Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE: промывка взрыхлением
Громов С. Л., канд. техн. наук
Рассмотрена технология противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE, "ноу-хау" которой разработано DOW CHEMICAL COMPANY. Продемонстрированы достоинства технологии UPCORE, делающие ее исключительно привлекательной для реконструкции действующих параллельноточных установок водоподготовки в противоточные. Особое внимание уделено заложенному в UPCORE потенциалу эффективной очистки ионообменной смолы от взвесей при проведении процесса регенерации без гидроперегрузок.
Достоинства технологий противоточной регенерации ионообменных смол в водоподготовке общеизвестны и заключаются главным образом в достижении стабильно высокого качества обессоленной/ умягченной воды при одновременном снижении удельных расходов реагентов на регенерацию ионообменной смолы.
Указанные обстоятельства способствуют применению противоточной технологии при проектировании новых или реконструкции действующих установок водоподготовки (ВПУ).
Разработанная компанией DOW CHEMICAL технология противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE вызвала значительный интерес потребителей России и Украины, благодаря, с одной стороны, надежности, высоким эксплуатационным показателям и возможности функционирования в пределах очень широкого диапазона изменения рабочей нагрузки, а с другой - исключительной простоты и низкой стоимости реконструкции существующих отечественных прямоточных (параллельноточных) схем установок водоподготовки в противоточные при внедрении UPCORE.
Рис. 1. Схема технологического модуля установки обессоливания.
1 - сильнокислотный катионит; 2 - слабоосновной анионит; 3 - сильноосновной анионит; 4 - слой плавающей инертной загрузки; 5 - верхнее распределительное устройство; 6 - нижнее распределительное устройство; 7 - полировочная зона (защитный слой).
Типовой технологический модуль обессоливающей установки водоподготовки состоит из двух фильтров (рис. 1), в первом из которых используется сильнокислотный катионит, а во втором - послойная загрузка: слабоосновной - сильноосновной анионит (при этом фильтр не содержит никаких средних распределительных устройств). Подобная схема системы водоподготовки, работающая по технологии UPCORE, позволяет получить обессоленную воду с электропроводностью 0,1-0,2 мкС/см без применения ФСД и при этом обеспечить сокращение удельного расхода реагентов в 2 раза наряду с двукратным увеличением производительности установки водоподготовки по обессоленной воде по сравнению со стандартной прямоточной установки водоподготовки, состоящей по крайней мере из четырех фильтров (с теми же габаритами, что и для UPCORE), смонтированных по схеме двухступенчатого обессоливания воды. К основным особенностям технологии UPCORE можно отнести высокое значение коэффициента использования объема аппарата (активной ионообменной смолой заполнено 80-90 % объема фильтра), наличие верхнего и нижнего распределительных (дренажных) устройств, очень узкой зоны свободного пространства (высотой до 100 мм ) и слоя плавающей инертной загрузки (рис. 2), а также направление потока жидкости при проведении регенерации снизу вверх.
Обработка исходной воды по технологии UPCORE производится аналогично соответствующей стадии обычной прямоточной ионообменной технологии водоподготовки, а стадии процесса регенерации ионообменной смолы по технологии UPCORE существенно отличаются от традиционной процедуры. Схематично поведение слоя ионообменной смолы в процессе работы и при проведении регенерации по технологии UPCORE показано на рис. 3. Первым этапом процесса регенерации ионита по технологии UPCORE является уплотнение (зажатие) слоя смолы, состоящее в поршнеобразном подъеме и при сжатии слоя ионита к плавающей в верхней части фильтра инертной загрузке и осуществляемое при определенных гидродинамических условиях, в которых заключается один из элементов "ноу-хау" рассматриваемой технологии водоподготовки. В то же время по своему функциональному назначению данная операция очень близка к взрыхляющей промывке, так как позволяет эффективно удалять загрязнения воды в виде высокодисперсных взвесей, накопившихся в слое ионообменной смолы. Продолжительность стадии уплотнения составляет 3-5 мин, однако по эффективности очистки воды данный процесс существенно превосходит традиционную взрыхляющую промывку (рис. 4).
