ИОНООБМЕННАЯ УСТАНОВКА
ION EXCHANGE UNIT

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов ионного обмена.
Известен ионообменный фильтр с неподвижным слоем ионита, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, крышку, днище, верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, штуцера для ввода исходной воды, регенерационного раствора и промывочной воды, штуцера для вывода очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды. Полный цикл аппарата складывается из следующих стадий: 1) очистка воды; 2) регенерация ионита; 3) отмывка ионита от регенерационного раствора; 4) взрыхление ионита с целью отмывки его от механических примесей [Иониты в химической технологии / Под ред. Б.П. Никольского и П.Г. Романкова.  Л.: Химия, 1982. – C. 258.].
Недостатком известного аппарата является то, что в нем невозможно использовать ионообменные материалы, например, на основе целлюлозы (модифицированные древесные опилки, хлопковую целлюлозу и др.), плотность которых меньше, чем плотность очищаемой воды, поскольку они не образуют внутри аппарата плотный неподвижный слой, а всплывают вверх аппарата.
Наиболее близкой по технической сущности, то есть прототипом, является ионообменная установка, содержащая ионообменный фильтр, безнапорную колонну и трубы, соединяющие данные аппарата, внутри ионообменного фильтра установлены верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, расположены на стадии сорбции сверху вниз слой частиц инертного материала с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, слой частиц ионита с плотностью, большей, чем плотность очищаемой воды, и слой псевдоожиженного ионита, расположены на стадии регенерации сверху вниз слой частиц инертного материала, свободный объем и слой частиц ионита, расположены на стадиях отмывки и взрыхления сверху вниз слой частиц инертного материала, свободный объем, большего размера, чем на стадии регенерации, и слой частиц ионита, часть которого перемещена по трубе в безнапорную колонну и находится в ней в псевдоожиженном состоянии [Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004. С. 125-127.].
Недостатком известной ионообменной установки является то, что в ионообменном фильтре невозможно проводить процесс противоточной регенерации ионитов с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, например, ионитов на основе целлюлозы (модифицированных древесных опилок, хлопковой целлюлозы и др.), поскольку частицы ионита не образуют в нижней части аппарата плотный неподвижный слой, а всплывают в верх аппарата, в ионообменном фильтре не проводят взрыхление ионита и данный процесс проводят в безнапорной колонне.
Указанный результат достигается тем, что в ионообменной установке, содержащей ионообменный фильтр, внутри которого установлены верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, расположены неподвижный слой частиц ионита, слой частиц инертного материала, слой псевдоожиженного ионита, свободный объем, согласно изобретению, внутри ионообменного фильтра расположены слой частиц ионита с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, и слой частиц инертного материала с плотностью, большей на 15–25 %, чем плотность очищаемой воды, причем для стадий очистки воды, регенерации и отмывки расположены сверху вниз по высоте ионообменного фильтра неподвижный слой частиц ионита и слой частиц инертного материала, для стадии прекращения подачи воды в ионообменную установку расположены сверху вниз по высоте ионообменного фильтра слой частиц ионита, свободный объем и слой частиц инертного материала, для стадии взрыхления расположены сверху вниз по высоте ионообменного фильтра слой псевдоожиженного ионита и слой частиц инертного материала, часть которого перемещена вместе с водой самотеком по трубе в емкость.
Технический результат достигается за счет удержания в ионообменном фильтре установки для стадий очистки воды, регенерации и отмывки слоя частиц ионита в неподвижном состоянии между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, прижатого к слою частиц ионита избыточным давлением воздуха в емкости, и достигается для стадии взрыхления за счет перемешивания ионита в псевдоожиженном слое, расположенном между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, часть которого перемещена вместе с водой самотеком по трубе в емкость.
На фиг. 1 изображена ионообменная установка для стадий очистки воды, регенерации и отмывки, на фиг. 2 – ионообменный установка для стадии прекращения подачи воды в установку, на фиг. 3 – ионообменная установка для стадии взрыхления, на фиг. 4 – нижнее дренажно–распределительное устройство.
