DE3422860A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von fluessigkeiten mit kationenaustauschern und anionenaustauschern - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur behandlung von fluessigkeiten mit kationenaustauschern und anionenaustauschernInfo
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- B01J49/08—Regeneration or reactivation of ion-exchangers; Apparatus therefor of fixed beds containing cationic and anionic exchangers in separate beds
Description
■ 3A22860
■o-
BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk
Konzernverwaltung RP B/by-c Patentabte ilung
1 9, Juni iSSi
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten mit Kationenaustauschern und Anionenaustauschern
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten mit Kationenaustauschern und Anionenaustauschern
und eine neue Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Entsalzung von Wasser oder wäßrigen Lösungen, z.B.
Zucker- oder Glycerinlösungen, sind bekannt. Für die Entsalzung werden Kombinationen von stark sauren Kationenaustauschern
mit stark- oder schwachbasischen Anionenaustauschern verwendet. Die verschiedenen bekannten
Verfahren unterscheiden sich in der Weise, wie die verschiedenen Ionenaustauscher-Typen, Kationenaustauscher und Anionenaustauscher, angeordnet sind.
In Mischbettfiltern liegen Kationenaustauscher und
Anionenaustauscher während der Arbeitsphase in Form einer innigen Mischung vor. Für die Regeneration wird
die erschöpfte Harzmasse hydraulisch aufgrund der
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unterschiedlichen spezifischen Gewichte von Kationenaustauscher und Anionenaustauscher in die beiden Komponenten
aufgetrennt. Jede der beiden Schichten wird für sich getrennt regeneriert und ausgewaschen. Mischbettfilter
haben den schwerwiegenden Nachteil, daß sich die erschöpfte Harzmasse nicht vollständig in Kationenaustauscher
und Anionenaustauscher auftrennen läßt, sondern daß der eine Ionenaustauschertyp immer noch
gewisse Mengen des anderen Ionenaustauscher-Typs enthält. Die Regenerierung von Kationenaustauscher und
Anionenaustauscher führt deshalb stets zu einer gewissen Menge an fehlbeladenem Kationen- und Anionenaustauscher.
Folgen dieser Fehlbeladung sind unbefriedigende Qualität der behandelten Flüssigkeit und
unverhältnismäßig niedrige nutzbare Kapazitäten der Mischbettfilter.
Zu der durch unvollständige Auftrennung verursachten Fehlbeladung von Kationen- und Anionenaustauscher
kommt bei Mischbettfiltern mit interner Regenerierung die unvermeidbare Fehlbeladung der in der Nähe der
Grenzfläche Kationenaustauscher/Anionenaustauscher befindlichen Ionenaustauscher durch Eindringen des
Regeneriermittels für die eine Komponente in die Schicht der anderen Komponente. Durch die Verwendung
von Trennschicht-Harzen, wie sie z.B. in der DE-PS 971 771 und der US-PS 2 666 741 empfohlen wird,
läßt sich zwar die Fehlbeladung durch Eindringen des Regeneriermittels der einen Komponente in die Schicht
der Gegenkomponente verhindern, nicht aber die Fehl-
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beladung infolge unvollständiger Klassierung in Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Die Verwendung der
Trennschicht-Harze ist daher auch nur von begrenztem Wert.
Sehr häufig werden Kationen- und Anionenaustauscher auch in getrennten Filtern oder aber in getrennten,
aneinandergrenzenden Kammern eines Filters untergebracht (siehe z.B. DE-OS 21 37 796, die US-PS 3 136
und 3 719 591 oder die EP-A 1-0050813). Der Nachteil dieser Anordnungen ist der hohe apparative Aufwand
und - wenn die Ionenaustauscher in getrennten Kammern eines Filters vorliegen- der hohe Druckverlust, der
durch die die Kammern gegeneinander abgrenzenden Düsenböden und die erforderlichen Vorrichtungen zur Flüssiges
keitsverteilung innerhalb der Kammern verursacht wird.
In der DE-OS 16 42 848 ist ein Gegenstromverfahren zur Wasserentsalzung beschrieben, bei dem Kationen- und
Anionenaustauscher in einem Filter in getrennten, unmittelbar aneinander grenzenden, übereinander liegenden
Schichten angeordnet sind. Der Kationenaustauscher bildet wegen seines, verglichen mit dem spezifischen
Gewicht des Anionenaustauschers, höheren spezifischen Gewichts die untere Schicht, der Anionenaustauscher
die obere Schicht. Beide Harzschichten werden bei der Beladung nacheinander durchströmt. Die Strömungsrichtung bei der Regeneration ist der Strömungsrichtung bei der Beladung entgegengesetzt. Einer
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Durchmischung der beiden Harzschichten bei der im Aufwärtsstrom erfolgenden Beladung wird durch übliche
Maßnahmen, z.B. einer auf die Oberfläche der Anionenaustauscherschicht
gerichteten Hilfsströmung/ entgegengewirkt. Das für die Zuführung der Regeneriersäure
und Ableitung der Regenerierlauge verwendete Drainage-System befindet sich in der Nähe der Grenzfläche Kationenaustauscher
/Anionenaustauscher. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es für seine Durchführung ein
kompliziertes Filter erfordert, nämlich ein aus zwei zylindrischen Abschnitten verschiedener Durchmesser
bestehendes Filter, das mit Vorrichtungen ausgerüstet ist, die eine Umlagerung beim Durchströmen der Austauschermasse
im Aufstrom verhindern. Ein noch schwerwiegenderer Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch,
daß bei seiner Durchführung Fehlbeladungen der Ionenaustauscher und infolgedessen auch die Folgen der
Fehlbeladung - unzureichende Qualität des behandelten Wassers, niedrige nutzbare Kapazität des Filters unvermeidbar
sind. Infolge der durch den Verfahrenstyp vorgegebenen Lage der Mitteldrainage in der Nähe
der Grenzfläche Kationenaustauscher/Anionenaustauscher ist eine gegenseitige Verunreinigung des einen Ionenaustauschers
durch das Regeneriermittel der Gegenkomponente unvermeidlich. Außerdem führt die bei der
Inbetriebnahme des Filters und infolge der Volumenänderung der Ionenaustauscher beim Beladen und Regenerieren
unvermeidbare Auf- und Abbewegung der Ionenaustauscher-Masse im Filter zu einer Vermischung von
Kationenaustauscher und Anionenaustauscher im Grenz-
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flächenbereich der beiden Austauscher.
