УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ИОНООБМЕНННЫХ СМОЛ

Полезная модель относится к противоточной технологии водоподготовки, а именно к способам ионообменной очистки воды с регенерацией ионообменных материалов и может быть использовано в энергетике, гидрометаллургии, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
В настоящее время в мире работают более 5 тыс.установок промышленной водоподготовки, использующих различные типы регенерации ионитов. Существующие в настоящее время технологии водоподготовки различаются в основном по эксплуатационно-экономическим показателям, в частности, по объему капитальных затрат при создании установки промышленной водоподготовки и расходам на ее эксплуатацию. При этом весьма существенными являются такие показатели, как интервал значений рабочей нагрузки, в котором обеспечивается работоспособность схемы водоподготовки; коэффициент использования полезного объема; степень жесткости требований, предъявляемых к качеству предочистки воды, направляемой на ионитную часть; объем потребления воды на собственные нужды; расход реагентов на регенерацию ионитов и т.д. [].
В основе схем водоподготовки лежит использование установки на основе двух фильтров (Н и ОН). При этом обрабатываемая вода проходит сверху вниз последовательно через фильтры, загруженные катеонитом (обычно сильнокислотным в Η-форме, при умягчении воды - в Na-форме) и анионитом (например, сильноосновным в OH-форме). При этом объем активной ионообменной смолы составляет не более чем 50-60% внутреннего объема фильтра.
Если при проведении регенерации направление подачи реагентов совпадает с направлением подачи обрабатываемой воды (сверху вниз), то данная технология регенерации ионообменной смолы называется прямоточной. Она обладает следующими положительными качествами: возможностью изменения рабочей нагрузки в широком диапазоне значений, свободой чередования технологических остановов с возобновлением рабочего цикла, возможностью удаления из слоя монообменной смолы загрязнений, накопленных во время работы, и фрагментов зерен смолы, образовавшихся при ее разрушении в процессе эксплуатации (благодаря операции взрыхления слоя ионообменной смолы, осуществляемой в каждом цикле), предотвращением каналообразования в слое загрузки и, наконец, исключительной простотой конструкции фильтров. Недостатками такой схемы являются повышенный расход реагентов на регенерацию и воды, используемой на собственные нужды.
Известны противоточные технологии с гидравлической блокировкой (зажатием) слоя, в которых «зажатие» слоя ионообменной смолы при регенерации осуществлялось подачей дополнительного потока воды, направленного сверху вниз, навстречу потоку реагента. В рабочем цикле обрабатываемая вода подается сверху вниз через распределительное устройство, расположенное в верхней части фильтра, проходит через слой ионообменной смолы и инертный материал и через нижнее распределительное устройство выводится фильтра. Слой ионообменной смолы заполняет до 60% объема цилиндрической части фильтра. При регенерации поток реагента подается снизу вверх, (для обеспечения «зажатого» состояния слоя через верхнее распределительное устройство сверху вниз навстречу потоку реагента) подается дополнительный блокирующий поток воды. Оба потока выводятся из фильтра через среднее распределительное устройство. Расход воды в блокирующем потоке должен существенно превышать расход воды в потоке реагента (иначе слой ионообменной смолы разуплотнится и будет перемешиваться), что требует значительного потребления воды на собственные нужды. В то же время данная схема водоподготовки позволяет выбрать способ взрыхляющей промывки: либо всего слоя загрузки (с обязательной последующей двойной регенерацией), либо только верхних слоев ионообменной смолы (при подаче воды на взрыхление через среднее распределительное устройство, которое заглублено в слой ионита). В некоторых схемах предлагается применение воздушной (пневматической) блокировки слоя ионообменной смолы, что позволило в значительной степени снизить потребление воды на собственные нужды. [Алексеева Т.В., Федосеев Б.С.Совершенствование техники ионного обмена на основе противоточной технологии // Энергетик. 2001. №7. С. 17-19.; www.mediana-filter.ru/ionit_regeneration_tecnology.html].
Достоинствами данной технологии является возможность проведения взрыхляющих промывок без перегрузки ионита в дополнительную емкость, а также возможность останова и возобновления работы установки водоподготовки в любой момент рабочего цикла. Недостатками являются низкое значение коэффициента использования полезного объема фильтра, сложность регулирования технологических параметров и управления технологическими потоками в процессе регенерации ионообменной смолы.
