Противоточная регенерация ионообменных смол для водоподготовки

Часть 1

Рассмотрены основные технологии противоточной регенерации ионообменных смол периодического действия, применяемые в установках водоподготовки в мировой практике. Изложена хронология их появления на рынке, дан анализ достоинств и недостатков.

В последние 15 лет в России и странах СНГ среди специалистов служб эксплуатации установок водоподготовки (ВПУ) все большую популярность приобретают современные технологии водоподготовки — мембранные методы разделения (микро-, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос) в сочетании с противоточным ионированием и(или) электродеионизацией.

Первым этапом модернизации установок водоподготовки стал переход от прямоточной (параллельно-точной) регенерации ионообменных смол (ионитов) к противоточной. Этому способствовали как активное распространение мирового опыта применения схем противоточной регенерации зарубежными производителями ионообменных смол ( Dow Chemical , Bayer , Rohm & Haas , Purolite ), так и переход стран бывшего СССР к рыночной экономике, что заставило производителей оборудования [ОАО ТКЗ «Красный котельщик» (г. Таганрог), АО ЗиОМАР (г. Подольск), ОАО «Комсомолец» (г. Тамбов), ОАО Бердичевский машиностроительный завод «Прогресс»] расширять привычную номенклатуру изделий и осваивать выпуск фильтров с противоточной регенерацией ионообменной смолы.

Наиболее широкое распространение получили технологии водоподготовки периодического действия (непрерывные процессы представляют собой отдельную тему и в данной публикации не рассматриваются).

По оценкам зарубежных производителей ионообменных смол, в мире работают более 5 тыс. установок промышленной водоподготовки по технологиям противоточной регенерации (примерно 4 тыс. — по SCHWEBEBETT , около 700 установок водоподготовки— по UPCORE и около 600 приходится на долю всех остальных технологий водоподготовки). Часто на страницах научно-технических изданий [1—9], а также на семинарах и конференциях возникают дискуссии о возможностях или преимуществах той или иной противоточной технологии. Каждая сторона, участвующая в обсуждении, стремится доказать, что оптимальной является именно та технология, которая была данной стороной разработана (или применяется). Отдельные публикации, касающиеся сравнения эффективности различных технологий, хотя и являются достаточно объективными, но либо носят частный характер (для конкретных условий эксплуатации [2]), либо ограничиваются констатацией самых общих положений [1, 3, 8, 9], не содержат глубокого анализа и потому не могут претендовать на универсальность оценок.

К сожалению в последнее время участились случаи, когда некоторые специалисты (в том числе и зарубежные) распространяют недостоверные сведения или публикуют статьи, служащие образцом некомпетентности, например [10].

Цель настоящей статьи состоит в проведении всестороннего анализа наиболее распространенных противоточных технологий водоподготовки (на основании изучения предпосылок их возникновения и направлений развития за последние 50 лет) и определении условий и задач, для которых возможно осуществить оптимальный выбор.

В общем случае противоточные технологии водоподготовки различаются по эксплуатационно-экономическим показателям:

• степени сложности обслуживания (особенно при ручном управлении);
• интервалу значений рабочей нагрузки (от 0 до максимально допустимой), в котором обеспечивается работоспособность схемы водоподготовки;
• коэффициенту использования полезного объема фильтра (доля объема активной ионообменной смолы в общем объеме фильтра);
• степени жесткости требований, предъявляемых к качеству предочистки воды, направляемой на ионитную часть (например, по толерантности к присутствию взвешенных твердых веществ в обрабатываемой воде);
• потреблению воды на собственные нужды;
• возможности корректировки объема загрузок ионообменной смолы при изменении характеристик источника водоснабжения или метода предочистки;
• стоимости основного и вспомогательного оборудования водоподготовки (фильтров, насосов и пр.).

Другими словами, противоточные технологии различаются по объему капитальных затрат при создании установки промышленной водоподготовки и расходам на ее эксплуатацию.

