СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ИОНИТА В ПРОТИВОТОЧНОМ ФИЛЬТРЕ Российский патент 2002 года по МПК B01J49/00 B01D24/46 B01D101/00 

Изобретение относится к технике очистки воды и водных растворов от примесей, находящихся в виде ионов, с помощью ионообменных материалов, а именно к способам регенерации ионита в противоточном фильтре, и может быть использовано в энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Наиболее экономичным способом удаления из воды растворенных примесей является противоточный способ ионирования, заключающийся в том, что исходная вода и раствор реагента, периодически вводимый для восстановления обменной емкости ионитов, подаются в фильтр в противоположных направлениях. Применение противотока при ионообмене позволяет существенно снизить расход реагента и повысить качество очищенной воды.

Известен способ противоточной регенерации ионита в фильтрационных процессах типа АПКОР, осуществляемый в ионитном фильтре, загруженным слоем ионита и расположенным над ним химически инертным материалом [Проспект фирмы "Дау Кемикал Компани" (США). "Процесс АПКОР. Противоточная регенерация ионообменных смол: прогрессивная технология, позволяющая улучшить качество и снизить себестоимость технологической воды". 1993].

Способ заключается в том, что по завершении рабочего цикла фильтрации исходной воды сверху вниз проводят операции поршнеобразного подъема и зажатия слоя ионита восходящим потоком воды к плавающему инертному материалу, после чего подают регенерационный раствор в направлении снизу вверх с расходом, обеспечивающим сохранение слоя ионита в зажатом состоянии, затем проводят вытеснение остатков реагента восходящим потоком воды без разуплотнения зажатого слоя ионита, после чего позволяют слою ионита 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 мин, а для регенерации ионита подают регенерационный раствор в течение до одного часа с линейной скоростью потока до 20 м/час для поддержания слоя ионита в зажатом состоянии.

Основными недостатками способа являются:
- невозможность осуществления оптимальной регенерации ионита из-за неполного зажатия слоя (до 10% объема ионитов в нижней части фильтра остается в незажатом состоянии);
- значительные расходы воды на зажатие слоя ионита и его промывку, особенно в случае высокой концентрации взвесей в обрабатываемой воде;
- необходимость в установке дополнительного насоса для создания сильного потока воды для зажатия слоя ионита, а также соответственно повышение затрат на трубопроводы и арматуру, обеспечивающие подвод и отвод воды для стадии зажатия.

Известен способ противоточной регенерации ионитов, который предусматривает предварительную промывку отработанного слоя в две стадии, на первой из которых используют восходящий поток воды для зажатия слоя ионита, а на второй стадии процесс проводят водовоздушной смесью при относительном объемном соотношении воздух: вода 2-10:1 и понижении линейной скорости подачи воды до скорости подачи регенерационного раствора (Пат. РФ 2144848, 1998, кл. В 01 J 49/00, C 02 F 1/42).

Использование данного способа обеспечивает возможность более полного удаления загрязнений (взвешенные вещества, ржавчина, известковые отложения и т.д.) из слоя ионитов перед подачей регенерационного раствора.

Недостатками способа являются необходимость установки дополнительного насоса для создания значительного потока воды для зажатия слоя ионитов на первой стадии промывки перед регенерацией, что ведет к значительным энергозатратам, а также повышенным затратам на трубопроводы и арматуру.

Прототипом заявленного способа является способ противоточной регенерации ионитов, осуществляемый в ионитном фильтре, содержащем корпус, слой плавающего инертного материала, установленную в корпусе по его оси центральную камеру со вспомогательным слоем ионита и размещенный в кольцевом пространстве основной слой ионита. Между слоем инертного материала и слоем ионита расположено свободное пространство, объем которого на 5-50% меньше объема вспомогательного слоя ионита.

Очищаемую воду подают двумя потоками, первый из которых направляют снизу вверх во вспомогательный слой ионита, перемещают его из центральной камеры в свободное пространство над основным слоем и затем совместно со вторым потоком пропускают через основной слой в направлении сверху вниз. После завершения рабочего цикла фильтрации воды и последующего осаждения под действием силы тяжести вспомогательного слоя ионита из свободного пространства в центральную камеру проводят цикл регенерации. Осуществляют операцию гидромеханического зажатия основного слоя ионита за счет вытеснения вспомогательного слоя ионита в свободное пространство потоком очищаемой воды снизу вверх в центральную камеру, после чего подают регенерационный раствор в направлении снизу вверх последовательно через основной и вытесненный в свободное пространство вспомогательный слои ионитов (Пат. РФ 2121873, 1997, кл. В 01 J 47/02, В 01 D 15/04, C 02 F 1/42).

