СПОСОБ ОТМЫВКИ КАТИОНИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ ОТ ПРОДУКТОВ РЕГЕНЕРАЦИИ И СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2008 года по МПК B01J49/00 C02F1/42 C02F103/04 

Изобретение относится к способам отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа для снижения расходов воды, реагентов, для увеличения рабочей обменной емкости катионитов и предназначено для использования в системе ионообменной водоподготовки предприятий теплоэнергетики (ТЭЦ, ГРЭС), котельных коммунального хозяйства, а также в отраслях промышленности, применяющих умягченную воду в технологических процессах.

Известен «Способ одновременного умягчения и обезжелезивания воды», описанный в патенте на изобретение России №2176988, опубл. 20.12.2001 г. В известном способе применяется обработка катионита КУ-2-8 в Na-форме раствором трилона Б на стадии умягчения воды и на стадии регенерации катионита основным реагентом - хлоридом натрия с отмывкой водой. Высокая степень умягчения воды и обезжелезивания в этом способе достигается благодаря известной способности трилона Б (точное химическое название которого этилендиаминтетраацетат натрия) образовывать комплексные соединения с ионами железа, кальция, магния. Известно широкое применение трилона Б в анализе ионов жесткости.

Недостатком известного способа является то, что его практически невозможно применить в промышленном масштабе из-за высокой стоимости и токсичности трилона Б.

В описанном способе эксперимент проведен только на лабораторной колонке с объемом загрузки катионита 15 см³. Невозможность использования способа в промышленном масштабе обусловлена, во-первых, его дороговизной, так как при крупнотоннажном расходе реагента трилона Б стоимостью 225 тыс. руб./тонна способ экономически высокозатратен, во-вторых, экологическими причинами, так как при осуществлении вышеописанного способа трилон Б переходит в сточные воды в виде комплексных соединений с кальцием, железом, а, кроме того, и в свободном виде. Известно, что трилон Б по статусу норматива ПДК при сбросе в водоемы относится к высокоопасным веществам.

Известен «Способ использования комплексонов в процессе регенерации Na-катионитовых фильтров», описанный в статье С.Л.Коробковой, А.В.Богловского и др., опубликованной в журнале «Энергосбережение и водоподготовка», №1, 2001 г., стр.73-76. В известном способе в основной регенерационный раствор хлорида натрия добавляли раствор комплексона НТФ (нитрилотриметилфосфоновой кислоты) с концентрацией 30-120 мг/л с целью регенерации катионита не только от ионов жесткости, но и от железоокисных соединений. Результатом применения способа является увеличение рабочей обменной емкости катионита для последующего после регенерации фильтроцикла.

Недостатком способа является то, что комплексон НТФ не только связывает соединения железа для их удаления с катионита, но и сорбируется самим катионитом и, как отмечают авторы, пассивирует активную, то есть ионообменную поверхность смол, что вызывает сложность и нестабильность технологического способа в целом.

Также недостатком способа является высокая токсичность применяемого НТФ, который, как отмечают и авторы, относится к фосфорорганическим соединениям. Известно, например, что фосфорорганические соединения входили в состав некоторых боевых отравляющих веществ, поэтому представляют опасность не только при сбросе со сточными водами в водоемы (ПДК НТФ 1 мг/л), но и для обслуживающего персонала.

Известен «Способ регенерации ионообменных смол», описанный в патенте на изобретение России №2144848, опубликованном 27.01.2000 г.

В известном способе перед подачей на фильтр основного регенерирующего раствора хлорида натрия применяют промывку катионита водовоздушной смесью при объемном соотношении воздух:вода (2-10):1, которая подается на фильтр в импульсном режиме, причем в систему в течение промывки подают от 1 до 1000 импульсов. Результатом способа является флотация взвешенных частиц, ржавчины и других загрязнений за счет подачи при промывке фильтра водовоздушной смеси и увеличение на 10% рабочей емкости катионита.

Недостатком способа является трудность контроля объемной подачи воздуха в водовоздушную смесь, что может привести к выносу как плавающего инертного слоя (если таковой используют), так и самого катионита, кроме того, недостатком является большая неопределенность режима подачи воздуха и импульсов (объемное соотношение воздух: вода (2-10):1, режим подачи импульсов от 1 до 1000).

Известен «Способ обработки воды» в системе водоподготовки, описанный в патенте на изобретение России №2116260, опубликованном 27.07.1998 г. В известном способе вода, подаваемая в теплообменный аппарат котельной установки, предварительно обрабатывается на конусном магнитном турбулизаторе с целью снижения накипи на стенках аппаратуры.

