СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДООЧИСТКИ ВОДЫ ПРИ ЕЕ ГЛУБОКОЙ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/42 B01J47/04 B01J49/02 C02F103/04 

Изобретение относится к заключительной стадии подготовки воды методом ионного обмена при ее глубокой деминерализации и может быть использовано для нужд тепловых и атомных электростанций, на предприятиях электронной, химической и нефте-газоперерабатывающей промышленности, везде, где требуется вода высокой степени очистки.

Метод ионного обмена считается одним из наиболее экономичных и перспективных в технологии глубокого обессоливания воды. Такие установки содержат, как правило, несколько ступеней очистки.

Известны способ и установка получения глубокодеминерализованной воды, в которых на третьей заключительной ступени обессоливания воду пропускают последовательно через Н-катионитный и ОН-анионитный фильтры [Б.Н.Фрог, А.П.Левченко. Водоподготовка. Издательство Ассоциации строительных вузов. Москва, 2007, с. 528-532, рис.21.8]. При этом глубокодеминерализованная вода имеет удельную электропроводимость 0,3-0,4 мкСм/см.

Недостатком данной схемы является то, что уменьшить удельную электропроводимость глубокодеминерализованной воды не удается даже при очень больших удельных расходах кислоты и щелочи на регенерацию ионов.

Для получения глубокодеминерализованной воды с удельной электропроводимостью 0,07-0,1 мкСм/см в технологической схеме химического обессоливания вместо третьей ступени Н-катионитных и ОН-анионитных фильтров используют так называемые фильтры смешанного действия-ФСД, в которых очищаемую воду пропускают через смесь Н-катионита и ОН-анионита.

Ионообменная технология, осуществляемая в смешанных слоях Н-ОН-ионитов, применяется также широко для очистки турбинных и производственных конденсатов.

Известна конструкция фильтра ФСД с наружной (выносной) регенерацией истощенных ионитов, где данные иониты гидротранспортом перегружают из рабочего фильтра ФСД в первый фильтр-регенератор, в котором производят разделение смеси на катионит и анионит гидравлическим путем с учетом разности объемных плотностей ионитов. Затем анионит, плотность которого значительно меньше плотности катионита, гидроперегрузкой направляют во второй фильтр-регенератор. После раздельной регенерации катионит и анионит транспортируют в рабочий фильтр ФСД, перемешивают сжатым воздухом, дополнительно отмывают до почти нейтральной реакции и включают фильтр в работу [А.С.Копылов, В.М.Лавыгин, В.Ф.Очков. Водоподготовка в энергетике. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с. 134-135].

Недостатками такой конструкции фильтра и способа очистки воды в нем являются высокие капитальные затраты на дополнительное оборудование (фильтры-регенераторы) и высокие трудозатраты по гидротранспортировке ионитов в фильтры-регенераторы и обратно, что дополнительно влечет сокращение срока службы ионитов за счет их истираемости.

Наиболее близкими способом и устройством для доочистки воды при ее глубокой деминерализации воды является способ обработки воды в смешанном слое Н- и ОН ионитов с внутренней регенерацией и конструкция фильтра ФСД для его осуществления. Фильтр оборудован верхним, средним и нижним распределительными устройствами. Нижнее распределительное устройство подключено к трубопроводу для подачи сжатого воздуха. Очищаемую воду на заключительной стадии ее очистки пропускают через верхнее распределительное устройство и смешанный слой Н-ОН ионитов с получением глубокодемирализованной воды. Разделение смеси ионитов осуществляют в самом фильтре, причем после разделения анионит располагается в верхнем слое, а катионит - в нижнем, строго под средним распределительным устройством. При регенерации производят подачу раствора щелочи сверху, а кислоты - снизу с одновременным отводом отработанных регенерационных растворов через среднее распределительное устройство. После отмывки слоев ионитов по линиям регенерации производят дополнительную частичную отмывку ионитов, а затем их перемешивание сжатым воздухом, подаваемым через нижнее распределительное устройство. Смешанный слой ионитов окончательно отмывают водой, подаваемой сверху вниз [А.А.Громогласов, А.С.Копылов, А.П.Пильщиков. Водоподготовка: процессы и аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 166-167].

