Ионообменные колонны

Введение

Ионообменные смолы используются в колоннах, в принципе аналогичных тем, что используются для песчаных фильтров или активированного угля. Это напорные ёмкости, обычно из стали с резиновым покрытием. Небольшие установки изготавливаются из стеклопластика, а установки в пищевой промышленности часто делают из нержавеющей стали. Типичная ионообменная колонна с прямоточной регенерацией представлена ниже:

Некоторые пояснения к деталям на рисунке:

• Вода входит сверху колонны. Чтобы не нарушать поверхность слоя смолы, входящий поток воды останавливается простым отбойником струи.
• Колонна имеет большое свободное пространство, обычно примерно такой же высоты, как слой смолы, чтобы смолу можно было взрыхлять внутри колонны для удаления взвешенных веществ, накопившихся на поверхности слоя.
• Люк (показан слева) необходим для осмотра и возможного ремонта внутренней части колонны.
• Также показаны два смотровых стекла: одно сверху, одно на уровне поверхности слоя смолы.
• Воздушник также необходим сверху для опорожнения колонны путём слива воды для осмотра или замены смолы.
• Одной из важнейших частей ёмкости является коллектор внизу: в настоящее время одним из самых популярных типов коллекторов является плита с плотно распределёнными форсунками (см. внизу страницы).
• Усиленная плита — стальной диск, к которому крепятся форсунки.
• Она поддерживается стойками или уголками (здесь видны две стойки).
• Распределитель регенеранта иногда — но не всегда — монтируется в середине ёмкости для обеспечения равномерного распределения регенеранта. При отсутствии такого коллектора регенерант вводится сверху колонны, что приводит к некоторому разбавлению химикатов.

Большинство элементов вышеуказанной колонны (воздушник, смотровые стёкла, плиты с форсунками, люк) общие для многих типов колонн, регенерируемых прямотоком или противотоком. Здесь вы найдёте наиболее распространённые конструкции ёмкостей, используемые в водоподготовке, включая:

• Колонны со свободным пространством
  • Ёмкости с прямоточной регенерацией
  • Противоточная регенерация с воздушным удержанием
  • Противоточная регенерация с водяным удержанием
  • Колонны Stratabed
  • Колонны с разделённым потоком
• Колонны с уплотнённым слоем
  • Amberpack^TM и плавающие слои
  • Многосекционные Amberpack
  • Upcore^TM (Amberpack Reverse)
  • Stratapack^TM
• Некоторые другие технологии
  • Econex^TM (Italba)
  • ReCoFlow^TM (Ecotec)
  • ISEP^TM (Calgon Carbon)
• Полировщики
  • Фильтры смешанного действия
  • Triobed^TM
  • Amberpack Sandwich^TM
  • Multistep^TM (Bayer)
  • Tripol^TM (Vivendi/Permutit)

Слой должен быть уплотнён

Слой смолы псевдоожижается (взрыхляется) только для двух целей:

1. Для удаления частиц смолы и посторонних частиц с поверхности слоя и разуплотнения слоя после длительного периода работы.
2. Для разделения смол перед регенерацией в смешанном слое или разделения сильной и слабой смолы в Stratabed.

Во всё остальное время слой не должен псевдоожижаться. Просто посмотрите на рисунок: если слой смолы псевдоожижён, ионы могут найти путь между гранулами смолы, не приближаясь достаточно близко для обмена. В уплотнённом слое ионы вынуждены касаться гранул. Это справедливо как во время рабочего цикла, так и во время регенерации. Рисунки изображают колонну, работающую в режиме «плавающего слоя» (см. ниже). Слева расход недостаточен для достижения уплотнения слоя.

Колонны со свободным пространством

Главное преимущество наличия свободного пространства в ёмкости — возможность взрыхления смолы. Это полезно, когда исходная вода содержит взвешенные вещества. Недостаток колонн со свободным пространством — потеря места и сложные или хрупкие внутренние устройства.

Ёмкости с прямоточной регенерацией
См. рисунок в начале страницы. Прямоточные колонны истощаются сверху вниз и регенерируются также сверху вниз.
Свободное пространство обеспечивает место для взрыхления слоя смолы при необходимости.

