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Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von Flüssigkeiten oder
Flüssigkeitsgemischen mit Ionen-Austauschern
;\Ian pflegt lonen-Austauscher in immer
steigendem Maße licht nur für die Behandlung von Wasser zur Entifernung der Hörtebildner
zu verwenden, sondern uch vielfach bei der Verarbeitung organischer Flüssigkeiten,
z. B. Zuckersäfte, Fruchtsäfte oder Seren der verschiedensten Art, wie Blut, Lymphe
und Molkereiprodukte, etwa Molke.
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I)ie vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Arbeiten
mit Ionen-Austauschern und entsprechende Vorrichtungen hierzu.
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Während die schon länger üblichen Verfahren. z. B. zur Enthärtung
des Wassers, im allgemeinen den gestellten Anforderungen genügen, treten bei der
Verarbeitung hochwertiger und chemisch verwickelt zusammengesetzter Flüssigkeiten
mannigfaltige Schwierigkeiten auf. Ein wesentlicher Nachteil der üblichen Vorrichtungen
zur Verarbeitung von Flüssigkeiten mit Hilfe von lonenrAustauschern liegt darin,
daß diese nicht vollständig mit den Austauschern gefüllt werden können, sondern
wegen der notwendigen Anordnung von Zuführungen, Ableitungen und sonstiger mechanischer
Teile notwendigerweise eine Ausgestaltung haben, bei der sich gewisse tote Räume
nicht vermeiden lassen. Darüber hinaus aber müssen die Austauschermassen von Zeit
zu Zeit regeneriert werden, was im allgemeinen derart geschieht, daß die Austauscher
mit Lösungen bestimmter chemischer Verbindungen behandelt werden. Ferner ist es
auch Voll Zeit zu Zeit notwendig, die Austauschermassen aufzulockern und ihnen mechanisch
anhaftende Verunerinigungen zu entfernen. Bei
dieser Rückspülung
muß man die Austauschermasse in geeigneter Weise in Bewegung bringen, beispielsweise
indem man die zur Rückspülung dienende Flüssigkeit unter Druck von unten her durch
die Masse führt, wobei man gegebenenfalls noch Gase, wie Luft, zu Hilfe nehmen kann.
Dabei wird das sonst festliegende Bett der Austauschermasse kräftig aufgewirbelt,
um so der Spülflüssigkeit zu allen Teilen der Austauschermasse Zutritt zu verschaffen
und sie damit möglichst innig in Berührung zu bringen. Insbesondere mit Rücksicht
auf die hiermit verbundene Volumenvermehrung müssen die Vorrichtungen, in denen
die Austauschermassen untergebracht sind, wesentlich größer sein als es erforderlich
wäre, wenn man nur dn Raum der festTiegemlden Austauschermassen zu berücksichtigen
hätte, den sie bei dem eigentlichen Betrieb sowie der gewöhnlichen Regeneration
einnimmt. Vor allem also wegen der zuletzt beschriebienen Verhältnisse ergeben sich
in den Vorrichtungen große tote Räume, die insbesondere bei der Verarbeitung wertvoller
Flüssigkeiten einen erheblichen Nachteil bedeuten. In diesen toten Räumen bleiben
nämlich wesentliche Mengen der zu behandelnden Flüssigkeit zurück und gehen beim
Wechsel der Beschickung, z. B. beim Spülen oder beim Regenerieren für die weitere
Verarbeitung verloren.
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Desgleichen wirken sich die toten Räume ähnlich nachteilig hei der
Wiederbesehickung mit der eigentlichen zu verarbeitenden Flüssigkeit aus.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die angeführten Nachteile
in technisch vorteilhafter Weise zu vermeilden und somit den Anwendungsbereich der
Ionen-Austauscher auch auf solche Ausgangsstoffe zu erweitern, die man bisher in
technisch befriedigender Weise mit Ionen-Austauschern nicht behandeln konnte. Es
wurde nämlich gefun den, daß die genannten Nachteile sich weitgehend oder völlig
beheben lassen, wenn man die Menge der zu behandelnden Flüssigkeit so bemißt, daß
sie möglichst nur mit den mit Austauschermasse beschickten Teilen der benutzten
Vorrichtung in Berührung steht. Der Ausdruck bemißt ist in weitem Sinne derart zu
verstehen, daß sämtliche Anordnungen den Grundgedanken der Erfindung verkörpern;
die es ermöglichen, das angegebene Ziel zu erreichen, nämlich jenen überschuß an
zu behandelnder Flüssigkeit über den unmittelbar mit der Austauschermasse in Berührung
befindlichen Anteil soweit als tunlich und technisch möglich zu vermeiden. Das Bemessen
der kritischen Flüssigkeitsmenge bedeutet also nicht bzw. nicht nur eine Feststellung
ihres Gewichts bzw. Volumens, sonderen umfaßt auch Art und Abmessungen des Behälters
für die Austauschermasse, also des eigentlichen Verarbeitungsgefäßes, sowie die
geeignete Wahl der Masse selbst, deren Körnung, Anordmug, des Einbaus, die Führung
der Zur und Ableitungen und Art und Beschaffenheit sonstiger Bauelemente usw.