Es wurde nun gefunden, daß man zu einem wesentlich einfacheren aber trotzdem wirksameren Verfahren zur
Behandlung von Flüssigkeiten mit Kationenaustauschern und Anionenaustauschern gelangt, das die Nachteile der
bekannten Verfahren nicht aufweist, wenn man Kationen- und Anionenaustauscher in getrennten Schichten übereinander,
den Kationenaustauscher als untere Schicht, den Anionenaustauscher als obere Schicht, in einem für
Gegenstrom-Verfahren mit Aufstrom-Beladung üblichen Ionenaustausch-Filter anordnet, beide Ionenaustauscher
jedoch durch eine inerte, am Ionenaustausch nicht teilnehmende Harzschicht einer bestimmten Höhe voneinander
trennt, den Anionenaustauscher zum Regenerieren aus dem Filter entfernt, und dies ohne Kationenaustauscher
und Trennschicht zu verwirbeln, den im Filter verbliebenen Kationenaustauscher im Gegenstrom
und den aus dem Filter entfernten Anionenaustauscher, in üblicher Weise extern, d.h. in einem gesonderten
Gefäß regeneriert und den regenerierten Anionenaustauscher für die Beladungsphase wieder in das Arbeitsfilter zurückfördert, wiederum ohne Kationenaustauscher
und Trennschicht zu verwirbeln.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten in Ionenaustauschfiltern,
die Kationenaustauscher und Anionenaustauscher in getrennten, übereinander angeordneten Schichten,
den Kationenaustauscher als untere Schicht,
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den Anionenaustauscher als obere Schicht, enthalten und
bei dem die Beladung der Ionenaustauscher im aufwärtsgerichteten Flüssigkeitsstrom erfolgt und die erschöpften
Ionenaustauscher getrennt regeneriert und ausgewaschen werden, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß
a) Kationenaustauscher und Anionenaustauscher durch eine am Ionenaustausch nicht teilnehmende Harzschicht
einer gewissen Höhe voneinander getrennt sind;
b) nach beendeter AufStrombeladung der Anionenaustauscher,
ohne Trennschicht und Kationenaustauscher zu verwirbeln, aus dem Filter entfernt und in bekannter
Weise in einem gesonderten Behälter extern regeneriert und ausgewaschen wird und der im Filter
verbleibende, von der Trennschicht bedeckte Kationenaustauscher in bekannter Weise im Gegenstrom regeneriert
und ausgewaschen wird;
c) anschließend an die Regenerierung von Kationen- und Anionenaustauscher der Anionenaustauscher in
das Filter zurückgefördert und die Anionenaustauscher-Schicht erneut aufgebaut wird, ohne
Trennschicht und Kationenaustauscherschicht zu verwirbeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zwar nur in Bezug auf den Kationenaustauscher ein Gegenstromverfahren,
in Bezug auf den Anionenaustauscher dagegen ein Ionen-
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austauschverfahren mit externer Regenerierung. Trotzdem
wurde gefunden, daß mit der beanspruchten Harzschicht-Folge:
Gegenstrom-regenerierter Kationenaustauscher/ Trennschicht bestimmter Höhe/extern regenerierter
Anionenaustauscher, eine Flüssigkeits-Qualität erreicht wird, wie sie an sich nur reine Gegenstrom-Verfahren
liefern, d.h. Verfahren, in denen Kationenaustauscher und Anionenaustauscher im Gegenstrom
regeneriert werden. Außerdem weist das erfindungsgemäße Verfahren für die Regenerierung des Kationenaustauschers
den für Gegenstrom-Verfahren charakteristischen niedrigen Regeneriermittel-Bedarf auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren vereint die Vorteile der Gegenstrom-Verfahren, bei denen Kationen- und
1^ Anionenaustauscher in getrennten Filtern oder Kammern
untergebracht sind, nämlich hohe Qualität der behandelten Flüssigkeit und geringer Regeneriermittel-Bedarf,
mit den Vorteilen der Ionenaustausch-Verfahren, bei denen Kationen- und Anionenaustauscher
in getrennten, übereinander angeordneten Schichten in
einem Filter untergebracht sind und in diesen mit den verschiedenen Regeneriermitteln regeneriert
werden, nämlich Einfachheit und Wirtschaftlichkeit, ohne daß es die Nachteile dieser Verfahren aufweist,
nämlich hohen apparativen Aufwand, unbefriedigende Qualität der behandelten Flüssigkeit, niedrige nutzbare
Kapazität der Filter und hoher Regeneriermittel-Bedarf .
