DE2029806C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Wasser in einem lonenaustauscher-Mischbett - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Wasser in einem lonenaustauscher-Mischbett, bei liem periodisch erschöpftes Austauscherharz aus einer unter Überdruck stehenden Betriebszone in eine erste Zumeßzone überführt wird und in einer nachfolgenden Trennzone in Anionenaustauscherharze und Kationen-Austauscherharze entmischt wird, die getrennt über eine zweite bzw. dritte Zumeßzone periodisch Regenerationszonen zugeführt werden, aus denen sie periodisch in die Belriebszone eingeleitet werden, während diese von ihrem Betriebsdruck entlastet wird. Ein solches Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung mit einer das Mischbett aufnehmenden Betriebskolonne, einem angeschlossenen ersten Zumeßbehälter für das erschöpfte Austauscherharz, einer nachgeschalteten Trennkolonne mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer aufwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung durch die Trennkolonne, einem nachfolgenden zweiten Zumeßbehälter für das Kationenharz mit einem anschließenden Regenerationsbehälter und einem an die Trennkolonne angeschlossenen dritten Zumeßbehälter für das Anionenharz mit einem anschließenden Regenerationsbehälter und mit Rückleitungen von der Regenerationsbehältern zur Betriebskolonne sind bereits bekannt (USA.-Patentschriften 2 767 140 und 3 193 498).

Bei dem bekannten Verfahren wird das Harz, das sich durch Einwirkung auf das Rohwasser erschöpft hat, periodisch unter Druck der ersten Zumeßzone zugeführt. Diese Überführung des Harzes wird unterbrochen, sobald die erste Zumeßzone gefüllt ist. Periodisch wird Harz aus der ersten Zumeßzone in die Trennzone überführt, wo das Anionenaustauschharz und das Kationenaustauschharz entsprechend ihrem unterschiedlichen spezifischen Gewicht mittels eines nach oben gerichteten Wasserstroms getrennt werden, wobei das leichtere Anionenauslauschharz nach oben steigt und das schwere Kationenaustauschharz sich am Boden absetzt. Aus der Trennzone wird das Kationenaustauschharz über die zweite Zumeßzone der zugehörigen Regenerationszone zugeführt, während das Anionenaustauschharz über die dritte Zumeßzone der zugehörigen Regenerationszone zugeleitet wird. Die regenerierten Harze werden dann erneut der Betriebszone zugeführt.

Um die Austauschharze vor ihrer Regenerierung in der Trennzone einwandfrei voneinander zu scheiden, ist ein gleichmäßiges Aufwärtsströmen des Wassers in der Trennzone mit der richtigen Geschwindigkeit wesentlich. Die für eine gute Trennwirkung maßgebenden Verhältnisse in der Trennzone werden jedoch empfindlich gestört, wenn bei dem bekannten Verfahren aus der ersten Zumeßzone, die von einem Aufgabebehälter gebildet wird, das Harz der Trennzone mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. Dieses zu Gleichgewichtsstörungen und unerwünschten Durchmischungen der Harze führende schnelle Entleeren der ersten Zumeßzone erfolgt deswegen, weil die Zeitspanne, während der die Betriebszone vom Betr.ebsdruck entlastet ist, möglichst kurz gehalten werden soll. Die Druckentlastung, während der keine Überführung von Harz in die erste Zumeßzone stattfindet, ist erforderlich, um das regenerierte Harz in die Betriebszone einzuleiten. Die sich durch die Entlastung vom Bei.^;ebsdruck ergebende Unterbrechung, innerhalb der die Betriebskolonne nicht wie üblich arbeitet, soll möglichst kurz sein.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung so zu verbessern, daß trotz kurzzeitiger Unterbrechung durch Druckentlastung in der Betriebszone wesentliche Störungen beim Entmischen der Harze in der Trennzone vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Austauscherharze aus der ersten Zumeßzone während einer Zeitspanne, die nicht größer als die Zeitspanne der Druckentlastung in der Betriebszone ist, zunächst in eine Überführungszone eingeleitet werden, aus der sie der Trennzone während einer Zeitspanne zugeführt werden, die nicht kurzer als die kürzeste Zeitspanne zwischen den Überleitungsperioden der getrennten Austauscherharze aus der zweiten bzw. dritten Zumeßzone in die zugehörige Regenerationszone

Durch die Einschaltung der Überführungszone ergibt sich die Möglichkeit, das erschöpfte Harz aus der Betriebszone schnell in die Überführungszone zu transportieren, was während einer kur-.zcitigen Betriebsunterbrechung geschehen kann, während die Trennzone dann über eine längere Zeitspanne mit diesem erschöpften Harz beschickt wird, so daß der Tronnvorgang in der Trennzone nicht wesentlich gestört wird und die Harze in erwünschter Weise entmischt werden. Dabei hat sich eine Zeitspanne von etwa 3 bis 7 Minuten für das Einleiten der Austauscherharze aus der Überführungszone in die Trennzone als zweckmäßig herausgestellt.

