NO172928B - Fremgangsmaate for vaeskebehandling - Google Patents

Description

BESKRIVELSE

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for behandling av væsker med henblikk på fjerning av en eller flere væskebestanddeler. Væsken ledes gjennom et lag av et materiale i partikkelform (i etterfølgende benevnt "partikkelstoff") som vil ekstrahere den angjeldende bestanddel fra væsken.

Fremgangsmåter av denne hovedtype er i og for seg kjent. Partikkelstoff består vanligvis

av en kunstharpiks for ekstrahering, ved jonebytting, av en eller flere bestanddeler fra den aktuelle væsken. Jonebyttingsprosesser anvendes for bløtgjøring av vann som derved ledes gjennom et lag av spesielle kationebytter-kunstharpiks partikler som vil fjerne skalldannere, så som kalsium og magnesium. For å fornye laget, ledes en egnet regenereringsløsning periodisk gjennom dette.

Prosesser av ovennevnte hovedtype anvendes også for rensing eller ekstrahering av kjemikalier fra væsker. Prosessene er også egnet for behandling av gasser.

US-patentskrift nr. 3.385.788 og nr. 3.386.914 beskriver eksempler på forstadiumsprosesser av ovennevnte type. Det er i begge tilfeller tale om jonebyttingsprosesser som gjennomføres ved bruk av et lag av jonebytter-kunstharpiks. En kjent og ofte brukt apparatur for gjennomføring av de ovennevnte prosesser (innbefattende prosessene ifølge de nevnte patentskrifter) kan benevnes "jonebyttekollonne", og omfatter en vertikaltstilt trykkbeholder. Partikkelstoffet er vanligvis utlagt i et enkelt lag i beholderens nedre del, og væsken som innføres i beholderens øvre.ende, vil under behandlingen passere nedad gjennom partikkelskiktet. Et fribord ovenfor lagets overside utgjør ca. 50 % av partikkelstoff volumet. Harpikslaget kan derfor utvides ved svelging og

fluidiseres ved tilbakespyling for rensing.

Ovenfor partikkelstofflaget er det i beholderens væskeinntak montert en fordeler for spreding av innstrømmende væske over partikkelstofflagets overside. Fordeleren tjener også som samlerør under tilbakespylingen, og kan sammenkoples med avløpsrør, for fjerning av forurenset spylevann. Fordeleren hindrer at innstrømmende væske ledes direkte mot partikkelstofflagets overside, med forstyrrende innvirkning på oversidestrukturen slik at denne ikke bevares jevn og klar. Det er konstatert at gropdannelser i harpikslaget forkorter lagets levetid og medfører dårlig efluentkvalitet.

Som omtalt i de ovennevnte US-patentskrifter, bør partikkelstofflaget fornyes periodisk ved tilsetting av et regenereringsmiddel. Under fordeleren i væskeinntaket og ovenfor harpikslaget er det derfor vanligvis montert en regenereringsmiddelfordeler. Ved denne plassering unngås at regenereringsmiddelet fortynnes av vann i fribords-tomrommet, samtidig som behovet for transportvann reduseres. Regenereringsmiddelfordeleren kan anordnes som et rørsystem med dyser for utspreding av middelet over harpikslaget.

Væsken kan utstrømme fra beholderens nedre del gjennom et ledningssystem nederst i harpikslaget og i forbindelse med et utløp/vanninntak i beholderbunden.

Denne kjente apparatur er beheftet med flere ulemper, bl.a. at væskefordelingssystemet er komplisert og kostbart. Det må brukes rustfrie materialer og det kreves konstruksjonsmessig styrke som er tilstrekkelig stor til å oppta både tyngden av harpikslaget og det hydrauliske trykk i beholderen. Ujevn pakkingsgrad i harpikslaget kan medføre dårlig fordeling av væskestrømmen gjennom laget, hvorved noe av væsken som behandles, kan bringe en del av partikkelstoffet ut av funksjon, ved derav følgende utilfredsstillende rensing av væsken. Dårlig strømningsfordeling kan motvirkes ved at partikkelstofflaget renses ofte, for å løse opp harpikslaget samt gradere og pakke harpiksen på ny.

Dårlig væskestrømsfordeling kan også tilskrives partikkelstoffets tendens til å øke og minske i volum ved endring av joneform og ved forandring av konsentrasjonen av væsken i kontakt med partikkelstoffet. En meget basisk anjoneharpiks endrer sitt volum med ca. 15 % ved overgang fra klorid til hydoksyl. Harpikskrymping på dette stadium kan forårsake ujevn pakking og gal fordeling.

Virkningene av ujevn harpikspakking eller varierende nøyde av harpikslaget kan begrenses ved at laget anordnes med en bestemt minimumshøyde, fortrinnsvis ca. 76 cm. Det er imidlertid konstatert at på et gitt tidspunkt vil jonebytting bare foregå i en mindre del eller "byttesone" av hele harpikslaget, hvor høyden er vesentlig mindre enn 76 cm. En høydeminskning (med derav følgende prisbesparelse) har imidlertid generelt vært ansett ugjennomførlig grunnet ujevn strønaningsfordeling som vil gjøre prosessen inneffektiv.

Oppfinnelsen har som formål å angi en fremgangsmåte slik som angitt i etterfølgende patentkrav, og som vil avhjelpe eller redusere disse forstadiumsproblemer. Et annet formål er å oppnå en jevn strømningsfordeling over tverrsnittsflaten av et harpikslag hvis høyde er tilnærmelsesvis lik eller minde enn de vanlige 76 cm.

Dette vil oppnås ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i tilknytning til en apparatur som beskrevet i det etterfølgende i tuknytning til de medfølgende tegninger, hvori:

Figur 1 viser et vertikalsnitt av en jonebytterkolonne av kjent type.

Figur 2 viser et snitt, i likhet med figur 1, av en apparatur for anvendelse ved utøving av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Figur 3a - 3b viser hhv. et vertikalsnitt og et sideriss av en samlerørsplate i apparaturen ifølge figur 2. Figur 4 viser et snitt, i likhet med figur 2, men delvis utstrukket, som illustrerer en av de måter som benyttes for ønsket overpakking av harpikslaget i apparaturen. Figur 5-6 viser snitt, i likhet med figur 2, som illustrerer hvor langt den ønskede overpakking kan oppnås på en alternativ måte. Figur 7-9 viser diagrammer som illustrerer typiske resultater som er oppnådd ved utøving av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Figur 10 viser et skjematiske riss av et alternativt kunstharpikslag.

Det er i figur 1 vist en jonebytterkolonne av kjent type og omfattende en stort sett vertikal og sylindrisk trykkbeholder eller -kappe 20 med bueformede topper 22 og 24. Et kunstharpikslag 26 er fritt utlagt i beholderen 20. Som tidligere nevnt, er harpikslaget anordnet slik i beholderen at det gjenstår et tomrom 28, tilsvarende ca. 50 % av harpiksvolumet, ovenfor harpikslaget. For et harpikslag av typisk høyde 76 cm, vil dette motsvare en væsketilbakeholding av 1,25 kubikkcentimeter pr. kvadratcentimeter tverrsnittsflate i tillegg til harpiksens mellomromsvolum. Dette volum behøves i forstadiet, for at harpikslaget skal kunne svelge, utvides og fluidiseres ved tilbakespyling. Det er imidlertid uheldig at væskemengden som opptar nevnte volum, ikke kan utnyttes til å rearere med harpiksen.

Et væskeinnløp 30 er anordnet øverst på beholderen 20. Innløpet er forbundet med en fordeler 32 som gjør det mulig å fordele væske over partikkelstofflaget, uten at lagoverflaten forstyrres. Under tilbakespyling vil fordeleren fungere som en væskeoppsamler.

Et rørsystem 34 som er montert under fordeleren 32 i en høyde av ca. 15 cm over harpikslagets overside, tjener som regenereringsmiddelfordeler og står i forbindelse med et inntak 36 for slikt middel. I rørsystemet inngår dyser 38 for fremføring av regenreringsmiddelet til harpikslaget.

