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Verfahren und Vorrichtung zum Inberührungbringen einer kontinuierlich strömenden Phase oder eines Phasengemisches mit einer oder mehreren weiteren Phasen
Die Erfindung betrifft ein in vielfältigste Weise anwendbares Verfahren zum Inberührungbringen von Stoffen in den verschiedensten Aggregatzuständen, zwecks Vornahme physikalischen Stoffaustausches bzw. Stoffmischung und Stofftrennung wie auch zur Durchführung chemischer Reaktionen. Durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf spezielle Stoffaustauschoperationen wie Extraktion, Lösen von Gasen in Flüssigkeiten, Ab- und Adsorptionsvorgänge, Ionenaustausch, Filtrationsvorgänge, Gasabscheidung und chemische Umsetzungen ganz allgemein, ergeben sich viele Vorteile, wie in der folgenden Beschreibung noch deutlich hervortreten wird.
Die mit der kontinuierlichen, flüssigen Phase in Berührung zu bringende Phase bzw. zu bringenden Phasen bzw. zu trennenden Phasen können sowohl flüssige, gasförmige, wie auch feste Stoffe sein. Die Beschreibung der Erfindung soll jedoch zum Zwecke des besseren Verständnisses an Hand der allgemeinen und beinahe allen durch die Erfindung berührten Stoffaustausch-Operationen gemeinsamen Endstufe, der Phasentrennung und insbesondere der Abtrennung fester Stoffe der Filtration, erfolgen.
Anfangs war man bei der Filtration allein auf die Ausnutzung der Gravitation angewiesen und war daher gezwungen, die zu filtrierende Flüssigkeit von oben her auf eine Filterschicht zu bringen und alles weitere dann der Wirkung der Schwerkraft zu überlassen. Später erst lernte man den Filtratdurchsatz durch Anlegen eines Vakuums zu beschleunigen, und man erkannte auch, dass durch Anwendung von Druck auf die zu filtrierende Flüssigkeit ein noch grösserer Beschleunigungseffekt erzielt werden kann.
Durch die Anwendung von Druck kann, wie ebenfalls bestens bekannt ist, die Filtration auch so vorgenommen werden, dass die Flüssigkeit von unten nach oben strömt, wenn dies aus bestimmten Gründen zweckmässig ist. Als unumgängliche Tatsache wurde aber immer hingenommen, dass während des Abscheidungsvorganges die Strömungsrichtung der das Filter durchfliessenden Flüssigkeit überhaupt nicht geändert werden kann, und weiters, dass die Strömungsgeschwindigkeit in ganz bestimmten Grenzen und innerhalb eines Filterkörpers konstantgehalten werden muss, wenn ein sauberer Trenneffekt erzielt werden soll.
Mit der Erfindung werden diese Vorurteile überwunden, denn sie betrifft unter anderem auch ganz speziell ein Verfahren zum Filtrieren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die zu filtrierende Flüssigkeit während eines stufenweisen Filtriervorganges gezwungen wird, ihre Strömungsrichtung nach Passieren einer ersten Filterschicht umzukehren und hierauf in entgegengesetzter Richtung und gegebenenfalls unter entsprechender Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eine weitere Filterschicht zu durchqueren, die jedoch nicht gleichartig aufgebaut sein muss, worauf dieser Vorgang erforderlichenfalls mehrmals wiederholt werden kann.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch allgemein ein Verfahren zum Inberührungbringen einer kontinuierlich strömenden Phase oder eines Phasengemisches mit einer oder mehreren weiteren Phasen zwecks chemischer Umsetzung von Stoffen oder Trennung bzw. Filtration derselben, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das strömende Material mit Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, gegebenenfalls auch Mischungen derselben, vermischt und zum Passieren einer ersten, im wesentlichen aus Fasern oder Körnern bestehenden Feststoffschicht veranlasst wird, worauf die Strömungsrichtung um 1800 geändert und etwa vorhandene Gase oder flüssige Phasen, die sich im Bereich des Umkehrpunktes sammeln,
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abgezapft werden, und der Materialstrom sodann durch eine zweite, aus Fasern oder Körnern bestehende
Feststoffschicht hindurchgeleitet wird,
und dass gegebenenfalls das Durchleiten durch ähnliche Feststoff- schichten mehrmals wiederholt und die Strömungsrichtung vor dem Passieren jeder neuen Feststoffschicht in der genannten Weise geändert wird.