Die vorbeschriebene Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Zumeßbehälter und die Trennkolonne ein Harz-Überführungsbehälter eingeschaltet ist und daß die VerbindungsJeitunjj zwischen dem ersten Zumeßbehälter und dem Harz-lJberführungsbehälter mit einem Ventil versehen ist. Eine in dieser Weise ausgebildete Vorrichtung ermöglicht die vorbeschriebene Verfahrensweise.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen 2'.eichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Betriebskolonne 10, die ein Mischbett aus Kationcnaustauschharz und Anionenaustauschharz aufnimmt, einer Trennkolonne 12, einer Regenc-ationskolonne 14 für das Kationenaustauschharz und einer Regenerationskolonne 16 für das Anionenaustauschharz.

Die Betriebskolonne 10 weist in ihrem unteren Teil einen Rohwassereinlaß 18 auf und ist in ihrem oberen Teil mit einem Auslaß 20 für das gereinigte Wasser versehen. Das Wasser wird somit in der Betriebskolonne 10 von unten nach oben durch ein Mischbett bzw. eine Füllung 22 aus lonenaustauschharzperlen geleitet. Wie dargestellt führt das einströmende Wasser, das über den Rohwassereinlaß 18 zugeführt wird, dazu, daß sich in der Füllung 22 aus lonenaustauschharzen ein Spalt 24 ausbildet. Das Rohwasser strömt zwischen den lonenaustauschharzperlen 22 oberhalb des Spaltes 24 hindurch, während die unter dem Spalt 24 liegenden Harzperlen 22 durch den herrschenden Druck in aus dem Behälter 10 in eine für das erschöpfte Harz vorgesehene Überführungsleitung 26 gedrückt und durch diese Leitung einem über der Trennkolonne 12 angeordneten ersten Zumeßbehälter 28 zugeführt. Das Überströmen von Harz durch die Überführungsleitung 26 über das erschöpfte Harz wird unterjochen, sobald sich der erste Zumeßbehälter 28 vollständig gefüllt hat. Dies ist der Grund, aus dem der erste Behälter 28 als »Zumeßbehälter« bezeichnet wird, denn sein Fassungsvermögen bestimmt die Raummeng«, an erschöpftem Harz, die tatsächlich überführt werden kann.

Frisches Harz, das in den Regnerationskolonnen 14 und 16 regeneriert worden ist, wird oberhalb der Betriebskolonne 10 in einem mit Kationenaustauschharz-Vorratsbehälter 30 und einem Anioncnaustauschharz-Vorratsbehälter 32 zurückgehalten. Unterhcilb der beiden Vorratsbehälter 30 und 32 und oberhalb der Betriebskolonne 10 ist ein Mischbehälter 34 vorgesehen. Aus den Vorratsbehältern 30 und 32 wird regeneriertes Harz periodisch dem Mischbehälter 34 zugeführt, wo die beiden Harzarten gemischt werden. Eine Harzeinlaßleitung 36 in die ein Ventil 38 eingeschaltet ist, verbindet den Mischbehälter 34 mit dem oberen Teil der Betriebskolonne 10. Wenn der Betriebskolonne frisches Harz zugeführt werden soll, wird der Rohwassereinlaß 18 geschlossen, und die Kolonne 10 wird von dem Betriebsdruck entlastet. Nunmehr öffnet man das Ventil 38 in der Harzzuführungsleitung 36, so daß frisches Harz nach unten in die Betriebskolonne 10 strömen kann.

Gleichzeitig wird der erste Zun.eßbehälter 28 oberhalb der Trennkolonne 12 entleert. Da die Betriebskolonne 10 von ihrem Betriebsdruck entlastet ist, kann in diesem Zeitpunkt kein Harz durch die Leitung 26 zum Überführen erschöpften Harzes zu dem ersten Zumeßbehälter 28 strömen.