Недостатком способа магнитной обработки воды является то, что в отличие от ионообменного способа водоподготовки этот способ не умягчает воду, а только частично предотвращает осаждение на стенках аппаратов накипи солей жесткости, которая удаляется из системы непрерывным направленным сбросом пристеночного потока воды. Этим недостатком обусловлена невозможность использования этого способа в системах водоподготовки перед котлами высокого давления на предприятиях теплоэнергетики (ТЭЦ, ГРЭС), так как в этих системах требуется высокая степень умягчения воды до 10 мкг-экв/л.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации, описанный в «Методических указаниях по пуску, наладке и обслуживанию установок H-Na-катионирования», издательство «Союзхимпром», НИИТЭХИМ, 1982 г. Стр.73-77, 127. В описанном способе катионит КУ-2-8 после регенерации раствором соли хлорида натрия отмывают исходной водой с жесткостью не менее 2,5 мг-экв/л с линейной скоростью отмывки 6-8 м/час, с удельным расходом отмывочной воды 6 м³/м³ катионита до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,03 мг-экв/л (стр.127 в копии прототипа). Из приведенных в прототипе марок катионита был выбран катионит марки КУ-2-8, так как он по сравнению с катионитами других марок имеет наибольшую полную и рабочую обменную емкость и, следовательно, для его отмывки требуется наибольший удельный расход отмывочной воды, что и отражено в прототипе.

В результате описанного в прототипе способа регенерации и отмывки катионита КУ-2-8 достигается его рабочая обменная емкость не менее 950 г-экв/м³ при полной обменной емкости 1650-1700 г-экв/ м³ (стр.75 прототипа).

Недостатками способа отмывки катионитовых фильтров, описанного в прототипе, является, во-первых, большой удельный расход отмывочной воды (6 м³/м³ катионита для КУ-2-8). При таком удельном расходе отмывочной воды общий расход воды при отмывке фильтра с объемом катионита 17 м³ составит 102 м³ (17 м³×6 м³/м³ катионита). Если при этом учесть, что на предприятиях теплоэнергетики одновременно работают два-три фильтра, а их регенерация и отмывка проводятся через 2-3 суток, то расходы отмывочной воды на этих предприятиях составляют десятки тысяч м³ в месяц. При высоком содержании в промывочных водах соли хлорида натрия, а также солей жесткости (жесткость общая в начале отмывки до 350 мг-экв/л) сброс большого количества вод в водоемы через канализацию наносит экологический ущерб, в связи с этим на предприятиях возникают проблемы строительства и увеличения объемов жидких шламонакопителей, на предприятия накладывают штрафные санкции при сбросе этих вод в водоемы, во-вторых, недостаточно высокая рабочая обменная емкость катионита по ионам жесткости в сравнении с его полной обменной емкостью. Одной из причин уменьшения рабочей обменной емкости, как известно, является недостаточная отмывка катионита от соединений железа, занимающих «вакансии» ионов жесткости. Уменьшение рабочей обменной емкости уменьшает производительность фильтра по умягченной воде, уменьшает продолжительность по времени рабочего фильтроцикла до регенерации катионита раствором соли хлорида натрия и последующими отмывками, что увеличивает годовое количество регенераций и отмывок, увеличивает расходы реактивов и воды.

Техническим результатом заявляемого способа отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа является повышение экономической эффективности способа и уменьшение экологического ущерба при его использовании путем сокращения удельного расхода отмывочной воды (в м³/м³ катионита), увеличения рабочей обменной емкости катионита за счет повышения скорости и степени отмывки катионита от продуктов регенерации и соединений железа.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в способе отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа, включающем пропускание через катионит сверху вниз исходной воды с общей жесткостью не менее 2,5 мг-экв/л со скоростью 6-8 м/час и с расходом воды до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,03 мг-экв/л, согласно изобретению отмывку проводят с удельным расходом воды не более 3 м³/м³ катионита в две стадии, на первой из которых через катионит пропускают исходную воду, обработанную магнитным полем, до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, затем пропускание воды прекращают, отмывку катионита проводят в стоячей омагниченной воде в течение 1-2 часов, на второй стадии отмывки через катионит пропускают исходную, без магнитной обработки, воду, при этом магнитную обработку воды производят пропусканием исходной воды со скоростью 0,5-1,5 м/сек через магнитное устройство трубчатой формы на основе постоянных магнитов с величиной магнитной индукции 0,2-0,35 тесла (2000-3500 гаусс).

