Ионообменное оборудование. Прямоточные и противоточные фильтры обработки воды
Эффективность очистки воды и объем отходов, удобство и безопасность обслуживания в значительной мере определяется аппаратурным оформлением процесса водоподготовки.
Разработаны сотни видов ионообменных аппаратов различного типа периодического и непрерывного действия, со сплошным и псевдоожиженным слоями ионитов.
Для водоподготовки используются наиболее простые, дешевые и надежные аппараты, требующие минимального обслуживания. Их технологические характеристики не всегда оптимальны. Однако требования простоты обслуживания и надежности превалируют над экономичностью.
В отечественной водоподготовке применяются только аппараты периодического действия со сплошным слоем ионита типа фильтр. При этом на Западе для водоподготовки для ТЭС уже более 30 лет, а в России в урановом производстве более 50 лет успешно работают высокоэффективные фильтры и установки непрерывного ионного обмена.
Аппараты периодического действия
Аппараты периодического действия характеризуются тем, что все технологические процессы (очистка, взрыхление, регенерация, отмывка) проводятся в одном аппарате.
В отечественной водоподготовке используются только аппараты со сплошным слоем ионитов – фильтры . По направлению взаимного движения очищаемого и регенерирующего растворов они могут быть прямоточными (параллельноточными) и противоточными (противопоточными).
Для сокращения объема отходов (регенератов) используют схемы с фракционированием регенерата и промывных вод.
Прямоточные фильтры
Прямоточные (параллельноточные) фильтры – это наиболее простые аппараты, состоящие из корпуса 1 , снабженного верхним распределительным устройством 6 и нижним дренажным устройством. Последнее представляет из себя коллектор 3 с дренажными колпачками 5 или выполненное из перфорированных дренажных труб. Внутри корпуса находится слой ионита 2 . Он не должен превышать по высоте 0,5–0,7 высоты фильтра, так чтобы при периодическом взрыхлении слоя, когда он расширяется, не было уноса и потерь ионита.
Рис. 1 Стандартный параллельноточный натрий-катионитный фильтр первой ступени ФИПа I -1.5-0.6- Na :
а – внешний вид; б – разрез; в – нижнее колпачковое дренажное устройство;
1 – корпус; 2 – ионит; 3 – коллектор; 4 – бетон; 5 – колпачок; 6 – распределитель
Рядом с фильтром на подводящих трубопроводах устанавливается запорная арматура с ручным, гидро или электроприводом. Технологические показатели таких аппаратов наихудшие.
Работа фильтра состоит из следующих операций:
- очистка воды;
- взрыхление для удаления взвесей;
- регенерация ионита;
- отмывка.
Режимы проведения всех операций рассмотрены ниже.
Отечественной промышленностью серийно выпускаются прямоточные фильтры диаметром 1,0; 1,5 м на Бийском котельном заводе (БиКЗ ) и диаметром 2,0; 2,6; 3,0; 3,4 м на Таганрогском котельном заводе (ТКЗ) «Красный котельщик» .
Блоки управления для ионообменных фильтров близки по конструкции к блокам для механических фильтров, отличаясь введением дополнительных операций подсоса соли или кислоты (щелочи) и, соответственно, внутренних эжекторов, и для процессов умягчения, заполнения умягченной водой бака солерастворителя. Внешне блоки управления практически идентичны. Для процессов обессоливания применяются блоки, имеющие клапана из полимерных материалов, стойких к кислоте и щелочи.
Противоточные фильтры
Противоточные фильтры несколько сложнее прямоточных, но они обеспечивают лучшую эффективность очистки воды и меньшие расход реагентов и объем регенерата. Основной задачей при создании таких фильтров является необходимость обеспечения сплошного слоя и отсутствия его перемешивания при сорбции и регенерации. Это достигается различными методами, которые, как правило, усложняют конструкцию и эксплуатацию оборудования. Поэтому из десятков предлагаемых конструкций в настоящее время крупное промышленное применение нашли только 3 самых отработанных и надежных варианта:
1. Фильтры с очисткой воды сверху вниз, а регенерацией снизу вверх и блокировкой слоя ионита от расширения подачей сверху воды или воздуха. Разработаны фирмой « Steinmulfer GmbH ».
2. Фильтры с очисткой воды снизу вверх, а регенерацией сверху вниз. Разработаны фирмой « B а yer AG ». В настоящее время продвига ются на рынок фирмами « Rohm & Haas » и « Purolite ».
3. Фильтры с очисткой воды сверху вниз, а регенерацией снизу вверх. Разработаны фирмой « Dow Chemical Company ».
1. Фильтры с очисткой воды сверху вниз, а регенерацией снизу вверх и блокировкой слоя ионита от расширения подачей сверху воды или воздуха были разработаны фирмой « Steinmulfer GmbH » в 60-х годах. Это единственный тип противоточного фильтра, освоенный отечественной промышленностью и серийно выпускающийся Таганрогским заводом «Красный котельщик». Такой фильтр состоит (рис 2) из корпуса, верхнего распределительного, среднего сборно-распределительного и нижнего дренажного устройств . Внутри корпуса находится слой ионита. Он должен превышать по высоте на 0,15–0,20 м высоту среднего сборно-распределительного устройства фильтра . Для улучшения качества очистки в зарубежных фильтрах верхняя часть слоя под и над средним дренажем обычно выполнена из инертного материала. Его частицы имеют больший диаметр, чем у ионита, что улучшает условия работы средней дренажной системы .
Рис. 2 Противоточный фильтр со средним дренажным устройством:
1 – корпус; 2 – среднее дренажное устройство; 3 – нижнее дренажное устройство
При очистке воды она подается так же, как и в прямоточном фильтре, – сверху вниз, распределяется по сечению фильтра верхним распределителем, проходит через слой ионита и через нижнее дренажное устройство выводится из аппарата.
При регенерации, для предотвращения псевдоожижения и перемешивания слоев ионита, сверху, противотоком к регенерирующему раствору, подают воздух или блокирующую воду, или регенерат с таким расходом, чтобы предотвратить расширение рабочего слоя. Для подачи регенерата устанавливают дополнительный насос. Поскольку толщина слоя над средним дренажем много меньше толщины рабочего слоя, для создания достаточного усилия, прижимающего слой вниз, расход блокирующей жидкости должен превышать расход регенерирующего раствора в несколько раз. Это крайне неэкономично. Блокировка воздухом предпочтительна, однако необходимо учитывать, что в этом случае все усилия от слоя воспринимаются средним дренажем. Его прочность должна быть высокой.
Фирмой « B а yer AG » в 60-х гг. разработан и запатентован близкий к описанному выше противоточный фильтр под названием «Ринсбед», он отличается наличием специальной решетки, расположенной над средним дренажем и разгружающей его от механических усилий.
Такие фильтры обеспечивают сокращение до 1,5 раз объема регенератов и расхода реагентов, особенно при фракционировании регенерата. В них обеспечивается возможность отмывки слоя ионита от задержанных взвешенных частиц и измельченных ионитов обычным взрыхлением, что обеспечивает возможность переработки мутных растворов.
Работа фильтра состоит из следующих операций:
- очистка воды;
- взрыхление;
- регенерация ионита;
- отмывка.
2. Фильтры с очисткой воды снизу вверх, а регенерацией сверху вниз. Фирмой « B а yer AG » в 60-х гг. разработан и запатентован ряд противоточных фильтров под названиями «Швебебед» и «Лифтбед». Метод регенерации «Швебебед» после окончания действия патента был доработан фирмами « Rohm & Haas » и « Purolite » и предлагается ими в настоящее время под названиями «Амберпак» и «Пьюропак».
Такой фильтр состоит из корпуса (рис. 3), верхнего и нижнего дренажных устройств. Внутри корпуса находится слой ионита и специального плавающего инертного материала. Высота слоя ионита составляет около 0,9 от высоты рабочей зоны. Толщина слоя инерта должна обеспечивать полное закрытие верхнего дренажа.
Очистку воды производят при ее подаче снизу вверх. При этом слой ионита поднимается вверх и вместе со слоем инерта прижимается к верхнему дренажу. В нижней части фильтра образуется слой псевдоожиженного ионита, который является дополнительным распределителем для воды по сечению фильтра. Этот слой работает с раствором максимальной концентрации и полностью насыщается.