В то же время в способе обработки воды в смешанном слое с внутренней регенерацией и устройстве фильтра для его осуществления имеются свои недостатки, связанные с неполным разделением смеси анионита и катионита перед их регенерацией соответственно щелочью и кислотой. Это приводит, как правило, к переходу некоторого количества частиц катионита в натриевую форму и к повышенному проскоку натрия в очищенную глубокодеминерализованную воду, что в результате ведет к необходимости увеличения времени на отмывку катионита и соответственно к увеличению количества сточных вод.

Целью изобретения является увеличение степени очистки воды, получение глубокодеминерализованной воды высокого качества, практически полностью исключающей в ней ионы натрия с одновременным снижением расхода воды и затрат в процессе регенерации и уменьшения количества сточных вод.

Для достижения указанных результатов в способе для доочистки воды при ее глубокой деминерализации очищаемую воду фильтруют сверху вниз последовательно через смешанный слой катионитов в Н-форме и анионитов в ОН-форме и дополнительный нижележащий слой катионита в Н-форме, производят периодическую регенерацию ионитов с послойным их разделением на нижний слой катионита и верхний слой анионита восходящим взрыхляющим потоком воды, предварительно подаваемым через дополнительный нижележащий слой катионита, подачей раствора щелочи сверху через слой анионита, а раствора кислоты - снизу через все слои катионита, одновременным отводом отработанных регенерационных растворов через среднее распределительное устройство, расположенное между разделенными слоями, частичной отмывкой слоев ионитов водой в направлении регенерационных растворов, последующим перемешиванием слоя анионита и слоя катионита, расположенного над дополнительным нижележащим слоем катионита, восходящим потоком воздуха и доотмывкой всех ионитов водой, подаваемой сверху вниз.

При этом высота дополнительного нижележащего слоя катионита в Н-форме составляет 10-90% от общей высоты слоев катионита при регенерации.

Данные результаты обеспечиваются также тем, что устройство для доочистки воды при ее глубокой деминерализации содержит цилиндрический корпус фильтра, загруженный смешанным слоем катионитов в Н-форме и анионитов в ОН-форме и дополнительным нижележащим слоем катионита в Н-форме и снабженный верхним распределительным устройством, подключенным к трубопроводам подачи очищаемой воды и вывода взрыхляющей воды для разделения слоев ионитов и к трубопроводу подачи раствора щелочи и воды для частичной отмывки анионита, средним распределительным устройством, расположенным между разделенными слоями ионитов и соединенным с трубопроводом отвода отработанных регенерационных растворов и воды для частичной отмывки, нижним распределительным устройством, подключенным к трубопроводам подачи взрыхляющей воды для разделения слоев ионитов, отвода воды для доотмывки, вывода глубокодеминерализованной воды и к трубопроводу подачи раствора кислоты и воды для частичной отмывки катионита, дополнительным распределительным устройством, установленным под смешанным слоем ионитов и подсоединенным к трубопроводу подачи воздуха, и воздушником.

При этом дополнительное распределительное устройство расположено на высоте, составляющей 10-90% от высоты между нижним и средним распределительных устройств.

Известно, что ФСД более сложно регенерируются по сравнению с обычными ионитными фильтрами, что ограничивает область их применения. Качество фильтрата и продолжительность работы ФСД зависят от степени разделения слоев ионитов при их регенерации, что является очень сложным процессом. В результате неудовлетворительного проведенного процесса разделения часть катионита может находиться в слое анионита, подвергаемого регенерацией щелочью, и перейдет в натриевую форму. А проскок ионов натрия в фильтрат ухудшит качество получаемой воды.

