Технологии противоточного ионирования
Опубликовано: 18 августа 2010 г.
235
А. Калинин
Надежность работы энергетического оборудования электростанций непосредственно связана с качеством подпиточной воды паровых котлов. Для подпитки котлов высоких параметров в основном используется обессоленная вода, при получении которой широко применяется технология ионного обмена по схеме двух- или трехступенчатого химического обессоливания исходной воды на базе параллельноточных ионитных фильтров.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Специфика параллельноточного ионирования – пропуск в одном направлении исходной воды и регенерационного раствора. Параллельноточные фильтры загружены ионитом на 2/3 полезного объема. При такой технологии, когда направления потоков обрабатываемой воды и реагента совпадают (сверху вниз), нижние, наиболее «ответственные» за глубину умягчения слои ионита регенерируются раствором с высоким содержанием удаляемых ионов и низким содержанием регенерата. В таком случае для эффективной регенерации нижних слоев ионита требуются высокие избытки регенерационного раствора. Указанные избытки реагентов в результате регенерации попадают в сточные воды, повышая тем самым их минерализацию. Допустимые скорости фильтрования на параллельноточных фильтрах не превышают 20 м/ч.
Водоподготовительные установки с параллельноточными фильтрами в настоящее время из-за больших производственных затрат считаются устаревшими.
Одним из основных направлений снижения удельных расходов реагентов, сокращения металлоемкости оборудования и объемов сброса солевых сточных вод является применение технологии противоточного ионирования.
Эффект улучшения качества фильтрата и снижения расхода реагентов при «противотоке» достигается за счет того, что в первую очередь свежим раствором регенерируются наименее загрязненные выходные слои смолы. При этом избыток реагента в этих слоях, обеспечивающий глубину очистки воды, превышает расчетные в несколько раз. Кроме того, по мере продвижения регенерационного раствора в более истощенные слои создается равновесие между концентрацией десорбируемых ионов в растворе и слое, что исключает нежелательные повторные процессы сорбции-десорбции, характерные для «параллельнотока».
Использование «противотока» в одну ступень позволяет получить минимальную остаточную концентрацию катионов и анионов. Причем нарастание последней идет плавно по мере истощения материала загрузки. При «параллельнотоке» минимальное и сравнительно высокое содержание удаляемых солей в обрабатываемой воде достигается уже при 40–60 % истощения материала загрузки и далее резко возрастает.
Для реализации преимуществ противоточного ионирования необходимо обеспечить неподвижность слоя ионита во время рабочего цикла и регенерации, одновременно позволяя ему расширяться в период взрыхления. Нарушение распределения слоев смолы служит причиной серьезного ухудшения качества фильтрата и нивелирования эффекта противоточной технологии.
В настоящее время на практике применяется ряд систем противоточного ионирования, предусматривающих подачу обрабатываемой воды как сверху вниз, так и в противоположном направлении.
Одной из первых запатентованных противоточных технологий была технология «Швебебет» (Schwebebett) фирмы Bayer (Германия). Здесь обрабатываемая вода в фильтре направляется снизу вверх, регенерационный раствор – сверху вниз. Фильтр практически полностью заполняется смолой, чтобы предотвратить ее слишком большое разжижение. Часть свободного объема фильтра заполняется инертным материалом, предотвращающим засорение колпачков верхней дренажной системы мелкими частицами смолы, часть – остается свободной.
Данная технология отличается компактностью и эффективностью, но ей присущи и недостатки. Так, необходимо постоянное прижатие слоя к верхней дренажной системе, т. е. поддержание постоянного расхода воды, поступающего на фильтр. В противном случае наблюдается ухудшение качества обработанной воды. Последнее весьма существенно, так как одной из специфических особенностей эксплуатации отечественных установок обессоливания воды является значительное колебание нагрузок в течение суток.
Кроме того, необходимы регулярные взрыхляющие промывки. Если предварительно не взрыхлить и не отмыть слой ионита, мелкие гранулы и загрязнения, скапливающиеся в верхней части слоя, могут быть унесены во время рабочего цикла в следующий фильтр или потребителю. Взрыхление вынужденно проводится в специальной емкости.
При необходимости осуществить в одном фильтре и катионирование, и анионирование, то есть двухслойное фильтрование, требуется секционировать фильтр распределительными тарелками.
Разработанная компанией Rohm and Haas (США) система «Амберпак» (Amberpack) по направлению движения потоков аналогична описанной выше, но предусматривает загрузку всего объема фильтра смолой. Размеры и загрузка фильтра таковы, что смола заполняет его полностью, поэтому отпадает необходимость осуществлять давление снизу вверх или загружать в фильтр инертный уплотняющий материал.
Фильтры «Амберпак» могут иметь многокамерную конструкцию для загрузки слабых и сильных смол в одну колонну без риска их смешивания, оставаясь при этом очень простым в эксплуатации. Камеры отделены друг от друга промежуточными колпачковыми платами, разработанными таким образом, чтобы обеспечить необходимое распределение жидкостей как в рабочей фазе, так и в ходе регенерации, хотя скорости потоков этих процессов обычно значительно отличаются. Концепция «Амберпак» предоставляет большие возможности в комбинировании смол.