Недостатком способа является проблема удаления загрязнений из вспомогательного слоя ионитов после пропускания исходной воды во время рабочего цикла фильтрации воды. Особенно большие затруднения вызывает очистка загрязненных сточных вод.

Задачей изобретения является разработка способа регенерации, позволяющего эффективно удалять загрязнения и примеси из вспомогательного слоя ионита, и тем самым повысить эффективность защиты основного слоя ионита от загрязнений, а также удешевление процесса за счет дополнительного снижения расхода регенерационного раствора.

Указанная задача достигается тем, что подают снизу вверх в цилиндрическую камеру фильтра поток смеси воздуха с очищаемой водой для вытеснения вспомогательного слоя ионита в свободное пространство, расположенное между центральной камерой фильтра и слоем инертного материала для промывки вспомогательного слоя ионита и для зажатия основного слоя ионита, расположенного в периферийной камере фильтра, вводят регенерационный раствор снизу вверх в основной и далее в вытесненный вспомогательный слои ионитов: после пропускания 20-80% от объема регенерационного раствора вместо смеси воздуха с очищаемой водой в центральную камеру снизу вверх подают смесь отработанного регенерационного раствора с очищаемой водой.

При этом подачу смеси воздуха с очищаемой водой и смеси отработанного регенерационного раствора с очищаемой водой в центральную камеру осуществляют с помощью водоструйного насоса, в котором в качестве активной среды используют очищаемую воду, подводимую под давлением 0,2-1,0 МПа.

Подачу смеси воздуха и очищаемой воды осуществляют при относительном объемном соотношении 1,0:0,1:10,0.

Подачу смеси отработанного регенерационного раствора и очищаемой воды осуществляют при относительном объемном соотношении 1,0:0,1-10,0.

Смесь воздуха и очищаемой воды и смесь отработанного регенерационного раствора и очищаемой воды подают под давлением 0,1-0,9 МПа.

Ввод регенерационного раствора осуществляют через не менее 10 секунд после подачи в центральную камеру потока смеси воздуха с очищаемой водой.

Использование смеси воздуха и очищаемой воды позволяет обеспечить интенсивную очистку вспомогательного слоя ионита от механических и биологических загрязнений, поступающих в ионитный фильтр в процессе очистки воды и задержанных вспомогательным слоем ионита, а также снижение потока воды для вытеснения последнего в свободное пространство и зажатия основного слоя ионита, при последующей подаче восходящего потока регенерационного раствора.

Использование смеси очищаемой воды и наименее загрязненной части (20-80 об.%) отработанного регенерационного раствора позволяет также снизить интенсивность потока воды для зажатия основного слоя ионита и дополнительно повторно использовать регенерационный раствор при регенерации вспомогательного слоя ионита.

Благодаря использованию заявленного способа удается добиться того, что потребление воды на перемещение вспомогательного слоя ионита в свободное пространство, его промывку и зажатие основного слоя ионита при восходящей подаче регенерационного раствора в последний снижается как минимум в полтора раза. Дополнительно удается сократить расход регенерационного раствора на 10-20%.

Общая схема процесса приведена на фиг.1-3. На фиг.1 показан противоточный фильтр в нерабочем режиме. На фиг.2 - противоточный фильтр в рабочем режиме очистки воды. На фиг.3 - противоточный фильтр в режиме регенерации ионита.

Противоточный фильтр содержит корпус 1, верхнее 2 и нижнее 3 сборно-распределительные устройства, слой инертного материала 4 плотностью менее 1 г /куб. см и гранулометрическим составом не менее 1,5 мм, расположенный под верхним сборно-распределительным устройством 2, центральную камеру 5, заполненную вспомогательным слоем ионита 6, основной слой ионита 7, размещенный в периферийной камере на высоту центральной камеры. Между инертным материалом 4 и центральной камерой 5 расположено свободное пространство 8, объем которого на 5-50% меньше объема центральной камеры. Нижняя часть центральной камеры 5 снабжена распределительным устройством 9 и герметично соединена со штуцером 10 для подачи части очищаемой воды, смеси воздуха с очищаемой водой, а также смеси очищаемой воды и отработанного регенерационного раствора. Штуцер 10 (фиг.3) подключен к выходу водоструйного насоса (эжектора) 11, патрубок подвода активной среды которого соединен с трубопроводом подачи очищаемой воды, а патрубок подвода пассивной среды через клапан 12 - с атмосферой, и через клапан 13 - с напорным дренажным трубопроводом 14. Подача регенерационного раствора в основной слой ионита, а также отвод очищенной воды производится через штуцер 15, который соединен с нижним сборно-распределительным устройством 3. Отвод отработанного раствора реагента, отработанной смеси воздуха с очищаемой водой, а также подача второй части очищаемой воды производится через штуцер 16, который соединен с верхним сборно-распределительным устройством 2.