Для повышения эффективности регенерации компания "Degremont" предложила противоточную технологию под названием "UFD" [FR 7834555, 1978]. По технологии "UFD" рабочий цикл проводится в направлении сверху-вниз, а регенерация - снизу-вверх. При этом весь внутренний объем фильтра заполняется активной ионообменной смолой. (Инерт предназначается исключительно для защиты верхнего распределительного устройства от ионитовой мелочи). Благодаря такой загрузке фильтра слой ионита всегда находится в зажатом состоянии - как при проведении рабочего цикла, так и при регенерации; обеспечивается возможность варьирования рабочих скоростей потоков в очень широком диапазоне и достигается свобода действий при чередовании технологических остановок с возобновлением рабочего цикла.
Такая установка включает в себя фильтр и связанную с ним внешнюю емкость для промывки ионита. Конструктивное решение фильтра отличается простотой. Для него характерно наличие верхнего и нижнего распределительных устройств, а также установка в верхней части фильтра штуцера для гидроперегрузки ионита таким образом, чтобы обеспечить возможность удаления 30-50% ионита во внешнюю емкость для проведения промывки взрыхлением. [www.mediana-filter.ru/ionit_regeneration_technology2.html].
Технология "UFD" позволяет эффективно удалять накопившиеся за время проведения рабочего цикла взвешенные вещества и ионитовую мелочь, преодолевая тем самым одну из проблем, свойственных описанным выше противоточным технологиям. Недостатком этой технологии является необходимость проведения двойной регенерации после каждой операции взрыхления.
Наиболее популярной на сегодняшний день противоточной технологией на территории СНГ (свыше 20 действующих установок для процессов деминерализации и умягчения) является технология UPCORE, разработанная голландской компанией "Esmil B.V." [GB 1471162, 1977.; GB 1501308, 1977; GB 1539161, 1978] и усовершенствованная "Dow Chemical". Особенностями технологии является то, что рабочий цикл проводится в направлении сверху-вниз, а регенерация - снизу-вверх. Взвешенные вещества, поступающие в фильтр с обрабатываемой водой, аккумулируются главным образом на поверхности слоя загрузки (и частично - в верхних слоях), откуда они весьма эффективно удаляются при проведении операции по зажатию слоя на стадии регенерации. [Громов С.Л. - Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE: промывка взрыхлением - «Теплоэнергетика», 1998, №3, с. 52-55]
Установка с использованием регенерации ионообменных смол по технологии UPCORE состоит из ионообменного фильтра, имеющего две дренажно-распределительные системы сверху и снизу, заполненного на 85-95% ионитом и плавающим инертным материалом и снабженного системой клапанов, обеспечивающих последовательную подачу в фильтр очищаемого раствора в направлении сверху вниз, и в противоточном направлении - снизу вверх воды с большой скоростью, затем регенерирующего агента и промывной воды с меньшей скоростью и окончательную отмывку ионита сверху вниз. При этом инерт, используемый в "UPCORE", предназначен для задержания в фильтре только целых зерен смолы, обеспечивая возможность свободного перемещения высокодисперсных взвесей и фрагментов зерен.. ["The UPCORE System". Engineering Handbook. Trademark of The Dow Chemical Company. May 1995, A1, page 5, 6, B2 page 21; RU 2241542, 2003; RU 2149685, 2000; Громов С.Л., Пантелеев A.A - Технологии противоточной регенерации ионитов для водоподготовки. Часть 2 - Теплоэнергетика №11, 2006, с. 50-55]. Исключительно важным достоинством рассматриваемой технологии является возможность удаления из слоя смолы накопленных взвесей непосредственно в рабочем фильтре (т.е. без гидроперегрузки ионита).
Однако, при длительном фильтроцикле количество взвесей, поступающих в ионитовый фильтр с обрабатываемой водой даже, если их текущая концентрация и незначительна, может оказаться существенно большим в абсолютном выражении, чем в условиях короткого фильтроцикла (пусть даже и при более высокой исходной концентрации дисперсий).