Gegenstand der Erfindung ist weiters auch eine Vorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im wesentlichen aus einem geschlossenen Gehäuse mit Anschlüssen für Zulauf, Ablauf und Rück- spülung bzw. Entlüftung besteht, in welchem auf entsprechenden Boden- oder Siebplatten zwei oder mehrere, gleich-oder verschiedenartig aufgebaute Feststoffschichten, welche aus einer oder mehreren verschiedenartigen Filterschichten bestehen können, welche durch Einbauten getrennt worden sind, je- doch durch einen Umkehrraum miteinander in Verbindung stehen, so dass die zu verarbeitende Flüssig- keit gezwungen ist, die vorhandenen Feststoffschichten zeitlich nacheinander und unter Umkehrung ihrer
Strömungsrichtung zu durchlaufen.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung darge- stellt. Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip der erfindungsgemässen Vorrichtung. Das in Form eines
Rechteckes angedeutete Gehäuse kann die Gestalt eines Zylinders, Kegels oder auch eines Quaders be- sitzen. In der Mitte dieses Gehäuses ist eine Trennwand T vorgesehen, die das Gefäss in zwei Räume teilt. In jedem dieser beiden Räume befinden sich die Filterschichten A und C. Der sich ober den
Filterschichten befindende Raum B ist der Umkehrraum, durch den die Flüssigkeit von dem einen Fil- terraum kommend zu fliessen gezwungen ist, wobei sie ihre Strömungsrichtung um 1800 ändert und dann den zweiten Filterraum durchläuft. Die leichteste Filterschicht liegt vor und nach dem Umkehrraum B.
In Fig. la ist schematisch dargestellt, wie durch Veränderung der Anschlüsse 1 und 3 die fein- ste und leichteste Filterschicht nicht mehr die Mitte der Filterschicht wie in Fig. 1, sondern den An- fang und das Ende der Filterschicht bildet.
Fig. Ib zeigt schematisch, wie durch die Umkehrung der Filterweg mehr als verdoppelt wird.
Die Fig. 2 zeigt den Prototyp der erfindungsgemässen Vorrichtung. In dieser speziellen Ausführungsform ist in einem zylindrischen Gefäss ein zylindrischer Einbau T eingezeichnet, dem die Funktion der Trennwand zukommt. Die Flüssigkeit tritt nämlich von unten, wie aus der Darstellung deutlich zu ersehen ist, durch die Öffnung 1 in den inneren Behandlungs- oder Filterraum A ein, passiert aufsteigend die Feststoff- bzw. Filterschichten, wendet sich im Umkehrraum B, der in diesem Fall die Gestalt eines Kreisringes besitzt, und verlässt absteigend über den Behandlungs- bzw. Filterraum C die Filterzelle. Man entnimmt der Figur, dass nach Abheben des oberen Deckels alle Filterräume leicht zugänglich sind. Die Fliessgeschwindigkeit in den einzelnen Räumen richtet sich nach den gewählten Querschnitten.
Bei den der Fig. 2 entnehmbaren Verhältnissen wird diese Geschwindigkeit im Raum C am grössten sein, im Raum B wird diese bis auf 0 absinken und im Raum A zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten liegen. Über 2 können Gase abgezapft, kann die Regeneration oder Entlüftung durchgeführt werden. Bei 3 tritt das Filtrat aus. Bei einer Rückspülung tritt über die Öffnung 3 das Rückspülmedium ein und verlässt über 1 oder 2 den Filter.
In Fig. 2a ist schematisch eine besondere Ausgestaltung der mit Fig. 2 wiedergegebenen Vorrichtung dargestellt, mittels welcher die Durchströmgeschwindigkeit durch die Filterschichten beschleunigt oder verzögert werden kann, ohne dass die Zuflussgeschwindigkeit verändert werden müsste. Man erreicht dies, wie aus der Fig. 2a ersichtlich ist, durch konisch ausgebildete Einbauten, die selbstverständlich entsprechend dem vorliegenden Spezialfall, bei welchem eine solche kontinuierliche Veränderung der Durchströmgeschwindigkeit erwünscht ist, beispielsweise durch Änderung des Neigungswinkels, individuell angepasst werden kann.
Ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sein soll, ist in Fig. 2b ein schematisches Ausführungbeispiel einer der möglichen Arten des Ineinanderschachtelns mehrerer Filterzellen dargestellt. Es handelt sich im speziellen dargestellten Fall um vier Filterzellen mit den Filterräumen A, C, D und E. Die Umkehrräume sind in allen Fällen mit B bezeichnet. Dem sachkundigen Fachmann ist klar, dass hier die Filterflächen nach Wunsch gewählt werden können und dass damit kontinuierlich ansteigende oder fallende Filtergeschwindigkeiten eingestellt werden können. Durch das Nichtanbringen der Öffnung 2 links oben wurde angedeutet, dass diese Öffnung nicht immer zwingend ist.
Sämtliche der an Hand der Zeichnungen besprochenen Ausführungsformen sind vorzugsweise so konstruiert, dass sie sich in Bodenplatte, Mantel und Deckel zerlegen lassen. Die Zu- und Abflussanschlüsse können sowohl an den Deckeln wie auch am Mantel angeordnet sein. Die mit Sieben oder Düsen versehenen Bodenplatten haben die Aufgabe, die Filterschichten zu tragen und für die gleichmässige Verteilung des durchzusetzenden Gutes, der zugesetzten Phase des Filtrates, des Spülmediums u. a.
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zu sorgen. Die innere Trennwand oder die Trennwände (Zylinder, Kegel usw.), die die Filterräume voneinander abtrennen, können bis knapp zum oberen Boden oder Deckel geführt werden. Es ist auch möglich, dieselben bis an den Deckel heranzuführen.
In diesem Fall müssen jedoch für die Umkehrung Öffnungen, Düsen u. dgl. vorgesehen werden, um den Übertritt des zu filtrierenden Mediums von dem einen in den andern Filterraum zu ermöglichen. In den Umkehrkammern und auch in den Filterräumen können, wenn gewünscht, z. B. wenn eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erforderlich ist, Schikanen eingebaut werden. Solche Schikanen bewirken auch eine leichtere Zerteilung der Filterstoffe bei der
Rückspülung.
Der Mantel, der zusammen mit dem Boden und dem Deckel das geschlossene Gefäss bildet, muss natürlich entsprechend dem zur Anwendung kommenden Druck genügend fest gebaut werden ; das zu verwendende Material wird in der Regel bei nichtkorrodierenden Medien Stahlblech sein. Handelt es sich jedoch um korrodierende Medien, dann muss entweder die Innenoberfläche entsprechend behandelt, ausgekleidet oder ein edlerer Werkstoff gewählt werden. Die inneren Trennwände (Zylinder, Kegel usw. ) können, da sie keiner Druckwirkung standhalten müssen, leichter konstruiert werden ; sie können bei- spielsweise ganz aus Kunststoff bestehen.
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. mittels der erfindungsgemässen Vorrich- tung lassen sich eine grosse Zahl von Operationen auf einfache und leichte Art gleichzeitig oder nach- einander in einer Anlage ausführen, die mit den bisher bekannten Mitteln entweder überhaupt nicht oder doch nur mit grossen Schwierigkeiten vorgenommen werden konnten. So können beispielsweise in der erfindungsgemässen Zelle die unterschiedlichsten Filtriervorgänge, z. B. mit Anschwemmfilterstof- fen, gleichzeitig mit einer mechanischen Filterung durchgeführt werden. Es lassen sich aber auch Ab- und Adsorptionsvorgänge mit Aktivkohle bzw.
Adsorptionsharzen usw. sowie auch Ionenaustauschopera- tionen jeder Art sowie überhaupt eine ganze Reihe von chemischen Reaktionen mit anschliessender Fil- tration eventuell gebildeter Fällungen, wie auch mit unterschiedlicher Filtrationsgeschwindigkeit, in einfachster Weise vornehmen.
Selbstverständlich richtet sich die Wahl des Feststoffes, des Filterstoffes bzw. des Ab- oder Adsorp- tionsmaterials, welches in die Behandlungsräume der Zelle eingebracht wird, ganz nach dem ange- strebten Ziel und ist daher völlig dem Belieben des Fachmannes überlassen. Es ist aber auch möglich, in einen Filterraum mehrere Feststoffe in verschiedener Schichtung übereinander anzuordnen. Bei den
Filtern der bisher bekannten Art war es notwendig, das feinste Filtermaterial zuoberst anzuordnen. Bei der erfindungsgemässen Filterzelle wird das leichteste Material vorzugsweise in der Mitte des Gesamt- filterweges angeordnet und kann von diesem Platz weder durch Filtrationsvorgänge noch durch Spülun- gen weggeschwemmt werden.