При сравнении с прямоточной (параллельно-точной) технологией регенерации ионообменной смолы любая противоточная (при условии грамотной реализации!) обеспечивает сокращение потребления (удельных расходов) реагентов на регенерацию, повышение качества обработанной воды и снижение ее потребления на собственные нужды (за исключением схем с гидравлической блокировкой).

Рис. 1. Схема фильтра (классический вариант прямоточной технологии).

ИВ — исходная вода; OS — обработанная вода; Р — реагент

В подавляющем большинстве случаев при солесодержании исходной воды до 15 мг-экв/л применение одноступенчатого противотока ( Na -катионирований или цепочки Н-ОН) позволяет гарантировать в обработанной воде остаточную жесткость ниже 5 мкг~экв/л (или электропроводность менее 2 мкСм/см) в сочетании с приемлемым удельным расходом реагентов, рассчитанным на основании стехиометрических соотношений: 120...140 % для NaCI и HCI ; 150...190 % для H₂S0₄ и 120... 160% для NaOH. Однако в некоторых публикациях (например в [11]) приводятся значения электропроводности 6...35 мкСм/см, полученные при использовании одноступенчатой схемы водоподготовки. Подобные результаты свидетельствуют (с высокой степенью вероятности) о непреднамеренных ошибках, допущенных признанными специалистами при реализации конкретной технологии противоточной регенерации.

Рассматриваются противоточные схемы водоподготовки для деминерализации воды, основанные на цепочке, состоящей из двух фильтров (Н—ОН), и история возникновения и развития технологий противоточной периодической регенерации ионообменной смолы в области водоподготовки.

Ключевым фактором, определяющим успешную реализацию любого противоточного процесса, является обеспечение сохранности слоя ионообменной смолы в «зажатом» состоянии, без внутрислойного (продольного или осевого) перемешивания, как в режиме рабочего цикла, так и при проведении регенерации .

Классическим примером реализации процесса деминерализации или умягчения воды посредством ионного обмена является упрощенная схема, показанная на рис. 1. Обрабатываемая вода проходит сверху вниз последовательно через фильтры, загруженные катионитом (обычно сильнокислотным в Н-форме, при умягчении воды — в Na ) и анионитом (например, сильноосновным в ОН-форме). При этом объем активной ионообменной смолы составляет не более чем 60 % (часто — около 50 %) внутреннего объема фильтра. При проведении регенерации направление подачи реагентов совпадает с направлением подачи обрабатываемой воды (сверху вниз). Поэтому данная технология регенерации ионообменной смолы называется прямоточной (или параллелькоточной). Ее достоинства и недостатки общеизвестны. Однако необходимо отметить, что она обладает следующими положительными качествами: возможностью изменения рабочей нагрузки в широком диапазоне значений, свободой чередования технологических остановов с возобновлением рабочего цикла, возможностью удаления из слоя монообменной смолы загрязнений, накопленных во время работы, и фрагментов зерен смолы, образовавшихся при ее разрушении в процессе эксплуатации (благодаря операции взрыхления слоя ионообменной смолы, осуществляемой в каждом цикле), предотвращением каналообразования в слое загрузки и, наконец, исключительной простотой конструкции фильтров.

Рис. 2. Схема конструкции фильтра с гидравлической блокировкой слояионообменной смолы.

ВБ — вода для блокировки; другие обозначения см. рис. 1

Преимущества противоточной регенерации перед прямоточной уже отмечались ранее, однако для ее реализации необходимо было решить техническую задачу по обеспечению «зажатого» состояния слоя ионообменной смолы и постараться сохранить при этом все достоинства, присущие прямоточной технологии водоподготовки.

