DE1076084B

DE1076084B - Verfahren zur Behandlung von Fluessigkeiten mit Ionenaustauschern

Info

Publication number: DE1076084B
Application number: DEM22079A
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Wisfeld
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1954-02-24
Filing date: 1954-02-24
Publication date: 1960-02-25

Description

DEUTSCHES

Zur kontinuierlichen Ausführung" von Ionenaustauschreaktionen ist es bekannt, mehr oder minder dichte Schichten des Ionenaustauschermaterials im Gegenstrom zu oder im Gleichstrom mit der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. den Regenerations- und Spülflüssigkeiten durch die Austausch-, Regenerier- und Spülzonen in einem Kreislauf zu führen.

Die Kapazität der Ionenaustauscher wird dabei nach einmaligem Durchgang durch die Austauschzone erschöpft. Bei einmaligem geradem Durchgang sowohl der Flüssigkeit als auch der Ionenaustauscher durch die Austauschzone ist die Berührungsdauer zwischen der Flüssigkeit und den festen Teilchen gering. Da die Strömungsgeschwindigkeit unter der Sinkgeschwindigkeit der Ionenaustauscherpartikeln in der Flüssigkeit bleibt, ist die Strömung in der nächsten Umgebung der Partikeln laminar. Die Geschwindigkeit des gesamten Ionenaustauschvorganges und damit auch die Durchsatzleistung der Anlage werden dann bestimmt durch die Diffusionsgeschwindigkeit der auszutauschenden und ausgetauschten Ionen in der Grenzschicht um die festen Partikeln, die klein ist gegenüber der Geschwindigkeit der eigentlichen Ionenaustauschreaktion.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln von Flüssigkeiten mit im Kreislauf durch eine Austauschzone und gegebenenfalls durch eine Regenerierzone geführten Ionenaustauschern, die in der Austauschzone mit der Flüssigkeit im Gleichstrom geführt werden, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscher nach Abtrennen eines Teils der behandelten Flüssigkeit zusammen mit dem anderen Teil dieser Flüssigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit zugesetzt werden. Dabei müssen die Ionenaustauscher in solchen Mengen angewendet werden, daß sie bei einem Durchgang durch den Behandlungsraum noch nicht erschöpft sind. Nach Abtrennen von einem Teil der behandelten Flüssigkeit werden die Ionenaustauscher (oder ein großer Teil derselben) mit dem Rest der behandelten Flüssigkeit zur Einwirkung auf weitere unbehandelte Flüssigkeitsmengen gebracht.

Um dieses Verfahren unabhängig von der unbehandelt zu- und behandelt abfließenden Flüssigkeitsmenge zu machen, kann ein Teil der behandelten Flüssigkeit z. B. zur Eintrittsstelle der rohen Flüssigkeit zurückgeführt werden, so daß ein Kreislauf von Ionenaustauscher und Flüssigkeit entsteht, dem zu behandelnde bzw. behandelte Flüssigkeitsmenge an geeigneten Stellen zugeführt bzw. entnommen wird.

Beispielsweise werden die Ionenaustauscher in den Strom der zu behandelnden Flüssigkeit durch eine Schleusenvorrichtung oder einen Injektor eingeführt, so daß sie in der Flüssigkeit als einzelne, keine ge-Verfahren zur Behandlung
von Flüssigkeiten mit Ionenaustauschern

Anmelder:

Metallgesellschaft Aktiengesellschaft,
Frankfurt/M., Reuterweg 14

Dr. Werner Wisfeld, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

schlossane Schicht bildende Teilchen vorliegen. Die Flüssigkeit wird zweckmäßig unter mehrfacher Änderung der Strömungsrichtung etwa abwechselnd auf- und abwärts mit solcher Geschwindigkeit geführt, daß die Strömung die gesamten eingebrachten Ionenaustauscher mitnimmt.

Eine weitere Beschleunigung des Ionenaustauschs kann dadurch herbeigeführt werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches aus Ionenaustauschern und Flüssigkeit in den von dem Gemisch durchströmten Behandlungsräumen wiederholt geändert wird, z. B. dadurch, daß die Querschnitte der von dem Gemisch durchströmten Räume geändert, z. B. abwechselnd erweitert und verengt werden.