Et utløp/tilbakespylingsinntak 40 i bunden av beholderen 20. står Lforhindelse med et avledingssystem 42 nederst i harpikslaget, for overføring av væske fra beholderen under vanlig drift. Gjennom avledingssystemet kan det også på passende tidspunkter overføres tilbakespylingsvæsker til harpikslaget. Ved bruk av underlag i beholderen, kan avledingssystemet 42 ha form av et nav, plassert midt i det nedre samlerør 24 til beholderen umiddelbart over utløpet/ inntaket 40, med utadragende og bueformede, hullforsynte sidearmer. Hvis underlaget utelates, kan det anvendes et avledings-rørsystem med åpninger av mindre dimmensjon enn harpikspartiklene og plassert over en forsterket og plan, nedre beholderende, som vist.

I figur 2 er det vist en apparatur for anvendelser ved utøvingav fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og med en beholder 44 som opptar harpikslaget 46. Beholderen er forsynt med innløps- og utløpsmunninger 48 og 50, for at harpikslaget skal kunne gjennomstrømmes av væske. Det fastholdte harpikslag i beholderen omfatter to endeflater 46a og 46b med stort sett konstant avstand 52 og et sirkelformet tverrsnitt som i dette tilfellet er konstant men som kan øke jevnt mellom endeflatene. Harpikslaget avgrenses av samlerør 54 og 56 ved endeflatene hhv. 46a og 46b. Hvert samlerør innbefatter en gruppe væskegjennomløpsåpninger (figur 3) som forbinder laget med den angjeldende munning 48 eller 50 for tilnærmet jevn væskestrømsfordeling over lagets tverrsnitt ved den aktuelle endeflate 46a eller 46b. Materialet i laget har praktisk talt ensartet partikkelstørrelse og vil i overpakket tilstand avgrenses fullstendig av samlerørene 54 og 56. Partikkelstørrelse og overpakkingsgrad velges med henblikk på stort sett jevn fordeling, over harpikslagets tverrsnittsflate, av væskestrømmen mellom de to endeflater 46a og 46b.

Ifølge figur 2 består beholderen 44 av et kort rør 58 med flenser 60 og 62 i rørendene. Røret og flensene danner beholderens "kappe" som opptar partikkelstofflaget. Som vist i figur 2, omfatter hvert samlerør 54 og 56 en sirkelformet plate av samme diameter som flensene 60 og 62 og utstyrt med de ovennevnte væskegjennomløsåpninger 64. Åpningene står i forbindelse med samlerørsplatens innerflate (i tilgrensning til harpikslaget), og en sikt, med huller av mindre dimmensjon enn harpikslagets antatt minste partikkelstørrelse, som er montert mellom samlerørsplaten og harpikslaget, hindrer harpikspartikler i å falle ned i platehullene. Hver samlerørsplate med tilhørende sikt fastholdes av en bakplate hhv.

74 og 76 ved hjelp av spennbolter 78 og 80.

Figur 3a viser et radialsnitt av en samlerørsplate 56 som vist i figur 2, med en sirkelformet midtåpning 82 som omgir en symetriakse x-x, og opptar et rørformet ledd 84 som danner innløpsmunningen 50. Åpningen 82 sperres av en sirkelformet lederplate 86 som opptar en del av energien i den innstrømmende væsken og forhindrer at væskestømmen treffer harpikslaget med full styrke. Samlerørsplate, ledd og lederplate er i dette tilfellet tilvirket av polypropelen og sammensveiset på vanlig måte.

Figur 3b viser deler av samlerørsplaten, med lederplaten utelatt. Strømningskanaler 88 strekker seg radialt utad mellom midtåpningen 82 og en forseglingsflate 90 som omslutter innerflaten av samlerørsplaten og er utstyrt med spor 90 for montering av en pakning 70. En rekke jevnt fordelte huller 74 i samlerørsplaten er tilpasset for innføring av spennbolter 78. Hver av de viste strørnningskanaler forgrenes i tre snevrere kanaler 88a. Væsken kan derfor både samles og fordeles over hele harpikslagtverrsnittet og ledes mot det angjeldende utløp eller omvendt. Kanalene bør være utformet for opprettholdelse av den ønskede strømningsmengde og dimmensjonert for en væsketilbakeholding av maksimalt 0,04 og helst 0,03 kubikkcentimeter pr. kvadratcentimeter samlerørsplate. De stort sett identiske samlerørsplater 54 og 56 kan være fremstilt av (rustfritt) stål eller av plast, forsterket med stålplater 74 og 76, som vist i figur 2.

