СПОСОБ ВОДОПОДГОТОВКИ Российский патент 2007 года по МПК C02F1/42 C02F1/28 B01J49/02 C02F103/04 

Изобретение относится к области водоочистки, а именно к способам водоподготовки с использованием фильтровальных модулей, содержащих для умягчения воды ионообменные смолы (ИС).

В настоящее время в технологических схемах умягчения воды для нужд потребителей в энергетике, а также для теплофикационных котельных широко используют различные фильтрационные процессы, в ходе которых очищаемую воду пропускают через один или несколько фильтровальных модулей, содержащих ионообменные смолы (Справочник химика-энергетика / под ред. Гурвича С.М.: В 3-х т., М.: Энергия, 1972, т.1, 455 с.; СНиП.2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения // Госстрой СССР. - Введ. 01.01.85). Выбор как метода очистки, так и технологии фильтрации и регенерации во многом определяется требованиями к получаемому фильтрату и характеристиками очищаемой воды.

Так, известен способ водоочистки, включающий в себя пропускание очищаемой воды сверху вниз через слой ИС, взрыхление отработанных ИС, их обработку регенерационным раствором снизу вверх и отмывку водой сверху вниз (Пат. РФ №2058817, 1995, кл. С02Р 1/42).

Недостатком указанного способа является низкая эффективность процесса регенерации вследствие большого расхода регенерационных растворов и значительного объема получаемых сточных вод, а также увеличенное время процесса регенерации смолы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является технология водоподготовки с помощью процесса фильтрования типа "UPCORE" ("The UPCORE System", Engineering Handbook, Trademark of The Dow Chemical Company, May 1995, A1 page 5, 6, B2 page 21), реализуемого путем пропускания очищаемой воды в фильтровальной установке через слой плавающего химически инертного в условиях осуществляемого процесса материала (инерт) и ионообменную смолу (ионит) в направлении сверху вниз.

Регенерацию смолы проводят следующим образом. По завершении рабочего цикла фильтрации проводят операцию поршнеобразного подъема и прижатия слоя ионита к плавающему в верхней части корпуса фильтра инерту 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 способа для процесса умягчения являются увеличенный расход регенерирующего агента из-за неполного зажатия слоя (до 10% объема слоя смолы в нижней части аппарата остается в незажатом состоянии) и сложность удаления загрязнений в виде дисперсных взвесей, поступивших на ионообменную смолу с обрабатываемой водой.

Задачей, решаемой авторами, являлась разработка технологии, позволяющей обеспечить высокую эффективность очистки воды при одновременном снижении удельного расхода соли на регенерацию и сокращении потребления воды на собственные нужды.

Указанная задача решалась путем модификации процесса умягчения, применяемого в технологии "UPCORE". Предлагаемый способ отличается тем, что фильтрование проводят в фильтровальном комплексе, содержащем не менее чем два последовательно размещенных фильтра, при этом загрузка ионообменной смолы подбирается таким образом, чтобы объем смолы в первом фильтре составлял не более 40% от общего количества смолы, используемой для очистки, а зажатие смолы при регенерации осуществляют таким образом, что в первом фильтре оно проходит через стадию образования псевдоожиженного слоя.

В результате разделения процесса фильтрации на две и более стадий удается выделить для отдельной регенерации слой смолы, наиболее загрязняемый взвесями в процессе очистки. При этом появляется возможность проводить его регенерацию в более интенсивном режиме, т.к. структура последующих слоев смолы (находящихся в следующем фильтре) сохраняется в зажатом состоянии, что обеспечивает на следующих этапах в совокупности двух и более фильтров гарантию наличия условий, необходимых для оптимального проведения ионообменных процессов. Как правило, процесс проводят в двух фильтрах, однако возможно описанную технологию осуществлять и в большем количестве аппаратов с созданием в каждом из них отдельных условий регенерации смолы.

Использование в первом фильтре более 40% от общего количества смолы усложняет задачу удаления взвешенных веществ, накопившихся в слое смолы в процессе работы, приводя к необходимости увеличения затрат воды на отмывку и времени на проведение процесса. Конкретное количество смолы, загружаемое в первый фильтр, определяется особенностями примесей, содержащихся в воде, маркой смолы и требованиями к качеству очищенной воды.

Введение перед зажатием слоя перевода смолы в псевдоожиженное состояние сопровождается интенсивным перемешиванием катионита, благодаря которому (в результате трения и интенсивных столкновений зерен катионита между собой и со стенками фильтра) обеспечивается дополнительная очистка слоя от накопившихся в процессе рабочего цикла механических загрязнений.

Псевдоожиженное состояние смолы возникает, например, за счет того, что в ходе зажатия слоя смолы на время ее подъема скорость потока в первом фильтре по крайней мере на 25% ниже, чем скорость потока, требующаяся для поршнеобразного подъема смолы, или, что более оптимально, за счет подачи жидкости в первый фильтр в импульсном режиме, или за счет того, что в ходе зажатия слоя смолы на время ее подъема в первом фильтре подъем смолы проводят одновременно с барботажем через нее газа (воздуха или инертного газа), или за счет применения импульсных режимов подачи несущей среды. Барботаж газа через второй фильтр может проводиться только по завершении операции по подъему и зажатию слоя катионита, а через первый фильтр - в любое время до начала подачи регенеранта.