Die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Ionenaustauschern kann durch Einbauten in den gemeinsam durchströmten Räumen, z. B. durch Gitterwerke, Füllkörper, Leitflächen od. dgl., welche eine örtliche Durchwirbelung der Flüssig-Feststoff-Mischung bewirken, noch verbessert werden. Derartige Einbauten können z. B. aus dünnen Blechen oder Drähten, Drahtgeweben od. dgl. bestehen, die nur einen verhältnismäßig kleinen Volumenanteil des Behandlungsraumes, höchstens 5O°/o, vorteilhaft weniger als 10 bis 20%, einnehmen. Durch den wiederholten Wechsel der Strömungsrichtung, der Strömungsgeschwindigkeit, ' die örtlichen Verwirbelungen und dergleichen Strömungserscheinungen bleiben Flüssigkeit und Ionenaustauscher über den ganzen Strömungsweg innig gemischt, so daß die Flüssigkeitsfilme auf den Ionenaustauschern in bekannter Weise ständig erneuert werden und die hohe Geschwindigkeit der eigentlichen Ionenaustauschreaktion" gegenüber der geringen Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen in der Flüssigkeitshülle der Austauscherteilchen viel stärker zur Geltung kommt. Wenn die Flüssigkeit den gewünschten Behahdlungszustand erreicht hat, wird sie in einem Abscheider bei herabgesetzter Strömungs-

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geschwindigkeit von den Ionenaustauschern durch Absitzen der letzteren getrennt und aus dem Abscheider zur Verwendung abgeleitet. Die abgetrennten, noch nicht erschöpften Ionenaustauscher werden ganz oder teilweise wieder an die Einmischstelle für rohe Flüssigkeit zurückgeführt, so daß ein Umlauf der Feststoffteilchen stattfindet. Zur Regeneration können die umgewälzten Ionenaustauscher von Zeit zu Zeit völlig aus dem Umlauf herausgenommen und durch eine entsprechende Menge voll reaktionsfähiger Ionenaustauscher ersetzt werden. Es können aber auch kontinuierlich oder periodisch. Teilmengen der umlaufenden Ionenaustauscher zum Zweck der Regereration aus der Umlaufmenge herausgenommen und durch entsprechende Mengen regenerierter lonenaustauscher ersetzt werden.

Die Korngrößen, in denen die Ionenaustauscher angewendet werden, können in weiten Grenzen schwanken. Sie richten sich im einzelnen nach den Eigenschaften der zu behandelnden Flüssigkeiten, ihrer chemischen Zusammensetzung und der Konzentration der auszutauschenden Stoffe in den Flüssigkeiten. Die optimale Korngröße kann für alle Behandlungszwecke leicht durch Versuche bestimmt werden. Zweckmäßig werden die Ionenaustauscher in kugeliger Form angewendet. Das hat den Vorteil, daß die Druckverluste des strömenden Gemisches verhältnismäßig gering bleiben und ein Verschleiß der Ionenaustauscher praktisch vermieden wird.

Die Mengen, in denen die Ionenaustauscher angewendet werden, sind gering ued betragen z. B. bei der normalen Wasserenthärtung im allgemeinen ^weniger als 5 % Ionenaustauschervolumen, berechnet auf das in der Stunde behandelte Flüssigkeitsvolumen. Vielfach genügen Ionenaustauschermengen von 2 bis 0,1%> des je Stunde durchgesetzten Flüssigkeitsvolumens.

Die Geschwindigkeiten, mit denen das Gemisch von Ionenaustauschern und Flüssigkeit durch den Behandlungsraum geführt wird, liegen mindestens so hoch, daß eine Trennung von Flüssigkeit und Ionenaustauschern nicht eintreten kann. Sie können zwischen 30 und 1000 m je Stunde und mehr betragen und werden den Eigenschaften der jeweils zu behandelnden Flüssigkeit und der Ionenaustauscher von Fall zu Fall angepaßt.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Kationen- und Anionenaustauscher gleichzeitig als Gemisch, z. B. zur Vollentsalzung von Wasser, verwendet werden. Dieses Gemisch wird dann vor der Regeneration in seine Komponenten zerlegt. Die beiden Ionenaustauscherarten werden dann für sich regeneriert und danach vor oder in der erfindungsgemäßen Austauschstufe wieder gemischt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mehrstufig in Parallel- oder Hintereinanderschaltung betrieben werden. Es kann auch zur Erzielung besonderer Wirkungen nützlich sein, Arbeitsstufen gemäß der Erfindung mit bekannten, z. B. in festliegenden Schichten angeordneten Filtern zu kombinieren.

In der Zeichnung sind Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung befspielsweise und schematisch dargestellt.

Abb. 1 zeigt eine derartige Vorrichtung im senkrechten Schnitt, in

Abb. 2 ist eine andere Ausführungsform in der gleichen Weise wiedergegeben.

Nach Abb. 1 gelangt die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Zuführung 1 in den Behandlungsraums. Beim Eintritt in den Behandlungsraum werden ihr in der Mischvorrichtung 2, in der sie das die Energie für die Mischung liefernde Mittel darstellt, aus den Zuleitungen 6 und 18 Ionenaustauscher in abgemessenen Mengen zugeführt. Das Gemisch strömt durch den Behandlungsraum 3 aufwärts in den Trennraum 4, in dem die Abtrennung des Ionenaustauschers aus der behandelten Flüssigkeit durch Absitzenlassen erfolgt. Der Raum 4 hat deshalb einen gegenüber dem Behandlungsraum 3 stark erweiterten Querschnitt. Die behandelte Flüssigkeit verläßt den Raum 4 durch die Ableitung 5. Aus dem Raum 4 gelangt Ionenaustauscher in ständigem Strom durch die Leitung 6 zur Mischeinrichtung 2. Zur Einstellung der Mengen des Ionenaustauschers, die durch die Leitung 6 gehen, ist das Regelorgan 14 vorgesehen.