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Eine wesentliche Verkörperung der Erfindung besteht darin, den Umfang
der erwähnten toten Räume auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Bei den üblichen Vorrichtungen
hat man im wesentlichen mit zwei Arten von toten Räumen zu rechnen. Zur näheren
Erläuterung dient die Abb. I. Diese stellt einen senkrechten Schnitt durch eine
iibliche derartige Vorrichtung dar. Darin bedeutet I die Außenwandung des die Fi
Itermasse umfassenden Behälters, 2 und 3 die Zur und Ablaufleitungen für die zu
behandelnde oder die zur Regeneration dienende Flüssigkeit, 4 und 5 die Zur und
Ablaufleitung für die Rückspülung, 6 den unteren toten Raum, 7 die Düsenplatte,
auf der die Austauschermasse aufliegt, 8 die Austauschermasse selbst und 9 den oberen
toten Raum. Inlyesondere der obere tote Raum muß, wie aus den ollen geschilderten
Verhältnissen hervorgeht, verhältnismäßig umfangreich sein und durchschnittlich
ein Viertel bis zur Hälfte des Gesamtraumes einnehmen.
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Zur möglichst weitg4nden Vermeidung bzw.
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Unschädlichmachung der toten Räume werden nach der vorliegenden Erfindung
die nachstehend beschriebenen Wege eingeschlagen. Um den unteren toten Raum auf
ein Mindestmaß zurückzuführen, wird er mit möglichst glatten, indifferenten Füllkörpern
von geringer relativer Oberfläche beschickt.
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Am einfachsten wählt man für die äußere Form dieser Füllkörper Kugelform
oder ähnliche Formen Die Füllkörper können beispielsweise aus Kugeln aus Porzellan
oder anderen keramischen Stoffen mit flüssigkeitsundurchlässiger Oberfläche, Glas
oder auch Kunststoffen entsprechender Beschafenheit bestehen. Eine lsesonders für
größere Vorrichtungen sehr zweckmäßige Art von Füllkörpern sind die als Geschiebe
bekannten glatten und in ihrer Form mehr oder weniger kugelähnlichen Gesteinstrümmer
aus Flüssen und anderen Gewässern. Die Wahl des jeweils zweckmäßigsten Stoffes,
aus dem diese Füllkörper bestehen, richtet sich nach der Beschaffenheit der zu verarbeitenden
Flüssigkeiten. Der Durchmesser und die Größe der Füllkörper hängt im allgemeinen
von den Ahmessungen der zu heschickenden Vorrichtungen ab.
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Im allgemeinen wählt man den Durchmesser größenordnungsmäßig oberhalb
des Durchmessers der Teilchen der Austauschermasse. Auf der anderen Seite soll der
Durchmesser merklich unterhalb demjenigen liegen, der sich aus der Höhe des unteren
toten Raumes ergibt. Vielfach ist es von besonderem Vorteil für die lieschickung
dieses Raumes, Füllkörper von verschiedenem Durchmesser, z. B. zwei oder drei verschieden
große Arten, zu wählen, wobei man deren Durchmesser so aufeinander abstimmt, daß
eine möglichst weitgehende Raumerfüllung erreicht wird. Es kann auch zweckmäßig
sein, Mischungen von Füllkörpern aus verschiedenen Werkstoffen zu verwenden. Die
Beschickung des unteren toten Raumes in der genannten Art bringt außer der angestrebten
Verringerung des Flüssigkeitsvolumens noch den weiteren Vorteil, daß sie den Lauf
der unter Druck einströmenden Flüssigkeit günstig beeinflußt derart, daß die sonst
auftretenden, störenden turbulenten Strömungen weitgehend in laminare umgewandelt
werden und bei einem Wechsel der Flüssigkeiten deren Ver-
mischung
vechindern. An deren Stelle tritt eine sehr günstige gleichmäßige und ruhige Verhdrängang.
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Um die schädliche Wirkung des für die Rückspülung notwendigen, sonst
aber unbenutzten und deshalb unerwünscllten großen oberen toten Raumes während des
normalen Betriebes auszuschalten, hält man den Flüssigkeitsspiegel möglichst knapp
über der oberen Grenze der Austauscherschicht. Zu diesem Zweck kann man sich beispielsweise
der durch die Al>b. 2 dargestellten Anordnung bedienen.
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Um mit der dargestellten Vorrichtung den Flüssigkeitsspiegel 10 in
der gewünschten Weise möglichst unmittelbar oberhalb der Oberfläche der Austauschermasse
zu halten, ist das Rohr I I eingebaut, das in die Überlaufvorrichtung 12 mündet.
Die Flüssigkeit wird während des normalen Betriebes wie auch bei <lr Regeneration
durch das Rohr I3 zugeführt. Dieses Rohr endet in der Zulaufvorrichtung 14. Um während
der gesamten Betriebsdauer den Stand des Flüssigkeitsspiegels möglichst auf derselben
Höhe zu halten, kann man zusätzlich eine mit einer Schwimmervorrichtung versehene
Be- und Entlüftungsanlage anordnen, durch die aus einem Druckliehälter Gase, z.
