СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ
METHOD OF REGENERATING ION-EXCHANGE RESINS

Изобретение относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к способам ионообменной очистки воды с противоточной регенерацией ионообменных материалов по технологии АПКОРЕ и может быть использовано в энергетике, гидрометаллургии, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен способ противоточной регенерации отработанных ИС, включающий в себя обработку регенерационным раствором и взрыхление снизу вверх, и отмывку водой сверху вниз (RU 2058817, 1995).
Недостатком указанного способа является низкая эффективность процесса регенерации вследствие большого расхода регенерационных растворов и сточных вод, а также увеличенное время процесса регенерации смолы.
Более эффективным признана регенерация ионообменных смол с использованием технологии UPCORE. Такая установка (RU 2241542, 2003), как правило, 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 ионитный 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. Весь регенерационный раствор сбрасывается на переработку. Способ регенерации ионитов в фильтрационных процессах типа UPCORE ("The UPCORE System". Engineering Handbook. Trademark of The Dow Chemical Company. May 1995, A1, page 5,6, B2 page 21; Малышев P.M., Золотников A.H., Бомштейн B.E., Громов С.Л., Newell Р.А., Sievers R., Medete A. - Способ противоточной регенерации ионитов - Патент РФ №2149685, Изобретения, 2000, №15; Громов С.Л., Пантелеев А.А. - Технологии противоточной регенерации ионитов для водоподготовки. Часть 2. - Теплоэнергетика №11, 2006, с.50-55) заключается в том, что обрабатываемую воду подают в направлении сверху вниз последовательно через плавающий слой инертного материала и слой ионообменной загрузки. Ионообменная загрузка может представлять собой сильнокислотный катионит в Na или Н-формах, сильноосновный анионит в Cl или ОН-формах, или послойную загрузку слабоосновного и сильноосновного анионитов в ОН-форме. В последнем случае плотность и гранулометрический состав анионионитов различной функциональности подбирают таким образом, чтобы обеспечить разделение слоев. По завершении рабочего цикла фильтрования проводят операции поршнеобразного подъема и зажатия слоя ионита восходящим потоком воды, после чего подают регенерирующий раствор (регенерант) в направлении снизу-вверх с расходом, обеспечивающим сохранение слоя ионита в зажатом состоянии, затем проводят вытеснение остатков регенеранта восходящим потоком воды без разуплотнения зажатого слоя ионита, после чего позволяют слою смолы осесть под воздействием силы тяжести и проводят промывку водой в направлении, совпадающем с направлением потока обрабатываемой воды в рабочем цикле. При этом обеспечивается степень зажатия слоя ионита в пределах 90-92%, для чего требуется подавать поток воды с линейной скоростью до 50 м/ч не менее 3-5 мин, а для регенерации смолы подают регенерант в течение до одного часа с линейной скоростью потока до 20 м/час для поддержания слоя смолы в зажатом состоянии.
Основными недостатками способа 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) и риска возникновения продольного перемешивания частиц ионита в нижней части слоя, что приводит к недостаточной степени регенерации частиц ионита, обеспечивающих показатели качества очистки обрабатываемой среды.
-
+
+
Известен способ ионообменной очистки воды (RU 2205692, 2002,) содержащей органические вещества, с противоточной регенерацией ионообменных материалов, включающий подачу обрабатываемой воды в направлении сверху вниз через плавающий слой инертного материала, последующее прохождение ее через расположенные непосредственно один над другим два слоя ионообменных материалов с плотностью и гранулометрическим составом, обеспечивающими их послойное разделение, и с использованием в качестве верхнего слоя органопоглощающей анионитной смолы для удаления из воды органических веществ, периодическую регенерацию ионообменных материалов путем предварительного подъема и зажатия слоев ионообменных материалов к плавающему слою инертного материала и последующей подачи регенерационного раствора в направлении снизу вверх последовательно через оба слоя ионообменных материалов и плавающий слой инертного материала, при этом в качестве органопоглощающей анионитной смолы используют смолу в Cl-форме, и после удаления органических веществ обрабатываемую воду очищают от катионов в нижнем слое ионообменного материала, в качестве которого используют катионитную смолу в Na или H - формах, а для регенерации обоих слоев ионообменных материалов применяют раствор NaCl и/или HCl.
Недостатком способа является недостаточная эффективность процесса в связи с неполным зажатием слоя ионообменных материалов на стадии регенерации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является модифицированный способ регенерации ионитов в фильтрационных процессах типа "АПКОРЕ" (RU 2241542, 2004), в котором перед стадией зажатия слоя ионита потоком жидкой среды, направленным снизу вверх, предварительно проводят его обработку потоком очищаемой жидкости в направлении сверху вниз с линейной скоростью, превышающей среднее эксплуатационное значение на 5-250%, как правило, в течение 1-5 мин. Способ обеспечивает повышение эффективности процесса регенерации слоя ионообменных смол и увеличивает фильтроцикл на 5-10%.
К причинам, препятствующим достижению оптимального технического результата при использовании известного способа, относятся разуплотнение нижней части слоя ионообменной загрузки при переходе от стадии зажатия слоя к стадии подачи раствора реагента и снижение линейной скорости несущего потока до значений, рекомендованных в [The Dow Chemical Company - The UPCORE System. Engineering Handbook, 1995]: для раствора кислоты - 10 м/ч, а для щелочи - 7 м/ч. Из-за разуплотнения 3-5% от общего объема слоя переходят в незажатое (псевдоожиженное) состояние и, как следствие, снижается эффективность регенерации особенно при работе на фильтрах диаметром более 1 м.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось повышение эффективности процесса регенерации и оптимизация расхода реагентов. Решение задачи заключалось в создании условий, способных обеспечить пребывание в зажатом состоянии слоя смолы, объем которого максимально близок к теоретически возможному 100% пределу, на всех стадиях процесса.