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Da sich in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Mengenverhältnis von Kationenaustauscher zu Anionenaustauscher
mühelos ändern läßt, weist das Verfahren gegenüber dem in der DE-OS 16 42 848 beschriebenen
Verfahren den weiteren Vorteil auf, daß es sich der Zusammensetzung der zu behandelnden Flüssigkeit sehr
viel leichter anpassen läßt. Außerdem erfordert es auch keine zusätzlichen Gefäße für das Rückspülen von
Kationen- und Anionenaustauscher. Das für die externe Regeneration des Anionenaustauschers erforderliche Gefäß
kann unmittelbar auch zum Rückspülen des Anionenaustauschers verwendet werden; der Kationenaustauscher
wird im Arbeitsfilter selbst rückgespült.
Als am Ionenaustausch nicht teilnehmende, Kationenaustauscher und Anionenaustauscher voneinander trennende
Harzschicht eignen sich die für Trennschichten in Mischbettfiltern verwendeten Trennschicht-Harze, aber auch
der im Verfahren verwendete Anionenaustauscher in beladener Form. Die Verwendung des beladenen Anionenaustauschers
als Trennschicht ist bevorzugt; sie bietet den Vorteil, daß a) kein Drittharz benötigt wird,
b) daß sich infolge des größeren Unterschiedes im spezifischen Gewicht von Kationenaustauscher/Anionenaustauscher
als im spezifischen Gewicht von Kationenaustauscher/Trennschichtharz und Trennschichtharz/
Anionenaustauscher, eine schärfere Trennschicht zwischen Kationenaustauscher und Anionenaustauscher ausbildet
als zwischen Kationenaustauscher/Trennschichtharz und Trennschichtharz/Anionenaustauscher und c) daß die
Höhe der Trennschicht zwischen den einzelnen Arbeits-
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cyclen besonders einfach einstellbar ist, indem man eine größere oder kleinere Menge des beladenen
Anionenaustauschers zur externen Regeneration aus dem Filter fördert.
Bei den in Mischbetten als Trennschichtharz verwendeten Harzen handelt es sich im allgemeinen um Perl(co)polymerisate
von Styrol, Vinylchlorid, Methacrylsäureestern, Divinylbenzol und Acrylnitril ferner um Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harze,
Epoxid-harze, Polyamidharze und Polystyrol-harze (siehe EP-A 2-0010265,
Spalte 1) .
Damit sich bei deu Verwendung von Trennschichtharzen
scharfe Trennschichten zwischen Kationenaustauscher und Trennschichtharz einerseits und Trennschichtharz/
Anionenaustauscher andererseits ausbilden, sollte das Trennschichtharz bezüglich Korngröße und spezifischem
Gewicht bestimmte Bedingungen erfüllen: das Trennschichtharz sollte in etwa die gleichen Korngrößen
aufweisen wie die feinste Siebfraktion des Kationenaustauschers. Das spezifische Gewicht der Trennschicht-Harze
sollte um mindestens 0,02 g/ml, vorzugsweise mindestens 0,04 g/ml, besonders bevorzugt mindestens
0,05 g/ml niedriger als das des Kationenaustauschers und um mindestens 0,02 g/ml, vorzugsweise mindestens
0,04 g/ml, besonders bevorzugt mindestens 0,05 g/ml höher als das des Anionenaustauschers sein.
Unter feinster Siebfraktion des Kationenaustauschers ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die
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Fraktion des Kationenaustauschers zu verstehen, die bei der Klassierung des Kationenaustauschers in drei
verschiedene Korngrößenbereiche als feinster Korngrößenbereich anfällt.
Für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Höhe der am Ionenaustausch nicht teilnehmenden, Kationen- und Anionenaustauscher voneinander trennenden
Harzschicht (im folgenden abgekürzt als "Trennschicht" bezeichnet) von entscheidender Bedeutung; um eine Ver-TO
mischung von Kationenaustauscher und Anionenaustauscher zuverlässig zu vermeiden, muß die Trennschicht um mindestens
30 mm, vorzugsweise 30 bis 90 mm größer sein, als die Höhe des Freiraumes im Filter zu Beginn des
Beladungsvorganges und mindestens 100 mm hoch sein.
Als Freiraum eines Ionenaustausch-Filters ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der nicht mit Ionenaustauscher
gefüllte Raum der Filterkammer zu verstehen; infolge der Volumenänderung (Quellung und Schrumpfung)
der Ionenaustauscher bei Beladung und Regeneration kann der Freiraum im Laufe eines Arbeitszyklus sowohl
ab als auch zunehmen.
Als Kationenaustauscher werden im erfindungsgemäßen Verfahren die üblichen stark sauren Kationenaustauscher
auf Basis von mit Divinylbenzol vernetzten Polystyrolsulfonsäuren verwendet. Die Korngröße des Kationenaustauschers sollte über 0,3 mm, vorteilhaft über
0,4 mm vorzugsweise über 0,45 mm liegen und sein spezifisches Gewicht mindestens 0,05 g/ml vorzugsweise
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mindestens 0,07 g/ml größer sein als das spezifische
Gewicht des Anionenaustauschers.
