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Verfahren zur Entsalzung, insbesondere Vollentsalzung von Wasser und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Entsalzungs-, insbesondere Vollentsalzungsverfahren im Wege des Ionenaustausches in gegebenenfalls mehrstufig hintereinandergeschalteten Kationen- und Anionenaustauschern oder einer Mischung beider (Mischbettfilter) als Arbeitsstufe und Neutralisation bzw. Entfernung durchgebrochener Ionen in einer Pufferfilterstufe, wobei in die Arbeitsstufe eine chemische oder mechanische CO-Entgasungsstufe eingeschaltet sein kann.
Um einen Elektrolyten im Ionenaustausch aus einer wässerigen Lösung zu entfernen, sind im Prinzip
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Vielfach arbeitet man mit mehrstufigen Verfahren, wobei die Lösung nacheinander abwechselnd durch Kationen-und Anionenaustauschersäulen geleitet wird.
Die Salzlösung, die über einen Kationenaustauscher fliesst, wird zunehmend sauer. Dabei verschiebt sich das Austauscher-Gleichgewicht zu Ungunsten der beabsichtigten Umsetzung. Zur Entfernung der letzten Spuren des Kations ist eine verhältnismässig grosse Austauschermenge erforderlich. Mit Mischbettfiltern, bei denen beide Umsetzungen gleichzeitig an benachbarten Körnern ablaufen, lässt sich eine grössere Reinheit erzielen als mit mehrstufigen Anlagen vergleichbarer Grösse, weil die Lösung praktisch neutral bleibt. Mischbettfilter sind aber schwieriger zu Regenerieren. Daher verwendet man diese gewöhnlich nur am Ende des Entsalzungsvorganges als Pufferfilter. Hier haben sie die Aufgabe, ein vollständig neutrales Wasser sicherzustellen und/oder einen Ionendurchbruch abzufangen.
Im allgemeinen ist man bestrebt, das Pufferfilter ebenso wie die Arbeitsfilter wirtschaftlich auszunutzen. Dem sind hier aber enge Grenzen gesetzt, wenn man höchste Reinheit erzielen und dem Pufferungszweck ganz gerecht werden will. Man begnügt sich daher mit einer Beladung, die nicht bis zur Erschöpfung geht und nur einen geringen Grad der Durchbruchskapazität ausnutzt.
Es ist die der Erfindung vorangegangene Erkenntnis, dass aber selbst dann die Betriebszeiten der Pufferfilter infolge der geringen Ionenkonzentration im Reinwasserzulauf zwischen zwei Regenerationen so lang sind, dass sich erhebliche Störungen einstellen können. Da die Austauschersäule jedenfalls erheblich längere Zeit als die Arbeitsfilter dauernd in einer Richtung belastet ist, können z. B. die Austauscherkörner zusammenbacken. Abgesehen von der unerwünschten Erhöhung des Strömungswiderstandes kann auch die Kanalbildung bzw. Randgängigkeit verstärkt werden, wobei sich die ganze Front oder Bande als solche verschieben kann, was eine Verminderung der lokalen Schärfe zur Folge hat.
Die nutzbare Kapazität der Anlage geht somit schon während der bestimmungsgemäss beschränkten Kapazität zurück. Die Sicherheitszone gegen Ionendurchbruch wird also schmäler und die Pufferfilter werden ihrer Aufgabe nicht gerecht.
Unvereinbar ist beim Betrieb von Pufferfiltern jedenfalls die Forderung nach grösstmöglicher Nutzung der Austauscherkapazität mit der erfindungsgemässen nach kürzesten Beladungszeiten zwischen
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den Regenerationen.
Es ist der Zweck der Erfindung, diese bisher bei der Entsalzung im Wege eines Ionenaustausches aufgetretenen Schwierigkeiten zu beheben und wirtschaftlich arbeitende Anlagen zur Durchführung des neuen Verfahrens zu schaffen.