Ионообменная установка состоит из ионообменного фильтра 1, трубы 2, запорного устройства 3 и емкости 4. Внутри ионообменного фильтра 1 установлены верхнее 5 и нижнее 6 дренажно–распределительные устройства. Для стадий очистки воды, регенерации и отмывки расположены сверху вниз по высоте ионообменного фильтра 1 неподвижный слой частиц ионита 7 и слой частиц инертного материала 8 (фиг. 1). Для стадии прекращения подачи воды в ионообменную установку расположены сверху вниз по высоте ионообменного фильтра 1 слой частиц ионита 7, свободный объем 9 и слой частиц инертного материала 8 (фиг. 2). Для стадии взрыхления расположены сверху вниз по высоте фильтра 1 слой псевдоожиженного ионита 10 и слой частиц инертного материала 8, часть которого перемещена вместе с водой самотеком по трубе 2 через открытое запорное устройство 3 в емкость 4, в верхней части которого расположен штуцер 11 (фиг. 3).
Ионообменная установка работает следующим образом.
Полный цикл работы ионообменной установки складывается из следующих стадий: 1) очистка воды; 2) регенерация ионита; 3) отмывка ионита; 4) взрыхление ионита. Перед началом работы в ионообменный фильтр 1 помещают ионит с плотностью меньшей, чем плотность очищаемой воды, инертный материал в форме сферических частиц с плотность, большей на 15-25 %, чем плотность очищаемой воды, и заливают в аппарат воду. Ионит всплывает вверх ионообменного фильтра 1, а инертный материал опускается вниз. Часть инертного материала из фильтра 1 вместе с водой переходит самотеком по трубе 2 через открытое запорное устройство 3 в емкость 4. При этом устанавливается одинаковый уровень суспензии инертный материала-вода в фильтре 1 и емкости 4. В емкость 4 через штуцер 11 подают сжатый воздух, который вытесняет суспензию из емкости 4 в фильтр 1. Частицы ионита свободно проходят через нижнее дренажно-распределительное устройство 6 (фиг. 4) и прижимают ионит к верхнему дренажно-распределительному устройству 5. Вода удаляется из ионообменного фильтра 1 через верхнее дренажно-распределительное устройство 5. Затем запорное устройство 3 закрывают. Таким образом, в фильтре 1 образуется неподвижный слой частиц ионита 7 и под ним неподвижный слой частиц инертного материала 8. Для стадии очистки воды исходная воды поступает в ионообменный фильтр 1 через нижнее дренажно-распределительное устройство 6, проходит сквозь слой частиц инертного материала 8, неподвижный слой частиц ионита 7, где очищается от ионов целевого компонента, а затем выводится из ионообменного фильтра 1 через верхнее дренажно-распределительное устройство 5. Для стадии регенерации регенерационный раствор поступает в ионообменный фильтр 1 через верхнее дренажно-распределительное устройство 5, проходит сквозь неподвижный слой частиц ионита 7, регенерирует его, а затем проходит через слой частиц инертного материала 8 и выводится из фильтра 1 с помощью нижнего дренажно-распределительного устройства 6. Для стадии отмывки очищенная вода поступает в ионообменный фильтр 1 через нижнее дренажно-распределительное устройство 6, проходит сквозь слой частиц инертного материала 8, неподвижный слой частиц ионита 7, отмывает ионит от остатков регенерационного раствора, а затем выводится из ионообменного фильтра через верхнее дренажно-распределительное устройство 5. Для стадии прекращения подачи воды в ионообменную установку (фиг. 2) открывают запорное устройство 3 и из емкости 4 через штуцер 11 отводят воздух. Суспензия инертный материал-вода самотеком переходит по трубе 2 через открытое запорное устройство 3 в емкость 4. При этом устанавливается одинаковый уровень суспензии в емкости 4 и ионообменном фильтре 1, в котором также образуется свободный объем 9. Для стадии взрыхления (фиг. 3) очищенная вода поступает в ионообменный фильтр 1 через верхнее дренажно-распределительное устройство 5, проходит сквозь слой псевдоожиженного ионита 10, отмывает его от взвешенных веществ, а затем проходит сквозь слой частиц инертного материала 8 и выводится из ионообменного фильтра 1 через нижнее дренажно-распределительное устройство 6. Затем цикл повторяется.
Предлагаемая ионообменная установка позволяет проводить в ионообменном фильтре для стадий очистки воды, противоточной регенерации и отмывки в плотном слое частиц ионита с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, за счет удержания слоя частиц ионита в неподвижном состоянии между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, прижатого к слою ионита избыточным давлением воздуха в емкости, и для стадии взрыхления, за счет перемешивания ионита в псевдоожиженном слое, расположенном между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, часть которого перемещена вместе с водой самотеком по трубе в емкость.