ИОНООБМЕННЫЙ АППАРАТ
ION EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов ионного обмена в химической отрасли.
Известен ионообменный аппарат 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. - 416 с.].
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 близким по технической сущности, то есть прототипом, является ионообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, крышку и днище эллиптической формы, верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, штуцера для ввода исходной воды, регенерационного раствора, промывочной воды, штуцера для вывода очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды, неподвижный слой частиц ионита с плотностью, большей, чем плотность очищаемой воды, слой частиц инертного материала с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, слой псевдоожиженного ионита, свободный объем, расположенные сверху вниз по высоте фильтра на стадии очистки воды слой частиц инертного материала, неподвижный слой ионита и слой псевдоожиженного ионита, расположенные сверху вниз по высоте аппарата на стадии регенерации слой частиц инертного материала, свободный объем и неподвижный слой ионита. Стадии отмывки и взрыхления ионита в аппарате не предусмотрены [Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. - М.: ДеЛи принт, 2004. - С. 125-127.].
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.
Техническим результатом изобретения является возможность проведения ионообменной очистки воды с помощью ионитов с плотностью меньшей, чем плотность очищаемой воды.
Указанный результат достигается тем, что в ионообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус, эллиптические крышку и днище, верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, штуцера для ввода исходной воды, регенерационного раствора, промывочной воды, штуцера для отвода очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды, неподвижный слой частиц ионита, слой частиц инертного материала, слой псевдоожиженного ионита, согласно изобретению, корпус аппарата состоит из двух цилиндрических обечаек разного диаметра, нижняя часть первой из которых с меньшим диаметром установлена внутрь второй обечайки большего диаметра, плоской крышки в форме кругового кольца, расположенной в верхней части обечайки большего диаметра между ее внутренней поверхностью и наружной поверхностью обечайки меньшего диаметра, нижнего дренажно-распределительного устройства в форме кругового кольца, расположенного под плоской крышкой, для обеспечения в нерабочем состоянии аппарата расположения сверху вниз по его высоте неподвижного слоя частиц ионита с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, свободного пространства и слоя частиц инертного материала, а также для обеспечения следующих состояний слоев в процессе работы аппарата: для стадий очистки воды, регенерации и отмывки расположены сверху вниз по высоте аппарата неподвижный слой частиц ионита и слой частиц инертного материала, и расположено между обечайкой меньшего диаметра и обечайкой большего диаметра свободное пространство; для стадии взрыхления расположены сверху вниз по высоте аппарата слой псевдоожиженного ионита и слой частиц инертного материала.
Технический результат достигается за счет удержания в аппарате 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 в зависимости от стадий исходной водой, регенерационным раствором и промывочной водой, 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 самотеком в пространство между обечайками.
На фиг. 1 изображен ионообменный аппарат в нерабочем состоянии, на фиг. 2 - ионообменный аппарат для стадий очистки воды, регенерации и отмывки, на фиг. 3 - ионообменный аппарат для стадии взрыхления.
Ионообменный аппарат содержит цилиндрические обечайки 1 и 2, эллиптические крышку 3 и днище 4, плоскую крышку 5 в форме кругового кольца, верхнее 6 и нижнее 7 дренажно-распределительные устройства. В верхней части обечайки 2 расположен штуцер 8 для ввода в аппарат исходной воды, регенерационного раствора, промывочной воды и вывода из аппарата воды после взрыхления ионита. В верхней части эллиптической крышки 3 расположен штуцер 9 для вывода из аппарата очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды, а также для ввода в аппарат очищенной воды для взрыхления ионита. В нижней части эллиптического днища 4 расположен штуцер 10 для опорожнения аппарата. Внутри аппарата, находящегося в нерабочем состоянии (фиг. 1), расположены сверху вниз по его высоте неподвижный слой частиц ионита 11, свободное пространство 12 и слой частиц инертного материала 13.
Для стадий очистки воды, регенерации и отмывки (фиг. 2) расположены сверху вниз по высоте аппарата неподвижный слой частиц ионита 11 и слой частиц инертного материала 13 и между обечайкой 1 и обечайкой 2 расположено свободное пространство 14. Для стадии взрыхления (фиг. 3) расположены сверху вниз по высоте аппарата слой псевдоожиженного ионита 15 и слой частиц инертного материала 13.
Ионообменный аппарат работает следующим образом.
Полный цикл работы ионообменного аппарата складывается из следующих стадий: 1) очистка воды, 2) регенерация ионита, 3) отмывка ионита, 4) взрыхление ионита. Перед началом работы в ионообменный аппарат помещают ионит с плотностью меньшей, чем плотностью 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 аппарата, образуя неподвижный слой 11, а частицы инертного материала опускаются под собственным весом вниз аппарата, образуя неподвижный слой 13 (фиг. 1). При этом устанавливается одинаковый уровень суспензии инертный материал-вода в обечайке 1 и пространстве между обечайкой 1 и обечайкой 2. Между неподвижными слоями ионита 11 и частицами инертного материала 13 образуется свободное пространство 12.
На стадии очистки воды (фиг. 2) исходная вода подается через штуцер 8, проходит через нижнее дренажно-распределительной устройство 7 и слой частиц инертного материала 13. Движущаяся исходная вода выдавливает частицы инертного материала из пространства между обечайкой 1 и обечайкой 2 в обечайку 1, поднимает частицы инертного материала вверх аппарата и прижимает их к неподвижному слою ионита 11. При этом между обечайкой 1 и обечайкой 2 образуется свободное пространство 14. Затем исходная вода проходит через неподвижный слой ионита 11, где очищается от ионов целевого компонента. Очищенная вода проходит через, верхнее дренажно-распределительное устройство 6 и выводится из аппарата через штуцер 9. После насыщения ионита целевым компонентом прекращают подачу исходной воды в аппарат и проводят стадию регенерации ионита регенерационным раствором, который подается через штуцер 8. Принцип работы аппарата на стадии регенерации аналогичен принципу работы аппарата на стадии очистки воды. После завершения стадии регенерации ионита прекращают подачу регенерационного раствора в аппарат и проводят стадию отмывки ионита от остатков регенерационного раствора промывочной водой, которая подается через штуцер 8. Принцип работы аппарата на стадии отмывки ионита аналогичен принципу работы аппарата на стадии очистки воды. После завершения отмывки ионита проводят стадию взрыхления ионита. Для этого прекращают подачу промывочной воды в аппарат, частицы инертного материала опускаются под собственным весом вниз обечайки 1, частично переходят в пространство между обечайкой 1 и обечайкой 2, заполняя свободное пространство 14. При этом между неподвижными слоями ионита 11 и инертного материала 13 образуется свободное пространство 12. Для стадии взрыхления (фиг. 3) очищенная вода поступает в ионообменный аппарат через штуцер 9, проходит через верхнее дренажно-распределительное устройство 6, проходит сквозь слой псевдоожиженного ионита 15, отмывает его от взвешенных веществ, а затем проходит сквозь слой частиц инертного материала 13, нижнее дренажно-распределительное устройство 7 и выводится из аппарата через штуцер 8. Затем цикл повторяется.
Предлагаемый аппарат позволяет проводить процессы ионообменной очистки воды, регенерации и отмывки ионита 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, прижатым к слою ионита избыточным давлением соответственно исходной воды, регенерационного раствора и промывочной воды, и для стадии взрыхления за счет перемешивания ионита в псевдоожиженнбм слое, расположенном между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, часть которого перемещена вместе с водой самотеком в пространство между обечайкой большего диаметра и обечайкой меньшего диаметра.