Ein anderer Teil des aus der behandelten Flüssigkeit abgeschiedenen Ionenaustauschers gelangt in die Regeneriervorrichtung 7, der bei 8 Waschflüssigkeit und bei 9 die Regenerierlösung zugeführt wird. Die Waschflüssigkeit strömt aus der Verteilvorrichtung 8_t durch den Ionenaustauscher im Raum 7 in die Höhe, strömt an der Verteilvorrichtung 9_t vorbei und verdünnt die hier eintretende Regenerierflüssigkeit auf eine gewünschte Konzentration. Durch die Leitung 10, die durch ein Sieb 11 oder eine ähnliche Abscheidevorrichtung gegen den Durchfluß von Ionenaustauschern geschützt ist, wird das Flüssigkeitsgemisch abgeleitet. Der regenerierte Ionenaustauscher, aus dem die Waschflüssigkeit die Regenerierlösung ausgespült hat, wird von Zeit zu Zeit durch öffnen des Verschlusses 15 in den Meßraum 12 abgelassen. Zweckmäßig wird der untere Teil des Regenerierraumes 7 so groß bemessen, daß er etwa eine Charge der Meßschleuse 12 unterhalb der Verteilvorrichtung 8 für die Waschflüssigkeit aufnehmen kann.

Nach Füllung der Schleuse 12 wird das Absperrorgan 15 wieder geschlossen. Dieses ist zweckmäßig als Kippverschluß ausgebildet,- der nur den Durchgang der Ionenaustauscher, nicht aber den Durchgang von Flüssigkeit absperrt. Dadurch, daß dieser. Verschluß nicht flüssigkeitsdichtend ausgebildet ist, wird ein Zerreiben oder Zerquetschen von Ionenaustauschern durch bewegliche Verschlußteile verhindert.

Nach dem Schließen des Organes 15 wird bei geschlossenem Absperrorgan 17 das Absperrorgan 16 geöffnet, so daß der Inhalt der Meßschleuse 12 in den Raum 13 übertritt. Aus diesem gelangt er nach Schließen des Organs 16 und öffnen des Organs 17 durch die Leitung 18 in den benötigten Mengen zu der Verteilvorrichtung 2.

Die Vorrichtung gemäß Abb. 2 besteht in weitgehender Übereinstimmung mit der in Abb. 1 dargestellten Anlage aus einer Mischvorrichtung 31, einem Trennraum 24 mit Abfluß 26 für die behandelte Flüssigkeit, einer Regenerierzone 28, Meßschleuse 29 und Trennschleuse 30. Die Regenerationszone 28 ist ebenfalls mit Zuführungen 35 für Waschflüssigkeit Und 36 für Regenerierlösung sowie mit einem Abfluß 37 für die in das Gefäß 28 eingeführten Flüssigkeiten versehen. Auch die Verschlußorgane 32, 39, 40 und die Ableitungen 41 und 27 — letztere mit Regelorgan 34 — können in derselben Weise eingerichtet sein wie nach Abb. 1. Der Behandlungsraum 23 ist indessen mit auf- und absteigenden Teilen ausgebildet. Durch eine Leitung 25 wird ein Teil der behandelten, vom Ionenaustauscher abgetrennten Flüssigkeit aus dem Trennraum 24 der unbehandelten Flüssigkeit in der Zuleitung 21 zugemischt. Eine Fördervorrichtung 22 führt dieses Gemisch durch die Mischvorrichtung 31 in den Behandlungsraum 23. Die Fördervorrichtung

erzeugt dabei eine konstante oder eine Minimalgrenze nicht unterschreitende Strömungsgeschwindigkeit im Behandlungsraum.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln von Flüssigkeiten mit im Kreislauf durch eine Austauschzone und gegebenenfalls durch eine Regenerierzone geführten Ionenaustauschern, die in der Austauschzone mit der Flüssigkeit im Gleichstrom geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscher nach Abtrennen eines Teiles der behandelten Flüssigkeit zusammen mit dem anderen Teil dieser Flüssigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit zugesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der oder in den Austauschzonen durch Kreislaufführung eines Teils der behandelten Flüssigkeit eine konstante, von den Mengen der zugeführten rohen und entnommenen behandelten Flüssigkeit unabhängige, über der Sinkgeschwindigkeit der Ionenaustauscher liegende Geschwindigkeit aufrechterhalten wird,

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Umlauf durch die Austauschzone befindliche Ionenaustauschervolumen auf weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 2%, des in der Stunde behandelten Flüssigkeitsvolumens bemessen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 448 108;

schweizerische Patentschrift Nr. 119 722;
USA.-Patentschriften Nr. 2 563 006, 2 572 848, 610 156, 2 631 127.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen