Противоточная регенерация ионообменных смол. Технология UPCORE (Апкоре) DOW

Citation preview

Dow Liquid Separations

Технология UPCORE (АПКОРЕ) Противоточная регенерация ионообменных смол

Прогрессивная технология, позволяющая улучшить качество и снизить себестоимость ионообменного обессоливания воды

В поисках усовершенствованной технологии регенерации В большинстве случаев ионообменные методы обработки воды обеспечивают необходимые параметры качества деминерализации в промышленных условиях. В рамках этих технологий исключительно важным является процесс регенерации ионообменных смол, периодически осуществляемый при эксплуатации. Ключевыми факторами, характеризующими эффективность процесса деминерализации в целом, являются: объёмы потребляемых при регенерации химических реагентов и воды на собственные нужды, проблемы утилизации стоков (особенно в тех случаях, когда их решение требует существенных затрат) и продолжительность регенерации, которая обычно эквивалентна времени простоя оборудования. Всё это относится как к традиционным прямоточным, так и к устаревшим противоточным технологиям регенерации. В настоящее время существует технология, обеспечивающая более эффективное использование химических реагентов, значительное уменьшение объёма сточных вод и снижение затрат на их обработку. Это процесс UPCORE* (АПКОРЕ), представляющий собой технологию противоточной регенерации ионитов в восходящем потоке, впервые разработанный компанией The Dow Chemical Company1) Мы убедительно просим Вас ознакомиться с основными принципами этой усовершенствованной технологии. Возможно, Вы сможете с её помощью улучшить работу действующей установки, уменьшить производственные затраты или другим образом применить передовые технические решения.

* Торговая марка The Dow Chemical Company 1)

The Dow Chemical Company совместно с ООО ИПМ запатентовала в 1999 г. технические решения, применяемые в технологии UPCORE™.

ПРОТИВОТОК Сравнивая прямоточные и противоточные технологии регенерации, мы убеждаемся, что те из них, в которых предусмотрено введение регенерационного раствора в слой ионита в направлении, противоположном рабочему потоку, обладают рядом неоспоримых преимуществ. Одним из них является тот факт, что наиболее глубоко отрегенерированный ионит находится в той части ионообменного слоя, которая расположена в зоне выхода очищенной воды. При этом, когда во время рабочего цикла вода проходит через ионообменный слой, она последовательно вступает в контакт с ионитом с все более увеличивающейся глубиной регенерации, и это обеспечивает высокое качество обессоливания, уменьшает проскок ионов и доводит до максимума рабочую ёмкость смолы. Регенерация может быть осуществлена быстрее и эффективнее, с более низким расходом реагентов, меньшим количеством промывных вод, пониженным объёмом стоков и низкой общей себестоимостью. Имеющиеся у нас данные – убедительное свидетельство в пользу противоточной регенерации. Важно, однако, иметь в виду, что имеются две разновидности этой технологии: 1) с рабочим потоком, направленным снизувверх, а регенерацией - в направлении сверху-вниз и 2) с рабочим потоком, подаваемым сверху-вниз, а регенерацией в направлении снизу-вверх.

Достоинства регенерация в восходящем потоке Регенерация ионитов в восходящем пото ке становится всё более распространённой вследствие высокой эффективности и экономичности. При этом обычно на 50% уменьшается количество стоков и примерно вдвое расход реагентов и промывных вод, по сравнению с прямотоком. Кроме того, регенерация в противотоке проводится примерно вдвое быстрее, нежели в прямотоке, и обеспечивает более высокие показатели качества обработанной воды. Процесс АПКОРЕ в технологическом отношении превосходит уже известные противоточные технологии регенерации ионитов во взвешенном слое, а также технологии с блокировкой (зажатием) слоя смолы воздухом или водой. К недостаткам последних относятся высокая чувствительность к изменению параметров процесса (нагрузки), неполное использование объёма фильтра, необходимость установки дополнительного оборудования и сложность контроля.

Не все противоточные процессы одинаковы Обычно ко всем противоточным технологиям предъявляются два основных требования: • Зона с высокой степенью регенерации должна быть целостной и находиться в той части слоя ионита, которая расположена как можно ближе к выходу обработанной воды. • Слой ионита должен оставаться в зажатом состоянии как во время рабочего цикла, так и при проведении регенерации. Способ, с помощью которого решаются эти задачи, оказывает влияние на качество, производительность и экономичность противоточных систем.