Способ осуществляется следующим образом.

В ходе рабочего цикла очистки воды в противоточном фильтре (фиг.2) первая часть очищаемой воды через штуцер 10 и распределительное устройство 9 поступает снизу вверх в центральную камеру 5, вытесняя из нее вспомогательный слой ионита 6 в свободное пространство 8. Последующая вторая часть очищаемой воды через штуцер 16, верхнее сборно-распределительное устройство 2 проходит последовательно инертный материал 4, а также совместно с первой частью очищаемой воды вспомогательный слой ионита 6, перемещенный в свободное пространство 8, и основной слой ионита 7. Выход очищенной воды осуществляется через нижнее сборно-распределительное устройство 3 и штуцер 15.

При истощении обменной емкости ионита (завершение рабочего цикла) прекращают подачу очищаемой воды в противоточный фильтр. Вспомогательный слой ионита 6 из свободного пространства 8 под действием силы тяжести оседает в центральную камеру 5. При оседании происходит энергичное трение зерен ионита друг о друга, обеспечивая отделение механических и биологических загрязнений с поверхности зерен ионита.

Процесс восстановления обменной емкости ионита (регенерация) производят в следующей последовательности (фиг.3). Через водоструйный насос 11 в качестве активной среды подают очищаемую воду под давлением для создания разрежения в насосе, способствующего подсосу атмосферного воздуха через клапан 12. На выходе водоструйного насоса образуется диспергированная водовоздушная смесь, которую направляют через штуцер 10 и распределительное устройство 9 в центральную камеру 5, из которой она вытесняет вспомогательный слой ионита 6 в свободное пространство 8 и зажимает основной слой ионита 7. Далее поток смеси воздуха и очищаемой воды, промывая от загрязнений вспомогательный слой ионита 6, проходит через слой инертного материала 4, который служит для защиты от выноса рабочих фракций ионита из фильтра. Отвод смеси воздуха с очищаемой водой из фильтра производят через верхнее сборно-распределительное устройство 2, штуцер 16 и напорный дренажный трубопровод 14. Через 1-2 минуты после подачи смеси воздуха с очищаемой водой в центральную камеру 5 производят восходящую подачу регенерационного раствора в основной слой ионита 7 через штуцер 15 и нижнее сборно-распределительное устройство 3. В связи с тем, что вспомогательный слой ионита 6 остается в свободном пространстве 8 за счет подачи потока смеси воздуха и очищаемой воды в центральную камеру 5, основной слой ионита 7 находится в зажатом состоянии и не перемешивается при восходящем потоке регенерационного раствора. Регенерационный раствор последовательно проходит основной слой ионита 7 и далее совместно с потоком смеси воздуха с очищаемой водой вспомогательный слой ионита 6. расположенный в свободном пространстве 8, и слой инертного материала 4. Отвод отработанного регенерационного раствора и смеси воздуха с очищаемой водой из противоточного фильтра осуществляют через верхнее сборно-распределительное устройство 2, штуцер 16 и напорный дренажный трубопровод 14.

После пропускания 20-80% от объема регенерационного раствора вместо смеси воздуха с очищаемой водой подают смесь очищаемой воды и отработанного регенерационного раствора для его повторного использования. При этом клапан 12 подсасывания атмосферного воздуха в водоструйный насос 11 закрывают и открывают клапан 13 для подсасывания отработанного регенерационного раствора из напорного дренажного трубопровода 14.

Пример. В противоточном натрий-катионитном фильтре диаметром 1000 мм установлена центральная камера диаметром 350 мм и высотой 2000 мм. Фильтр загружен сильнокислотным катионитом КУ-2-8, 200 л которого находятся в центральной камере (вспомогательный слой катионита) и 1500 л катионита - в периферийной камере фильтра на высоту цилиндрической перегородки центральной камеры (основной слой ионита). В качестве инертного материала в фильтре используют плавающий полиэтилен низкого давления с гранулометрическим составом 2-5 мм и плотностью 0,95 г/куб.см, нижний слой которого на 100 мм ниже верхнего сборно-распределительного устройства.