Als Anionenaustauscher werden in dem erfindungsgemäßen
Verfahren die üblichen stark- und schwachbasischen Anionenaustauscher auf Basis von mit Divinylbenzol vernetzten
Polyvinylbenzylaminen oder vernetzten N-alkylierten Poly(meth)acrylamiden verwendet. Die
Korngröße des Anionenaustauschers sollte unter 1,20 mm, vorteilhaft unter 1,10 mm, vorzugsweise unter
1,05 mm liegen.
Das erfindungsgemäße Entfernen des Anionenaustauschers aus dem Arbeitsfilter, ohne Trennschicht und Kationenaustauscher zu verwirbeln, läßt sich besonders einfach
durch hydraulische Förderung bewerkstelligen. Die hydraulische Förderung des Anionenaustauschers aus dem
Arbeitsfilter läßt sich z.B. durch Abziehen der Anionenaustauscherschicht mittels eines (oder mehrerer) bis
an die Grenzfläche Anionenaustauscher/Trennschicht hinabreichenden Hebers (bzw. hinabreichender Heber)
oder mit einem (oder mehreren) senkrecht bis an die Grenzfläche Anionenaustauscher/Trennschicht in den
Anionenaustauscher eingeführten Steigrohrs (bzw. eingeführter Steigrohre) bewerkstelligen. Die Rückführung
des extern regenerierten und ausgewaschenen Anionenaustauschers in das Arbeitsfilter ohne Verwirbelung der
im Filter verbliebenen Trennschicht und Kationenaustauscher-Schicht läßt sich z.B. dadurch erreichen, daß
man den Anionenaustauscher über eine in den Filter-Freiraum einmündende, für den Transport von Ionenaustauschern
geeignete Zuleitung herabrieseln läßt.
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Die Erfindung betrifft daher auch ein Gegenstromfilter
zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens. Dieses erfindungsgemäße Gegenstromfilter ist dadurch gekennzeichnet,
daß es aus einem für Gegenstrom-Verfahren mit Aufstrom-Beladung üblichen Ionenaustauschfilter besteht,
das jedoch zusätzlich mit folgenden Vorrichtungen ausgerüstet ist:
a) einer Vorrichtung, mit der sich die Anionenaustauscherschicht ohne Verwirbelung von angrenzender
Trennschicht und darunterliegender Kationenaustauscherschicht aus dem Filter entfernen läßt;
b) einer Vorrichtung, mit der sich der extern regenerierte
Anionenaustauscher ohne Verwirbelung der im Filter verbliebenen Trennschicht und Kationenaustauscherschicht
in das Filter rückführen läßt.
Für Gegenstrom-Verfahren mit Beladung im Aufstrom üblicherweise
verwendete Ionenaustausch-Filter bestehen im allgemeinen aus einem mit verschließbaren Flüssigkeitszu-
und -ableitungen versehenen zylindrischen, oben und unten mit Klöpperböden verschlossenen Gefäß,
dessen zylindrischer Innenraum nach unten und oben durch eine flüssigkeitsdurchlässige Vorrichtung
(z.B. Düsenboden) abgeschlossen ist.
Die hydraulische Förderung von Ionenaustauschern aus Ionenaustausch-Filtern, z.B. aus Mischbettfiltern,
ist an sich bekannt. Bei dieser bekannten hydraulischen Förderung werden jedoch die Steigrohre bis auf den
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Boden des Filters geführt und die Ionenaustauschermasse als Ganzes, ohne Rücksicht auf Verwirbelungen, aus dem
Filter gedrückt. Die erfindungsgemäße hydraulische
Förderung unterscheidet sich von dieser bekannten hydraulischen Förderung dadurch, daß bei ihr selektiv
nur eine Schicht, nämlich die Anionenaustauscherschicht, aus dem Filter entfernt wird und dies, ohne
daß es zu einer Verwirbelung der an diese Schicht angrenzenden Trennschicht und der darunter befindlichen Kationenaustauscherschicht kommt.
Förderung unterscheidet sich von dieser bekannten hydraulischen Förderung dadurch, daß bei ihr selektiv
nur eine Schicht, nämlich die Anionenaustauscherschicht, aus dem Filter entfernt wird und dies, ohne
daß es zu einer Verwirbelung der an diese Schicht angrenzenden Trennschicht und der darunter befindlichen Kationenaustauscherschicht kommt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das zu seiner Ausführung
verwendete Gegenstrom-Filter seien anhand
von Figur 1 erläutert:
von Figur 1 erläutert:
Auf der unteren flüssigkeitsdurchlässigen Vorrichtung (2) der durch den zylindrischen Teil der Filtersäule
(1) und die beiden flüssigkeitsdurchlässigen Vorrichtungen (2) gebildeten Kammer ruhen in getrennten, unmittelbar übereinander angeordneten Schichten
Kationenaustauscher (3), Trennschicht (5) und Anionenaustauscher (4). über dem Anionenaustauscher (4) befindet sich der Freiraum (6). Der Freiraum (6) wird nach oben durch die obere flüssigkeitsdurchlässige Vorrichtung (2) begrenzt.