De industrielt og kommersielt vanligst benyttede jonebytter-kunstharpikser er av US-standard fraksjon 16-40 med en effektiv partikkelstørrelse av ca. 0,5 mm. I harpikslag 46 anvendes fortrinnsvis harpiks av fraksjon 80 - 120 med effektiv partikkelstørrelse ca. 0,12 mm. I tillegg til utmerket jonebyttingskinetikk har disse finkonede harpikser, jevnført med mer grovkornede, flere fortrinn, nemlig:

1. De har mye større mekaniske styrke.

2. De er adskillig mindre utsatt for slitasje grunnet svelging og krymping.

3. Et finpartiklet harpikslags gjennomtrengelighet er vesentlig mindre. I laminere strømninger som vanligvis oppstår under jonebytting, er trykkfallet tilnærmelsesvis omvendt proposjonalt med kvadratet på partikkeldiameteren. Trykkfallet gir et 76 cm tykt lag av det ovennevnte partikkelstoff kan følgelig antas stort sett å tilsvare trykkfallet i et 122 cm tykt harpikslag av vanlig partikkelstørrelse og med samme strømningsfordeling. 4. Slam av slikt finpartikkelstoff kan lett suspenderes og pumpes, hvilket er av stor betydning, som omtalt i det etterfølgende.

Ved fremgansmåten ifølge oppfinnelsen ledes væsken gjennom et overpakket lag av partikkestoff, hvorved den ønskede bestanddel ekstraheres fra væsken. De generelt like store partikler i laget er brakt i overpakket tilstand mellom lagets to endeflater, ved å holdes på plass i laget under konstant trykkpåvirkning av endeflatene. Lagets dybde mellom endeflatene er stor sett konstant, og tverrsnittet er uforandret eller jevt økende mellom endeflatene. Væsken spredes jevnt over den øvre endeflate, for å gjennomstrømme finstofflaget og oppsamles ved den annen endeflate. Som tidligere nevnt, er partikkelstørrelse og overpakkingsgrad valgt med henblikk på praktisk talt jevn væskespreding over lagtverrsnittet.

Det er konstatert at de ovennevnte forstadiums-ulemper kan unngås eller reduseres ved bruk av fremgangsmåten og apparaturen ifølge oppfinnelsen. Praktiske forsøk har vist at en meget enhetlig strømning kan oppnås i et jonebytter-harpikslag av mindre tykkelse enn de vanlig 76 cm. Jevnført med konvensjonelt utstyr kan det også oppnås betydelig kostnadsbesparelse. En annen fordel er at det har vist seg mulig å plassere beholderen på andre måter enn i den vanlige vertikalstilling, hvilket kan være av praktisk betydning.

Partikkelstoffet anvendes i slik mengde at det "overpakkes", uten at det avgrenses et fritt tomrom ovenfor laget 46. partikkelstofflaget blir derved relativt ubevegelig. Ved jevn pakking blir lagets dybde og trykkfallet ensartet i lagets fulle utstrekning. Fastholdingen av laget er også fordelaktig, forde oppadrettet gjennomstrøming kan finne sted uten at lagstrukturen forstyrres. Det avgrensede laget vil også effektivt stabilisere siktene mot forskyvning under påvirkning av væskestrømmen. Avgrensingen vil forhindre at partikkelstofflaget gjøres flytende under tilbakespilling..

Overpakningen medfører en viss deformasjon av partikkelstoffmaterialet, hvilket vil kompensere forekommende materialkrymping under drift og forebygge ujevn pakking.

