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 [19]

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 между 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).

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.

8.2. Ионообменная смола "Ультраион А"

[19]

Заключение

На базе анализа свойств ионообменных смол с однородным (монодисперсным) гранулометрическим составом и аспектов их применения в технологиях водоподготовки сделан вывод о существенных выгодах использования таких ионообменных смол.

Около 15 лет назад компания DOW CHEMICAL первой среди компаний, выпускающих ионообменные смолы, предложила своим потребителям новое поколение ионитов - ионообменные смолы с однородным гранулометрическим составом зерен (с монодисперсным распределением зерен ионообменной смолы по размерам), полученным по о собой технологии производства, а не методами тривиального рассева.

В настоящее время DOW выпускает монодисперсные ионообменные смолы трех основных классов; DOWEX MARATHON , DOWEX MONOSPHERE и DOWEX JPCORE MONOSPHERE .

Специальная технология синтеза монодисперсных ионообменных смол, разработанная DOW , позволяет:

-получить зерна с любым средним медианным размером в диапазоне от 300 до 1000 мкм;

-лимитировать максимальное отклонение диаметра зерна ионообменной смолы от среднего медианного размера для 95 % общего числа зерен в любой выборке пределами от -30 до +30 мкм;

-исключить присутствие разрушенных и треснувших зерен в синтезированной ионообменной смоле;

-обеспечить близкие к абсолютно возможным гомогенность структуры и изомерность свойств зерна ионообменной смолы;

-значительно повысить механическую прочность зерен, определяемую тестами на раздавливание и истирание;

-существенно улучшить осмотическую стабильность зерен ионообменной смолы;

-повысить химическую стойкость (устойчивость ионообменной смолы к окислению);

-повысить устойчивость ионообменной смолы к отравлению органикой и другими веществами.

Однако объективное заключение о происхождении ионообменной смолы, обладающей однородным гранулометрическим составом, может быть получено только на основе комплексного анализа ее структуры и свойств.

Следствием монодислерсного гранулометрического состава является более низкое значение гидравлического сопротивления слоя монодисперсной ионообменной смолы по сравнению со стандартной полидисперсной, характеризуемой тем же значением эффективного диаметра зерна. Кроме того, средний эффективный диаметр зерна для стандартных ионообменных смол полидисперсного гранулометрического состава лежит в пределах 700 - 800 мкм, в то время как DOW выпускает подавляющее большинство монодисперсных ионитов с диаметром зерна в диапазоне 500 - 650 мкм. Благодаря этому существенно увеличивается площадь поверхности межфазного контакта при осуществлении ионообмена, а также значительно улучшается его кинетика, обусловленная резким возрастанием скорости процессов диффузии, которая находится в обратнопропорциональной зависимости от диаметра зерна. Сочетание указанных факторов обуславливает существенные преимущества монодисперсных ионообменных смол в условиях, когда требуется проводить обработку высокоскоростных потоков или потоков с широким диапазоном измененирасходных характеристик.

Применение монодисперсных ионообменных смол в обессоливающих воду установках в зависимости от конкретных условий позволяет снизить удельный расход реагентов на регенерацию на 10-20 % без снижения качестве обработанной воды или сокращения фильтроцикла.

Очень важным представляется то обстоятельство, что монодисперсные ионообменные смолы проявляют более высокую устойчивость к отравлению органикой и другими потенциально вредными соединениями, содержащимися в обрабатываемой воде. Объяснением служат приводившиеся выше доводы об увеличении удельной площади поверхности ионообменной смолы в единице объёмной загрузки и, как следствие, о снижении удельного количества сорбируемых загрязнений в единице поверхности смолы, равно как и фактор более полной и быстрой регенерируемости более мелких зерен.

Несмотря на изложенное, некоторые отечественные специалисты склонны считать, что преимущества монодисперсных ионообменных смол становятся существенными только в условиях высокоинтенсивных технологий водоподготовки (к которым относят процессы противоточной регенерации, конденсатоочистку, применение ФСД и др.) и практически никак не проявляются в стандартных прямоточных (параллельноточных) схемах установок водоподготовки, предназначенных для обессоливания или умягчения воды. Чтобы убедиться в обратном достаточно обратиться к отечественным нормативам ежегодной досыпки катионитов и сильноосновных анионитов (исключим из рассмотрения этот показатель для слабоосновных анионитов, чтобы не делать картину совсем трагичной). В зависимости от конкретных условий эксплуатации этот показатель колеблется в среднем в пределах 7-10%. Для стандартных полидисперсных ионообменных смол срок эксплуатации не превышает 10 лет. Таким образом, в обычных условиях за десятилетний период, принимая во внимание объем досыпки и процесс естественного старения ионообменной смолы, требуется, как минимум, произвести полную замену всего объема первоначальной загрузки. В соответствии с данными эксплуатации монодисперсных ионообменных смол производства DOW на западных установках водоподготовки, в течение 8-12 лет не производилось никаких досыпок вообще! Другими словами, благодаря комплексу механических, осмотических и химических характеристик срок службы этих ионитов оказывается не менее чем в 2 раза выше, чем срок службы их стандартных аналогов!

Одной из важных стадий для нормального проведения процесса регенерации является взрыхляющая промывка. Очевидно, что для повышения эффективности очистки слоя ионообменной смолы от загрязнений скорость взрыхляющего потока должна быть максимальной, но не превышающей определенного значения, чтобы не вынести из фильтра относительно мелкую часть рабочей фракции смолы (примем в качестве ограничивающего диаметр зерен, равный 350-400 мкм). При этом надо иметь в виду, что при взрыхлении происходит практически псевдоожижение (взвешивание) слоя ионообменной смолы. Причем для материалов полидисперсного гранулометрического состава сначала происходит взвешивание мелких фракций, которые способствуют более быстрому (т.е. при относительно меньшей скорости несущего потока) переходу во взвешенное состояние крупных фракций посредством передачи им части своего импульса. Как указывалось выше, предел существования взвешенного слоя ионообменной смолы в фильтре определяется скоростью уноса, рассчитанной для наиболее мелкой фракции

Очевидно, что для фракции смолы со средним медианным размером 500 мкм, скорость потока, при которой может наблюдаться унос, оказывается на 20 % выше (а для фракции 600 мкм - на 26 % выше!), чем для смолы, включающей фракцию 350 мкм.

Таким образом, применение ионообменной смолы монодисперсного состава позволяет существенно увеличить линейную скорость потока при взрыхлении, повышая тем самым эффективность удаления из слоя смолы имеющихся загрязнений.

Рассматривая всю совокупность преимуществ, которые могут быть получены при эксплуатации монодисперсных ионообменных смол, можно сделать вывод о целесообразности их применения и в стандартных отечественных установках промышленной водоподготовки.

Список литературы

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

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

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

4. 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.

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

6. 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.

7. 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.

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

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

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

11. Патент ФРГ Jft 1807694 W . Lux . 1968.

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

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

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

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

16. http://www.engineeringsystems.ru

17. http://evrovoda.by

18. http://www.nwr.ru

19. http://www.mediana-filter.ru

20. http://www.energokaskad.com

Размещено на http://www.allbest.ru/