(1) und die beiden flüssigkeitsdurchlässigen Vorrichtungen (2) gebildeten Kammer ruhen in getrennten, unmittelbar übereinander angeordneten Schichten
Kationenaustauscher (3), Trennschicht (5) und Anionenaustauscher (4). über dem Anionenaustauscher (4) befindet sich der Freiraum (6). Der Freiraum (6) wird nach oben durch die obere flüssigkeitsdurchlässige Vorrichtung (2) begrenzt.
In der Beladungsphase tritt die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Zuleitung (9) in das Filter (1) ein.
Die Leitungen (7) und (8) sind durch die Absperrorgane (13) und (14) geschlossen. Die behandelte Flüssigkeit
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verläßt durch Leitung (11) das Filter. Anschließend an
die Beladung wird der Anionenaustauscher (4) bei geschlossenen AbsperrOrganen (10) und (14) und geöffnetem
Absperrorgan (12) über Leitung (7) in einen zweiten, gesonderten Behälter abgehebert.
Bei dieser hydraulischen Förderung des Anionenaustauschers (4) aus dem Filter (1) tritt keine Verwirbelung
der Trennschicht (5) und des Kationenaustauschers (3) ein.
Der Anionenaustauscher (4) wird in einem gesonderten Behälter für externe Regeneration in üblicher Weise
mit verdünnter wäßriger Natronlauge regeneriert und anschließend gewaschen, bis der Waschwasser-Ablauf
aus dem Anionenaustauscher nur noch die gewünschte Restleitfähigkeit aufweist.
Während oder nach der Regeneration des Anionenaustauscher
s (4) wird der im Arbeitsfilter (1) verbliebene Kationenaustauscher (3) in für Gegenstrom-Regenerationen
üblicher Weise mit verdünnten wäßrigen Mineralsäuren, vorzugsweise verdünnter wäßriger Salzsäure,
regeneriert. Die Regeneriersäure wird bei geschlossenen
Absperrorganen (13) und (14) durch Leitung (11) eingespeist und nach Durchlaufen der Trennschicht
(5) und der Kationenaustauscherschicht (3) durch Leitung (9) abgezogen. Das Auswaschen der Regeneriersäure
aus Trennschicht und Kationenaustauscher erfolgt in gleicher Strömungsrichtung wie die Regeneration.
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Sobald der Waschwasser-Ablauf aus dem Kationenaustauscher (3) nur noch die gewünschte Restleitfähigkeit
aufweist, ist der Waschvorgang beendet und Absperrorgan (10) wird geschlossen.
Dann wird bei geschlossenen Absperrorganen (10) und (13)
und geöffneten Absperrorganen (12) und (14) der Anionenaustauscher
(4) durch Leitung (8) zurück in das Filter (1) gefördert. Bei dieser Rückförderung tritt wiederum
keine Verwirbelung von Trennschicht (5) und Kationenaustauscherschicht
(3) ein. Anschließend an den Aufbau der Anionenaustauscherschicht (4) auf Trennschicht
(5) wird das Absperrorgan (14) wieder geschlossen, die Absperrorgane (10) und (12) werden
geöffnet und der Beladungsvorgang beginnt von neuem.
Eine besonders praxisnahe Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens und Filters ist in Figur dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die obere
flüssigkeitsdurchlässige Vorrichtung (2) des Filters (1) durch eine Schwimmschicht (15) aus Inertmaterial
vor Verstopfungen geschützt.
Als Inertmaterial für die Schwimmschicht eignen sich Granulate organischer synthetischer Materialien, z.B.
aus Polyethylen oder Polypropylen. Diese Inertmaterialien sollten eine Dichte aufweisen, die geringer
ist als jede der Flüssigkeiten, mit denen sie in Berührung kommen, d.h. sie müssen auf den sie durchströmenden
Flüssigkeiten schwimmen. Die Korngröße der
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Granulate sollte vorteilhaft etwa 0,2 bis 2,0 mm betragen .
In Figur 2 ist zusätzlich auch der für die externe Regenerierung des Anionenaustauschers erforderliche
Regenerierbehälter (16) dargestellt. Nach beendeter Beladung wird der Anionenaustauscher (4) über das Steigrohr
(7) bei geöffneten Absperrorganen (12), (13) und (21) und geschlossenen Absperrorganen (10), (14) und
(19) in den Regenerierbehälter (16) gedrückt. Für eine störungsfreie Förderung ist es vorteilhaft, wenn der
Anionenaustauscher (4), wie in Figur 2 gezeichnet, von oben in den Regenerierbehälter rieselt. Sobald sich
der zu regenerierende Anionenaustauscher (4) im Regenerierbehälter (16) befindet, wird das Absperrorgan
(13) geschlossen und bei geöffneten Absperrorganen (19) und (21) die Regenerierlauge durch Leitung (18)
über den auf der flüssigkeitsdurchlässigen Vorrichtung (z.B. Düsenboden) (17) ruhenden Anionenaustauscher (4)
filtriert und durch Leitung (20) abgezogen. Anschließend an die Regenerierung wird der Anionenaustauscher in
gleicher Strömungsrichtung ausgewaschen. Nach beendetem Auswaschen wird das Absperrorgan (21) geschlossen.
Der regenerierte und ausgewaschene Anionenaustauscher (4) wird hydraulisch bei geöffneten Absperrorganen
(12), (14) und (19) und geschlossenen Absperrorganen (10), (13) und (21) über Leitung (8) zurück in das
Filter (1) gedrückt.