Die Erfindung sieht zu diesem Zweck ein Verfahren zur Entsalzung, insbesondere Vollentsalzung, von Wasser im Wege des Ionenaustausches, wobei Kationen- und Anionenaustauscher und/oder eine
Mischung beider (Mischbettfilter) als Arbeitsstufen gegebenenfalls mehrstufig hintereinandergeschaltet sind und die Neutralisation bzw.
die Entfernung durchgebrochener Ionen in einer Pufferfilterstufe erfolgt und wobei in der Arbeitsstufe eine chemische oder mechanische C02 - Entfernung vorgenommen werden kann, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Arbeits- (6) und die Pufferfilterstufen (5), die aus
Mischbettfilter bestehen, in an sich bekannter Weise im Wechsel betrieben werden, in der Form, dass das Wasser zunächst einer bis zur Erschöpfung genutzten Arbeitsstufe (6) aufgegeben und die nachge- schaltete Pufferfilterstufe (5) jeweils nur bis zu einem Bruchteil ihrer Durchbruchskapazität genutzt wird, dass das Verfahren bei Erschöpfung der Arbeitsstufe (6) bis zu deren Regenerierung unterbrochen wird und dass die Pufferfilterstufe (5)
nunmehr an Stelle der jeweils vorher vorgeschalteten erschöpften und nunmehr regenerierten Arbeitsstufe (6) geschaltet, bis zu ihrer Durchbrüchsgrenze genutzt und die regenerierte Arbeitsstufe (6) dabei als Pufferfilterstufe nachgeschaltet wird.
Demgemäss kann die Erfindung auch gekennzeichnet werden als eine Entsalzungsanlage, insbesondere Vollentsalzungsanlage, wobei ein Arbeitsfilter (6) vorgesehen ist, das Ionen gleicher Sorte wie das vorgesehene Pufferfilter (5) enthält und eine an sich bekannte Wechselschaltung für die beiden Filter so getroffen ist, dass das jeweils frisch regenerierte Filter als Pufferfilter und das bis dahin als solches angewendete als Arbeitsfilter (6) hintereinander schaltbar sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei Mischbettfilter (5,6) im verfahrensmässigen Wechsel schaltbar angeordnet sind.
Durch die österr. Patentschrift Nr. 140932 ist zwar bereits vorgeschlagen worden, ein Filter einem andern als Pufferfilter nachzuschalten, doch handelt es sich in diesem Fall um eine Massnahme zur besseren Ausnutzung des Regeneriermaterials und dient einem ganz andern Zweck. Die in dieser Druckschrift erwähnte Hintereinanderschaltung ist auch keine ständige Einrichtung, sondern erfolgt nur vor- übergehend, die meiste Zeit ist nur ein Filter in Betrieb, während das andere regeneriert wird. Im Gegensatz hiezu sollen beim erfindungsgemässen Verfahren stets beide Filter in Betrieb sein, aber immer nur so lange, bis das jeweils als Pufferfilter geschaltete Filter nach geringfügiger Nutzung als solches als Hauptfilter geschaltet wird und erst dann bis zum Erreichen der Durchbruchsgrenze genutzt wird, wie in der folgenden Beschreibung noch ausführlich dargelegt werden wird.
Eine sehr vorteilhafte Nutzung findet das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die entsprechende Schaltungsanordnung in der Vollentsalzung mit Entkieselung. Es ist bekannt, die Anlagen zur Durchführung dieses Verfahrens in je einen schwach und stark sauren Kationenaustauscher und je einen schwach und stark basischen Anionenaustauscher unter Zwischenschaltung einer C02 -Entgasung aufzuteilen. Nach der Erfindung wird nun anstatt des üblichen stark basischen Anionenaustauschers ein Mischbettfilter als Arbeitsfilter angewendet, das im Sinne der Erfindung mit dem Mischbett-Pufferfilter in Wechselschaltung betrieben wird.
Dort, wo die Wasserverhältnisse den Wegfall eines schwach basischen Anionenaustauschers zulassen, wird bei der erfindungsgemässen Vollentsalzungsanlage Raum gespart.
Mit dem jeweils als Arbeitsfilter geschalteten Mischbettfilter wird in der erfindungsgemässen Anordnung neben der Abbindung der Kohlensäure und Kieselsäure an den stark basischen Austauscherkörnern eine zusätzliche Pufferfilterwirkung erzielt, so dass man grösste Sicherheit gegen Ionendurch- bruch hat und ein Wasser grösster Reinheit erhält.
Bei dieser Durchführungs - und Ausführungsart nach der Erfindung fällt neben dem Wirkungseffekt einer stets wirksamen Pufferwirkung die Ersparnis an Chemikalien ganz besonders ins Gewicht. Diese Ausführungsart sei daher in der Zeichnung an Hand einer Schemaskizze näher erläutert und beschrieben.
Bei der in der Zeichnung beispielsweise gezeigten Vollentsalzungsanlage ist-l-der schwach saure Kationenaustauscher, -2-- der stark saure Kationenaustauscher und --3-- ist die aus einem Rieseier bestehende CO2 -Entgasung. Mit --4-- ist der nachgeschaltete schwach basische Anionenaustauscher bezeichnet. Gemäss der Erfindung sind die beiden Mischbettfilter --5 und 6-- über das Zweiweg-Umschaltventil--7-- nachgeschaltet. Beide Mischbettfilter --5 und 6-- sind stark basisch und stark sauer. Je nach der Schaltstellung des Zweiweg-Umschaltventils --7-- ist entweder das Mischbettfilter --5-- oder das Mischbettfilter --6-- als Arbeitsfilter und das andere als Pufferfilter geschaltet.
In der Zeichnung ist eine der Schaltstellungen durch die ausgezogene Leitungslinie --a-- und die
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andere durch die punktierte Leitungslinie --b-- veranschaulicht. Die Leitungen --a und b-sind an ihren Enden an das Vierweg-Umschaltventil-8-angeschlossen, das für eine der beiden angeschlossenen Leitungen den Durchgang zum Reinwasserablauf --c-- und für die andere die gemeinsame Verbindungs-Steigleitung-d-freigibt, welche das jeweils vorgeschaltete Mischbettfilter mit dem jeweils nachgeschalteten verbindet. Gezeigt und durch Pfeile veranschaulicht ist diejenige Schaltstellung, bei welcher das Mischbettfilter --6-- als Arbeitsfilter und das Mischbettfilter --5-- als Pufferfilter angewendet ist.
Das Mischbettfilter --5-- ist demnach im Sinne der Erfindung das frisch regenerierte, das nur zu einem geringen und vertretbaren Grad seiner Durchbruchskapazität genutzt und dann nach Umschaltung, veranschaulicht durch die punktierte Leitungslinie --b--, als Arbeitsfilter bis zu seiner Erschöpfung ausgefahren werden kann.
Es ist einleuchtend, dass mit dem stets frisch regenerierten Austauschermaterial des jeweiligen Pufferfilters geringste lonenspuren aus der Lösung entfernt werden können, was sonst nur bei grösstem Überschuss an Austauschermaterial erreicht werden könnte. Die Chemikalien für die Regenerationen gehen nicht verloren.
Der erfindungsgemässe Wirkungseffekt muss also nicht mit grösserem Aufwand an Regeneriermitteln erkauft werden.
Die optimalen Abmessungen und Austauschermengen, bei denen das Optimum an Ausnutzung erreicht wird, können auf Grund der allgemein geltenden Theorien festgelegt werden, wenn die jeweiligen Betriebsbedingungen ermittelt sind.
Überraschenderweise wird durch die erfindungsgemässe Ausführungsart und Durchführungsart auch eine bei der Regeneration von Pufferfiltern auftretende Schwierigkeit behoben. Zur Regeneration müssen die vermischten Austauscher voneinander getrennt werden, was durch Aufschlämmen in der Säule geschieht. Hiebei setzt sich der leichtere Anionenaustauscher über dem schwereren Kationenaustauscher ab. Bei Anwendung von Mischbettfiltern als Pufferfilter zeigte sich, dass diese infolge der geringen Erschöpfung wenig Neigung zu voller Aufladung beim Regenerationsvorgang zeigten und ausserdem schlecht zu trennen und im Anschluss an die Regenerierung wieder ebenso schlecht zu mischen waren.
Durch die erschöpfende Beladung gemäss der Erfindung sind die Austauscher besser zu trennen und zu mischen.
PATENTANSPRÜCHE :
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Process for desalination, in particular complete desalination of water and device for carrying out the process
The invention relates to a desalination, in particular full desalination process by way of ion exchange in optionally multi-stage series-connected cation and anion exchangers or a mixture of both (mixed bed filter) as a working stage and neutralization or removal of broken ions in a buffer filter stage, with a chemical or mechanical CO in the working stage Degassing stage can be switched on.
To remove an electrolyte from an aqueous solution by ion exchange, are in principle
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In many cases, multistage processes are used, the solution being passed successively alternately through cation and anion exchange columns.
The salt solution that flows over a cation exchanger becomes increasingly acidic. The exchange equilibrium shifts to the disadvantage of the intended implementation. A relatively large amount of exchanger is required to remove the last traces of the cation. With mixed-bed filters, in which both conversions take place simultaneously on adjacent grains, a greater degree of purity can be achieved than with multi-stage systems of a comparable size, because the solution remains practically neutral. However, mixed-bed filters are more difficult to regenerate. Therefore, they are usually only used as a buffer filter at the end of the desalination process. Here they have the task of ensuring completely neutral water and / or of intercepting an ion breakthrough.
In general, efforts are made to use the buffer filter as well as the working filter economically. However, there are narrow limits here if you want to achieve the highest level of purity and do justice to the buffering purpose. One is therefore content with a load that does not go to exhaustion and uses only a small degree of the breakthrough capacity.
It is the knowledge preceding the invention that even then the operating times of the buffer filters are so long between two regenerations due to the low ion concentration in the pure water supply that considerable disturbances can occur. Since the exchange column is in any case significantly longer than the working filter is constantly loaded in one direction, z. B. bake the exchange grains together. Apart from the undesirable increase in the flow resistance, the formation of channels or marginal access can also be increased, with the entire front or band as such being able to shift, which results in a reduction in local sharpness.
The usable capacity of the system is therefore already reduced during the intended limited capacity. The safety zone against ion breakthrough becomes narrower and the buffer filters do not do their job properly.
In any case, when operating buffer filters, the requirement for the greatest possible utilization of the exchanger capacity with the requirement according to the invention for the shortest possible loading times between
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the regenerations.
It is the purpose of the invention to eliminate these difficulties which have hitherto arisen in desalination by means of ion exchange and to create economically operating systems for carrying out the new process.
For this purpose, the invention provides a method for desalination, in particular complete desalination, of water by way of ion exchange, with cation and anion exchangers and / or a
Mixing of the two (mixed-bed filters) as working stages are optionally connected in multiple stages in series and the neutralization or
the removal of broken-through ions takes place in a buffer filter stage, and chemical or mechanical C02 removal can be carried out in the working stage, which is characterized in that the working (6) and the buffer filter stages (5), which consist of
Mixed-bed filters exist, operated in a known manner in alternation, in such a way that the water is first given up to a working stage (6) that is used up to exhaustion and the downstream buffer filter stage (5) is only used up to a fraction of its breakthrough capacity that the process is interrupted when the work stage (6) is exhausted until it is regenerated and that the buffer filter stage (5)
now switched in place of the previously upstream exhausted and now regenerated working stage (6), used up to its breakthrough limit and the regenerated working stage (6) is connected downstream as a buffer filter stage.
Accordingly, the invention can also be characterized as a desalination system, in particular a complete desalination system, with a working filter (6) being provided which contains ions of the same type as the provided buffer filter (5) and a changeover circuit known per se for the two filters is made such that the freshly regenerated filter as a buffer filter and the one used as such as a working filter (6) can be switched one behind the other, and is characterized in that two mixed-bed filters (5, 6) are arranged so that they can be switched alternately according to the method.