За счет того, что в способе отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа отмывку проводят с удельным расходом воды не более 3 м³/м³ катионита в две стадии, на первой из которых через катионит пропускают исходную воду, обработанную магнитным полем, до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, затем пропускание воды прекращают, отмывку катионита проводят в стоячей омагниченной воде в течение 1-2 часов, на второй стадии отмывки через катионит пропускают исходную, без магнитной обработки, воду, при этом магнитную обработку воды производят пропусканием исходной воды со скоростью 0,5-1,5 м/сек через магнитное устройство трубчатой формы на основе постоянных магнитов с величиной магнитной индукции 0,2-0,35 тесла (2000-3500 гаусс), повышается экономическая эффективность способа и уменьшается экологический ущерб при использовании этого способа путем сокращения удельного расхода отмывочной воды (в м³/м³ катионита), увеличения рабочей обменной емкости катионита за счет повышения скорости и степени отмывки катионита от продуктов регенерации и соединений железа.

Заявляемый способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа обладает «новизной», отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем результата.

Известность влияния названных выше отличительных признаков на указанный технический результат не подтверждена известными техническими решениями, поэтому заявитель считает, что заявленный способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа может найти широкое применение в системе ионообменной водоподготовки предприятий теплоэнергетики (ТЭЦ, ГРЭС), котельных коммунального хозяйства, а также в отраслях промышленности, применяющих умягченную воду в технологических процессах, поэтому соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность предлагаемого способа отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа поясняется чертежами, где представлены:

на фиг.1 - диаграмма расхода воды на отмывку катионита КУ-2-8 в зависимости от способа отмывки (объем катионита 17 м³);

на фиг.2 - диаграмма удельного расхода воды на отмывку катионита КУ-2-8 (м³/м³ катионита) в зависимости от способа отмывки;

на фиг.3 - графики отмывки катионита КУ-2-8 от железа (Fe_общ) в зависимости от способа отмывки.

Способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа заключается в том, что при пропускании через катионит сверху вниз исходной воды с жесткостью не менее 2,5 мг-экв/л со скоростью 6-8 м/час и с расходом воды до остаточной жесткости в отмывочной воде 0, 03 мг-экв/л, отмывку проводят с удельным расходом воды не более 3 м³/м³ катионита в две стадии, на первой из которых через катионит пропускают исходную воду, обработанную магнитным полем, до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, затем пропускание воды прекращают, отмывку катионита проводят в стоячей омагниченной воде в течение 1-2 часов, на второй стадии отмывки через катионит пропускают исходную, без магнитной обработки, воду, при этом магнитную обработку воды производят пропусканием исходной воды со скоростью 0,5-1,5 м/сек через магнитное устройство трубчатой формы на основе постоянных магнитов с величиной магнитной индукции 0,2-0,35 тесла (2000-3500 гаусс).

При разработке предлагаемого способа проводили исследования по влиянию магнитной обработки на воду и растворы соли NaCl на всех основных стадиях ионообменной технологии: омагничивание исходной воды на стадии хемосорбции (поглощения) катионитом ионов жесткости и железа, омагничивание раствора соли NaCl, применяемого при регенерации катионита, и омагничивание воды, применяемой для отмывки катионита от продуктов регенерации и соединений железа. При этом было установлено, что на стадии хемосорбции (поглощения) ионов жесткости и железа применение омагниченной воды ухудшает этот процесс, омагничивание солевых растворов NaCl на стадии регенерации катионита практически не оказывает влияния на этот процесс и только использование омагниченной воды на стадии отмывки катионита от продуктов регенерации и соединений железа является высокоэффективным.

На основании этих исследований при разработке способа отмывки была разработана вторая стадия отмывки, в которой наряду с интенсивной отмывкой от ионов жесткости и ионов железа обеспечивается вытеснение омагниченной воды исходной водой для последующей за отмывкой рабочей стадии сорбции ионов жесткости.

Механизм влияния магнитной обработки на воду заключается в следующем. Проведенные авторами заявленного способа лабораторные исследования показали, что при осуществлении указанного способа при омагничивании изменяются физико-химические свойства исходной воды, в частности, кинематическая вязкость воды при омагничивании уменьшается с 1,002 до 0,950 мм²/с.

Известно, что изменение вязкости воды свидетельствует об изменении структуры жидкости, в частности, при омагничивании воды по данным ряда исследователей происходит разрушение гидратных и сольватных оболочек соединений кальция и магния в исходной воде, в результате молекулы воды становятся более подвижными, возрастает скорость их диффузии в глобулу катионита, увеличивается скорость десорбции (отмывки) катионита от ионов жесткости и железа и, как следствие, уменьшается удельный расход воды на отмывку. При этом необходимо отметить, что умягченная вода, то есть вода, не содержащая солей жесткости, по данным различных исследований не омагничивается.