При регенерации катионита в водоструйный насос под давлением 0,5 МПа подают очищаемую воду с расходом 0,5-1 м³/ч, поток которого обеспечивает подсос атмосферного воздуха в насосе и образование водовоздушной смеси в объемном соотношении очищаемая вода: воздух 1:1. Водовоздушный поток направляют снизу вверх в центральную камеру, из которой он вытесняет вспомогательный слой катионита в свободное пространство объемом 120 л. При этом производится промывка от загрязнений вспомогательного слоя катионита и зажатие основного слоя катионита. Через 1-2 минуты после подачи водовоздушной смеси вводят в основной слой ионита восходящий поток 8%-ного раствора поваренной соли с расходом 3-4 м³/ч. После пропускания 30% от объема регенерационного раствора (удельный расход повареной соли на регенерацию -1,6 г-экв/г-экв) вместо воздуха в водоструйный насос подсасывается отработанный раствор поваренной соли для повторного использования его при регенерации вспомогательного слоя катионита.

После пропускания всего объема регенерационного раствора производят традиционную отмывку основного слоя катионита восходящим потоком умягченной воды с расходом 4-8 м³/ч при продолжении подачи смеси очищаемой воды и отработанной отмывочной воды в центральную камеру.

После завершения режима регенерации противоточный фильтр включается в рабочий режим очистки воды путем натрий-катионирования (умягчения). При общей жесткости очищаемой воды 4-6 мг-экв/л качество очищенной воды по жесткости составит не более 5 мкг-экв/л.

Как следует из приведенного примера, использование заявленного способа обеспечивает эффективную очистку от механических и биологических загрязнений вспомогательного слоя ионита и соответственно повышение защиты основного слоя ионита от его загрязнения, а также сокращение как минимум на 10% расхода реагента на регенерацию ионита.

Изобретение относится к способам регенерации ионита в противоточных фильтрах и может быть использовано при очистке воды и водных растворов в энергетике, химической и других отраслях промышленности. В центральную камеру противоточного фильтра, заполненную вспомогательным слоем ионита, подают снизу вверх смесь воздуха с очищаемой водой для вытеснения его в свободное пространство, расположенное между инертным материалом и центральной камерой, для промывки вспомогательного слоя ионита и для зажатия основного слоя ионита, расположенного в периферийной камере фильтра, затем вводят регенерационный раствор снизу вверх в основной и далее в вытесненный вспомогательный слои ионитов, а после пропускания 20-80% от объема регенерационного раствора в центральную камеру снизу вверх подают смесь отработанного регенерационного раствора с очищаемой водой. Подачу всех смесей целесообразно осуществлять с помощью водоструйного насоса, в котором в качестве активной среды используют очищаемую воду, подводимую под давлением 0,2-1,0 МПа. Способ обеспечивает более полное удаление загрязнений из вспомогательного слоя, тем самым повышает эффективность защиты основного слоя ионита от загрязнений, а также удешевление процесса за счет сокращения расхода регенерационного раствора при повторном его использовании. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регенерации ионита в противоточном фильтре, включающий подачу снизу вверх в центральную камеру фильтра, заполненную вспомогательным слоем ионита, потока для вытеснения вспомогательного слоя ионита в свободное пространство, расположенное между центральной камерой фильтра и слоем инертного материала, для промывки вспомогательного слоя ионита и для зажатия основного слоя ионита, расположенного в периферийной камере фильтра, ввод регенерационного раствора снизу вверх в основной и далее в вытесненный вспомогательный слои ионитов, отличающийся тем, что для вытеснения вспомогательного слоя ионита в свободное пространство, его промывки и зажатия основного слоя ионита используют поток смеси воздуха с очищаемой водой, а после пропускания 20-80% от объема регенерационного раствора в центральную камеру снизу вверх подают смесь отработанного регенерационного раствора с очищаемой водой. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу смеси воздуха с очищаемой водой и смеси отработанного регенерационного раствора с очищаемой водой в центральную камеру осуществляют с помощью водоструйного насоса, в котором в качестве активной среды используют очищаемую воду, подводимую под давлением 0,2-1,0 МПа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу смеси воздуха и очищаемой воды осуществляют при относительном объемном соотношении 1,0: 0,1-10,0. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу смеси отработанного регенерационного раствора и очищаемой воды осуществляют при относительном объемном соотношении 1,0: 0,1-10,0. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь воздуха и очищаемой воды и смесь отработанного регенерационного раствора и очищаемой воды подают под давлением 0,1-0,9 МПа. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ввод регенерационного раствора осуществляют через не менее 10 с после подачи в центральную камеру потока смеси воздуха с очищаемой водой.