Для эффективного удаления взвесей из слоя смолы предложено [RU 2139253, 1999] при реализации технологии "UPCORE" дооснащать установку дополнительной емкостью для проведения взрыхляющей промывки ионита, периодически отбираемого из рабочего фильтра.
Недостатками установки являются недостаточная длительность рабочего фильтроцикла и необходимость повышенного расхода регенерирующего агента из-за неполного зажатия слоя (до 10% объема слоя смолы в нижней части аппарата может оставаться в незажатом состоянии), а также риск возникновения продольного перемешивания частиц ионита в нижней части слоя, что приводит к недостаточной степени регенерации частиц ионита, обеспечивающих показатели качества очистки обрабатываемой среды.
Наиболее близкой к заявляемому решению является фильтрационная установка ионообменной очистки воды с регенерацией ионита по технологии SCHWEBEBETT (варианты Liftbett, Multistep) немецкой фирмы Bayer AG [DE 1442689, 1963], которая в настоящее время используется на более 4 тыс.промышленных установок водоподготовки для деминерализации воды. Установка включает в себя анион- и катионобменные фильтры, декарбонизатор и вспомогательное оборудование. Особенность данной технологии - активной ионообменной смолой заполнен практически весь объем фильтра. В его верхней части (непосредственно между ионообменной смолой и верхним распределительным устройством) размещается относительно узкий (до 300 мм высотой) слой плавающего инертного материала, поэтому между смолой и этим материалом остается небольшая зона свободного пространства (необходимая для «дыхания» ионообменной смолы при переходе из одной рабочей формы в другую). По технологии SCHWEBEBETT регенерация ионообменной смолы проводятся сверху вниз, а рабочий цикл - снизу вверх. Применение технологии " SCHWEBEBETT " для целей умягчения воды может оказываться предпочтительным, по сравнению с " UPCORE ", в тех случаях, когда: вода, подаваемая на умягчение, практически свободна от взвешенных веществ, производительность установки постоянна и отсутствует необходимость в технологических остановках, [www.mediana-filter.ru/ionit_regenera-tionjechnology.html]
В то же время Швеббебед имеет существенный недостаток - во время работы поток воды идет снизу вверх, что не позволяет сильно зажать слой смолы (за счет силы гравитации гранула пытается опуститься, поток воды поднимает ее вверх). Для минимизации вероятности транспортировки в фильтр с анионитом катионитной мелочи, возникающей при разрушении зерен ионообменной смолы в процессе эксплуатации, инертный материал подбирался таким образом, чтобы воспрепятствовать выносу из фильтра практически любых дисперсий (взвесей). При этом, вследствие гидроклассификации наиболее крупные (и тяжелые) зерна ионообменной смолы сосредотачиваются в донной части фильтра, а наиболее мелкие и легкие - в верхней. В результате в рабочем цикле при подаче снизу вверх исходной воды, содержащей взвеси, взвешенные вещества взвешенные частицы и коллоиды распределяются по всей высоте слоя ионообменной смолы, глубоко проникают в слой смолы и там накапливаются. Взвеси практически не вымываются из фильтра, их количество возрастает от цикла к циклу, что приводит к росту гидравлического сопротивлений фильтра и ухудшению качества регенерации ионообменной смолы Приходится перегружать смолу в отдельный емкости, там отмывать от загрязнений и затем снова перегружать в фильтр. После этого приходится делать так называемую "двойную регенерацию", т.е. подавать в 1,5-2 раза больше реагентов, т.к. мы перемешиваем «полировочный слой», содержащий более мелкие частицы смолы и обеспечивающей более высокое качество воды. Кроме того операция обычно выполняется вручную, теряется часть смолы, происходит ее физический износ.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось повышение качества очистки воды при технологии " SCHWEBEBETT " за счет исключения взвесей в обрабатываемой воде.
Технический результат достигался за счет установки в системе химводоочистки по технологии " SCHWEBEBETT», включающей в себя блок предварительной очистки и фильтрационный блок, перед фильтрационным блоком дополнительно блока очистки воды от взвесей. В блок очистки воды входит модуль микрофильтрации или ультрафильтрации. Дополнительно в данный блок может входить система подачи коагулянта, установленная перед этим модулем и бак очищенной воды, установленный после модуля перед фильтрационным блоком.