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- V7 -
Es wird die in Figur 2 beschriebene Filteranordnung verwendet.
Das Filter (1) hat einen inneren Durchmesser von 300 mm;
seine zylindrische Höhe (= Kammerhöhe = Abstand zwischen unterem und oberem Düsenboden (2)) beträgt 2.200 mm.
Das in die Anionenaustauscherschicht (4) eintauchende
Ende des Steigrohres (7) befindet sich in der Grenzfläche Anionenaustauscher/Trennschicht. Die Höhe des
Freiraumes (6) (zu Beginn der Beladung) beträgt 70 mm, die Höhe der Schwimmschicht (15) 200 mm.
Das Filter (1) ist gefüllt mit:
70 Litern starksaurem makroporösem Kationenaustauscher Höhe der Kationenaustauscherschicht (3):
1000 mm;
Spezifisches Gewicht: 1,21 g/ml; ,
Korngröße: 1,25 - 0,5 mm 56 Litern starkbasischem gelförmigem Anionenaustauscher
Höhe der Anionenaustauscherschicht (4): 800 mm;
Spezifisches Gewicht: 1,07 g/ml;
Korngröße: 1,12 - 0,4 mm
und
9 Litern Trennschicht-Harz (gemäß EP-A 2-0010265, Beispiel 12)
Höhe der Trennschicht (5): 130 mm Spezifisches Gewicht: 1,15 g/ml;
Korngröße: 0,5-0,7 mm
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Zum Beladen wird ein Leitungswasser mit folgendem Gehalt an Anionen und Kationen (Angaben in meq/1)
verwendet:
| Ca2+ | + Mg2+ | 5,3 |
| Na+ | + K+ | 3,6 |
| Cl" | + SO4 2" + NO3" | 6,4 |
| HCO3 | 2,5 | |
| co2 | (frei) | 0,07 |
| SiO2 | 0,13 |
Der Regenerbehälter (16) hat einen inneren Durchmesser von 300 mm und eine zylindrische Mantelhöhe von 1600 mm.
Der Abstand des senkrechten Endes der Leitung (8) vom unteren Düsenboden (17) beträgt 50 mm.
Nach jeder Beladung wird der Kationenaustauscher mit 10 kg 30 %iger Salzsäure (in Form einer 6 %igen
wäßrigen Lösung) im Gegenstrom, der Anionenaustauscher mit 9 kg 50 %iger Natronlauge (in Form einer 4 %igen
wäßrigen Lösung) extern regeneriert.
Das zu entsalzende Wasser wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1200 l/h von unten nach oben durch
das Filter (1) geleitet. Die durchschnittliche Leitfähigkeit des aus dem Filter (1) ausströmenden, entsalzten
Wassers beträgt 2 bis 3 uS/cm, sein Kieselsäure-Gehalt weniger als 0,1 mg SiO2/1. Die Beladung
2^ wird abgebrochen, sobald die Leitfähigkeit des entsalzten
Wassers auf über 5 με/cm ansteigt. Die Menge an entsalztem Wasser, die bis zu diesem Durchbruchswert
erhalten wird, beträgt 4535 1 (Durchschnittswert aus sechs Arbeitszyklen).
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Wendet man die Ionenaustauscher statt in dem erfindungsgemäßen
Verfahren in dem in der DE-OS 16 42 848 beschriebenen Gegenstromverfahren an, so wird ein entsalztes
Wasser erhalten, dessen durchschnittliche Leitfähigkeit nur 10 \iS/cva. beträgt; die Menge an
entsalztem Wasser, die bis zum Durchbruchwert von 20 μβ/σιη erhalten wird, beträgt nur 3960 Liter.
Es wird wie in Beispiel 1 beschrieben gearbeitet, nur wird die Trennschicht (5) nicht aus 9 1 Trennschichtharz
sondern aus 9 1 des verwendeten starkbasischen gelförmigen Anionenaustauschers aufgebaut. Diese 9
Anionenaustauscher werden nach der Beladung nicht in den Regenerierbehälter (16) ausgetragen, sondern
dienen als nicht mehr am Ionenaustausch teilnehmende Trennschicht (5).
Mit dem solchermaßen gefüllten Filter werden die gleichen Ergebnisse erhalten, wie in Beispiel 1.
Es wird lediglich mehr Waschwasser zum Auswaschen der Regeneriersäure aus Trennschicht + Kationenaustauscher
benötigt (700 1 statt 280 1 in Beispiel 1).
Es wird wie in Beispiel 1 beschrieben gearbeitet, nur wird zur Füllung des Filters (1) als starksaurer Ka tionenaustauscher
ein gelförmiger starksaurer Kationen-
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austauscher (spezifisches Gewicht: 1,23 g/ml; Korngröße:
1,25 - 0,5 mm) und als Trennschicht (9 1) und als Anionenaustauscher (56 1) ein starkbasischer makroporöser
Anionenaustauscher (spezifisches Gewicht: 1,09 g/ml; Korngröße: 1,0 - 0,45 mm) verwendet.
Nach jeder Beladung wird der Kationenaustauscher mit 12 kg 30 %iger Salzsäure (in Form einer 6 %igen
wäßrigen Lösung) im Gegenstrom, die 56 1 Anionenaustauscher mit 9 kg 50 %iger Natronlauge (in Form einer
4 %igen wäßrigen Lösung) extern regeneriert.