The Austrian patent specification no. 140932 already proposed to connect one filter to another as a buffer filter, but in this case it is a measure for better utilization of the regeneration material and serves a completely different purpose. The series connection mentioned in this publication is also not a permanent device, but only takes place temporarily, most of the time only one filter is in operation while the other is being regenerated. In contrast to this, both filters should always be in operation in the method according to the invention, but only until the filter, which is switched as a buffer filter, is switched as such as a main filter after slight use and is only then used until the breakthrough limit is reached, as in FIG The following description will be presented in detail.
The method according to the invention or the corresponding circuit arrangement finds a very advantageous use in full demineralization with decilification. It is known to divide the systems for carrying out this process into a weakly and strongly acidic cation exchanger and one weakly and strongly basic anion exchanger each with the interposition of a CO 2 degassing. According to the invention, instead of the usual strongly basic anion exchanger, a mixed-bed filter is used as a working filter, which is operated in alternation with the mixed-bed buffer filter in accordance with the invention.
Where the water conditions permit the elimination of a weakly basic anion exchanger, space is saved in the demineralization system according to the invention.
With the mixed-bed filter connected as a working filter, in addition to binding the carbonic acid and silica to the strongly basic exchange grains, an additional buffer filter effect is achieved in the arrangement according to the invention, so that one has the greatest security against ion breakthrough and a water of the greatest purity is obtained.
In this implementation and embodiment according to the invention, in addition to the effect of an always effective buffer effect, the saving in chemicals is particularly important. This embodiment is therefore explained and described in more detail in the drawing using a schematic sketch.
In the demineralization system shown in the drawing, for example, -l-is the weakly acidic cation exchanger, -2-- is the strongly acidic cation exchanger and --3- is the CO2 degassing consisting of a giant egg. The downstream weakly basic anion exchanger is designated with --4--. According to the invention, the two mixed-bed filters --5 and 6-- are connected downstream via the two-way switch valve - 7--. Both mixed-bed filters - 5 and 6 - are strongly basic and strongly acidic. Depending on the switching position of the two-way switch valve --7--, either the mixed bed filter --5-- or the mixed bed filter --6-- is switched as a working filter and the other as a buffer filter.
In the drawing, one of the switching positions is indicated by the solid line --a-- and the
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others illustrated by the dotted line --b--. The ends of the lines --a and b - are connected to the four-way switching valve -8-, which provides the passage to the pure water drain -c- for one of the two connected lines and the common connecting riser -d- for the other. releases which connects the upstream mixed-bed filter with the downstream one. The switching position in which the mixed-bed filter --6-- is used as a working filter and the mixed-bed filter --5-- is used as a buffer filter is shown and illustrated by arrows.
The mixed-bed filter --5-- is therefore the freshly regenerated one, which is only used to a small and reasonable degree of its breakthrough capacity and then after switching, illustrated by the dotted line line --b--, as a working filter until it is exhausted can be extended.
It is evident that the smallest traces of ions can be removed from the solution with the always freshly regenerated exchange material of the respective buffer filter, which otherwise could only be achieved with the greatest excess of exchange material. The chemicals for the regeneration are not lost.
The effect according to the invention therefore does not have to be bought with a greater expenditure of regenerants.
The optimal dimensions and exchanger quantities, at which the optimal utilization is achieved, can be determined on the basis of the generally applicable theories when the respective operating conditions have been determined.
Surprisingly, the embodiment and method of implementation according to the invention also eliminate a difficulty that occurs in the regeneration of buffer filters. For regeneration, the mixed exchangers must be separated from one another, which is done by slurrying in the column. Here, the lighter anion exchanger settles on the heavier cation exchanger. When mixed-bed filters were used as buffer filters, it was found that, due to the low level of exhaustion, they showed little tendency to fully charge during the regeneration process and, moreover, were difficult to separate and just as difficult to mix again after the regeneration.
Due to the exhaustive loading according to the invention, the exchangers can be separated and mixed better.
PATENT CLAIMS:
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