Благодаря использованию в загрузке фильтра дополнительного слоя катионита, который поглощает эти ионы натрия, проскок их в фильтрат исключается. Процесс очистки в смешанном слое ионитов не будет зависеть от степени их разделения при регенерации. А сама регенерация будет производиться в обычном режиме. При этом смешение слоев ионитов достигается за счет дополнительного распределительного устройства, через который подают воздух и который расположен под слоем катионита, подлежащего смешению.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 показана схема осуществления процесса в режиме фильтрования очищаемой воды через смешанный слой Н- и ОН-ионитов и дополнительный нижележащий слой катионита с получением глубокодеминерализованной воды.

На фиг.2 представлена схема в режиме выполнения регенерации ионитов растворами кислоты и щелочи и последующей их отмывки.

Устройство для доочистки воды при ее глубокой деминерализации включает цилиндрический корпус фильтра 1, внутри которого расположены верхнее 2, среднее 3 и нижнее 4 распределительные устройства. Дополнительное распределительное устройство 5 размещено между нижним 4 и средним 3 распределительными устройствами. Загрузка состоит из смешанного слоя ионитов 6 и дополнительного нижележащего слоя катионита 7, размещенного под дополнительным распределительным устройством 5. Верхнее распределительное устройство 2 подключено к трубопроводу 8 подачи очищаемой воды, к трубопроводу 9 подачи щелочи и воды для частичной отмывки анионита и к трубопроводу 10 вывода воды для разделения слоев ионитов. К нижнему распределительному устройству 4 присоединены трубопровод 11 вывода глубокодеминерализованной воды, трубопровод 12 подачи воды для разделения слоев ионита, трубопровод 13 для подачи раствора кислоты и воды для частичной отмывки катионита и трубопровод 14 для вывода воды от доотмывки. Среднее распределительное устройство 3 подключено к трубопроводу 15 отвода отработанных регенерационных растворов и воды для частичной отмывки. К дополнительному распределительному устройству 5 подключен трубопровод 16 подачи воздуха. Вывод воздуха осуществляют через воздушник 17, расположенный в верхней части корпуса 1. В процессе регенерации (фиг.2) смешанный слой 6 разделяют на слой катионита 18, слой анионита 19.

Способ осуществляется следующим образом.

Очищаемая вода (фиг.1) по трубопроводу 8 и через верхнее распределительное устройство 2 поступает на напорную фильтрацию через смешанный слой 6 анионита в ОН-форме и катионита в Н-форме, в котором одновременно протекают процессы катионного и анионного обмена. Вода после смешанного слоя 6 проходит еще один дополнительный нижележащий слой катионита в Н-форме 7. Он необходим для улавливания в фильтрате присутствующих в нем ионов натрия. Отвод глубокодеминерализованной воды осуществляют через нижнее распределительное устройство 4 и далее через трубопровод 11. При этом обеспечивается высокое качество глубокодеминерализованной воды за счет практически полного отсутствия в ней катиона натрия, который задерживается нижележащим слоем катионита в Н-форме.

После завершения рабочего цикла проводят процесс регенерации с целью восстановления обменной емкости ионитов. Для этого подают воду по трубопроводу 12 и через нижнее распределительное устройство 4 восходящим потоком взрыхляют дополнительный нижележащий слой катионита 7 и смешанный слой 6. В результате взрыхления анионит, плотность которого гораздо меньше плотности катионита, оказывается в верхней части фильтра, а катионит - в нижней части фильтра. После прекращения подачи воды (фиг.2) общий слой катионита, состоящий из разделенного слоя катионита 18 и нижележащего дополнительного слоя катионита 7, располагается между нижним распределительным устройством 4 и средним распределительным устройством 3. Слой анионита 19 размещен выше среднего распределительного устройства 3. Отвод взрыхляющей воды производят через верхнее распределительное устройство 2 и трубопровод 10. Затем проводят регенерацию гидравлически разделенных слоя анионита 19 и слоев катионита 7 и18. Для этого одновременно по трубопроводам 13 и 9 подают растворы соответственно кислоты и щелочи. Раствор щелочи подают на анионит через верхнее распределительное устройство 2, а раствор кислоты - через нижнее распределительное устройство 4 и весь катионит (через дополнительный нижележащий слой катионита 7 и слой 18, расположенный над ним). Отвод отработанных регенерационных растворов производят через среднее распределительное устройство 3 и далее по трубопроводу 15. После пропуска растворов кислоты и щелочи осуществляют частичную отмывку ионитов водой в аналогичных направлениях.