Зажатие слоев смолы осуществляется либо подачей потока жидкости в направлении снизу вверх последовательно от выхода последнего фильтра ко входу первого фильтра, входящих в фильтровальный комплекс, причем зажатие смолы во всех фильтрах, кроме первого, осуществляют в режиме поршнеобразного подъема (например, за счет отвода части потока из трубопровода между первым и вторым фильтрами в обход первого фильтра), либо тем, что зажатие смолы в первом фильтре проводят независимо от потоков жидкости, осуществляющих зажатие смолы в других фильтрах фильтровального комплекса.

Заявляемый способ может быть реализован практически с любыми типами ионообменных смол при условии правильного выбора плавающего инерта, однако лучшие результаты достигаются при применении в качестве ИС таких марок, как Ультраион К, СК, Кс, Км, а также DOWEX МАС-3, Marathon С, UPCORE Mono C-600, Monosphere 650 С.

Для достижения оптимальных результатов рекомендуется применять с указанными выше катионитами DOWEX UPCORE IF-62 в качестве инертного материала.

Благодаря использованию заявляемого способа удается добиться того, что удельный расход соли на регенерацию снижается на 10-15%, а потребление воды на собственные нужды уменьшается на 15-30%.

Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Пилотная установка представляла собой два последовательно установленных фильтра диаметром 0,2 м и высотой цилиндрической части 2 м. В каждый из фильтров был загружен плавающий инерт Dowex UPCORE IF-62 с высотой слоя загрузки 0,2 м и сильнокислотный катионит Dowex UP-CORE Mono C-600 (Na). В первом по ходу обрабатываемой воды фильтре высота слоя катионита составляла 1 м, а во втором - 1,75 м. В рабочем цикле обрабатываемая вода проходила в направлении сверху вниз последовательно сначала через первый фильтр, а затем - через второй. (Далее по тексту нумерация фильтров сохранена в соответствии с их расположением по ходу обрабатываемой воды в рабочем цикле.)

Жесткость исходной воды, подаваемой на обработку с линейной скоростью 30 м/ч, составляла 3-3,5 мг-экв/л; количество взвешенных веществ - нерастворимых высокодисперсных (<50 мкм) взвесей - 15-20 мг/л.

Регенерацию смолы проводили при достижении перепада давления между входом и выходом из установки значения 6 атм или при превышении величины жесткости в умягченной воде значения 10 мкг-экв/л.

Поток воды на зажатие слоя подавался с расходом 1 м³/ч в направлении снизу вверх в течение 5 мин сначала во второй фильтр, поднимая поршнеобразным движением слой катионита и прижимая его снизу к слою плавающего инерта. Выходящий из второго фильтра поток воды делился на два потока, один из которых со скоростью 0,7 м³/ч подавался снизу вверх в первый фильтр. В результате слой катионита в первом фильтре сначала расширяется, затем переходит в псевдоожиженное состояние и, наконец, под воздействием потока воды прижимается к слою плавающего инерта.

Переход в первом фильтре катионита в псевдоожиженное состояние сопровождается интенсивным перемешиванием катионита, благодаря которому обеспечивается очистка слоя от накопившихся в процессе рабочего цикла механических загрязнений. Затем расход несущего потока воды снижают до значения, при котором слои катионита в каждом фильтре сохраняются в зажатом состоянии (в рассматриваемом случае до 0,3 м³/ч), и подают регенерирующий агент (регенерант) - 8-10% раствор поваренной соли. Регенерант последовательно проходит в направлении снизу вверх сначала через второй фильтр, а затем - через первый.

По завершении подачи регенеранта проводят операцию по вытеснению его остатков из ионита, для чего в том же направлении и с тем же расходом пропускают умягченную воду в количестве, кратном 3 объемам слоя суммарной загрузки катионита. По завершении операции вытеснения регенеранта прекращают подачу воды в фильтры, позволяя слоям катионита в каждом фильтре осесть на дно. Затем осуществляют операцию быстрой промывки, при которой исходная вода с рабочей скоростью проходит последовательно в направлении сверху вниз сначала через первый фильтр, а затем - через второй. Количество воды, потребляемое на операцию быстрой промывки, составляет 3-кратный объем от суммарного объема катионита в обоих фильтрах.

Результаты реализации способа приведены в таблице 1.

Пример 2. В условиях примера 1 были проведены опыты по результатам регенерации при различных долях ионообменной смолы от общего количества, загруженных в первый фильтр. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Пример 3. В условиях примера 1 были проведены опыты по результатам регенерации при различных скоростях подачи воды и газа (воздуха) для зажатия слоя первого фильтра. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Пример 4. В условиях примера 1 были проведены опыты по зажатию слоя, при которых вода для зажатия слоя подавалась двумя потоками в направлении снизу вверх в течение 5 мин раздельно в первый и второй фильтры и направлялась в дренаж после каждого из них. При этом расход потока воды, подаваемого в первый фильтр, составил 0,7 м³/ч, расход потока воды, подаваемого во второй фильтр - 1 м³/ч. Во втором фильтре слой катионита поднимался поршнеобразным движением и прижимался снизу к слою плавающего инерта, в первом фильтре слой катионита расширяется, затем переходит в псевдоожиженное состояние. При этом часть слоя катионита в первом фильтре прижимается снизу к плавающему инерту, а часть - продолжает пребывать в псевдоожиженном состоянии.