Недостатки противоточных технологий, с примением взвешенного слоя в рабочем цикле. Процессы с восходящим потоком обрабатываемой воды имеют существенные недостатки по сравнению с процессами с нисходящим потоком. Зажатый слой крайне чувствителен к изменению расхода поступающей в фильтр воды. Кроме того, если рабочий поток подвержен значительным флуктуациям или прерывается, может наблюдаться внутрислойное перемешивание. Вследствие этого в ту часть слоя, которая находится в зоне выхода очищенной воды и состоит из ионита с высокой степенью регенерации, могут попасть загрязненные частицы смолы, что приведет к снижению качества очистки и уменьшит рабочую ёмкость, которые обычно выше в противоточных системах, чем в прямоточных. В таких процессах перед регенерацией, которая проводится в нисходящем потоке, ионит свободно оседает на дно фильтра, при этом мелкие частицы самопроизвольно устремляются к

поверхности слоя и затем могут быть унесены в следующий фильтр. Как только регенерация заканчивается, ионит должен быть возвращен в рабочее положение, т.е. прижат к верхней части фильтра (рис 1). Чтобы сохранить зону высоко отрегенерированного ионита в зажатом состоянии в самой верхней части слоя, он должен быть перемещен вверх к инерту быстро и резко. Ловушки ионообменных смол составляют существенную часть противоточных систем и предназначены для предотвращения уноса мелких частиц во время рабочего цикла. Однако только с помощью ловушек нельзя адекватно решить эту проблему. При использовании противоточных технологий с восходящим потоком обрабатываемой воды в рабочем цикле необходимо регулярно проводить взрыхляющие промывки ионита. В противном случае мелочь, которая во время осаждения смолы скапливается в верхней части слоя, может быть унесена из фильтра рабочим потоком, что приведет к загрязнению нижних слоёв анионита мелкими частицами катионита, а очищенной воды – измельченными смолами. Взрыхление обратным током необходимо также для удаления любых частиц, которые находились в воде, поступившей на обработку в фильтр. Поскольку рабочий поток вводится в его нижнюю часть, где располагаются самые крупные зерна, а ионит переходит во взвешенное состояние, восходящий поток, проходя через слой, как бы реализует модель «глубинного фильтрования». Со временем эти загрязнения аккумулируются в слое ионита, вызывая рост гидравлического сопротивления слоя. Необходимость проведения взрыхляющей промывки очевидна. Поскольку технологии со взешенным слоем ионита не позволяют осуществлять операцию взрыхления внутри рабочего фильтра, то ионит для этой цели необходимо перегрузить в дополнительную ёмкость. Монтаж сборников, трубопроводов и арматуры приводит к удорожанию

Процессы с блокировкой слоя воздухом и водой Рабочий цикл

Цикл регенерации

Исходная вода

Блокирующие воздух или вода

Свободное пространство

Свободное пространство

Среднее распределительно устройство

Стоки

Слой аионита

таких процессов, а выносная взрыхляющая промывка вызывает простой оборудования, снижение производительности, увеличение потребления воды на собственные нужды. Процесс переноса сопровождается истиранием гранул ионита и возникновением дополнительных проблем, связанных с разрушением смолы и образованием мелочи.

Слой ионита Очищенная вода

Регенерирующий раствор

• Хорошее качество воды • Низкий удельный расход реагентов

Но: • Неполное использование объёма фильтра • Среднее распределительное устройство чувствительно к механическим повреждениям вследствие набухания ионита и его усадки • Потребность в дополнительном оборудовании • Большой объём потребляемой воды или воздуха • Большие затраты времени и труда на регенерацию • Необходимость периодической взрыхляющей промывки

Процессы с зажатым (взвешенным) слоем при обработке восходящего потока Рабочий цикл Очищенная вода