Det er også konstatert, at ved overpakking kan kolonnen plasseres med horisontalt forløpende midtakse, for gjennomstrømning i horisontaketning i stedenfor i vertikaketning. Dette er i praksis umulig ved bruk av vanlig kolonne hvori harpikspartiklene vil synke ned og væske strømme over lagets overside og ikke gjennom laget. Prinsippet ifølge US-patentskrift 3.385.788 er eksempelvis basert på bruk av vertikaltstilt kolonne.

Konvensjonelle jonebytterkolonner drives vanligvis for maksimal jonebyttmgsfunksjon ved drøyt 75 % av maksimumkapasiteten. Jonebyttingskapasiteten uttrykkes i gramekvivalenter pr. liter harpiks.

Ifølge oppfinnelsen utnyttes derimot fortrinnsvis mindre enn 75 % og vanligvis mindre enn 35 % av den totale jonebyttingskapasitet. Hvis f.eks. en jonebyttingsharpiks, etter fullstending omdanning fra en joneform til en annen, viser en volumendring av 15 %, ville volumendringen bare utgjør 1,9 % ved 12,5 % kapasitetsutnytting. Dette er langt under den tillatte, øvre deformasjonsgrense for de fleste jonebytterharpikser. Tre alternativer for overpakking av harpiksen i beholderen er beskrevet i det etterfølgende i tilknytning til figur 4-6.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til behandling av en væske for å fjerne en komponent derifra hvori fluidet føres gjennom et lag partikkelmateriale i form av en ionebytter-kunstharpiks som er i stand til både å ta opp komponenten fra væsken og til å regeneres på stedet og hvis volum ville endres merkbart ved anvendelse uten romlige begrensninger karakterisert ved at laget omfatter partikler med en i det vesentlige ensartet størrelse som er mindre enn 0,42 mm (siktstørrelse Tyler 35) og som holdes i en overpakket tilstand mellom lagets første og andre endeflater, idet laget har en i det vesentlige konstant dybde mellom de nevnte flater på mindre enn ca. 76 cm (30 tommer) og et tverrsnittsareal som er konstant eller øker jevnt fra en flate til den andre, og hvori væsken føres gjennom laget ved at den fordeles i det vesentlige ensartet over en av de nevnte endeflater, idet væsken tillates å strømme gjennom laget idet væsken oppsamles i det vesentlige ensartet over den andre nevnte flate, idet partikkelstørrelsen i laget og graden av overpakking er valgt for å frembringe en i tverrsnittsareal ved strømning mellom det nevnte lags endeflater, hvilken prosess drives ved mindre enn ca. 35 % av sin maksimumkapasitet.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det nevnte materiales partikkelstørrelse befinner seg innenfor området 0,18 - 0,12 mm (Tylersiktet 80 - 115).

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at den drives ved ca. 12,5 % av prosessens maksimumskapasitet.

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det nevnte lag er ringformet og at den nevnte første og den nevnte andre flate avgrenses av sylindriske flater på ringens innerside og ytterside, og hvori væsken føres gjennom laget ved at væsken fordeles over en av de sylindriske flater og samles opp over den andre sylindriske flate.

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at den utføres i et kar med minst ett avtagbart forsatsstykke (header) som romlig begrenser lagets utbredelse ved dets ene endeflate, hvori laget dannes ved at forsatsstykket fjernes, karet overfylles med kunstharpikspartikler, og forsatsstykket settes på karet slik at det trykker partiklene sammen.

6. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at den utføres i et kar som inneholder det nevnte lag partikkelformet materiale og har en åpning til føring av det nevnte materiale inn i karet, hvori laget er dannet ved at det partikkelformede materialet pumpes inn i karet gjennom den nevnte åpning i form av en vandig suspensjon, vannet i suspensjonen tillates å unnslippe fra karet og pumpingen forsettes inntil det er oppnådd en forutbestemt grad av kunstharpikssammentrykning, hvilket viser at kunstharpiksen i karet er overpakket.

7. Fremgangsmåte i samsvar krav 5 eller 6, karakterisert ved at kunstharpiksen krympes før den føres inn i karet.