СПОСОБ ПРОТИВОТОЧНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ИОНИТОВ Российский патент 2000 года по МПК B01J49/00 B01J49/02 C02F1/42 

Изобретение относится к способам очистки природных и сточных вод, а также иных жидких растворов с помощью ионообменных фильтров, а именно к способам регенерации ионообменных смол (ИС), и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности, применяющих обессоленную или умягченную воду в технологических процессах.

Известен способ противоточной регенерации отработанных ИС, включающий в себя обработку регенерационным раствором и взрыхление снизу вверх, и отмывку водой сверху вниз (пат. РФ N 2058817, 1995, кл. C 02 P 1/42).

Недостатком указанного способа является низкая эффективность процесса регенерации вследствие большого расхода регенерационных растворов и потребления воды на собственные нужды, а также увеличенное время процесса регенерации смолы.

Прототипом заявляемого способа является способ регенерации ионитов в фильтрационных процессах типа UPCORE, осуществляемый в фильтрационной установке, содержащей ионообменную смолу (ионит) и химически инертный в условиях осуществляемого процесса материал (инерт) ("The UPCORE System", Engineering Handbook, Trademark of The Dow Chemical Company, may 1995, Al page 5,6, B2 page 21).

Способ заключается в том, что по завершении рабочего цикла фильтрации, 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 от 90% до 92%, для чего требуется подавать поток воды с линейной скоростью до 50 м/час не менее 3-5 минут, 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 прототипа являются:
невозможность осуществления оптимальной регенерации смолы из-за неполного зажатия слоя (до 10% объема слоя смолы в нижней части аппарата остается в незажатом состоянии);
значительные расходы воды на зажатие слоя и его промывку, особенно в случае высокой концентрации взвесей в обрабатываемой воде.

Задачей, решаемой авторами, являлась разработка способа регенерации ионообменных смол в процессах типа UPCORE, позволяющего более эффективно выводить из системы примеси, в том числе и сорбированные на гранулах ИС, а также сократить время регенерации и снизить объемы используемой деминерализованной воды.

Было высказано предположение, что процессы регенерации частиц могут быть резко усилены, подвергая частицы последовательно воздействию повышенного давления и "разрежения" для создания микропульсаций на поверхности зерен ионита. Для решения стоящей задачи авторы предложили подвергать слой ионита в процессе регенерации воздействию по крайней мере двух последовательных импульсов, режим которых был подобран таким образом, чтобы слой ионита сначала зажимался двумя встречнонаправленными волнами, а поверхность его зерен подвергалась воздействию повышенного давления, а затем после прохождения волны повышенного давления сорбированные на зернах частицы подвергались воздействию "послеволнового разрежения". При этом степень "послеволнового разрежения" должна быть подобрана таким образом, чтобы при максимально полной декантации загрязнений исключалось разрыхление зажатого слоя.

В результате взаимодействия встречнонаправленных волн в зоне зажатого ионита образуется так называемая "стоячая волна", стягивающая к ее центру частицы, расположенные на периферии слоя и тем самым повышающие степень зажатия гранул ионита. Как показали проведенные эксперименты, в результате такой обработки слой ионита способен оставаться в зажатом состоянии до 5 минут без подпора потока жидкости.

В ходе проведения экспериментов были установлены возможные и оптимальные параметры процесса и подтверждено существенное улучшение результатов регенерации ионообменных смол в сопоставлении с технологией UPCORE.

В частности, было установлено, что поставленная задача решается при использовании заявляемого способа в том случае, если на стадии зажатия ионообменной смолы осуществляют воздействие на слой ионита, подавая воду по крайней мере двумя импульсами, причем амплитуда первого импульса составляет не менее высоты зоны свободного пространства над слоем ионита при завершении рабочего цикла, а амплитуда каждого последующего импульса не менее амплитуды отраженной волны, возникающей после прохождения предыдущего импульса, а время между импульсами не более времени, необходимого для прохождения отраженной волны от предыдущего импульса через слой ионита.

Длительность первого импульса в промышленных установках составляет от 0,1 до 60 сек, а время между импульсами от 0,1 до 300 сек. Амплитуда импульса устанавливается сочетанием длительности импульса и величины избыточного давления. Как правило, давление при создании импульса составляет не менее 0,01 МПа. Верхний предел определяется конструкцией установки. Конкретный выбор параметров осуществляется в зависимости от особенностей используемой установки, типа ионита и вязкости очищаемой жидкости.

Импульсы создаются, как правило, за счет создания гидравлического давления, хотя возможно их формирование за счет пневматического, механического или иного, в том числе комплексного воздействия.