Цикл регенерации Регенерирующий раствор

Плавающий инерт

Плавающий инерт Свободное пространство

Слой ионита

Слой ионита

Свободное пространство

Исходная вода

Стоки

Система может работать с частично ожиженным или зажатым слоем • Хорошее качество воды • Низкий удельный расход реагентов • Высокая степень использования объёма фильтра • Малая продолжительность регенерации Но: • Чувствительность к изменениям расхода и/или прерыванию рабочего цикла • Накопление загрязнений в слое в рабочем цикле • Для очистки ионита взрыхлением необходима дополнительная емкость • Ловушки необходимы для улавливания мелочи • Послойная загрузка смол возможна только при секционировании фильтра распред. тарелками

Рисунок 1

Недостатки процессов с блокировкой слоя воздухом и водой В процессах обработки воды с блокировкой слоя ионита воздухом или водой рабочий цикл проводят в нисходящим потоке, но несмотря на это, эти процессы требуют относительно больших объёмов воздуха или воды, необходимых для того, чтобы при регенерации удержать зажатый слой в восходящем потоке. Фильтр не может быть заполнен ионитом целиком, поскольку всегда должно существовать свободное пространство над средним распределительным устройством, которое заполняется смолой во время промывки взрыхлением. Этот факт, однако, является и положительной стороной процесса, т.к. появляется возможность промывать ионит в том же рабочем фильтре (см. рис.1). Процессы с блокировкой слоя воздухом или водой имеют ряд других недостатков: высока вероятность повреждений среднего распреде лительного устройства, потребность в сжатом воздухе или воде приводит к дополнительным затратам, ионит нужно периодически промывать обратным током для удаления из слоя мелких осколков и накопившихся взвесей (как и для того, чтобы уменьшить их накопление от цикла к циклу), регенерация проходит длительно и со значительными трудозатратами.

Почему процесс UPCORE лучше? Процесс UPCORE - это современная технология, предполагающая очистку воды в нисходящем потоке с применением ионообменных смол DOWEX* UPCORE (ДАУЭКС* АПКОРЕ) и регенерацию в восходящем потоке в зажатом слое ионитов. Эта усовершенствованная технология обладает всеми преимуществами противоточного процесса регенерации, что обеспечивает значительную производительность и экономичность, и в то же время свободна от недостатков, присущих противотчным технологиям предшествующих поколений. Кроме того, уже имеющиеся противоточные и прямоточные установки могут быть легко реконструированы для перевода на технологию UPCORE. Этот процесс отвечает самым передовым требованиям и служит основой как для новых проектных разработок, так и для модернизации и усовершенствования существующих ионообменных установок.

существующего прямоточного оборудования и позволяет почти вдвое увеличить рабочую емкость слоя за счет увеличения объема полезного ионита в фильтре. Верхнее распределительное устройство прикрыто небольшим слоем плавающего инерта, через который могут свободно проходить потоки воды и реагентов, ионитная мелочь и другие взвеси, тогда как целые зерна смолы нормальных размеров будут задерживаться. Это позволяет сохранить слой ионита в зажатом состоянии во время его регенерации в восходящем потоке. Поскольку рабочий цикл осуществляется в нисходящем потоке, зажатый слой ионита нечувствителен к изменениям нагрузки. Даже если подача обрабатываемой воды прекращается, не возникает риска внутрислойного перемешивания ионита. Высокоотрегенерированная зона ионита в нижней части слоя остаётся нетронутой и не загрязняется зернамии смолы с более низкой степенью регенерации из его (слоя) верхней части. Во время регенерации в восходящем потоке зажатый слой смолы поршнеобразно поднимается и прижимается к инерту регенерирующим раствором, скорость которого достаточна для того, чтобы обеспечивать пребывание слоя ионита в зажатом состоянии. При регенераци решаются две задачи: с её помощью реактивируются центры ионного обмена и одновременно происходит очистка слоя от ионитной мелочи и других загрязнений.

Простая конструкция плюс увеличенная ёмкость Фильтры для процесса UPCORE по своей конструкции просты и недороги. Cвободным остается незначительный объем фильтра, что намного упрощает переделку под эту технологию уже

* Торговая марка компании The Dow Chemical Company

При этом отпадает необходимость проведения операции взрыхления. Взвешенные твёрдые частицы и ионитная мелочь удаляются во время каждого цикла регенерации автоматически. Процесс UPCORE обеспечивает пользователю преимущества технологии противоточной регенерации в сочетании с экономией эксплуатационных затрат.