Следующей технологической операцией является подача регенерирующих растворов, которая также происходит в направлении снизу вверх. По окончании химической регенерации в том же направлении движения потока проводится стадия вытеснения раствора реагента. По ее завершении прекращается подача потока воды и осуществляется операция осаждения слоя смолы, на которую затрачивается в среднем менее 10 мин.
Рис. 2. Схема конструкции фильтра, используемого по технологии UPCORE.
1 - слой ионообменной смолы; 2 - свободное пространство; 3 - инертная загрузка; 4 - колпачковые тарельчатые распределительные устройства (в зависимости от диаметра фильтра возможно применение распределительных устройств лучевого типа).
Рис. 3. Изменение расположения слоя смолы в фильтре в процессе работы и регенерации.
1 - вода; 2 - элюат на слив; 3 - зажатый слой ионообменной смолы; 4 - свободное пространство; 5 - обрабатываемая вода; 6 - инертная загрузка; 7 - оседающий слой смолы; 8 - реагент.
Рис. 4. Сопоставление эффективности удаления высокодисперсных взвесей из слоя ионообменной смолы при взрыхляющей промывке.
1 - технология UPCORE ; 2 - обычная технология; m - интегральное количество удаленных взвесей, кг; t - продолжительность процесса, мин.
Результатом выполнения указанных выше операций стадии регенерации является тенденция миграции высокодисперсных взвесей в верхнюю зону слоя ионообменной смолы.
Осевший слой ионита подвергается заключительной промывке в направлении сверху вниз потоком воды с расходными параметрами, соответствующими рабочему режиму.
Общая продолжительность регенерации ионообменной смолы составляет, как правило, менее 1,5 ч. Затраты воды на собственные нужды по технологии UPCORE оказываются на 20-25 % ниже, чем для прямоточной (параллельноточной) регенерации при тех же условиях эксплуатации.
Рассмотрим причины, обусловливающие высокую степень эффективности удаления высокодисперсных взвесей во время операции уплотнения (зажатия) слоя ионообменной смолы при проведении процесса регенерации ионита.
При загрузке ионообменной смолы в фильтр (а также в ходе эксплуатации) неизбежно проявляются эффекты гидроклассификации, которые ведут к формированию в верхней части фильтра слоя, состоящего из наиболее мелких фракций ионита. Следовательно, этот слой будет играть роль своеобразного защитного барьера (модель "поверхностного фильтрования"), препятствуя проникновению различных взвесей, поступающих в фильтр в рабочем цикле, в глубинные слои ионообменной смолы. Таким образом, взвеси, подлежащие удалению при проведении регенерации, концентрируются в первую очередь в верхнем слое ионита.
Аналогичная картина наблюдается и при обычной параллельноточной регенерации ионообменной смолы. Однако, если при параллельноточяой технологии высота зоны свободного пространства составляет почти половину высоты фильтра, то при работе по технологии UPCORE она лежит в пределах 10 см и, следовательно, время, необходимое для выноса указанных взвесей из фильтра, сокращается в десятки раз. Кроме того, линейная скорость потока, подаваемого для зажатия слоя по технологии UPCORE, в несколько раз превосходит аналогичный показатель операции взрыхления в условиях обычного процесса регенерации.
Сопоставляя состояние загрузки ионообменной смолы в фильтре для анализируемых процессов, необходимо отметить весьма существенное различие: при обычной взрыхляющей промывке ионит находится в состоянии взвешенного (псевдоожиженного) слоя, а при промывке по технологии UPCORE остается в зажатом состоянии.
Основным фактором, обеспечивающим очистку слоя ионообменной смолы от высокодисперсных загрязнений при промыве взрыхлением, является эффект гидродинамического срыва частиц загрязнений с поверхности зерен ионита [1-3].