Затем производят перемешивание слоя анионита 19 и слоя катионита 18 сжатым воздухом, подаваемым по трубопроводу 16 и дополнительному распределительному устройству 5. Воздух выводят при помощи воздушника 17.

После перемешивания осуществляют (фиг.1) доотмывку всех ионитов перед включением фильтра в работу за счет подачи воды по трубопроводу 8 и через верхнее распределительное устройство 2. Доотмывочная вода последовательно проходит нисходящим потоком образованный смешанный слой ионитов 6 и дополнительный нижележащий слой катионита 7. Отвод доотмывочной воды производят через нижнее распределительное устройство 4 и далее через трубопровод 14.

При этом время доотмывки смешанного слоя 6 значительно сокращается по сравнению с традиционным фильтром ФСД за счет дополнительного нижележащего слоя катионита 7, который задерживает катионы натрия и гидрат-анионы. Соответственно значительно сокращается количество сточных вод.

Пример. В корпус фильтра диаметром 2000 мм загружают высокоосновной анионит АВ-17-8 на высоту 820 мм и объемом 2/6 м³ и сильнокислотный катионит КУ-2-8 на высоту 1340 мм и объемом 4,2 м³. В фильтре установлены нижнее распределительное устройство, выше которого на высоте 520 мм расположено дополнительное распределительное устройство. Среднее распределительное устройство размещено на высоте 1340 мм от нижнего распределительного устройства. Предварительно проводят регенерацию загруженных ионитов за счет одновременной подачи восходящего потока 4% раствора кислоты и нисходящего потока 4% раствора щелочи. После пропуска регенерационных растворов производят частичную отмывку ионитов водой в аналогичных направлениях. Далее производят перемешивание слоя анионита и слоя катионита, расположенного над дополнительным распределительным устройством, сжатым воздухом, подаваемым через это дополнительное распределительное устройство. По завершении перемешивания производят доотмывку ионитов деминерализованной водой. Время доотмывки смешанного слоя составляет порядка 30 минут за счет того, что нижележащий слой катионита задерживает гидратанионы и катионы натрия (для сравнения: фильтр ФСД доотмывают не менее двух часов).

После завершения стадии доотмывки фильтр включают в работу. Для этого через верхнее распределительное устройство подают нисходящим потоком деминерализованную воду расходом 80-150 м³/ч, имеющую электропроводимость 0,5-1,0 мкСм/см, содержание натрия 30-40 мкг/дм³ и кремниевой кислоты 25-50 мкг/дм³. На выходе из фильтра получают глубокодеминерализованную воду, имеющую электропроводимость 0,06 -0,10 мкСм/см, содержание натрия 2-5 мкг/дм³ и кремниевой кислоты 10-15 мкг/дм³. Высокое качество глубокодеминерализованной воды на выходе из фильтра связано с тем, что смешанный слой производит основную очистку от растворенных загрязнений, а нижележащий слой катионита - доочистку от катионов натрия практически до полного отсутствия его в глубокодеминерализованной воде. Данный эффект по удалению катионов натрия объясняется тем, что нижележащий слой катионита регенерируют по противоточной технологии. Регенерация производится восходящим потоком кислоты, а деминерализация очищаемой воды при работе происходит в нисходящем потоке через слой катионита.

Таким образом предлагаемое изобретение позволяет при незначительных затратах, связанных с установкой дополнительного распределительного устройства, значительно сократить время на доотмывку ионитов перед включением фильтра в работу и соответственно снизить количество сбросных сточных вод, а также обеспечить высокое качество глубокодеминерализованной воды, которое невозможно получить на традиционных фильтрах ФСД.