Другое преимущество: UPCORE – самоочищающаяся система

последующего рабочего цикла, который проводится в нисходящем потоке, а затем удаляются, при проведении очередной регенерации восходящим потоком.

Процесс UPCORE характеризуется самоочисткой ионита, поэтому при его применение нет нужды в ловушках или взрыхлении смолы для решения проблемы уноса ионитной мелочи и иных взвесей. В процессе UPCORE взвеси и ионитная мелочь мигрируют вверх и накапливаются в верхнем слое ионита при проведении операции оседания слоя смолы в конце регенерационного цикла. Взвеси аккумулируются над верхней кромкой зажатого слоя ионита слоя во время всего

При этом гидравлическое сопротивление слоя (перепад давления на нем) остается постоянным, а не возрастает непрерывно, как это происходит в других противоточных технологиях. Постоянство перепада давления снижает риск каналообразования в слое смолы, которое может приводить к уменьшению рабочей ёмкости и избыточному истиранию ионита. Рис.2 иллюстрирует рабочий и регенерационные циклы процесса UPCORE.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ

ЦИКЛ РЕГЕНЕРАЦИИ

Исходная вода

Стоки Плавающий инерт

Главные преимущества технологии UPCORE: • Простота конструкции

Свободнoe пространство

• Лёгкость контроля и автоматизации

• Дешевизна • Лёгкая реконструкция

Слой ионита DOWEX UPCORE

• Возможность послойной загрузки

• Оптимальное использование объёма фильтра Свободнoe пространство

• Нечувствительность к изменению рабочей нагрузки

• Самоочистка, отсутствие дополнительной операции взрыхления Очищенная вода

Рисунок 2

Регенерирующий раствор

Больше, чем просто новая встреча с противотоком регенерация ионита и удаляются взвешенные твердые частицы и ионитная мелочь.

Процесс UPCORE предполагает наличие слоя плавающего инертного материала непосредственно под верхним распределительным устройством. Этот материал способен свободно пропускать уплотняющий или регенерирующий поток, взвешенные твёрдые частицы и ионитную мелочь, но задерживать целые зерна ионита нормальных размеров. Это резко уменьшает потери ионообменных смол, особенно если в процессе используются иониты DOWEX UPCORE (ДАУЭКС АПКОРЕ).

Высокое качество очищенной воды, достигаемое при использовании технологий с противоточной регенерацией, обеспечивается за счет соблюдения принципа сохранения высокоэффективной зоны очистки (полировочной зоны– защитного слоя) как при регенерации, так и в рабочем цикле. Во время рабочего цикла слой остаётся прижатым к нижнему распределительному устройству. При регенерации фиксированное положение слоя определяется эффектом гистерезиса, что показано на графике (Рисунок 3).

Обрабатываемая вода поступает в верхнюю часть фильтра через распределительное устройство и затем проходит через слой ожиженного инертного материала. Для проведения регенерации сначала поток воды направляют вверх от нижнего распределительного устройства, в результате чего слой ионита прижимается к инерту в верхней части фильтра. Сразу по окончании этой стадии через фильтр пропускают восходящий поток регенерирующего раствора со скоростью, достаточной для того, чтобы сохранить слой ионита в зажатом состоянии. Затем осуществляется промывка в режиме вытеснения и в финальной стадии – свободное осаждение слоя.

Сначала слой ионита прижимается к инерту восходящим потоком воды. Скорость потока зависит от гранулометрии ионита и его плотности, объёма свободного пространства и температуры воды. Для зажатия слоя требуется всего несколько минут. С целью предотвращения ионного загрязнения полировочной зоны используемая при этом вода должна быть обессолена (или декатионирована, если речь идёт о фильтре с катионитом). Во время операции по зажатию слоя благодаря активной гидродинамике несущей среды из слоя в значительной степени уносятся взвеси (намываемые на поверхности во время рабочего цикла), а также ионитная мелочь. Правильный

Цикл регенерации На стадии регенерации решаются две задачи: проводится собственно Операция 2,3 Операция 4

