 wird erreicht, daß der im wesentlichen nur kationenausgetauschte Teilstrom in einfacher Weise über ein Drainagerohrsystem aus dem Behälter geführt wird und über einen Anschluß der Fertigwasserabfuhr zugeführt wird, wo dann das Verschneiden des im wesentli chen nur kationenausgetauschten Wassers mit dem kationen- und anionenaus getauschten Wasser erfolgen kann.

Ebenfalls wird gewährleistet, daß der abzuleitende Teilstrom nur den Kationen austauscher durchströmt hat.

Es ist jedoch ebenfalls möglich, daß der Anschluß für den Teilstrom stromab dem Raum für den Kationenaustauscher vorgesehen ist, so daß der Teilstrom auch einen geringen Teil des Anionenaustauschers durchströmt hat. Der abzuleitende Teilstrom weist jedoch auch bei dieser Ausführungsform noch eine ausreichende Anionenkonzentration auf.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 und 8 wird erreicht, daß jedes beliebige Verhältnis von im wesentlichen nur kationenausgetauschtem Wasser zu kationen- und anionenausgetauschtem Wasser auf einfache Weise im Fertigwasser einge stellt werden kann.

Werden zwei Behälter, jeweils mit einem Anionen- und einem Kationenaustau scher, verwendet, und wird ein Anionenaustauscher mit HCl und der andere Anio nenaustauscher mit H₂SO₄ regeneriert, so erhält man aus dem Behälter mit dem HCl regenerierten Anionenaustauscher chloridreiches und aus dem Behälter mit dem H₂SO₄ regenerierten Anionenaustauscher sulfatreiches Fertigwasser. Durch Mischen der beiden Fertigwässer läßt sich die Chlorid- und Sulfatkonzentration im Fertigwasser beliebig einstellen. Die Vorrichtung kann jedoch auch mehr als zwei, d. h. beispielsweise vier Behälter umfassen. Werden nun beispielsweise zwei Be hälter mit HCl und zwei Behälter mit H₂SO₄ regeneriert, so erhält man jeweils zwei gegen Chlorid und zwei gegen Sulfat austauschende Anionenaustauscher. Sind jeweils die beiden mit gegen Chlorid bzw. die beiden gegen Sulfat austauschen den Anionenaustauscher in einem unterschiedlichen Regenerationszustand, so lassen sich durch diese Vorrichtung sowohl die zeitlichen Schwankungen der Anionenkonzentration verringern, als auch bestimmte Chlorid- und Sulfatgehalte einstellen.

Die Ionenaustauschanlage wird gemäß Anspruch 9 insbesondere zur Brauwas seraufbereitung verwendet.

Mittels des Verfahrens nach Anspruch 10 ist es möglich, ein Fertigwasser mit be stimmten Anionenkonzentrationen herzustellen.

Die Erfindung wird nunmehr an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrie ben.

Die einzige Zeichnung zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor richtung.

Der kreiszylindrische Behälter 11, beispielsweise 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 Durchmes serebene angeordnet, der an sich flüssigkeitsundurchlässig ist, jedoch flächenmä ßig gleich verteilte Düsen 18 besitzt, die ebenfalls nach beiden Richtungen durch lässig sind. Ein Raum 19 zwischen der Kappe 13 und dem Boden 17 dient als Druckausgleichsraum für von unten nach oben strömende Flüssigkeit (bei der Ge genstromregeneration), so daß jede Düse 18 vom gleichen Druck beaufschlagt wird.

Zwischen den Böden 14, 17 ist ein Raum 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 Chlo rid- 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 Regenerati onsmittels jederzeit bestimmen, ob man ein sulfat- oder chloridreicheres Fertig wasser haben möchte.

Verwendet man zwei Behälter 11 und läßt den einen Raum 21 mit H₂SO₄ und den anderen mit HCl regenerieren, so kann man jederzeit jeden Sulfat- und Chloridge halt 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 Verteilersy stem 37 zugeführt werden. Gleichermaßen kann auf der anderen Seite über eine Leitung 41 aus dem Recyclingbehälter 42 über eine Pumpe 43 Flüssigkeit zuge führt 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 Differenzleitfähigkeits-Messer 31 mit ei nem 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 Wasser qualität im Bereich des Pegels 22 mit derjenigen auf der Höhe des Drainagerohr systems vergleicht, kann man den Differenzleitwert ermitteln und feststellen, in wieweit 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 Regenerier wassertank 64. Über eine Leitung 66 und einen Mengenmesser 67 kann Regene rierwasser zu einem Injektor 68 unter Druck geführt werden. Dessen Mischstelle kann über einen Säurezumeßbehälter 69 Säure zugeführt werden, nämlich ent weder HCl oder H₂SO₄. Je nachdem, ob in dem Raum 21 das Anionenaustausch harz in Chlorid- oder Sulfatform oder in Kombination von beiden vorliegt, wird HCl oder H₂SO₄ oder eine Kombination von beiden verwendet. Der Säurezumeßbe hälter 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.

Falls der Raum 21 kleiner als beim Ausführungsbiel bemessen wird, kann man auch von der kreiszylindrischen Gestalt des Behälters abweichen. Der Be hälter um den Raum 21 herum kann einen kleineren Durchmesser haben als der Behälter um den Raum 24 herum.

Das aus der Leitung 57 herausfließende Wasser weist - da es den Anionenaus tauscher durchströmt hat - einen äußerst geringen Nitratgehalt auf und - je nach verwendeter Regeneriersäure - einen bestimmten Chlorid- und/oder Sulfatgehalt.

Man kann nun am Punkt 54, je nach Stellung der Ventile 53, 61, die beiden Was serströme - das im wesentlichen nur kationenausgetauschte Wasser und das ka tionen- und anionenausgetauschte Wasser - verschneiden und so ein Fertigwas ser nach eigenen Vorstellungen des Fachmanns, z. B. des Braumeisters erzielen.