Изобретение может быть использовано на предприятиях электронной, химической и нефте-газоперерабатывающей промышленности, на тепловых и атомных электростанциях. Способ включает фильтрование очищаемой воды сверху вниз через смешанный слой катионитов в Н-форме и анионитов в ОН-форме и регенерацию ионитов с послойным их разделением восходящим потоком воды. Регенерацию осуществляют подачей раствора щелочи сверху через слой анионита и раствора кислоты снизу через слой катионита с одновременным отводом отработанных растворов через среднее распределительное устройство, расположенное между разделенными слоями. Отмывку слоев ионитов проводят водой в направлении регенерационных растворов с последующим перемешиванием разделенных слоев катионита и анионита и доотмывкой полученного смешанного слоя ионитов водой, подаваемой сверху вниз. Очищаемую воду и воду доотмывки после прохождения смешанного слоя ионитов фильтруют через дополнительный нижележащий слой катионита в Н-форме, причем при регенерации через этот слой предварительно пропускают взрыхляющую воду для разделения слоев ионитов и раствор кислоты для регенерации катионита. Устройство содержит корпус фильтра с загрузкой из смешанного слоя анионита и катионита и дополнительного нижележащего слоя катионита, а также верхнее, среднее, нижнее и дополнительное, размещенное между нижним и средним, распределительные устройства. Изобретение позволяет получить глубокодеминерализованную воду высокого качества с одновременным снижением расхода воды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ для доочистки воды при ее глубокой деминерализации, включающий фильтрование очищаемой воды сверху вниз через смешанный слой катионитов в Н-форме и анионитов в ОН-форме, периодическую регенерацию ионитов с послойным их разделением восходящим взрыхляющим потоком воды на нижний слой катионита и верхний слой анионита, подачей раствора щелочи сверху через слой анионита и раствора кислоты снизу через слой катионита и одновременным отводом отработанных регенерационных растворов через среднее распределительное устройство, расположенное между разделенными слоями, частичной отмывкой слоев ионитов водой в направлении регенерационных растворов, последующим перемешиванием разделенных слоев катионита и анионита восходящим потоком воздуха и доотмывкой полученного смешанного слоя ионитов водой, подаваемой сверху вниз, отличающийся тем, что очищаемую воду и воду доотмывки после прохождения смешанного слоя ионитов фильтруют через дополнительный нижележащий слой катионита в Н-форме, а при регенерации через этот слой предварительно пропускают взрыхляющую воду для разделения слоев ионитов и раствор кислоты для регенерации катионита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высота дополнительного нижележащего слоя катионита составляет 10-90% от общей высоты слоев катионита при его регенерации.

3. Устройство для доочистки воды при ее глубокой деминерализации, содержащее цилиндрический корпус фильтра со смешанным слоем катионитов в Н-форме и анионитов в ОН-форме, верхним распределительным устройством, подключенным к трубопроводам подачи очищаемой воды и вывода взрыхляющей воды для разделения слоев ионитов и к трубопроводу для подачи щелочи и воды для частичной отмывки анионита, средним распределительным устройством, расположенным между разделенными слоями и соединенным с трубопроводом отвода отработанных регенерационных растворов и воды для частичной отмывки, нижним распределительным устройством, подключенным к трубопроводам подачи взрыхляющей воды для разделения слоев ионитов, отвода воды для доотмывки, вывода глубокодеминерализованной воды и к трубопроводу для подачи раствора кислоты и воды для частичной отмывки катионита, трубопровод подачи воздуха и воздушник для отвода воздуха, отличающееся тем, что в корпусе расположены дополнительное распределительное устройство, установленное под смешанным слоем ионитов и подсоединенное к трубопроводу подачи воздуха, и дополнительный нижележащий слой катионита в Н-форме, размещенный под дополнительным распределительным устройством.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что дополнительное распределительное устройство расположено на высоте, составляющей 10-90% от высоты между нижним и средним распределительными устройствами.