Общая схема установки приведена на фиг. 1, где используются следующие обозначения:
1. Блок предварительной очистки - БПО.
2. Мембранный блок очистки воды от взвесей - БОВ
3. Фильтрационный блок - БФТ
4. Модуль ультра- или микрофильтрации - МФ
5. Система подачи коагулянта - СК
6. Бак очищенной воды - ОВ
7. Катионнообменный фильтр - НФ
8. Декарбонизатор - ДК
9. Анионообменный фильтр - ОНФ.
10. Модуль регенерации ионообменной смолы - MP.
Устройство работает следующим образом. Очищаемая вода поступает в БПО 1, основным элементом которого является сетчатый автоматический фильтр, где освобождается от крупных примесей, затем она поступает в модуль ультра или микрофильтрации 4, где удаляются имеющиеся взвеси. При необходимости перед введением в МФ 4 в воду может быть введен коагулянт для их лучшего удаления с помощью насоса СК 5. После МФ 4 вода или дополнительно отстаивается в ОВ 6 или поступает в фильтрационный блок 3, работающий по технологии "SCHWEBEBETT». ФБ 3 включает в себя по крайней мере по одному катионо- и анионообменному фильтру 7 и 9 и днкарбонизатор 8, где удаляется углекислый газ, а также вспомогательное оборудование (модуль регенерации ионообменной смолы 10 и т.п., в котором при необходимости проводится подача реагентов в фильтры и регенерация отработанной смолы.
Сущность и промышленная применимость заявляемого устройства иллюстрируется следующим примером.
Пример 1. На ТЭЦ было смонтировано 2 системы химводоочистки ХВО-1 и ХВО-2. ХВО-1 использовала технологию Апкоре и включала нескольких фильтров - H предвключенный, H 1-й ступени, OH - 1-й ступени, декарбонизатор, H 2-й ступени, OH 2-й ступени - с регенерацией ионообменной смолы путем прямоточного ионирования
ХВО-2 была реконструирована с использованием эффективной противоточной технологии "SCHWEBEBETT», которая позволяет проводить регенерацию с оптимальной линейной скоростью (5-8 м/ч ориентировочно). Такая которая ниже, чем при технологиях с регенерацией снизу вверх по Апкоре - 8-12 м/ч. Более высокая скорость необходима в последнем случае, чтобы смола прижималась к верхней дренажной системе и не падала вниз. Учитывая тот факт, что при регенерации необходимо обеспечить расчетную концентрацию реагентов и время контакта реагентов со смолой (которая примерно одинакова для всех технологий - не менее 20 мин), при более высокой линейной скорости подачи регенерационного раствора необходимо подавать его больший объем. Кроме того большая химическая эффективность технологии "SCHWEBEBETT» обеспечивается за счет того, что более мелкие частицы смолы располагаются в верхней части фильтра, которая является "полировочной зоной", обеспечивающей более высокое качество воды и диффузия реагентов и воды при очистке в более мелких гранулах проходит быстрее. То есть при использовании технология "SCHWEBEBETT», качество воды достигается очень высокое, а расход реагентов более низкий.
Технологии "SCHWEBEBETT» была дополнительно усовершенствована введением мембранной предочистки путем установки модуля микрофильтрации перед фильтрационным блоком.
Как показали проведенные опыты мембраны хорошо удаляют взвешенные и коллоиды, что позволяет получить наилучший эффект по качеству воды и расходу реагентов при ионировании.
Результаты испытаний приведены в табл. 1 для установки, производительностью 700 куб.м в час. Исходная вода для ХВО-1 и ХВО-2 бралась из одного источника, что делает сравнение эффективности очень показательным. Для ХВО-2 оказаны свойства воды после мембранного модуля (МФ), при отключенном мембранном модуле - технология " SCHWEBEBETT» (ШБ) и при сочетании мембранного модуля и - технологии "SCHWEBEBETT» (МФ+ШБ)
Как показали проведенные испытания, при использовании заявляемой технологии удается получить воду повышенного качества с меньшими затратами.