После зажатия слоя расход несущего потока воды, подаваемого во второй фильтр, снижали до 0,3 м³/ч (значения, при котором слой катионита сохраняется в зажатом состоянии), и начинают подавать последовательно в направлении снизу вверх сначала через второй фильтр, а затем - через первый 8-10% раствор поваренной соли. В тот момент, когда регенерирующий раствор начинал поступать в первый фильтр, подачу потока воды, предназначавшегося для зажатия слоя катионита в первом фильтре, прекращали.

По завершении подачи регенеранта проводили операцию по вытеснению его остатков из ионита, для чего в том же направлении и с тем же расходом пропускали умягченную воду в количестве, кратном 3 объемам слоя суммарной загрузки катионита.

По завершении операции вытеснения регенеранта прекращали подачу воды в фильтры, позволяя слоям катионита в каждом фильтре осесть на дно, затем осуществляли операцию быстрой промывки, при которой исходная вода с рабочей скоростью проходила последовательно в направлении сверху вниз сначала через первый фильтр, а затем - через второй. Количество воды, потребляемое на операцию быстрой промывки, составляло 3-кратный объем от суммарного объема катионита в обоих фильтрах.

Об эффективности процесса регенерации судили по значению проскока жесткости, обеспечиваемому в следующем за регенерацией рабочем цикле, а также по снижению значения перепада давления между входом и выходом из установки. Результаты приведены в таблице 1.

Полученные результаты показали, что при использовании заявляемого способа удается на 15-30% вдвое сократить расход воды для собственных нужд, повысить эффективность процессов очистки.

Изобретение относится к области водоочистки и водоподготовки с использованием фильтровальных модулей, содержащих ионообменные смолы для умягчения воды. Способ водоподготовки с помощью процессов фильтрования включает пропускание очищаемой воды через слой плавающего инертного материала и ионообменную смолу в направлении сверху вниз и регенерацию ионообменной смолы путем зажатия ее слоя потоком жидкой среды, направленным снизу вверх, пропускание регенерирующего раствора, гравитационное осаждение смолы и ее отмывку от остатков регенерирующего раствора, причем фильтрование проводят через не менее чем два последовательно установленных фильтра, при этом загрузка ионообменной смолы подбирается таким образом, чтобы объем смолы в первом фильтре составлял не более 40% от общего количества смолы, используемой для очистки, а зажатие смолы при регенерации осуществляют так, что в первом фильтре оно проходит через стадию образования псевдоожиженного слоя. При зажатии слоя смолы на время ее подъема скорость потока в первом фильтре, по крайней мере, на 25% ниже, чем скорость потока, требующаяся для поршнеобразного подъема смолы, или за счет того, что жидкость в первый фильтр подают в импульсном режиме, или за счет того, что в ходе зажатия слоя смолы на время ее подъема в первом фильтре подъем смолы осуществляют одновременно с барботажем через нее газа. Способ обеспечивает высокую эффективность при сокращении расхода соли на регенерацию и потребляемой воды. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ водоподготовки с использованием фильтрационного процесса, включающий в себя фильтрование очищаемой воды через слой плавающего инертного материала и ионообменную смолу в направлении сверху-вниз и регенерацию ионообменной смолы путем зажатия ее слоя потоком жидкой среды, направленным снизу вверх, пропускания регенерирующего раствора, гравитационного осаждения смолы и ее отмывки от остатков регенерирующего раствора, отличающийся тем, что фильтрование проводят через фильтровальный комплекс, содержащий не менее чем два последовательно установленных фильтра, при этом загрузка ионообменной смолы подбирается таким образом, чтобы объем смолы в первом фильтре составлял не более 40% от общего количества смолы, используемой для очистки, а зажатие смолы при регенерации осуществляют таким образом, что в первом фильтре оно проходит через стадию образования псевдоожиженного слоя.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе зажатия слоя смолы на время ее подъема скорость потока в первом фильтре по крайней мере на 25% ниже чем скорость потока, требующаяся для поршнеобразного подъема смолы.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе зажатия слоя смолы в первом фильтре подачу жидкости во время подъема смолы осуществляют в импульсном режиме.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе зажатия слоя смолы в первом фильтре через смолу барботируют газ во время ее подъема.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажатие смолы осуществляют потоком жидкости, подаваемым в направлении снизу-вверх последовательно от выхода последнего фильтра ко входу первого фильтра, входящих в фильтровальный комплекс, причем зажатие смолы во всех фильтрах, кроме первого, осуществляют в поршнеобразном режиме.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажатие смолы в первом фильтре осуществляют независимо от потоков жидкости, осуществляющих зажатие смолы в других фильтрах фильтровального комплекса.