Заявляемый способ может быть использован практически на любых типах ионообменных смол при помещении в верхний слой инертного материала, однако лучшие результаты достигаются при использовании в качестве ИС таких смол марки DOWEX, как слабокислотный катионит MAC-3, сильнокислотные катиониты: Marathon С, UPCORE Mono C-600, Monosphere 650 C, слабоосновные аниониты Marathon WBA, UPCORE Mono WB-500, сильноосновные аниониты Marathon A, Marathon 11, Marathon A2, UPCORE Mono A-625, UPCORE Mono A-500, Monosphere 550 А и другие. Для достижения оптимальных результатов рекомендуется применять в качестве инертного материала DOWEX UPCORE IF-62.

Заявляемый способ воздействия на иониты может быть реализован и на иных стадиях процесса. В частности, в ходе проведенных экспериментов было установлено, что при подаче в заявляемом режиме регенерирующего раствора серной кислоты удается снизить вероятность или исключить вообще возникновение процесса загипсовывания катионитов.

Благодаря использованию заявляемого способа удается добиться того, что слой смолы уплотняется практически на 100%, а потребление воды на операцию по зажатию слоя снижается не менее чем в 2 раза. Дополнительными преимуществами является то, что отпадает необходимость установки дополнительного насоса большей мощности, используемого для поршнеобразного подъема и зажатия слоя смолы, а в случае реконструкции прямоточной схемы в противоточную исключается замена трубопроводов и переобвязка оборудования.

Процесс регенерации осуществляют следующим образом. В фильтрационную установку по очистке воды загружают ионообменную смолу и инертный материал.

Общая схема процесса приведена на фиг. 1-4, где на фиг.1 показан рабочий цикл фильтрации; на фиг. 2 - стадия зажатия слоя ионита, подачи реагентов и их вытеснения; на фиг. 3 - стадия осаждения; на фиг. 4 - стадия промывки системы.

При этом на чертежах введены следующие обозначения:
1 - верхнее распределительное устройство (ВРУ);
2 - слой плавающего инерта;
3 - свободное пространство;
4 - слой ионита;
5 - нижнее распределительное устройство (НРУ).

В ходе рабочего цикла (фиг. 1) очищаемая вода поступает в фильтр сверху, проходя последовательно через ВРУ 1, инерт 2, свободное пространство 3, слой ионита 4, НРУ 5, а затем выводится из фильтра. По истощению обменной емкости слоя смолы (завершении рабочего цикла) прекращают подачу обрабатываемой жидкости в ионообменный фильтр в направлении сверху вниз и приступают к проведению процесса регенерации (фиг.2). При этом слой ионита прижат к НРУ 5, а зона свободного пространства 3 находится в аппарате выше слоя ионита 4.

При проведении процесса регенерации ионита (фиг. 2) в направлении снизу вверх в импульсном режиме подают поток воды, который поднимает весь слой ионита 4 без внутрислойного перемешивания, прижимая его к инерту 2 или ВРУ 1, одновременно обеспечивая вынос из слоя ионита и из фильтра взвесей, накопившихся за время рабочего цикла.

Затем в направлении снизу вверх подают поток регенерирующего раствора, который, проходя через слой ионита 4, осуществляет его химическую регенерацию, сохраняя слой ионита 4 в зажатом состоянии. Подача регенерирующего раствора производится в непрерывном или импульсном режиме.

По завершении регенерации проводят операцию вытеснения остатков регенерирующего раствора из зажатого слоя ионита, подавая в направлении снизу вверх поток воды. Поток воды на вытеснение также может подаваться в непрерывном или импульсном режиме.

На следующем этапе проводят операцию осаждения (фиг. 3), для чего отключают подачу технологических потоков в ионообменный аппарат, и слой ионита 4 под действием силы тяжести ламинарно (равномерно, без внутрислойного перемешивания) оседает на НРУ 5. При этом зона свободного пространства 3 мигрирует от НРУ 5 к ВРУ 1 или инерту 2.

Последней операцией является промывка (фиг.4), проводимая в том же направлении, что и обработка исходной воды в рабочем цикле.

Для реализации заявляемого способа предпочтительно использовать ИС марки DOWEX UPCORE, например, сильнокислотный катионит Mono C 600, сильноосновный анионит Mono А-625, слабоосновный анионит Mono WB-500 и другие. Это связано с тем, что смолы этих марок имеют однородный гранулометрический состав и высокие физико-механические характеристики, что улучшает гидродинамические параметры процесса регенерации смол. В качестве инертного материала лучшие результаты достигаются при использовании инерта DOWEX UPCORE IF-62.