Wird für die Ausführung einer bestimmten Operation ein Filter gewünscht, bei dem sich der Um- kehrraum im unteren Teil desselben befindet, so kann die spezifisch leichteste Masse wahlweise zu An- fang und am Ende oder in der Mitte angeordnet werden. Wird die leichteste Schicht zu Anfang und am
Ende gewünscht, so wird vom Umkehrraum, also von unten her, gespült, weil man damit erreicht, dass sich die leichtesten Teilchen oben, also am Anfang und am Ende des Filters, anordnen.
Soll dagegen die leichteste Schicht in der Mitte liegen, kann man bei drehbarer Anordnung der Filterzelle am ein- fachsten so verfahren, dass man die ganze Zelle vor dem Spülen um 1800 dreht, so dass sich der Um- kehrraum nunmehr oben befindet, und man spült von der Eintritts- und Austrittsseite her und leitet das
Spülwasser über die während der Spülung zuoberst liegende Austrittsöffnung der Umkehrkammer ab. Da sich auch hier wieder das leichteste Material oben anordnet, erhält man nach Zurückdrehen der Zelle in ihre ursprüngliche Lage, in die Betriebsstellung mit dem Umkehrraum unten, die leichteste Filter- schicht im untersten Teil des Filters und damit in der Mitte der Filterschicht.
Ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Behandlungszellen besteht darin, dass sich die einzelnen Zellen aneinander anschliessen und auf diese Weise eine ganze Reihe von Prozessen, die zeit- lich hintereinander ablaufen, leicht koppeln lassen. Grundsätzlich stehen hiezu zwei Möglichkeiten zur
Verfügung, nämlich das Ineinanderschachteln und das einfache Aneinanderreihen. Welche dieser Mög- lichkeiten gewählt wird, ist letztlich abhängig von der Grösse und der Form des zur Verfügung stehen- den Raumes.
Wenn nur wenige Einzeloperationen durchzuführen sind und der vorhandene Raum eng und niedrig ist, wird man sich zum Ineinanderschachteln entschliessen ; stehen aber lange schmale Räume zur Verfügung und handelt es sich um die Durchführung einer grösseren Zahl von Behandlungs- oder Fil- trationsoperationen, dann wird es zweckmässig sein, die Zellen aneinanderzureihen. Der Sachkundige erkennt leicht, dass auf diese Weise, etwa durch ring-, bogen-, spiralen-, schlangen- oder reihenför- mige Anordnungen der einzelnen Behandlungszellen jede gewünschte Filtrationshöhe und jede gewünsch- te Filterschichtzahl auf kleinstem Raum untergebracht werden kann.
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Die Reinigung oder Rückspülung einer Umkehrfilterzelle kann sowohl über die Armatur 2 mit
Austritt über 1 und 3 erfolgen, wenn die Umkehrfilterzelle um 1800 gedreht ist, oder über die Öff- nungen 1 und 3 mit Austritt über 2, wenn die Zelle in ihrer Lage belassen wird. Die Art des Rück- spülens richtet sich danach, an welchem Platz man die feinsten Stoffteilchen anzuordnen wünscht. Die
Regenerierung erfolgt bei den aus mehreren Zellen bestehenden Apparaten ebenso wie bei den einzelnen
Umkehrfilterzellen über die oben liegenden, in den Zeichnungen mit 2 bezeichneten Durchlässe mit
Austritt über 1 und/oder 3. Ist beispielsweise der Filterraum A der in Fig. 2 dargestellten Umkehr- zelle in einem Kationenaustauscher und der Filterraum C mit einem Anionenaustauscher gefüllt, so erfolgt die Regeneration mit Natronlauge über 2 nach 3 und mit Säure über 2 nach 1.
Sind jedoch die Filterräume A und C mit dem gleichen Material gefüllt oder mit einem Material, das mit dem gleichen Regeneriermittel wieder belebt werden kann, so ist die gleichzeitige Regeneration über die Öffnung 2 zu den Öffnungen 3 und 1 möglich. Bei der Regenerierung von zu Aggregaten zusammengeschlossenen Umkehrfilterzellen muss selbstverständlich ebenfalls auf die individuellen Fül- lungen der Filterräume Rücksicht genommen werden, d. h. es muss in besonderen Fällen die einzelne Umkehrfilterzelle vom Aggregat herausgenommen und für sich neu regeneriert werden.