Das zu entsalzende Wasser wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1400 l/h von unten nach oben durch
das Filter (1) geleitet. Die durchschnittliche Leitfähigkeit des das Filter verlassenden entsalzten
Wassers beträgt 0,6 μβ/οΐη, sein Kieselsäure-Gehalt
0,05 mgSiO2/l. Die Beladung wird abgebrochen, sobald
die Leitfähigkeit des entsalzten Wassers auf über 0,6 με/αη ansteigt. Die Menge an entsalztem Wasser,
die bis zu diesem Durchbruchswert durchgesetzt werden kann, beträgt 5800 1 (Durchschnittswert aus
sechs Arbeitszyklen).
Es wird wie im Beispiel 3 gearbeitet, nur wird die Trennschicht (5) aus 9 1 des in Beispiel 1 beschriebenen
Trennschichtharzes aufgebaut.
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Mit dem solchermaßen gefüllten Filter werden die gleichen Ergebnisse erhalten, wie in Beispiel 3.
Nur der Waschwasser-Bedarf zum Auswaschen der Regeneriersäure aus dem Kationenaustauscher sinkt
von den in Beispiel 3 erforderlichen 650 1 auf 210 1.
Für die Beladung der Ionenaustauscher wird ein Abwasser verwendet, das einen Überschuß an freier Säure enthält;
insgesamt enthält das zu entsalzende Wasser folgende Mengen (in meq/1) an Kationen, Anionen, Kohlensäure
und Kieselsäure:
| Kationen | + NO3" | 3 | ,6 |
| Cl" + SO4 2" | 5 | ,3 | |
| CO2 + SiO2 | 0 | ,3 | |
Das Filter (1) der in Figur 2 beschriebenen Filteranordnung wird gefüllt mit:
49 Litern des in Beispiel 1 beschriebenen starksauren
makroporösen Kationenaustauschers
2Q Höhe der Kationenaustauscher-Schicht (3):
700 mm
86 Litern des in Beispiel 1 -beschriebenen starkbasischen
gelförmigen Anionenaustauschers; von diesen 86 1 dienen 77 1 als Anionenaustauscher; Höhe
der Anionenaustauscher-Schicht (4):
1100 mm und
9 1 als Trennschicht
Höhe der Trennschicht (5): 130 mm
9 1 als Trennschicht
Höhe der Trennschicht (5): 130 mm
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Das Ende des in den Anionenaustauscher eintauchenden Steigrohres (7) befindet sich in der Grenzfläche der
Anionenaustauscherschicht (4) / Trennschicht (5).
Nach jeder Beladung wird der Kationenaustauscher mit 7 kg 30 %iger Salzsäure (in Form einer 6 %igen wäßrigen
Lösung) im Gegenstrom, und die 77 1 Anionenaustauscher mit 12,5 kg 50 %iger Natronlauge (in Form einer 4 %igen
wäßrigen Lösung) extern regeneriert.
Das zu entsalzende Wasser wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1000 l/h durch das Filter (1) geleitet.
Die durchschnittliche Leitfähigkeit des das Filter verlassenden, entsalzten Wassers beträgt
5 \iS/cm, sein Kieselsäure-Gehalt 0,1 mg SiO2/l. Die
Menge an entsalztem Wasser, die bis zum Durchbruchswert von 10 \iS/cm durchgesetzt werden kann, beträgt
9600 1 Abwasser (Durchschnittswert aus sechs Arbeitszyklen) .
Die Beladung der Ionenaustauscher wird mit dem in Beispiel
1 beschriebenen Wasser vorgenommen, jedoch ohne Bindung von Kohlensäure und Kieselsäure.
Das Filter (1) der in Figur 2 beschriebenen Filteranordnung wird in diesem Fall gefüllt mit:
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80 Litern des in Beispiel 3 beschriebenen starksauren gelförmigen Kationenaustauschers
Höhe der Kationenaustauscher-Schicht (3): 1150 mm
46 Litern eines schwachbasischen makroporösen Anionenaustauschers auf Acrylamid-Basis
Höhe der Anionenaustauscher-Schicht (4): 660 mm
Spezifisches Gewicht: 1,05 g/ml; Korngröße: 1,12 - 0,3 mm
und
9 Litern des in Beispiel 1 beschriebenen Trennschicht-Harzes.
Das Ende des in den Anionenaustauscher eintauchenden Steigrohres (7) befindet sich in der Grenzfläche
Anionenaustauscher/Trennschicht.
Der Kationenaustauscher wird mit 16 kg 30 %iger Salzsäure (in Form einer 6 %igen wäßrigen Lösung) im Gegenstrom,
der Anionenaustauscher mit 5,6 kg 50 %iger Natronlauge (in Form einer 4 %igen wäßrigen Lösung)
extern regeneriert.
Das zu entsalzende Wasser wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 950 l/h durch das Filter (1) geleitet.
Die durchschnittliche Leitfähigkeit des das Filter verlassenden, entsalzten Wassers beträgt
20 μβ/σιη, sein Gehalt an Chlorid-Ionen 2 mg/1. Die
Beladung wird abgebrochen, sobald die Leitfähigkeit
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des entsalzten Wassers auf über 25 \iS/cm ansteigt.