Основной недостаток данной системы – высокая чувствительность к содержанию взвешенных веществ в исходной воде.
Приблизительно десять лет назад фирма Dow Chemical (США) по голландскому патенту разработала технологию противоточного ионирования UP.CO.RE. (Upfllow Courtercurrent Regeneration: противоточная регенерация восходящим потоком, далее – АПКОРЕ).
В фильтре, где реализуется эта технология, обрабатываемая вода движется сверху вниз, регенерационный раствор – снизу вверх (рис. 1). Так как во время рабочего цикла вода движется сверху вниз, то слой ионита остается зажатым при любых колебаниях нагрузки, даже при полном прекращении подачи воды. Таким образом, хорошо регенерированный слой ионита в нижней части фильтра не разрушается.
Перед подачей в фильтр регенерационного раствора слой ионита в течение нескольких минут большим потоком воды поднимается вверх – до соприкосновения с инертным материалом. Верхнее дренажно-распределительное устройство прикрыто и как бы погружено в слой плавающего слоя инертного материала. Через этот слой свободно проходят вода, взвешенные примеси, ионитная «мелочь», а целые гранулы ионита, которые поток – в отсутствие «инерта» – мог бы унести из фильтра, задерживаются.
Регенерационный раствор пропускается снизу вверх с такой скоростью, что поднятый в предыдущей операции слой ионита остается прижатым к слою инертного материала. Две эти операции, помимо своих прямых функций, отменяют необходимость взрыхляющей промывки.
Важная особенность технологии АПКОРЕ – возможность осуществления послойной загрузки анионитов в одном фильтре без каких-либо разделяющих устройств. За счет специального подбора слабоосновного и сильноосновного анионитов с соответствующими значениями плотностей слой слабоосновного анионита всегда сохраняет свое положение над слоем сильноосновного анионита, защищая последний от отравления органическими веществами. Наконец, простота технологии, универсальность конструкции позволяют использовать стандартные параллельноточные фильтры для противоточного фильтрования, заменяя только внутренние дренажно-распределительные устройства.
Основной недостаток данной системы – высокая чувствительность к содержанию взвешенных веществ в исходной воде. Компанией Purolite (США) предлагается реконструкция имеющегося фильтровального оборудования с переводом в режим противоточного ионирования по схеме «Пьюропак» (Puropack).
В данной схеме фильтрация производится снизу вверх, регенерация – сверху вниз, зажатие слоев происходит между двумя ложными днищами (рис. 2).
Положительные особенности технологии: сбор обрабатываемой воды и распределение регенерационного раствора происходит наиболее равномерно, поскольку фронт прохождения воды или раствора плоский (прямой), тем самым достигается максимальное использование материала; минимальное потребление воды на вытеснение остатков регенерационного раствора и отмывку ионитов; простота обслуживания установки.
Недостатки метода схожи с недостатками технологий «Амберпак» и «Швебебет».
При всех «плюсах» и «минусах» представленных технологий выбор между ними необходимо осуществлять применительно к каждому конкретному объекту.
Общим для фирменных противоточных технологий, предлагаемых зарубежными производителями (Bayer, Dow Chemical, Purolite, Rohm and Haas), является полное заполнение внутреннего объема фильтра ионообменными смолами монодисперсного класса, либо смолами и специальными инертными материалами, препятствующими расширению фильтрующего слоя в восходящем потоке.
Взрыхляющая промывка ионитов проводится через 20–30 циклов фильтрования, после отгрузки части ионитов или инертного материала в специальную емкость. Для уменьшения числа взрыхляющих промывок концентрация взвеси в обрабатываемой воде должна ограничиваться величиной, близкой к содержанию взвесей в водопроводной воде. Это требование вынуждает реконструировать предочистку, так как обычно концентрация взвеси перед ионообменными фильтрами в несколько раз превышает это значение.
Отметим: обычно в рекламных проспектах изготовителей удельные расходы реагентов для регенерации фильтрующих материалов указываются близкими к стехиометрическим. Однако в технических предложениях, применительно к конкретным водоисточникам, удельные расходы кислоты и едкого натра задаются значительно выше. Это ограничивает использование данных предложений и вынуждает изыскивать технические решения, учитывающие специфику отечественных ВПУ.
Тем не менее описанные в статье и некоторые неупомянутые свойства противоточных технологий обеспечивают следующие преимущества, по сравнению с параллельноточной схемой:
• уменьшение количества эксплуатируемых фильтров в 1,5–2,5 раза (скорость фильтрования воды до 40–50 м/ч);
• снижение расхода реагентов;
• увеличение рабочей обменной емкости фильтра за счет свойств ионитов и возможности почти полностью заполнять фильтр ионитом;
• уменьшение расхода воды на собственные нужды и, следовательно, количества сточных вод;
• нормативное качество обработанной воды, получаемое при одноступенчатом фильтровании.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #5(39) 2007