ИОНООБМЕННЫЙ АППАРАТ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
CONTINUOUS ION-EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к сорбционной технологии обработки жидкостей (например, воды) методом непрерывного ионообмена и может быть использовано в энергетической (водоподготовка, химводоочистка на тепловых и атомных электростанциях), гидрометаллургической, химической и других отраслях промышленности.
Среди множества конструкций аппаратов для непрерывного ионообмена наибольшее практическое применение нашли такие, в которых реализован противоток движения жидкой и твердой фаз. Из них наиболее близки по технической сущности к заявляемому те, в которых усилие, необходимое для перемещения внутри аппарата плотного слоя ионита, создается циркуляцией части потока очищенной жидкости через его верхнюю часть.
Прототипом заявляемого устройства является ионообменная колонна системы AVCO, состоящая из секций обработки (например, умягчения) воды, промывки, регенерации, гидравлического привода и вытеснения ионита на регенерацию. Все элементы колонны работают непрерывно. Слой ионита движется сверху вниз при входе и выходе жидкости через закрытые сеткой штуцеры, расположенные вдоль колонны. Движение компактного гидравлически сжатого слоя ионита осуществляется с помощью зон гидравлического привода за счет циркуляции потоков жидкости через слой заключенного в них ионита [1].
Недостатком известной конструкции является то, что удовлетворительная производительность на ней достигается только при ее малых размерах (диаметр корпуса не более 0,1 м) и попытки повышения производительности за счет увеличения диаметра приводят к заметному ухудшению ее работы. Было экспериментально установлено, что участки слоя, на которых потоки жидкости меняют направление с радиального относительно направления движения ионита на аксиальное в процессах ионообмена и привода практически не участвуют, но увеличивают длину и объем рабочей и гидроприводных зон, а следовательно, и количество заключенного в них ионита, уменьшая тем самым удельную (отнесенную к единице объема ионита) производительность колонны ["Расчет непрерывного процесса ионного обмена с движущимся слоем" ЭИ ВИНИТИ "Теплоэнергетика" №19, реф. №87, 1977 г.].
Технический результат, достигаемый в предлагаемом изобретении, заключается в увеличении производительности аппарата без снижения его удельной производительности.
Указанный технический результат достигается тем, что внутри аппарат снабжен фильтрующими элементами, скомпонованными в устройства для подвода, равномерного распределения по площадям поперечного сечения заключенного в аппарате слоя ионита, а затем сбора и отвода из аппарата потоков жидкости на всех стадиях ее обработки в направлении, аксиальном направлению движения заключенного в аппарате слоя ионита.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором ионообменный аппарат изображен в вертикальном разрезе.
Ионообменный аппарат включает корпус 1, в котором размещаются устройство для подвода и раздачи исходной жидкости (например, воды) и устройство для сбора и отвода обработанной воды наружу (к потребителю или на следующую стадию обработки) и одновременно на циркуляцию через верхнюю часть заключенного в аппарате слоя ионита (слой ионита на чертеже заштрихован). Слой ионита заполняет внутренний объем аппарата частично, нижняя его граница располагается в плоскости соприкосновения с устройством для подвода и раздачи в аппарат исходной воды, а верхняя граница первоначально совпадает с уровнем изначальной загрузки в аппарат ионита в объеме, требуемом для организации процесса непрерывной ионообменной очистки воды. Во время работы аппарата положение нижней границы слоя неизменно, а положение верхней границы определяется точностью соблюдения материального баланса между приходом к слою свежеотрегенерированного и убылью из него истощенного ионита. Устройство для подвода и раздачи исходной воды представляет собой расположенный в плоскости поперечного сечения аппарата пучок взаимно дистанционированных фильтрующих элементов 2, объединенных нижней кольцевой камерой 3, образующей вместе с корпусом аппарата полость для подвода исходной воды. Устройство для сбора и отвода из аппарата обработанной воды выполнено в виде аксиального боковым стенкам аппарата пучка взаимно дистанционированных фильтрующих элементов 4, частично погруженных в слой ионита в аппарате и объединенных над верхней границей этого слоя верхней кольцевой камерой 5, образующей вместе с корпусом аппарата полость для отвода обработанной воды. Кроме того, аппарат имеет патрубок 6 для подвода исходной воды, патрубок 7 для отвода обработанной воды, патрубок 8 для подвода свежеотрегенерированного ионита в потоке циркулирующей по аппарату воды и патрубок 9 для вывода из аппарата истощенного ионита. Усилие, приводящее в движение слой заключенного в аппарате ионита, создается насосом 10 за счет циркуляции очищенной воды.