Среди важнейших факторов, определяющих эффективность проведения регенерации ионообменных смол по технологии UPCORE, является показатель степени зажатия слоя. Чем ближе его значение к теоретическому пределу (100% объема загруженного ионита), тем выше будут показатели рабочей обменной емкости отрегенерированного ионита и, соответственно, качества обрабатываемой в рабочем цикле воды. Причем удерживать слой смолы в зажатом состоянии необходимо на всех стадиях процесса регенерации, проводимого по технологии UPCORE.
При этом, чтобы оптимизировать потребление реагентов в процессе регенерации, необходимо стремиться к минимизации расхода несущего потока на стадии подачи растворов реагентов заданной концентрации. Проведенные ранее исследования (The Dow Chemical Company - The UPCORE System. Engineering Handbook, 1995) показали, что в качестве нижнего предела допустимой линейной скорости при подаче раствора кислоты необходимо выбирать значение, равным 10 м/ч, а при подаче щелочи - 7 м/ч. Однако на практике в промышленных фильтрах с внутренним диаметром более 0,5 м при переходе от стадии зажатия слоя к стадии подачи раствора реагента и снижении линейной скорости несущего потока до рекомендуемых значений происходит разуплотнение нижней части слоя ионообменной загрузки, в результате которого 3-5% от общего объема слоя пребывают в незажатом (псевдоожиженном) состоянии. С учетом того обстоятельства, что именно качеством регенерации ионитов, находящихся в нижней части слоя загрузки, определяются показатели глубины извлечения компонентов, удаляемых из обрабатываемого раствора в рабочем цикле, уменьшение степени зажатия слоя на 3-5% приводит к пропорциональному снижению показателей рабочей обменной емкости слоя и росту значений проскока извлекаемых компонентов.
k
25
к
25
щ
25
щ
25
0,105
0,105
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, состоит в том, что в ходе регенерации осуществляют подачу кислоты с минимальной скоростью, рассчитанной по формуле: v=10·((D·µ)/(0,2·µ)), где v - линейная скорость потока раствора кислоты, м/ч; D - внутренний диаметр фильтра, м; µ и µ - вязкость раствора кислоты при температуре 25°C и рабочей температуре соответственно, а подачу щелочи - при минимальное допустимой линейной скорости по формуле: v=7·((D·µ′)/(0,2·µ′)), где v - линейная скорость потока раствора щелочи, м/ч; D - внутренний диаметр фильтра, м; µ′ µ′ - вязкость раствора щелочи при температуре 25°C и рабочей температуре соответственно.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. По истощению обменной емкости слоя смолы (завершении рабочего цикла) прекращают подачу обрабатываемой жидкости в ионообменный фильтр в направлении сверху-вниз. Затем приступают к проведению процесса регенерации (восстановлению рабочих параметров ионита). Для этого часть обработанной жидкости подают под слой ионита в направлении снизу-вверх с линейной скоростью, обеспечивающей поршнеобразный подъем и зажатие слоя смолы в верхней части фильтра. После этого, не прекращая подачи жидкости снизу-вверх, начинают снижать скорость потока жидкости до значения скорости подачи растворов для химической регенерации (регенеранта), рассчитанного в соответствии с указанными выше формулами, и подают регенеранты. По завершении химической регенерации слоя смолы остатки регенерантов вытесняют потоком обработанной жидкости, подаваемой в направлении снизу-вверх со скоростью, рассчитанной по приведенным выше формулам. Далее прекращают подачу жидкости и проводят операцию гравитационного оседания слоя смолы. Осевший в нижней части фильтра слой смолы промывают потоком обработанной жидкости в направлении сверху-вниз, осуществляя одновременно его зажатие. Слой смолы в фильтре отрегенерирован и готов к очередному рабочему циклу.
Эффективность заявляемого способа иллюстрируется следующим примером.
3
Пример 1. Испытания проводились на установке UPCORE при использовании ионообменной схемы обессоливания Н-ОН; и применении в катионитном фильтре - сильнокислотного катионита Dowex UPCORE Mono С-600, в анионитном - послойной загрузки анионитов Dowex UPCORE Mono WB-500 и Dowex UPCORE Mono A-625. Очистке подвергалась москворецкая вода с солесодержанием 250-300 мг/дм. На установке использовали фильтры различных диаметров. Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние параметров процесса на степень обессоливания воды на установке UPCORE (заявляемый способ и ближайший аналог).
Способ
Т°C
Диаметр фильтра, м
Скорость подачи р-ра кислота/щелочь, м/ч
Степень зажатия слоя катионит/анионит, %
Фильтроцикл, м<sup>3</sup>
Электропроводимость обессоленной воды, мкСм/см
Прототип
20-25
0,1
10/7
100/100
1,25
0,6-0,7
Заявленный способ
20-25
0,1
9,3/6,5
100/100
1,25
0,6-0,7
Прототип
20-25
0,8
10/7
98/98
200
0,45-0,5
Заявленный способ
20-25
0,8
11,6/8,1
100/100
210
0,4-0,42
Прототип
20-22
3,4
10/7
95/96
3500
0,4-0,42
Заявленный способ
20-22
3,4
13,5/9,5
99,9/99,9
3700
0,3-0,33
Проведенные испытания показали, что проведение регенерации по заявляемому способу на фильтрах большого диаметра существенно повышает длительность фильтроцикла и эффективность очистки воды.