Степень зажатия слоя ионита

Оп

Операция 5 Рисунок 3

а ер

Вверх

ци

я1

Операция 1: зажатие Операция 2: подача регенерирующего раствора Операция 3: вытеснение Операция 4: осаждение Операция 5: окончательная быстрая промывка

Линейная скорость

выбор марки плавающего инерта DOWEX и конструкции распределительного устройства оптимизирует этот процесс. На

Постадийное описание процесса ЗАЖАТИЕ (Операция 1) Удаление взвесей и мелочи ионита

Инерт

Зажатый слой ионита

Свободное пространство

стадии регенерации процесс самоочистки заканчивается. Зажатый слой ионита не разуплотняется даже при некотором снижении скорости несущего потока. Это позволяет обеспечить оптимальные значения концентрации регенерирующего раствора и его времени контакта с ионитом. Эффект очистки усиливается за счет изменения объёма зерна смолы (набухание/усадка). За регенерацией по технологии UPCORE следует операция вытеснения или медленной промывки. При этом вода подается в фильтр снизу вверх со скоростью, равной скорости раствора при регенерации. После промывки в режиме вытеснения подача потока воды прерывается и слой ионита свободно оседает. Оседание зажатого слоя занимает от 5 до 10 минут. ОСАЖДЕНИЕ (Операция 4) Зажатый отрегенерированный ионит

Вода Рисунок 4

ПОДАЧА РАСТВОРА НА РЕГЕНЕРАЦИЮ / ВЫТЕСНЕНИЕ (Операция 2/3) Стоки Свободное пространство Инерт

Зажатый слой ионита

Свободное пространство

Рисунок 5

Ввод регенерирующего раствора

Разуплотнённый отрегенерированный ионит

Рисунок 6

Во время оседания ионит опускается на дно послойно. Внутри движущегося в вверх свободного пространства происходит его классификация, а вся ионитная мелочь переходит во взвешенное состояние. По окончании осаждения слой разрыхляется, мелочь мигрирует вверх и далее удаляется во время очередной операции по зажатию слоя перед регенерацией. Таким образом, предотвращается унос мелочи в другие фильтры во время рабочего цикла. Полировочная зона сохраняется в неизменном состоянии в процессе оседания слоя.

Подведем итоги… Цикл регенерации завершается окончательной быстрой промывкой или рециркуляцией промывной воды между анионитным и катионитным фильтрами. Во время окончательной промывки вода движется через слой ионита сверху вниз со скоростью, равной скорости рабочего потока.

Вода для окончательной промывки может быть сырой, если промывается катионит, но для промывки анионита она должна быть декатионирована или обессолена. Для экономии воды на собственные нужды окончательная промывка может быть основана на рециркуляции промывной воды между анионитным и катионитным фильтрами.

БЫСТРАЯ ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПРОМЫВКА (ОПЕРАЦИЯ 5)

(Сырая) вода

Декатионированная (обессоленная) вода

Инерт Свободное пространство

Слой катионита

Рисунок 7

Слой анионита

UPCORE и вариант послойной загрузки Фильтры с послойной загрузкой являются эффективной и экономичной альтернативой обессоливанию в отдельных фильтрах с сильно- и слабофункциональными ионитами. Послойная загрузка смол позволяет уменьшить количество установленного оборудования и повысить химическую эффективность процесса регенерации. Послойная загрузка – это крайне экономичный способ, позволяющий использовать преимущества высокой обменной ёмкости и способности к органопоглощению слабоосновных анионитов для защиты сильноосновных анионитов, тем самым оптимизируя их ёмкость по удалению двуокиси кремния и продлевая срок службы. В этом случае фильтры для реализации процесса UPCORE остаются полыми, т.е. не имеют средних дренажей/ перегородок (Рисунок 8). Послойная загрузка при этом состоит из двух слоёв ионита: слабоосновной анионит располагают поверх сильноосновного. Разделение слоёв обеспечивается за счёт специально подобранных гранулометрии и плотности смол. Процесс UPCORE с послойной загрузкой может быть организован без значительных переделок уже существующих фильтров, существует также возможность изменить соотношение объёмов анионитов в фильтре при изменения качества исходной воды.