Корпусом, распределительными устройствами, верхней и нижней границами слоя ионита в аппарате обособлены четыре зоны: А - обработки (например, умягчения) воды, Б - гидравлического привода слоя ионита, В - транспортировки суспензии отрегенерированного ионита к верхней граница слоя и Г - выгрузки истощенного ионита. Зону А образует часть слоя ионита, гидравлически зажатая между фильтрующими поверхностями элементов 2 и 4 соответствующих распределительных устройств. Другая часть слоя, гидравлически зажатая между фильтрующей поверхностью элементов 4 и зоной В, образует зону гидравлического привода слоя ионита Б. Зона В располагается между патрубком 8 и верхней границей слоя ионита, зона Г - между нижней границей слоя ионита и дном аппарата. Во время обработки исходной воды ионит в зонах А и Б находится в уплотненном, гидравлически сжатом, а в зонах В и Г - в разреженном состоянии. Для обеспечения непрерывного поступательного движения слоя ионита, возникающего за счет разности перепадов давлений на его участках, расположенных в зонах А и Б, аппарат снабжен гидравлическим приводом слоя, в который входят: фильтрующие элементы 4, камера 5, патрубок 7, насос 10, пространство зоны В и участок слоя ионита, расположенный в зоне Б ионообменного аппарата.
Ионообменный аппарат работает следующим образом. Исходная вода по патрубку 6 через камеру 3 фильтрующими элементами 2 подводится к нижней границе слоя ионита, где раздается в двух противоположных направлениях: наверх - в зону А со скоростью, достаточной для его поддержания там в гидравлически сжатом состоянии и вниз - в зону Г, где используется для вывода ионита через патрубок 9 из аппарата наружу. Пройдя очистку в зоне А, вода собирается фильтрующими элементами 4 и через камеру 5 по патрубку 7 отводится из аппарата наружу. Часть этой воды отбирается насосом 10 и подается обратно в аппарат через патрубок 8 в зону В, подводится там к верхней границе слоя ионита и далее прокачивается через слой ионита, заключенный в зоне Б, снова к фильтрующим элементам 4, где смыкается со встречным потоком очищенной в зоне А воды и далее через камеру 5 по патрубку 7 подводится к насосу 10, образуя поток постоянно циркулирующей в аппарате обработанной воды. Слой ионита в аппарате непрерывно движется сверху вниз - в направлении, противоположном фильтрации в зоне А исходной воды. Причем на фильтрующих элементах 4 происходит отделение твердой фазы (ионита) от жидкой (воды), т.к. вода свободно проникает внутрь фильтрующих элементов, а частицы ионита ими задерживаются. Убыль истощенного ионита на регенерацию восполняется за счет подвода свежеотрегенерированного ионита к верхней границе слоя через патрубок 8 в потоке циркулирующей по аппарату очищенной воды. Скорость движения ионита в аппарате регулируется путем изменения перепада давлений в зоне гидропривода Б так, чтобы она соответствовала скорости движения фронта ионообмена. За счет этого положение фронта ионообмена в пределах зоны А фиксировано и длина зоны равна величине теоретической ступени контакта сорбции при заданной степени очистки воды, то есть в ней содержится минимум необходимого для осуществления непрерывного ионообмена ионита, а следовательно, и удельная производительность аппарата максимально близка к теоретически достижимой. Задача же сохранения минимально необходимого количества ионита, заключенного в зоне обработки воды А, которая возникает при увеличении площади фильтрации аппарата вследствие увеличения его диаметра решается путем увеличении числа и размеров (например, диаметров) фильтрующих элементов 2 и 4, расположенных на границах зоны А. Для снижения затрат на перемещение в аппарате плотного слоя ионита целесообразно корпусу аппарата в пределах зоны обработки воды А придать коническую форму с увеличением диаметра в направлении, совпадающем с направлением движения ионита. Технология регенерации и отмывки ионита от продуктов регенерации конструкцией аппарата не предусмотрена. В зависимости от требований технологии процесса очистки воды аппарат может снабжаться известными в России и за рубежом регенерационно-промывочными устройствами как непрерывного, так и периодического действия. Возможно применение аппарата и без регенератора в тех случаях, когда восстановление ионообменной способности ионита в нем нецелесообразно. Возможно также использование его и в качестве самостоятельного аппарата для регенерации либо отмывки ионообменного материала. В аппарате возможно применение смешанной, состоящей из катионита и анионита шихты ионообменных смол. Также возможна работа аппарата в режиме переменной цикличной нагрузки, с периодическим прекращением - возобновлением подачи исходной воды и остановкой - возобновлением движения слоя ионита при обработке растворов с концентрациями, не достаточными для организации в аппарате его непрерывно-поступательного движения.
С учетом того, что на основе вышеописанного технического устройства может возникнуть особый класс высокоэффективных сорбционных аппаратов, предлагается присвоить ему специальное наименование: Сорбционный Фильтр для Ионообмена в Непрерывном Контактном Слое сорбента - сокращенно СФИНКС.
Источник информации
1. "Процесс ионного обмена с непрерывно движущимся слоем системы AVCO." ЭИ ВИНИТИ "Теплоэнергетика" №30 реф. №130, 1973 г.