В литературе иногда такие фильтры называют фильтрами с псевдоожиженным слоем, но это не совсем корректно.
Для стабильной эффективной работы необходимо обеспечить равномерное распределение раствора по сечению фильтра и предотвратить перемешивание загрузки при работе и при остановках. Поэтому скорость раствора может колебаться от 10–20 до максимальной – 40–50 м/ч. При меньшей скорости слой может оседать и перемешиваться. При эксплуатации этих фильтров нежелательны перерывы в подаче раствора.
Регенерация такого фильтра отличается от прямоточной отсутствием операции взрыхляющей отмывки от взвесей.
Рис. 3. Принцип работы системы Амберпак и Пьюропак:
а – очистка; б – регенерация; в – отмывка ионита от взвесей и измельченных частиц;
1 – корпус; 2 – верхний дренаж; 3 – слой инерта; 4 – ионит; 5 – нижний дренаж
При загрязнении слоя взвесями, обычно нижнего слоя, этот слой выводится из аппарата в специальную безнапорную колонну , где и отмывается. После отмывки он возвращается в аппарат. Одна промывная колонна может быть транспортабельной и обслуживать несколько фильтров.
Наряду с большей эффективностью регенерации ионитов в противотоке преимуществом такой конструкции является существенно большее количество ионита в одном корпусе, что позволяет либо увеличить продолжительность фильтроцикла, либо применять фильтры меньших габаритов.
3. Фильтры с очисткой воды сверху вниз, а регенерацией снизу вверх разработаны фирмой « Dow Chemical Company ». От английского названия процесса – U Р - flow CО untercurrent RЕ generation – образована аббревиатура UPCORE (АПКОРЕ). В нем сочетаются удобство фильтрации сверху вниз, большая загрузка корпуса аппарата ионитом с противоточной регенерацией. Аналогичный процесс предлагает фирма « Rohm & Haas » под названием «Обращенный Амберпак». От АПКОРЕ он отличается наличием системы выгрузки и внешней отмывки ионита, аналогичной Амберпак.
Конструктивно (рис. 4) фильтр близок к предыдущему, однако режимы работы различаются принципиально.
Рис. 4. Принцип работы системы АПКОРЕ:
а – режим сорбции; б – подъем слоя и его отмывка от взвесей; в – регенерация; г – осаждение;
1 – корпус; 2 – верхний дренаж; 3 – слой инерта; 4 – ионит; 5 – нижний дренаж
Очистка воды производится сверху вниз и не вызыва ет трудностей. При наличии в воде взвесей они задерживаются в верхнем слое сорбента.
Первой стадией регенерации является подъем слоя ионита . Для этого в течение 3–5 минут снизу со скоростью 40–50 м/ч подается очищенная вода. Слой ионита поршнем, без перемешивания, поднимается вверх, вместе с инертом прижимается к верхнему дренажу и уплотняется. При этом из верхнего слоя удаляются задержанные ранее загрязнения и мелкие частицы смолы. Затем скорость уменьшается до 5–10 м/ч и начинается последовательно подача регенерирующего раствора и промывочной воды. По окончании промывки подача растворов прекращается, и слою дают свободно осесть . При этом происходит его послойное движение вниз, при котором измельченные фракции оказываются в верхней части слоя и при следующей регенерации удаляются из него.
Проведенные длительные сравнительные технологические испытания 3 типов противоточных установок производительностью по 80 м3 /ч в процессах обессоливания питающей воды для ТЭС показали, что все они имеют близкие технологические показатели.
Выбор способа регенерации может определяться режимом работы установки. При стабильной непрерывной работе оправдано использование «Швебебед», он же «Амберпак» и «Пьюропак». При частых остановках подачи раствора и при наличии в питающей воде взвесей предпочтительнее «АПКОРЕ». Его основной недостаток заключается в необходимости иметь дополнительный насос большой производительности для поднятия слоя в первой стадии регенерации и емкость с соответствующем запасом очищенной воды.