Послойная загрузка

Плавающий инерт Свободное пространство Слабофункциональный ионит

Сильнофункциональный ионит

Рисунок 8

Ключевые преимущества послойной загрузки • Меньшее количество фильтров (один вместо двух)

• Высокая общая эффективность регенерации (85 – 95%)

• Высокая обменная ёмкость слабоосновного анионита

• Оптимальная ёмкость сильноосновного анионита по двуокиси кремния

• Повышенный срок службы вследствие того, что слабоосновной ионит защищает сильноосновной от необратимого отравления органикой

• Возможность изменения соотношения объёмов анионитов при переходе на иной источник водоснабжения

• Простота реконструкции существующих фильтров при переходе на технологию UPCORE с послойной загрузкой

Иониты DOWEX UPCORE – более компактная упаковка слоя Применение ионообменных смол DOWEX UPCORE является ключевым фактором, определяющим технологические и экономические преимущества процесса UPCORE. Эти иониты, гранулометрия которых подобрана в соответствии с технологическими условиями процесса, обладают прекрасными физико-механическими характеристиками и потому выделяют минимальное количество мелочи в процессе эксплуатации. По сравнению с обычными смолами полидисперсного грансостава (с гауссовым распределением размеров зерен) монодисперсные иониты DOWEX UPCORE имеют однородный гранулометрический состав (UPS) с чрезвычайно узким диапазоном разброса диаметра зерна и характеризуются более низким средним медианным размером. Действительно, 90% зерен ионита не выходит за пределы интервала ±10% среднего значения размера. Это обеспечивает улучшенную кинетику, повышенную рабочую ёмкость и увеличенный фильтроцикл. Узкий интервал распределения зерен по размерам позволяет оптимизировать соотношения размеров и плотностей смол для того, чтобы исключить перемешивание слоев при послойной загрузке. Регенерация ионитов типа UPS более эффективна, она проходит быстрее и требует меньшего расхода химических реагентов и воды на промывку.

Основные преимущества ионитов DOWEX UPCORE c однородным гранулометрическим составом: • Улучшенная кинетика • Повышенная эффективность • Повышенная рабочая ёмкость • Уменьшенный объём потребляемой технологической воды

• Ускоренная промывка • Повышенная разделительная способность

• Повышенный срок службы • Низкие потери ионитов • Пониженный расход реагентов на регенерацию

• Пониженный расход воды на собственные нужды

• Сокращение времени регенерации • Увеличенный фильтроцикл • Снижение проскока ионов • Снижение отравляемости двуокисью кремния и органикой

• Уменьшение объемов стоков регенерационных растворов

Обычные смолы

Иониты DOWEX UPCORE UPS

Арифметика говорит сама за себя Ключевая цель, которая преследовалась при разработке технологии UPCORE, формулировалась так: помочь потребителю улучшить качество воды и одновременно сэкономить средства. Цель была достигнута: удалось получить большие объёмы воды более высокого качества при одновременном сокращении удельных затрат. Для руководителя предприятия, где используются прямоточные и противоточные технологии, внедрение какого-либо процесса представляет интерес в том случае, если капитальные затраты на усовершенствования лежат в разумных пределах. Этому требованию как раз и отвечает процесс UPCORE.

Если Ваша создаете новую противоточную установку … Если Вы собираетесь смонтировать новую противоточную обессоливающую установку, то при внедрении технологии UPCORE Вы получите следующие преимущества:

• Эффективность, экономичность и высокое качество воды при одновременном отсутствии проблем, свойственных предыдущим поколениям противоточных технологий

• Отсутствие чувствительности к изменению рабочей нагрузки и полное исключение риска загрязнения полировочной зоны отработанным ионитом

• Пониженный уровень капитальных затрат по сравнению с технологиями регенерации в нисходящем потоке благодаря отсутствию дополнительных емкостей, трубопроводов и арматуры, обеспечивающих выносное взрыхление

• Почти полное отсутствие проблем,

Если Ваша установка прямоточная… Вы можете реконструировать Ваше прямоточное оборудование под процесс UPCORE с минимальными капитальными затратами. Преимущества, которые Вы получите:

• Уменьшение затрат на химические • • • • • •

реагенты до 55% Почти удвоенная общая обменная ёмкость Уменьшение простоя оборудования почти на 50% Улучшение качества воды (