So läßt sich beispielsweise ein Fertigwasser mit einer bestimmten Chlorid- und Sulfatkonzentration herstellen, wenn ein Teil des im wesentlichen nur kationen ausgetauschten Wassers, das eine bestimmte Sulfatkonzentration enthält, mit dem kationen- und anionenausgetauschten Wasser, das durch einen mit HCl re generierten Anionenaustauscher geströmt ist, vermischt wird. Wird der Anionen austauscher mit einem bestimmten Verhältnis von HCl/H₂SO₄ regeneriert, so weist das aus dem Kationen- und Anionenaustauscher ausgetretene Fertigwasser be reits einen gewünschte Sulfat- und Chloridgehalt auf, und durch das Verschneiden mit dem im wesentlichen nur kationenausgetauschten Wasser lassen sich weitere Anionenkonzentrationen, z. B. ein geringer Nitratgehalt einstellen.

Wie bereits oben erwähnt wurde, ist es ebenfalls möglich, zwei Behälter 11 zu verwenden. Jeder Behälter weist einen Raum für den Kationenaustauscher und einen für den Anionenaustauscher auf. Die beiden Behälter sind parallel geschal tet. Wird je ein Ionenaustauscher mit HCl und der andere mit H₂SO₄ regeneriert, so kann man die beiden Fertigwässer, das chlorid- und das sulfatreiche Fertig wasser, mischen und so den gewünschten Chlorid- und Sulfatgehalt im Fertigwas ser einstellen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, bei der Verwendung von zwei Behältern 11 die Ionenaustauscher mit der gleichen Säure, jedoch zeitlich versetzt, zu regene rieren. In einem Behälter 11 befindet sich dann beispielsweise frisch regenerierter Ionenaustauscher und im anderen Behälter 11 ein bereits relativ verbrauchter lo nenaustauscher. Wird das Fertigwasser aus diesen beiden Behältern gemischt, so werden die zeitlichen Schwankungen der verschiedenen Anionen über die Laufzeit des Ionenaustauschers verringert, so daß die Herstellung eines Fertigwassers mit einer zeitlich konstanteren Zusammensetzung möglich ist. Wird dieses Fertigwas ser mit einer zeitlich im wesentlichen konstanten Anionenkonzentration (z. B. Chloridkonzentration) mit dem im wesentlichen kationenausgetauschten Wasser verschnitten, so erhält man ein Fertigwasser mit einer bestimmten Chlorid- und Sulfatkonzentration, dessen zeitliche Konzentrationsschwankungen vermindert sind.

Selbstverständlich ist es auch möglich, bei der Verwendung von zwei Behältern 11 die Ionenaustauscher mit der gleichen Säure, jedoch zeitlich versetzt, zu regenerieren. In einem Behälter 11 befindet sich dann beispielsweise frisch regenerierter Ionenaustauscher und im anderen Behälter 11 ein bereits relativ verbrauchter Ionenaustauscher. Wird das Fertigwasser aus diesen beiden Behältern gemischt, so werden die zeitlichen Schwankungen der verschiedenen Anionen über die Laufzeit des Ionenaustauschers verringert, so daß die Herstellung eines Fertigwassers mit einer zeitlich konstanteren Zusammensetzung möglich ist. Wird dieses Fertigwasser mit einer zeitlich im wesentlichen konstanten Anionenkonzentration (z. B. Chloridkonzentration) mit dem im wesentlichen kationenausgetauschten Wasser verschnitten, so erhält man ein Fertigwasser mit einer bestimmten Chlorid- und Sulfatkonzentration, dessen zeitliche Konzentrationsschwankungen vermindert sind.

Claims

1. Ionenaustauschanlage

1. mit einer ersten Kammer (24) für Kationenharz
2. mit einer zweiten Kammer (21) für Anionenharz
3. wobei die erste Kammer (24) im Rohwasserstrom stromauf der zweiten Kammer (21) liegt,

gekennzeichnet durch

1. ein Leitungssystem (28, 29, 49) zum Ableiten eines Teilstromes von katio nenausgetauschtem Wasser und
2. einer Verschneideeinrichtung (54) mit der der Teilstrom von kationenaus getauschtem Wasser mit dem Strom kationen- und anionenausgetausch tem Wasser zusammenführbar ist.

2. Ionenaustauschanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (24) und die zweite Kammer (21) getrennte Behälter sind, die über eine Leitung miteinander verbunden sind.

3. Ionenaustauschanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (23) und die zweite Kammer (21) in einem gemeinsamen Be hälter (11) angeordnet sind.

4. Ionenaustauschanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (24) über der zweiten Kammer (21) angeordnet ist.

5. Ionenaustauschanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (24) von der zweiten Kammer (21) durch einen Düsen (16) aufweisenden Boden getrennt ist.

6. Ionenaustauschanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (28, 29, 49) zum Ableiten eines Teilstroms von kationenausgetauschtem Wasser ein im Kationenaustausch harz befindliches Drainagerohrsystem (28, 29) umfaßt, das sich zumindest über einen Teil des Querschnitts des Behälters erstreckt.

7. Ionenaustauschanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (28, 29, 49) ein Mengenstellglied (52) aufweist.

8. Ionenaustauschanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung für das kationen- und anionenausge tauschte Wasser ein Mengenstellglied (59) angeordnet ist.

9. Verwendung der Ionenaustauschanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Brauwasseraufbereitung.

10. Verfahren zum Aufbereiten von Wasser mit einer Ionenaustauschanlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom kationenausgetauschtem Wasser mit dem kationen- und anionenausgetauschtem Wasser zusammengeführt wird.