Первыми противоточнымн технологиями, появившимися на рубеже 50—60-х годов прошлого века, были такие, в которых «зажатие» слоя ионообменной смолы при регенерации осуществлялось подачей дополнительного потока воды, направленного сверху вниз, навстречу потоку реагента. Такие технологии получили название «противоточные технологии с гидравлической блокировкой (зажатием) слоя» (рис. 2). В рабочем цикле обрабатываемая вода подается c вepxy вниз через распределительное устройство, расположенное в верхней части фильтра (на схеме не показано), проходит через слой ионообменной смолы и инертный материал и через нижнее распределительное устройство выводится фильтра. Слой ионообменной смолы заполняет до 60 % объема цилиндрической части фильтра. Среднее дренажное устройство либо заглублено в слой ионообменной смолы своими распределительными элементами, либо размещается целиком в верхнем слое ионитовой загрузки. При регенерации поток реагента подается снизу вверх, (для обеспечения «зажатого» состояния слоя через верхнее распределительное устройство сверху вниз навстречу потоку реагента) подается дополнительный блокирующий поток воды. Оба потока выводятся из фильтра через среднее распределительное устройство. Очевидно, что расход воды в блокирующем потоке должен существенно превышать расход воды в потоке реагента (иначе слой ионообменной смолы разуплотнится и будет перемешиваться). Этим обстоятельством определяется значительное потребление воды на собственные нужды . В то же время данная схема водоподготовки позволяет выбрать способ взрыхляющей промывки: либо всего слоя загрузки (с обязательной последующей двойной регенерацией), либо только верхних слоев ионообменной смолы (при подаче воды на взрыхление через среднее распределительное устройство, которое заглублено в слой ионита).

Наиболее широко известная и апробированная из отечественных противоточных технологий водоподготовки, предложенная потребителям в конце 80-х — начале 90-х годов прошлого века [5, 7, 12], относится по своему техническому уровню именно к данному (первому) поколению технологий противоточной регенерации ионообменной смолы.

Следующим этапом в развитии противоточной технологии водоподготовки стало применение воздушной (пневматической) блокировки слоя ионообменной смолы, что позволило в значительной степени снизить потребление воды на собственные нужды. Конструкции фильтров, последовательность и тип операций при проведении рабочего цикла и регенерации в технологиях с воздушной блокировкой полностью идентичны соответствующим решениям, применявшимся в схемах с гидравлической блокировкой. Отличие состоит лишь в том, что блокировка слоя ионообменной смолы осуществляется не водой, а подаваемым под давлением с большим расходом потоком воздуха.

Недостатками технологий с использованием блокировки обоих видов являются низкое значение коэффициента использования полезного объема фильтра, сложность регулирования технологических параметров и управления технологическими потоками в процессе регенерации ионообменной смолы (особенно вручную), а несомненными достоинствами — возможность проведения взрыхляющих промывок без перегрузки ионита в дополнительную емкость, а также возможность останова и возобновления работы установки водоподготовки в любой момент рабочего цикла.

Еще одним типом противоточной технологии водоподготовки, реализуемой в фильтрах, конструкция которых представлена на рис. 3, является ECONEX с перемещаемым слоем инертного материала [13]. Особенность конструкции такого фильтра по сравнению со стандартным прямоточным состоит в том, что помимо нижнего распределительного устройства аппарат оснащается еще и верхним. Отличительной чертой этой технологии является наличие в фильтре, над слоем активного ионита, плавающей инертной загрузки, которая обеспечивает «зажатое» состояние слоя ионообменной смолы при проведении регенерации.

Рис. 3. Схема конструкции фильтра с перемещаемым слоем инертного материала. Обозначения см. на рис. 1

Рабочий цикл проводится в направлении сверху вниз, а регенерация — снизу вверх. В случае необходимости проведения взрыхляющей промывки слой инертного материала удаляется из рабочего фильтра в дополнительную емкость, а после ее завершения возвращается в рабочий фильтр для проведения регенерации (как минимум двойной). Возможность проведения взрыхляющей промывки ионообменной смолы непосредственно в рабочем фильтре является несомненным достоинством рассматриваемой технологии водоподготовки, существенно повышающим ее толерантность к присутствию взвешенных твердых веществ в обрабатываемой воде. К недостаткам можно отнести: низкое значение коэффициента использования полезного объема фильтра, так как значительный объем фильтра заполнен инертной загрузкой; включение в технологическую схему дополнительной емкости для гидроперегрузки ионообменной смолы; сложность автоматизации процесса работы установки из-за необходимости тщательного контроля за отсутствием остатков перегружаемого инертного материала в запорно-регулирующей арматуре; дополнительные расходы воды на собственные нужды и реагентов на проведение двойных регенераций.