Промышленные испытания осуществляли на базе фильтрационной установки емкостью 0,5 куб.м, куда была загружено 0,45 куб. м смолы типа DOWEX UPCORE Mono C 600, на основе стирол-дивинилбензольной матрицы в натриевой форме при общей обменной емкости смолы не менее 2,2 г - экв./л и 0,02 куб. м инертного материала DOWEX UPCORE IF-62.

По истощению обменной емкости слоя смолы (завершении рабочего цикла) прекращали подачу обрабатываемой воды в ионообменный фильтр в направлении сверху вниз и приступали к проведению процесса регенерации. Для этого часть очищенной воды подавали под слой смолы в направлении снизу вверх в широком диапазоне времени и давления. Через фиксированное время после прекращения подачи первого импульса подавали второй импульс (варьируя его параметры в различных сериях испытаний) и в ряде опытов - третий импульс. Степень зажатия слоя контролировали визуально.

Затем прекращали подачу воды и подавали регенерирующий раствор на основе хлористого натрия или серной кислоты в соответствии с инструкцией, прилагаемой к смоле при ее поставке.

По завершению химической регенерации слоя остатки регенерирующего раствора вытесняли потоком деминерализованной воды, подаваемой в направлении снизу вверх. Далее прекращали подачу воды, в результате чего происходило гравитационное осаждение слоя смолы. Осевший слой смолы промывали потоком обработанной воды в направлении сверху вниз, осуществляя одновременно его зажатие, после чего проводили очередной рабочий цикл очистки воды.

Полученные результаты испытаний, отражающие влияние параметров процесса на эффективность водоочистки, приведены в табл.1.

Опыты, проведенные на типовой установке химводоочистки, использовавшей ранее технологию UPCORE (со средней производительностью 150 куб. м в час и объемом фильтроцикла 1000 куб.м), при замене системы регенерации на заявляемую модифицированную показали возможность достижения повышенного фильтроцикла без снижения качества обработанной воды. (Результаты экспериментов приведены в табл.2).

Как следует из приведенных примеров, использование заявленного способа обеспечивает возможность более полного удаления загрязнений из слоя ИС и соответственно более высокую эффективность процесса его регенерации. Затраты времени на регенерацию при этом сокращаются в среднем на 5-7% в зависимости от природы ИС, срока службы ионита и характера загрязнений. Затраты воды на собственные нужды сокращаются на 10-12%.

Изобретение относится к способам очистки природных и сточных вод, а также иных жидких растворов с помощью ионообменных фильтров, а именно к способам регенерации ионообменных смол (ИС), и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности, применяющих обессоленную или умягченную воду в технологических процессах. Способ регенерации ионитов в фильтрационных процессах типа "UPCORE", включающий в себя стадию зажатия слоя ионита потоком жидкой среды, направленным снизу вверх, в котором процесс зажатия осуществляют в импульсном режиме, подавая воду по крайней мере двумя импульсами, причем амплитуда первого импульса составляет не менее высоты зоны свободного пространства над слоем ионита при завершении рабочего цикла, а амплитуда последующего импульса не менее амплитуды отраженной волны, возникающей после прохождения предыдущего импульса, а время между импульсами не более времени, необходимого для прохождения отраженной волны от предыдущего импульса через слой ионита. Использование заявленного способа обеспечивает возможность более полного удаления загрязнений из слоя ионита и соответственно более высокую эффективность процесса его регенерации. Затраты времени на регенерацию при этом сокращаются в среднем на 5-7% в зависимости от природы и срока службы ионита. Затраты воды на собственные нужды сокращаются на 10-12%. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ регенерации ионитов в фильтрационных процессах типа "UPCORE", включающий в себя стадию зажатия слоя ионита потоком жидкой среды, направленным снизу вверх, стадии регенерации, гравитационного осаждения и отмывки ионитов от остатков регенерирующего раствора, отличающийся тем, что процесс зажатия осуществляют в импульсном режиме, подавая воду, по крайней мере, двумя импульсами, причем амплитуда первого импульса составляет не менее высоты зоны свободного пространства над слоем ионита при завершении рабочего цикла, а амплитуда последующего импульса не менее амплитуды отраженной волны, возникающей после прохождения предыдущего импульса, а время между импульсами не более времени, необходимого для прохождения отраженной волны от предыдущего импульса через слой ионита. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый импульс подают длительностью от 0,1 до 60 с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующие импульсы подают с интервалом времени между импульсами от 0,1 до 300 с.