Die Geschwindigkeit, mit der die durchzusetzenden Flüssigkeiten durch die einzelnen Filter hin- durchgehen, kann durch die Wahl des Querschnittes und des Filtermaterials im Filterraum beeinflusst werden. Es können ganz nach Wunsch kleinste, mittlere und auch sehr hohe Geschwindigkeiten durch entsprechende Wahl der massgebenden Faktoren eingestellt werden. Durch entsprechende Wahl der Filterquerschnitte ist es möglich, die individuellen Operationsstufen in den einzelnen, zu einem Aggregat zusammengeschlossenen Umkehrfilterzellen mit grosser Genauigkeit aufeinander abzustimmen bzw. bestimmten Betriebsverhältnissen anzupassen.
Ausser den bereits erwähnten Operationen sind auch noch weitere Arbeitsgänge mit der bzw. in der erfindungsgemässen Umkehrfilterzelle durchführbar. So kann beispielsweise eine Flüssigkeit mit einer andern spezifisch leichteren oder schwereren Flüssigkeit gemischt werden, auch das Mischen von Gasen mit Flüssigkeiten kann mit Erfolg ausgeführt werden ; gewünschte anschliessende Entlüftung, z. B. nach Mischen von Luft und Wasser, geschieht durch die Öffnung 2 am Oberteil des Umkehrfilters. Bei diesen Vorgängen wirken die Filterräume als Misch- und Filtrationskammern, während der Umkehrraum die Funktion einer Entmischungs-oder Trennungskammer übernimmt.
Selbstverständlich können auch hier wieder verschiedene aufeinanderfolgende Arbeitsschritte durch Zusammenschliessen der einzelnen Umkehrzellen zu einem Aggregat praktisch gleichzeitig und hintereinander in ein und derselben Vorrichtung vorgenommen werden, so dass eine weitgehende Vereinfachung der Apparatur, der Überwachung und Wartung erreicht wird.
An jedem Hochpunkt des Strömungsweges in dem Aggregat bietet sich die Möglichkeit von Zuleitungen der Ausscheidung gasförmiger Bestandteile oder der Abzapfung spezifisch leichterer Flüssigkeiten, in jedem Filterraum können Reaktionen, Mischungen, Fällungen, Trennungen vorgenommen, Kontaktzeiten eingestellt und an bzw. von jedem Tiefpunkt können Abzapfungen, Ausscheidungen, Zuleitungen und Spülungen durchgeführt werden, so dass praktisch jeder chemische, physikalische oder physikalisch-chemische Prozess mit den aus Umkehrzellen ganz nach Wunsch aufzubauenden Apparaten durchgeführt werden kann.
Der der erfindungsgemässen Zelle eigentümliche Umkehrraum (Kontakt- oder Pufferraum) bietet nicht nur die Vorteile, die mit der ein-bzw. mehrmaligen Umkehr der Flüssigkeit im gleichen Filter, der Veränderung bzw. willkürlich regelbaren Kontaktzeit und Strömungsgeschwindigkeit sowie der verschiedenen Funktionen verbunden sind, sondern es kann dieser auch selbst mit Filtrierhilfsmitteln oder Behandlungsstoffen, die sonst bei keinem andern Filter verwendbar sind, z. B. Kieselgur, seltene Erden, Kunstfasern usw. gefüllt werden, so dass die an sich bereits grosse Anzahl von Einzelverfahrensschritten, die mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgeführt werden können, noch erhöht wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, an den Behandlungszellen Kühl-oder/und Heizmäntel für die Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur in der ganzen Zelle oder verschiedener Temperaturen in einzelnen Zonen anzuordnen, wie überhaupt die Ausgestaltung der Zelle sich ganz individuell nach dem in ihr ablaufenden Prozess wird richten müssen. Es sollen deshalb die hier beschriebenen Ausführungsformen nur als weitgehendst abänderungsfähige und nur im Prinzip festgelegte Konstruktionen aufgefasst werden, die nur beispielsweise hervorgehoben wurden, um die Erfindung zu demonstrieren und zu erläutern. Der Rahmen der Erfindung soll durch diese in keiner Weise eingeschränkt sein.