B. Luft, entsprechend zur oder abgeführt werden.
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Von besonderer Bedeutung ist es, den von oben her erfolgenden Zulauf
der jeweils zuzuführenden Flüssigkeit derart zu gestalten, daß ein möglichst wirbelfreier
Zustrom und eine gleichmäßige Verteilung über den gesamten Filterquerschnitt bewirkt
wird. Dies wird schr vorteilhaft durch die in Al>b. 3 wiedergegebene Anordnung
erzielt. Sie besteht dariii, daß ein von oben nach unten geführtes Zuleitungsrohr
13 in ein von unten nach oben verlaufendes Beruhigungsrohr 15 mündet. Die aus dem
Zuleitungsrohr durch dessen untere Öffnung bzw. aus seitlichen Schlitzen i6 unter
Druck austretende Flüssigkeit strömt hei dieser Anordnung mit einer erheblich, z.
B. auf mindestens ein Zehntel der ursprünglichen Geschwindigkeit, herabgesetzten
Geschwindigkeit an dem oberen Rand des Beruhigungsrohres aus und verteilt sich dann
praktisch wirbelfrei über den ganzen Querschnitt der Filtermasse. Eine besonders
günstige Überleitung der von unten nach oben verlaufenden Strömung im Beruhigungsrohr
in eine wirbelfreie Strömung wird durch eine zweckmäßig stromlinienförmige Erweiterung
I7 des oberen Randes des Beruhigungsrohres erreicht.
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Um in der Austauschermasse selbst an der Stelle, wo die Zulaufvorrichtung
14 eingebettet ist, ebenfalls ein möglichst günstiges Strömen der Flüssigkeit zu
erreichen, wird das untere Ende der Zulaufvorrichtung I8 kegelförmig gestaltet.
Die Höhe des Ueruhigungsrohres kann beispielsweise das 5-bis 15 fach des Durchmessers
des Zulaufrohres betragen, der Durchmesser des Beruhigungsrohres etwa das 2- bis
5 fache. Zur Abführung der bei der Riickspülung entstehenden Flüssigkeitsmengen
wird an einem hochgelegenen Punkt des oberen Hohlraumes eine beispielsweise als
Trichter ausgebildete Überlaufvorrichtung angeordnet.
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Eine weitere Verbesserung der Gesamtvorrichtung bezieht sich auf
folgenden Sachverhalt. Durch die mechanische Beanspruchung der Austauschermasse
während des Betriebes werden nach und nach gewisse Anteile davon in immer feinere
Teilchen umgewandelt. Außerdem setzen sich mit der Zeit in der Masse je nach der
Art der Zusammensetzung der zur Verarbeitung gelangenden Lösung festeVerunreinigungen
ab, z.B. ausgeflocktes Eiweiß oder andere organische Stoffe. Es hat sich nun gezeigt,
daß zur Erhaltung eines dauernd voll wirksamen Austauscherbettes eine Entfernung
dieser mit der Zeit störend wirkenden Anteile zweckmäßig ist.
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Um dies zu erreichen, könnte man zwar die Rückspülung entsprechend
kräftig gestalten, doch würde dies den Nachteil mit sich bringen, daß man entweder
bei nicht genügend energischer Spülung die störenden Teilchen nur unvollkommen entfernte,
während bei zu lebhafter Betätigung der Rückspülung auch noch voll wirksame Teile
der wertvollen Austauschermasse gleichfalls weggetragen würden.
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Es wurde nun gefunden, daß man die Entfernung der störenden Anteile
ohne Verlust an noch wirksamer Austauschermasse in technisch einfacher Weise erreichen
kann, wenn man das Ende des Ablaufs 5 mit einem Siebkorb versieht, dessen Offnungen
kleiner sind als die kleinsten noch verwendbaren Teilchen des Austauschers. Unter
verwendbar sind solche Korngrößen zu verstehen, die dem Durchgang der zu verarbeitenden
Flüssigkeit keinen zu großen und daher störenden Widerstand entgegensetzen.
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Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung läßt man die Flüssigkeit
während der üblichen Behandlung und während der Regeneration von oben nach unten
durch die Austauschermasse strömen.
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Gleichwohl ist es aber auch möglich, die beschrie beinen Vorteile
auch dann zu erzielen, wenn man die Flüssigkeit in umgekehrter Richtung, d. h. von
unten nach oben, strömen läßt. In einem derartigen Fall kann man z. B. am Boden
des Behälters einen Zulauf für die Flüssigkeit vorsehen, durch den dann diese sowdhl
während der Behandlung als auch während der Regeneration und der Rückspülung eintritt.
Sinngemäß sind dann im oberen Teil des Behälters Abläufe vorzusehen, und zwar einer
etwa in der Höhe des oberen Endes der Austauscherschicht. Dieser wird während der
eigentlichen Behandlung sowie während der Regenerierung benutzt, während der Rückspülung
aber verschlossen. Der zweite Ablauf am oberen Ende des Behälters wird nur während
der Rückspülung benutzt.