Es ist erforderlich, den ersten JLumeßbehälter 28 während der Zeitspanne vollständig zu entleeren, während welcher die Betriebskolonne 10 vom Betriebsdruck entlastet ist. Dies ist notwendig, weil, wie erwähnt, das Fassungsvermögen des ersten Zumeßbehälters 28 die Menge des erschöpften Harzes bestimmt, die überführt werden kann, wenn die Betriebskolonne 10 das nächste Mal unter Druck gesetzt wird. Da sich jedoch die Kolonne 10 in ihrem vom Druck entlasteten Zustand nicht in Betrieb befindet, ist es erwünscht, den ersten Zumeßbehälter 28 möglichst schnell zu entlecren, so daß die Kolonne 10 wieder in Betrieb gesetzt werden kann. Gewöhnlich soll sich das Abgeben von frischem Harz an die Betriebskolonne 10 in weniger als etwa 2 nvn abspielen, und vorzugsweise soll dieser Vorgang nur 1 min oder weniger in Anspruch nehmen. Ein solches rasches Entleeren des ersten Zumeßbehälters 28 direkt in die Trennkolonne 12 würde jedoch zu einem unerwünschten Durchmischen des Harzes führen, so daß sich die Gefahr des Verunreinigens der getrennten Harze vergrößert. Infolgedessen ist gemäß der Erfindung dafür gesorgt, daß der erste Zumeßbehälter 28 das Harz nicht direkt an die Trennkolonne 12 abgibt.

Gemäß der Zeichnung schließt sich an das untere Ende des ersten Zumeßbehälters 28 eine untere Harzzuführungsleitung 40 mit einem Ventil 42 an. Diese untere Harzüberführungsleitung 40 bildet eine Verbindung zwischen dem ersten Zumeßbehälter 28 und einem Harzüberführungsbehälter 44, der unter diesem ersten Zumeßbehälter angeordnet ist und seinerseits über eine Harzabgabeleitung 46 mit dem Inneren der Trennkolonne 12 in Verbindung steht. Bei der bevorzugten Ausführungsform endet die Harzzuführungsleitung 46 in der Trennkolonne 12 annähernd an dem Punkt, an dem sich die Anionen- und Kationen-Austauschharze normalerweise voneinander trennen. Wenn der erste Zumeßbehälter 28 entleert wird, wird somit gemäß der Erfindung das Harz rasch an den Überführungsbehälter 44 abgegeben, der seinerseits das Harz langsam der Trennkolonne 12 zuführt. Man kann die richtige Geschwindigkeit des Zuführens von Harz zu der Trennkolonne 12 dadurch gewährleisten, daß man für die Harzzuführungsleitung 46 einen kleinen Durchmesser vorsieht oder in diese Leitung eine Verengung einschaltet.

Wie erwähnt, bewirkt die Trennkolonne 12, daß sich die Harzperlen nach ihrem spezifischen Gewicht voneinander trennen, wenn man Wasser mit einer geregelten Strömungsgeschwindigkeit von unten nach oben durch die Trennkolonne leitet. Das Wasser wird der Trennkolonne 12 über eine Wassereintrittsleitung 48 zugeführt, die mit dem unteren Teil dieser Kolonne in Verbindung steht, so daß das Wasser nach oben zu einem Harzperlenbehälter 49 der Trennkolonne

strömt, aus dem es über eine Leitung 50 abgeführt wird, die sich an den oberen Teil des Behälters 49 anschließt. Die Harzzuführungsleitung 46 erstreckt sich von oben nach unten durch den Harzperlenbehäller 49 der Trennkolonne 12. Der untere Teil der Trennkolonne hat zweckmäßig einen kleineren Durchmesser als ihr oberer Teil. Das Vorhandensein dieses kleineren Durchmessers im unteren Teil der Trennkolonne führt dazu, daß das Wasser mit einer höheren Geschwindigkeit durch das schwerere Kationenausiauschharz strömt, während darüber das Wasser mit einer niedrigeren Geschwindigkeit durch das leichtere Anionenaustauschharz strömt; hierdurch wird der Wirkungsgrad des Trennvorgangs verbessert.