Ёмкости с противоточной регенерацией с удержанием
См. страницу о методах регенерации. Ёмкости с противоточной регенерацией (ПтР) со свободным пространством аналогичны по концепции установкам с прямоточной регенерацией (ПТР), за исключением коллектора регенеранта наверху слоя смолы. Они истощаются нисходящим потоком и регенерируются восходящим. Слой должен оставаться уплотнённым и не должен псевдоожижаться во время регенерации. По этой причине регенерант не может отводиться сверху колонны, а должен извлекаться через коллектор непосредственно над слоем смолы. Два основных типа колонн с технологией удержания уплотняются воздухом или водой. Поскольку слой должен оставаться уплотнённым во время регенерации, требуется дополнительная смола для покрытия коллектора. Это может быть инертная или неактивная смола (см. ниже).
На следующих рисунках некоторые детали опущены, такие как смотровые стёкла, клапаны, воздушники и люки. Они по существу те же, что показаны на рисунке прямоточной колонны в начале этой страницы.

Ёмкости с воздушным удержанием

В работе

При регенерации

Рисунок выше показывает базовую конструкцию в работе и при регенерации. Ёмкость аналогична установке с прямоточной регенерацией. Инертный гранулированный материал прижимает слой вниз во время регенерации под давлением воздуха. Инертный материал обычно полипропилен, который всплывает, когда верхняя часть ёмкости заполнена водой, и опускается, когда она заполнена воздухом. Важно, чтобы сам слой смолы не высыхал, поэтому инертная смола предотвращает контакт между воздухом и активной смолой.
Вместо подачи воздуха в установку (при этом сжатый воздух часто тёплый), можно также отсасывать жидкость с помощью гидроэжектора. В этом случае, поскольку тенденция к обезвоживанию смолы ниже, для покрытия коллектора регенеранта вместо инертного материала можно использовать ионообменную смолу.
Воздушное удержание подходит для расходов регенерации до 10 м/ч, т.е. хорошо для регенерации серной кислотой при низкой концентрации.
Глубина инертной или неактивной смолы должна быть достаточной для покрытия коллектора регенеранта как в начале, так и в конце регенерации; при определении объёма необходимо учитывать набухание смолы.

Ёмкости с водяным удержанием

В работе

При регенерации

Они такие же, как установки с воздушным удержанием, за исключением того, что противодавление, необходимое во время регенерации, создаётся потоком воды сверху, а не воздухом. В этом случае коллектор регенеранта погружён в слой смолы. Часть смолы, расположенная над коллектором, никогда не регенерируется и поэтому называется «неактивной». Другой недостаток этой системы — она потребляет больше воды в процессе регенерации и производит больший объём отходов. В Европе установки с водяным удержанием не были очень популярны по этой причине.
Установки с водяным удержанием могут работать только при очень низких расходах регенерации, иначе гидравлическая система нестабильна.
Расход удерживающего потока вниз должен быть отрегулирован в зависимости от расхода подачи регенеранта вверх, плотности регенеранта, плотности смолы и допустимого времени контакта, которое не должно быть слишком большим для регенерации серной кислотой. Хотя это не правило, кажется, что расход удержания часто равен расходу раствора регенеранта. Инертный материал не требуется. Объём смолы должен рассчитываться с учётом количества неактивной смолы, которая должна всегда покрывать коллектор.

Установки с уплотнённым слоем

Они не имеют свободного пространства — хотя небольшое пространство должно быть оставлено для набухания смолы — и внутренних устройств, которые препятствуют гидравлическому потоку и могут быть легко повреждены. Ёмкости, таким образом, меньше и дешевле, а глубина смолы обычно больше, чем в колонне со свободным пространством. Это даёт преимущество для сильнокислотных и сильноосновных смол, которые имеют более высокую рабочую ёмкость при большой глубине слоя. Кроме того, нет необходимости в неактивной смоле, хотя плавающий слой Bayer и Upcore Dow используют инертный материал. Конечно, смолу больше нельзя взрыхлять на месте из-за отсутствия свободного пространства. В большинстве случаев необходима отдельная колонна для взрыхления.

Некоторые другие технологии

Многие OEM имеют собственные фирменные конструкции. Здесь будут упомянуты лишь некоторые.

Полирующие установки

Существует в основном два типа полировщиков, используемых при обессоливании воды и очистке конденсата:

1. Установки со смешанными смолами
2. Установки с раздельными смолами, в одной или нескольких ёмкостях

Tripol^TM
Система с раздельными слоями смол в одной колонне, разработанная Permutit (ныне Veolia). Регенерация внешняя: катиониты переносятся в отдельную колонну регенерации. Нижняя смола переносится первой, затем верхняя смола поверх неё. Поэтому смола из нижней секции получает максимум кислоты и всегда идеально регенерирована. Эта система используется для очистки конденсата.

Multistep^TM
Это инвертированный Tripol, запатентованный Bayer AG и работающий в режиме плавающего слоя. Регенерация на месте. Конечно, кислота должна обходить анионит, поэтому нужны два дополнительных коллектора/распределителя. Кислота идёт сверху, извлекается через коллектор непосредственно под верхней секцией, затем повторно вводится через второй распределитель непосредственно под анионитной секцией. Требуется инертный материал.

Раздельные колонны
Комбинация СКК и СОА в раздельных колоннах с прямоточной регенерацией была первым типом полирования, установленным даже до того, как смешанные слои стали популярными.
В Германии несколько полировщиков конденсата были установлены с этой концепцией, но колонны имеют тип плавающего слоя для максимизации эффективности и качества.

Смолы, используемые в полировщиках с раздельным слоем
Поскольку большинство из них — установки с уплотнённым слоем, рекомендуются однородные марки. Для полировщиков обессоливания стандартный выбор — гелевый тип. Для полировщиков конденсата рекомендуется гибридная комбинация гелевый катионит/макропористый анионит.

Конструкционные материалы

Нажмите на маленькие картинки.

В лаборатории стеклянные колонны используются для испытания смол или контроля качества. См. лабораторные испытания.	Небольшие установки обычно изготавливаются из стеклопластика. См. также SDI.
Промышленные установки изготавливаются из стали с внутренним покрытием из твёрдой резины.	В пищевой промышленности и некоторых других отраслях ионообменные колонны часто изготавливаются из нержавеющей стали.

Размер колонн

Большинство промышленных ионообменных колонн имеют диаметр от 0,5 до 3,2 м. Иногда строят более крупные ёмкости диаметром до 4,0 м, но соотношение сторон слоя смолы (ширина/высота) становится неблагоприятным, и должны быть установлены очень точные системы распределения и сбора для обеспечения равномерного потока воды во время работы и регенерации.

Пределы связаны с перепадом давления и линейной скоростью потока. См. размер ёмкости на странице «Принципы проектирования установок». Синие колонны Amberpack^TM выше имеют диаметр 2800 мм и содержат по 10500 л смолы каждая, глубина слоя 1710 мм, при расходе 200 м³/ч на установку (линейная скорость 32,5 м/ч).

Форсунки

Различные рисунки колонн на этой странице показывают разные типы систем распределения и сбора. Плиты, установленные внизу — а иногда и сверху — ёмкостей с качественными форсунками являются эффективными распределителями и коллекторами.

Фрактальное распределение

Фрактальные распределители — интересная инновация. Они создают очень однородный поток, гораздо лучше, чем старомодные системы распределения «коллектор и боковые трубы». Принцип проиллюстрирован на рисунке слева: все распределительные отверстия находятся на точно одинаковом расстоянии от центрального распределительного отверстия. Перепад давления, таким образом, постоянен по всему распределителю. Справа вы видите коммерческий пример диаметром 1200 мм.
Изобретатель и производитель фрактальных распределителей — Amalgamated Research Inc. (ARi). Больше информации можно найти на их веб-сайте.
 

Ловушки смолы

Ловушки смолы должны быть установлены на выходе каждой ёмкости для предотвращения выноса смолы в обработанную воду и попадания катионита в ёмкость с анионитом в случае повреждённых или сломанных форсунок или коллекторов. Чертёж ниже показывает простую ловушку, сделанную из большой форсунки KSH.

Колонна для взрыхления

---

См. также страницу о дегазаторах.

Несколько основных принципов проектирования установок.