Революционным прорывом в противоточных технологиях водоподготовки стала SCHWEBEBETT , разработанная и предложенная к внедрению компанией BAYER в 60—70-е годы прошлого века [14], Впервые было предложено заполнить активной ионообменной смолой практически весь объем фильтра. В его верхней части (непосредственно между ионообменной смолой и верхним распределительным устройством) размещается относительно узкий (до 300 мм высотой) слой плавающего инертного материала, поэтому меж ду смолой и этим материалом остается небольшая зона свободного пространства (необходимая для «дыхания» ионообменной смолы при переходе из одной рабочей формы в другую). По технологии SCHWEBEBETT регенерация ионообменной смолы проводятся сверху вниз, а рабочий цикл - снизу вверх (рис. 4).

Рис. 4. Схема конструкций SCHWEBEBETT. Обозначения см. на рис. 1

Рис. 5. Схема конструкций фильтров для технологий LIFTBETT, RINSEBETT и MULTISTEP. Обозначения см. на рис. 1

Начиная с 70-х годов прошлого века в мире было создано около 4 тыс. промышленных установок водоподготовки для деминерализации воды (с технологической цепочкой; основанной на схеме Н—ОН), использующих технологию SCHWEBEBETT .

Простота проведения регенераций по рассматриваемой технологии не вызывает сомнений, однако в некоторых случаях могут возникать осложнения в режиме рабочего цикла фильтра. Во-первых, чтобы исключить (или по возможности минимизировать) вероятность транспортировки катионитной мелочи (возникающей при разрушении зерен ионообменной смолы в процессе эксплуатации) в фильтр с анионитом, инертный материал подбирался таким образом, чтобы воспрепятствовать выносу из фильтра практически любых дисперсий (взвесей). Во-вторых, вследствие гидроклассификации наиболее крупные (и тяжелые) зерна ионообменной смолы сосредотачиваются в донной части фильтра, а наиболее мелкие (и, соответственно, легкие) — в верхней. В результате в рабочем цикле при подаче исходной воды, содержащей взвеси, снизу вверх взвешенные вещества распределяются по всей высоте слоя ионообменной смолы.

Совокупность изложенных факторов приводит к тому, что взвеси практически не вымываются из фильтра, их количество возрастает от цикла к циклу, что приводит к росту гидравлического сопротивлений фильтра и ухудшению качества регенерации ионообменной смолы.

Чтобы решить эту проблему потребителю необходимо:

• либо наладить работу предочистки (например, осветлителей и фильтров) таким образом, чтобы практически исключить присутствие взвесей в воде, поступающей на ионирование (что в условиях России до пос леднего времени или являлось недостижимой мечтой, или требовало резкого увеличения капитальных и/или эксплуатационных затрат на предочистку);
• либо периодически очищать ионообменную смолу от взвесей: перегружать ее в дополнительную емкость, проводить взрыхляющую промывку, загружать в технологический фильтр и осуществлять двойную регенерацию (что также приводит к дополнительным затратам реагентов и воды на собственные нужды).

Именно из результатов анализа опыта эксплуатации SCHWEBEBETT был сделан вывод о том, что при использовании противоточной технологии необходимо предъявлять значительно более жесткие требований к качеству предочистки по сравнению с прямоточной.

В третьих, необходимо поддерживать слой ионообменной смолы в «зажатом» состоянии на протяжении всего рабочего цикла. Для этого нужно соблюдать определенное минимальное значение расхода обрабатываемой воды и не допускать произвольных остановов и пусков фильтра в работу.