Лабораторные и опытно-промышленные испытания способа отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа описаны в примерах опыта 1, опыта 2.

Опыт 1

На одной из ТЭЦ города Челябинска на фильтре, загруженном катионитом КУ-2-8 с объемом загрузки 17 м³, провели опытные испытания по двум способам отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа, по первому способу, описанному в прототипе, и по второму способу отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа, заявляемому в изобретении.

Расход воды на отмывку определяли по расходомеру. При этом магнитную обработку отмывочной воды проводили на установленном на линии регенерации-отмывки рядом с фильтром магнитном устройстве.

Для определения сравнительной скорости процесса отмывки катионита по заявляемому способу и по способу, описанному в прототипе, анализом определяли остаточную концентрацию ионов жесткости в отмывочных водах через определенный промежуток времени. На основании этих данных определяли эффективный порядок процесса отмывки и рассчитывали kt - эффективные константы скорости процесса отмывки для каждой точки по формуле:

k_t=1/tlnC_o/С_t, где:

t - время от начала отмывки;

С_о - начальная концентрация ионов жесткости в отмывочной воде;

C_t - концентрация ионов жесткости в отмывочной воде в момент времени t, что представлено в табл.1.

Таблица 1
Сравнительные значения констант скорости процесса отмывки катионитового фильтра в зависимости от способа отмывки Способ отмывкиОстаточная концентрация ионов жесткости, мг-экв/лkсреднее, мин^-1Время от начала отмывки, мин0*3035404550556065Способ по прототипу3208,45,43,22,31,81,30,90,70,105Способ по изобретению3552,91,751,10,7    0,148* За начало отсчета принят анализ пробы через 5 минут от начала отмывки

Как следует из представленных в таблице 1 данных, константа скорости процесса отмывки катионита по способу, заявляемому по изобретению, на 40,9% выше константы скорости отмывки по прототипу.

При этом необходимо отметить, что при проведении опыта по тому и другому способам до остаточной концентрации по жесткости в отмывочной воде 0,03 мг-экв/л значение константы скорости не меняется по физическому смыслу константы скорости.

Расход воды на отмывку катионита КУ-2-8 в зависимости от способа отмывки (объем катионита 17 м³) представлен на фиг.1. На объемной диаграмме 1 представлен расход воды для способа по прототипу, на объемной диаграмме 2 - расход воды для способа по заявляемому изобретению (с учетом двух стадий). Как следует из данных, представленных на фиг.1, расход воды на отмывку катионита КУ-2-8 для способа, заявляемого по изобретению, в 2 раза меньше чем по прототипу.

Удельный расход воды на отмывку катионита КУ-2-8 (м³/м³ катионита) в зависимости от способа отмывки представлен на фиг.2. На объемной диаграмме 3 представлен удельный расход воды на отмывку катионита для способа по прототипу, на объемной диаграмме 4 - удельный расход воды на отмывку катионита для способа по заявляемому изобретению (с учетом двух стадий). Как следует из данных, представленных на фиг.2, удельный расход отмывочной воды составляет 6 м³/м³ катионита по способу, описанному в прототипе, и 2,87 м³/м³ катионита по способу, заявляемому в изобретении (2,47 м³/м³ - первая стадия, 0,4 м³/м³ - вторая стадия).

Кроме того, необходимо отметить, что на промышленном фильтре (объем загрузки 17 м³) также был проведен эксперимент по отмывке катионита с применением исходной без магнитной обработки воды, но с введением двухстадийной отмывки до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, прекращением пропускания воды и отмывкой катионита в стоячей воде в течение 1-2 часов с последующим пропусканием воды до конца отмывки. При этом было установлено, что расход воды на отмывку практически не изменился.

Производительность катионитового фильтра по умягченной воде (фильтрату) за один фильтроцикл, рабочая обменная емкость катионита в зависимости от способа отмывки представлены в таблице 2.

Таблица 2
Производительность катионитового фильтра по умягченной воде (фильтрату) за один фильтроцикл и рабочая обменная емкость катионита в зависимости от способа отмывкиНазвание способа отмывкиЖесткость исходной воды, мг-экв/лОбъем фильтрата, м³Рабочая обменная емкость, г-экв/м³По прототипу3,84250950По заявляемому способу3,850601131

Как следует из данных таблицы 2, рабочая обменная емкость при отмывке катионита по заявляемому способу в изобретении увеличилась на 19%.