Die getrennten Harze werden aus der Ti ennkolonne 12 über eine untere Austrittsleitung 52 für das Kationenaustauschharz bzw. eine obere Austrittsleitung 54 für das Anionenaustauschharz abgeführt. Die Leitungen 52 und 54 führen das betreffende Harz einem zweiten Zumeßbehälter 56 bzw. einem dritten Zumeßbehäller 57 zu, die oberhalb der Kationenaustauschharz-Regenerationskolonne 14 bzw. der Anionenauslauschharz-Regenerationskolonne 16 angeordnet sind. Dieser Überführungsvorgang findet statt, da die Wasseraustrittsleitung 50 des Harzperlenbehälters 49 der Trennkolonne 12 höher angeordnet ist als der zweite Zumeßbehälter 56 und der dritte Zumeßbehälter 57.

Der zweite Zumeßbehälter 56 und der dritte Zumeßbehälter 57 stehen mit den zugehörigen Regenerationskolonnen 14 und 16 über Harzüberführungsleitungen 58 in Verbindung, von denen jede mit einem Ventil 60 ausgerüstet ist. Das Fassungsvermögen der Zumeßbehälter 56 und 57 bestimmt jeweils die Harzmenge, die von der Trennkolonne 12 jeweils bei jedem Überführungsvorgang an die Regenerationskolonnen 14 und 16 abgegeben wird. Das Harz wird in den Kolonnen 14 und 16 durch einen sich von unten nach oben bewegenden Strom eines Regenerationsmitlels aufgefrischt, das den Kolonnen 14 und 16 über Eintrittsleitungen 62 zugeführt wird. Wasser wird in die Regeneralionskolonnen 14 und 16 über eine Wassereintriltsleitung 64 eingeleitet, die in der betreffenden Kolonne jeweils unterhalb der Eintrittsleitung 62 über das Regenerationsmittel münden. Das Regenerationsmittel und das Wasser werden aus den Regenerationskolonnen 14 und 16 über Austrittsleitungen 66 für das Regenerationsmittel abgeführt.

Bei der Kationenaustauschharz-Regenerationskolonne 14 wird als Regenerationsmittel gewöhnlich eine Säure, z. B. Salzsäure oder Schwefelsäure verwendet, doch könne man auch andere Regenerationsmittel für Kationenaustauschharze verwenden. Entsprechend verwendet man bei der Anionenaustauschharz-Regenerationskolonne bekannte Regenerationsmittel für solche Harze, z. B. gewöhnlich eine Natriumhydroxidlösung. Da die Regenerationskolonnen 14 und 16 gewöhnlich unter Druck stehen, wird das regenerierte Harz unter dem Einfluß dieses Drucks den Vorratsbehältern 30 und 32 für das Kationen- bzw. Anionenaustauschharz über Abgabeleitungen 68 zugeführt. Man erkennt somit, daß die Vorratsbehälter 30 und 32 für die beiden Harze gleichheitig insofern als »Zumeßbehälter« wirken, als ihr Fassungsvermögen die Harzmenge regelt, die jeweils den Regenerationskolonnen 14 und 16 entnommen werden kann.

Die Regenerationskolonnen 14 und 16 werden periodisch von ihrem Betriebsdruck entlastet und erschöpftes Harz aus den Behältern 56 und 57 wird in diese Kolonnen durch öffnungen der Ventile 60 in den Harzüberführungsleilungen 58 eingeleitet. Gleichzeitig wird das in den Vorratsbehältern 30 und 32 bereitgehaltene Harz dem Mischbehälter 34 zugeführt. Wenn die Regenerationskolonnen wieder unter Druck gesetzt werden, wird erneut Harz durch die Harzabgabeleitungen ίο 68 gefördert, bis die Vorratsbehälter 30 und 32 wieder vollständig gefüllt sind. Im Gegensatz zu den Gesichtspunkten, die für die Trennkolonne 12 gelten, ergeben sich keine Nachteile, wenn man Harz aus den Vorratsbehältern 30 und 32 direkt in den Mischbehälter 34 für is die Kationen- und Anionenaustauschharze einleitet. Vielmehr ist gerade das Gegenteil der Fall, denn es ist erwünscht, daß sich die Harze in dem Behälter 34 mischen.