Специалисты BAYER достаточно быстро осознали недостатки, присущие технологии водоподготовки SCHWEBEBETT . Поэтому в результате работ по ее совершенствованию (с конца 60-х н до начала 80-х годов прошлого века) появились технические решения для противоточной регенерации, запатентованные под названиями UFTBETT , RINSEBETT и MULTISTEP (последняя раз работка предназначалась главным образом для финишной очистки деминерализованной воды). На рис 5 представлены конструктивные особенности фильтров, предназначенных для реализации указанных процессов. Фильтр, применяемый для технологии UFTBETT, представляет собой двухкамерную конструкцию (что увеличивает стоимость его изготовления на 30...50 %), в которой верхняя камера практически полностью заполнена активной ионообменной смолой, а нижняя - не более чем на 50 % полезного объема. В верхних частях обеих камер располагается плавающая инертная загрузка. Обрабатываемая вода поступает сначала в нижнюю, а затем в верхнюю камеры. Регенерация осуществляется в обратном направлении — сверху вниз. Благодаря тому, что объем загрузки ионообменной смолы в нижней камере фильтра не превышает 50 % ее объема, в ней можно проводить взрыхляющую промывку слоя смолы. Обвязка фильтра дает возможность перегрузки ионообменной смолы из верхней камеры в нижнюю (для удаления взвесей и мелочи из слоя смолы взрыхляющей промывкой материала, находящегося в нижней камере). Кроме того, недостатком данной технологии водоподготовки (помимо удорожания конструкции) является необходимость установки арматуры на соединительных трубопроводах между камерами, так как обеспечение надежной и бесперебойной ее работы в присутствии транспортируемой твердой фазы — весьма непростая задача в условиях промышленной эксплуатации.

Использование технологии водоподготовки LIFTBETT по сравнению со SCHWEBEBETT позволяет отказаться от жестких требований к качеству предочистки воды, однако необходимы существенно большие капитальные затраты на ее реализацию. Кроме того, значение коэффициента полезного использования объема фильтра значительно ниже, а конструкция и эксплуатация — сложнее.

Технология RINSEBETT предназначена (по мнению разработчиков) для реализации в фильтрах диаметром до 2 м [15]. Кроме среднего распределительного устройства эти фильтры оснащаются еще и перфорированной пластиной, которая размещается над ним, но при этом находится под слоем ионообменной смолы толщиной 0,25...0,30 м. Перфорированная пластина вместе с размещенным выше слоем ионообменной смолы призвана обеспечивать неподвижность слоя в течение рабочего цикла, когда обрабатываемая вода подается в фильтр снизу вверх. Регенерация проводится в обратном направлении.

Несмотря на то что эта технология обеспечивает возможность взрыхлять слой ионообменной смолы непосредственно в фильтре (преодолевается тем самым один из недостатков, присущих SCHWEBEBETT ), она не получила широкого распространения из-за сложности как конструктивной, так и эксплуатационной. Кроме того, RINSEBETT уступает технологии SCHWEBEBETT по значению коэффициента использования полезного объема фильтра.

Специалистами компании Rohm & Haas также была предпринята попытка усовершенствовать технологию SCHWEBEBETT , результатом чего явилась технология водоподготовки AMBERPACK [16]. Конструкции фильтров, предназначенных для ее реализации, практически ничем не отличаются от таковых для SCHWEBEBETT (хотя в 90-е годы прошлого века Rohm & Haas заявила о возможности отказа от плавающего инерта, если для загрузки применять монодисперсные ионообменные смолы), но в состав установки промышленной водоподготовки обязательно включается дополнительная емкость для выносной отмывки ионита от взвесей. В оригинальной запатентованной технологии предполагалось, что в процессе работы из верхней части фильтра ионообменная смола будет отбираться в емкость для отмывки, а отмытая смола — возвращаться в нижнюю часть рабочего фильтра. На практике же специалисты Rohm & Haas рекомендуют осуществлять выносную промывку слоя ионообменной смолы по мере необходимости, т.е. при возрастании гидравлического сопротивления фильтра (в точном соответствии с регламентом, разработанным для технологии SCHWEBEBETT ).