Die Menge an entsalztem Wasser, die bis zu diesem Durchbruchswert erhalten werden kann, beträgt 7550
(Durchschnittswert aus sechs Arbeitszyklen).
Da der Anionenaustauscher bei der Beladung um etwa 10 Vol-% quillt, der Kationenaustauscher dagegen
um etwa 5 Vol.-% schrumpft, genügt ein Freiraum
(6) von 70 mm.
um etwa 5 Vol.-% schrumpft, genügt ein Freiraum
(6) von 70 mm.
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-39-
- Leerseite -
Claims (8)
1. Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten in Ionenaustauschfiltern, die Kationenaustauscher
und Anionenaustauscher in getrennten, übereinander angeordneten Schichten, den Kationenaustauscher
als untere Schicht, den Anionenaustauscher als obere Schicht, enthalten und bei dem die Beladung der Ionenaustauscher im aufwärts
gerichteten Flüssigkeitsstrom erfolgt und die erschöpften Ionenaustauscher getrennt
regeneriert und ausgewaschen werden, dadurch gekennzeichnet, daß
a) Kationenaustauscher und Anionenaustauscher durch eine am Ionenaustausch nicht teilnehmende
Harzschicht einer gewissen Höhe
voneinander getrennt sind;
b) nach beendeter AufStrombeladung der Anionenaustauscher,
ohne Trennschicht und Kationenaustauscher zu verwirbeln, aus dem Filter entfernt und in bekannter Weise in einem
gesonderten Behälter extern regeneriert und ausgewaschen wird und der im Filter verbleibende,
von der Trennschicht bedeckte Kationenaustauscher in bekannter Weise im Gegenstrom regeneriert und ausgewaschen
wird;
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c) anschließend an die Regenerierung von Kationenaustauscher
und Anionenaustauscher der Anionenaustauscher in das Filter zurückgefördert und
die Anionenaustauscher-Schicht erneut aufgebaut wird, ohne Trennschicht und Kationenaus
tauscher-Schicht zu verwirbeln.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ionenaustausch nicht teilnehmende,
Kationenaustauscher und Anionenaustauscher voneinander trennende Harzschicht mindestens 30 mm
größer als die Höhe des Freiraums im Filter zu Beginn des Beladungsvorganges und mindestens
100 mm hoch ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ionenaustausch nicht teilnehmende,
Kationenaustauscher und Anionenaustauscher voneinander trennende Harzschicht aus
üblichen Trennschicht-Harzen oder aus beladenem Anionenaustauscher gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht-Harze in etwa die gleichen
Korngrößen aufweisen, wie die feinste Siebfraktion des Kationenaustauschers und daß ihr spezifisches
Gewicht mindestens 0,02 g/ml niedriger als das spezifische Gewicht des Kationenaustauschers
und um mindestens 0,02 g/ml höher ist als das spezifische Gewicht des Anionenaustauschers ist.
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5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Kationenaustauschers über
0,3 nun liegt und sein spezifisches Gewicht mindestens
um 0,05 g/ml größer ist als das spezifische Gewicht des Anionenaustauschers und die Korngröße
des Anionenaustauschers unter 1,20 mm liegt.
6. Gegenstromfilter zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß es aus einem für Gegenstrom-
^ Verfahren mit Aufstrom-Beladung üblichen Ionenaustauschfilter
besteht, das zusätzlich mit folgenden Vorrichtungen ausgerüstet ist:
a) einer Vorrichtung, mit der sich die Anionenaustauscher-Schicht ohne Verwirbelung von
angrenzender Trennschicht und darunterliegender
Kationenaustauscherschicht aus dem Filter entfernen läßt;
b) einer Vorrichtung, mit der sich der extern regenerierte Anionenaustauscher ohne Verwirbelung
der im Filter verbliebenen Trenn
schicht und Kationenaustauscher-Schicht in das Filter rückführen läßt.
7. Gegenstromfilter gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß es aus einem mit verschließbaren Flüssigkeitszu- und -ableitungen versehenen
Ionenaustausch-Filter besteht, dessen zylindrischer
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Innenraum nach unten und oben durch eine flüssigkeitsdurchlässige Vorrichtung abgeschlossen ist,
das zusätzlich
a) mit einer Vorrichtung, mit der sich die
Anionenaustauscher-Schicht ohne Verwirbelung
von angrenzender Trennschicht und darunterliegender Kationenaustauscher-Schicht aus
dem Filter entfernen läßt; und
b) einer Vorrichtung, mit der sich der extern
' regenerierte Anionenaustauscher der im Filter
verbliebenen Trennschicht und Kationenaustauscher-Schicht in das Filter zurückführen
läßt,
ausgerüstet ist.
8. Gegenstromfilter gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung a) aus einem
oder mehreren Heber(η), dessen (deren) einer Schenkel bis an die Grenzfläche Anionenaustauscher/
Trennschicht hinabreicht (hinabreichen) oder aus einem oder mehreren senkrecht bis an die Grenzfläche
Anionenaustauscher/Trennschicht in den Anionenaustauscher eingeführten Steigrohr(en) besteht und
die Vorrichtung b) aus einer in den Filter-Freiraum einmündenden, für den Transport von Ionenaustauschern
geeigneten Zuleitung besteht.
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Priority Applications (9)
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