Wie erwähnt, wird gemäß der Erfindung das Harz über die Harzzuführungsleitung 46 der Trennkolonne 12 mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit zugeführt. Natürlich soll sich dieses Zuführen von Harz innerhalb einer Zeitspanne abspielen, die nicht länger ist als die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entleerungen des ersten Zumeßbehälters 28. Vorzugsweise soll sich der Überführungsbehälter 44 in die Trennkolonne 12 hinein innerhalb einer Zeit entleeren, die nicht länger ist als die kürzeste Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entleerungen des zweiten und dritten Zumeßbehälters 56 und 57 in die zugehörigen Regenerationskolonnen 14 und 16. Gewöhnlich haben diese beiden Zeitspannen die gleiche Länge. Auf diese Weise wird eine relativ gleichmäßige Standhöhe des Harzes in der Trennkolonne 12 aufrechterhalten. In den meisten Fällen wird sich der erste Zumeßbehälter 28 in Abständen von etwa 5 bis 7 min entleeren, während sich der zweite und dritte Zumeßbehälter 56 und 57 über den Regenerationskolonnen 14 und 16 in Zeitabständen von etwa 3 min entleeren. Somit soll sich bei der bevorzugten Ausführungsform der Überführungsbehälter 44 in die Trennkolonne 12 innerhalb einer Zeitspanne von etwa 3 bis 7 min entleeren.

Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung lassen sich der Verwendung der verschiedensten Arten von Anionen- und Kationen-Austauschharzen anpassen, vorausgesetzt, daß sich die Harze im erschöpften Zustand bezüglich ihres spezifischen Gewichtes hinreichend unterscheiden, so daß sie in der Trennkolonne 12 voneinander getrennt werden können. Zu den typischen festen Kationenaustauschharzen die gemäß der Erfindung verwendbar sind, gehörer diejenigen vom Divinylbenzol-Styrol-Mischpolimerisattyp, vom Acryltyp, vom sulfonierten Kohletyp unc vom Phenoltyp. Diese Harze können z. B. in ihrer Natrium-, Wasserstoff-, Ammonium- oder Hydrazin-Forrr verwendet werden, doch werden sie gewöhnlich in ih rer Wasserstoff-Form verwendet. Zu den typischen, ge maß der Erfindung verwendbaren Anionenaustausch harzen gehören diejenigen vom Phenolformaldehyd typ, vom Divinylbenzol-Styrol-Mischpolymerisattyp vom Acryltyp und vom Epoxytyp. Die Anionenaus tauschharze können z. B. in ihrer Hydroxid oder ChIo ridform verwendet werden. Bei beiden Harzarten han delt es sich vorzugsweise um Perlen, die ein Sieb mi etwa 1,17 bis 0,26 mm Siebmaschenweite passieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reinigen von Wasser in einem lonenaustauscher-Mischbett, bei dem periodisch erschöpftes Austauscherharz aus einer unter Überdruck stehenden Betriebszone in eine erste Zumeßzone überführt wird und in einer nachfoigenden Trennzone in Anionenaustauscherharze und Kationenaustauscherharze entmischt wird, die getrennt fiber eine zweite bzw. dritte Zumeßzone periodisch Regenerationszonen zugeführt werden, aus denen sie periodisch in die Betriebszone eingeleitet werden, während diese von ihrem Betriebsdruck entlastet wird, dadurch gekennzeichne¹., daß die Austauscherharze aus der ersten Zumeßzone während einer Zeitspanne, die nicht größer als die Zeitspanne der Druckentlastung in der Betriebszone ist, zunächst in eine Überführungszone eingeleitet werden, aus der sie der Trennzone während einer Zeitspanne zugeführt werden, die nicht kurzer als die kürzeste Zeitspanne zwischen den Überleitungsperioden der getrennten Austauscherharze aus der zweiten bzw. dritten Zumeßzone in die zugehörige Regeneralionszone ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauscherharze innerhalb einer Zeitspanne von etwa 3 bis 7 Minuten aus der Überführungszone in die Trennzone eingeführt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer das Mischbett aufnehmenden Betriebskolonne, einem angeschlossenen ersten Zumeßbehälter für das erschöpfte Austauscherharz, einer nachgeschalteten Trennkolonne mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer aufwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung durch die Trennkolonne, einem nachfolgenden zweiten Zumeßbehälter für das Kationenharz mit einem anschließenden Regenerationsbehälter und einem an die Trennkolonne angeschlossenen dritten Zumeßbehälter für das Anionenharz mit einem anschließenden Regenerationsbehälter und mit Rückleitungen von den Regenerationsbehältern zur Betriebskolonne, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten Zumeßbehälter (28) und die Trennkolonne (12) ein Harzüberführungsbehälter (44) eingeschaltet ist und daß die Verbindungsleitung zwischen dem ersten Zumeßbehälter (28) und dem Harzüberführungsbehälter (44) mit einem Ventil (42) versehen ist.