Опыт 2

Для оценки степени отмывки катионитового фильтра от соединений железа по заявляемому в изобретении способу необходимо располагать данными о количестве сорбированного на катионите железа (Fe_общ) и количестве железа, десорбированного (отмытого) с катионита. Так как промышленный фильтр был загрязнен соединениями железа до проведения опытных испытаний, которое количественно не учитывалось, то баланс по железу при отмывке возможно было провести только на лабораторной колонке.

Сравнительные испытания по двум способам отмывки катионита от соединений железа проводили на двух колонках с объемом загрузки 0,2 м³·10^-3 каждая и с содержанием железа 0,3 мг на каждой колонке.

Как следует из представленных на фиг.3 данных, в результате отмывки по способу прототипа (график 5) отмыто 0,147 мг железа или 49% от исходного железа, по способу заявляемому (график 6) отмыто 0,228 мг Fe_общ или 85% от исходного содержания на катионите.

В таблице 3 представлены сравнительные данные способа прототипа и заявляемого способа по показателям отмывки и получаемому техническому результату.

Таблица 3
Показатели по способам отмывки и технический результатНазвание способаМарка катионитаПоказатели отмывкиРабочая обменная емкость, г-экв/м³Удельный расход отмывочной воды, м³/м³ катионитаЖесткость, мг-экв/лОтмывка от железа, %По прототипуКУ-2-80,03-Не менее 9506По заявляемому способуКУ-2-80,0385Не менее 11312,9

Заявляемый способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа повышает экономическую эффективность способа и уменьшает экологический ущерб при использовании этого способа путем сокращения удельного расхода отмывочной воды (в м³/м³ катионита), увеличения рабочей обменной емкости катионита за счет повышения скорости и степени отмывки катионита от продуктов регенерации и соединений железа, за счет того, что в способе отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа отмывку проводят с удельным расходом воды не более 3 м³/м³ катионита в две стадии, на первой из которых через катионит пропускают исходную воду, обработанную магнитным полем, до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, затем пропускание воды прекращают, отмывку катионита проводят в стоячей омагниченной воде в течение 1-2 часов, на второй стадии отмывки через катионит пропускают исходную, без магнитной обработки, воду, при этом магнитную обработку воды производят пропусканием исходной воды со скоростью 0,5-1,5 м/сек через магнитное устройство трубчатой формы на основе постоянных магнитов с величиной магнитной индукции 0,2-0,35 тесла (2000-3500 гаусс).

Изобретение относится к способам отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа и предназначено для использования в системе ионообменной водоподготовки предприятий теплоэнергетики, котельных коммунального хозяйства, а также в отраслях промышленности, применяющих умягченную воду в технологических процессах. Способ включает пропускание через катионит сверху вниз исходной воды с жесткостью не менее 2,5 мг-экв/л, со скоростью 6-8 м/час и с расходом воды до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,03 мг-экв/л, отмывку проводят с удельным расходом воды не более 3-х м³/м³ катионита в две стадии. На первой стадии через катионит пропускают исходную воду, обработанную магнитным полем, до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, затем отмывку катионита проводят в стоячей омагниченной воде в течение 1-2 часов. На второй стадии отмывки через катионит пропускают исходную, без магнитной обработки, воду, при этом магнитную обработку проводят пропусканием исходной воды со скоростью 0,5-1,5 м/сек через магнитное устройство трубчатой формы на основе постоянных магнитов с величиной магнитной индукции 0,2-0,35 тесла. Изобретение обеспечивает повышение экономической эффективности способа и уменьшение экологического ущерба путем сокращения удельного расхода отмывочной воды, увеличения рабочей обменной емкости катионита за счет повышения скорости и степени отмывки катионита от продуктов регенерации и соединений железа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил, 3 табл.

1. Способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа, включающий пропускание через катионит сверху-вниз исходной воды с общей жесткостью не менее 2,5 мг-экв/л, со скоростью 6-8 м/ч и с расходом воды до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,03 мг-экв/л, отличающийся тем, что отмывку проводят с удельным расходом воды не более 3 м³/м³ катионита в две стадии, на первой из которых через катионит пропускают исходную воду, обработанную магнитным полем, до остаточной жесткости в отмывочной воде 0,7 мг-экв/л, затем пропускание воды прекращают, отмывку катионита проводят в стоячей омагниченной воде в течение 1-2 ч, на второй стадии отмывки через катионит пропускают исходную, без магнитной обработки, воду.2. Способ отмывки катионитовых фильтров от продуктов регенерации и соединений железа по п.1, отличающийся тем, что магнитную обработку воды производят пропусканием исходной воды со скоростью 0,5-1,5 м/с через магнитное устройство трубчатой формы на основе постоянных магнитов с величиной магнитной индукции 0,2-0,35 Тл (2000-3500 Гс).