Необходимо отметить, что агрессивный маркетинг компании Rohm & Haas для продвижения технологии водоподготовки (а, по сути, торговой марки) AMBERPACK приносит свои плоды. Так, в публикациях последних лет даже маститые отечественные авторы [17], описывая современные противоточные технологии водоподготовки, упоминают AMBERPACK и UPCORE , но при этом незаслуженно обходят молчанием SCHWEBEBETT , являющуюся подлинным прототипом всех современных технологий противоточной регенерации с «зажатым» слоем ионообменной смолы.

Во второй части настоящей статьи, которая будет опубликована в № 11 за 2006 г ., проанализированы технологии противоточной регенерации, получившие развитие в течение последней четверти века, определены области и конкретные задачи, для которых возможно однозначно выбрать оптимальную технологию, сформулированы требования, позволяющие достичь максимальной эффективности при использовании противоточной регенерации ионообменной смолы, и обозначены принципы построения современных технологических схем водоподготовки для умягчения и деминерализации воды в энергетике и промышленности.

Список литературы

• Strauss S.D. Consider upflow regeneration as demineralization alternative // Power. 1995. July. P. 43—44.

• Beltle C, Lisson C. A Comparison of Three Different Counterflow Regeneration Systems in a 640 m³/ h Water Plant // IWC-97-16, Internationa! Water, July 2002.

• Громов С.Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE : промывка взрыхлением // Теплоэнергетика. 1998. № 3. С. 52—55.

• Громов С.Л. Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в СНГ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1998. Кй 12. С. 47—48.

• Юрчевский Е.Б., Яковлев А.В. Внедрение технологии проти-воточного ионирования на базе реконструкции установленного обору­дования // Энергосбережение и водоподготовка. 1998. № 1. С. 52—59.

• Внедрение противоточной технологии UPCORE фирмы «Дау Кэмикал» (США) на ВПУ по обессоливанню ТЭЦ-12 МОСЭНЕРГО / И.И. Боровкова, И.С. Бадаев, С.Л. Громов и др. // Электрические станции. 2000. № 5. С. 29—31.

• Алексеева Т.В., Федосеев Б.С. Совершенствование техники ионного обмена на основе противоточной технологии // Энергетик. 2001. №7. С. 17—19.

• Гришки А.А., Малахов И.А., Ларин Б.М. Экологические проблемы ионообменных технологий на ТЭС // Сб. материалов меж-дунар. конф. «Экология энергетики». М.: Изд-во МЭИ. 2000. С. 131—332.

• Опыт применения технологии противоточного натрий-катио-нирования в котельных / Э.Г. Амосова, П.И. Долгополов, Н.В. Пота­пова и др. // Сантехника. 2003, Хе 2. С. 28—31.

• Красильннков М.Д. Противоточная технология обработки воды // Вода и экология. 2005. № 2. С. 39—41.

• Ларин Б.М., Бушуев Е.Н., Бушуева Н.В. Технологическое и экологическое совершенствокание водоподготовительных устано­вок на ТЭС // Теплоэнергетика. 2001. N° 8. С. 23—27.

• Патент РФ № 1372711, Способ регенерации ионнтного фильтра / Д.Л. Цырульников, Е.Б. Юрчевский, А.В. Яковлев и др. // Изобретения. 1996.

• Патент ФРГ Jft 1807694 W . Lux . 1968.

• Патент ФРГ М 1442689. F . Martinda, G. Siegers. 1963.

• Брннгс Б. Технологические схемы ионообменной очистки во­ды // Индустрия напитков. 2004. № 4. С. 55—61.

• Патент EPV № 0142359 А2. A . D . Pnmac , J . Dobias . 1985.

• Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. М.: Изд-во МЭИ, 2003.