Казалось бы, во взвешенном слое создаются более благоприятные условия для удаления загрязнений воды благодаря постоянным столкновениям зерен ионообменной смолы между собой и со стенками фильтра. Однако воздействие эффекта внутрислойного трения на процесс очистки поверхности зерен ионита от загрязнений в виде высокодисперсных взвесей оказывается несопоставимо малым по сравнению с влиянием относительной скорости движения фаз жидкость - твердое тело на границе их раздела [4-6 ], поскольку именно этим параметром определяются гидродинамические условия в пограничной области [7-10 ], а следовательно, и интенсивность удаления загрязнений с поверхности зерна. В то же время по значению относительной скорости движения фаз обычная взрыхляющая промывка в несколько раз уступает соответствующему показателю при проведении операции зажатия слоя по технологии UPCORE .
В самом деле, линейная скорость потока жидкости при постоянном расходе внутри фильтра зависит от площади сечения аппарата. Общеизвестно, что для организованного слоя, состоящего из частиц сфери ческой формы, доля свободного сечения аппарата со ставляет не более 33 % полной площади сечения [8, 9 ]. Следовательно, истинная линейная скорость потока жидкости, движущейся через зажатый слой ионообменной смолы в реальных условиях (при реализации технологии UPCORE ), будет по крайней мере в 3 раза выше расчетной. В то же время при проведении обычной взрыхляющей промывки обеспечивают, как правило, расширение слоя ионообменной смолы на 75-100 %, т.е. доля свободного сечения аппарата увеличивается до 60-70 %, вследствие чего линейная скорость потока жидкости не может превосходить расчетного значения для полного сечения аппарата более чем в 1,5 раза.
Таким образом, относительная скорость движения фаз для промывки по технологии UPCORE должна быть как минимум в 2 раза выше, чем при обычной взрыхляющей промывке. Если же учесть еще и то, что расчетная скорость потока при проведении операции уплотнения по технологии UPCORE превосходит аналогичный показатель для промывки взрыхлением в несколько раз, то значение относительной скорости движения фаз в условиях UPCORE может оказаться в 8-10 раз большим, чем при взрыхлении. При этом не следует забывать, что эффективность удаления загрязнений, находящихся в виде высокодисперсных взвесей на поверхности зерен ионообменной смолы, будет зависеть главным образом от силы гидродинамического сопротивления частиц за грязнений движущемуся потоку жидкости.
Таким образом, очевидным становится тот факт, что сила гидродинамического сопротивления (а соответственно и эффективность удаления загрязнений) находится в прямопропорциональной зависимости от квадрата относительной скорости движения фаз. Следовательно, по эффективности удаления за грязнений в виде высокодисперсных взвесей стадия I уплотнения по технологии UPCORE может превосходить обычную промывку взрыхлением более чем в 100 раз (!), что наглядно продемонстрировано на рис. 4.
Применение рассматриваемой технологии водоподготовки позволяет также отказаться от введения ограничений на предельно допустимую концентрацию взвешенных твердых частиц в исходной воде, подаваемой на ионообменную установку водоподготовки. Речь идет о возможности использования барботажа сжатого воздуха для генерирования локальных турбулентностей, интенсифицирующих процесс очистки в технологии водоподготовки UPCORE, при одновременном сохранении слоя ионообменной смолы в зажатом состоянии. Как показала практика, в этом случае технология UPCORE была эффективной в условиях, когда концентрация взвешенных твердых частиц в обрабатываемой вод, превышала 10 мг/л (однако последнее обстоятельство не может рассматриваться в качестве аргумента, оправдывающего плохую работу предочистки).
Проанализировав изложенное, можно сделать вывод о существенных преимуществах технологии UPCORE, делающих ее исключительно привлекательной для реконструкции действующих установок водоподготовки.