Принципы проектирования ионообменных установок

Основные принципы

Здесь вы не найдёте полного руководства по проектированию. Только несколько общих рекомендаций для обеспечения экономичности и хорошей производительности ионообменной системы, а также простой, но подробный пример.

Авторитетные компании по водоподготовке имеют свои собственные технологии и методы проектирования. На этой странице мы рассмотрим основные параметры для проектирования ионообменной установки:

• Анализ исходной воды
• Производительность (расход)
• Продолжительность цикла
• Требуемое качество обработанной воды
• Технология регенерации
• Размеры сосудов
• Выбор типов смол

Эта страница в основном посвящена системам деминерализации, но большинство принципов и рекомендаций применимы к другим процессам ионного обмена: умягчению, декарбонизации, удалению нитратов и т.д.

Анализ исходной воды

Пример сбалансированного анализа

Все ионообменные системы проектируются для определённой исходной воды. Некоторые вариации анализа допустимы и должны учитываться, но ионообменная система не может быть эффективно спроектирована для совершенно разных типов воды. Например, система деминерализации для глубокой скважины полностью отличается от системы для пермеата обратного осмоса.

Первое, что нужно сделать — получить надёжный анализ воды. Подробности приведены на странице анализа воды.

Когда анализ воды непостоянен (например, из-за сезонных колебаний), не берите «средний состав» за основу проекта. Вместо этого используйте «наиболее вероятный» случай, проектируйте по нему, и на втором этапе проверьте, что произойдёт с «минимальной» и «максимальной» водой. Все анализы воды должны быть идеально сбалансированы.

Производительность (расход)

Важно знать, будет ли система работать с постоянным или переменным расходом. Некоторые конструкции требуют минимального расхода (например, Amberpack™). Очевидно, система должна работать при обоих пределах.

В целом не рекомендуется работать прерывисто, т.е. останавливать производство посреди цикла и перезапускать его. Качество обработанной воды может ухудшиться после остановки без последующей регенерации.

Продолжительность цикла

Короткое время цикла желательно в большинстве случаев. Практический предел — производственный цикл должен быть как минимум равен времени регенерации. Поскольку большинство систем регенерируется автоматически, длительность цикла не обязательно должна быть «минимум один день», как было правилом десятилетия назад, когда утренняя смена регенерировала вручную каждый день в 7 часов. Эффективные системы были спроектированы со временем работы всего 3 часа.

Пределы времени работы также связаны с кинетикой смолы. При чтении технических данных смолы вы обычно увидите, что удельный расход при водоподготовке должен составлять от 5 до 50 объёмов слоя в час (м³/ч на м³ смолы).

При низкой солёности воды (например, хороший пермеат ОО) время работы может составлять несколько дней. Полировочные смешанные слои после первичной деминерализации работают несколько недель до регенерации.

Качество обработанной воды

В ионном обмене качество обработанной воды не сильно зависит от анализа исходной воды. Факторы, влияющие на качество, в основном связаны с процессом регенерации.

В незначительной степени температура может влиять на остаточную утечку кремнезёма: при температуре выше ~50°C кремнезём практически не удаляется сильноосновными анионообменниками (SBA).

Технология регенерации

За исключением очень малых установок (и декарбонизации только с WAC смолой), установки всегда должны проектироваться с противоточной регенерацией. Уплотнённые колонны особенно полезны, так как обеспечивают компактную и экономичную конструкцию с очень хорошим качеством воды. Они обычно рассчитаны на короткие циклы.

Amberpack™ и плавающий слой

Загрузка снизу вверх, регенерация сверху вниз. Рабочий расход должен быть достаточно высоким для поддержания компактности слоя. Для SAC смол (с наибольшей удельной массой) линейная скорость должна составлять 25-70 м/ч (при ~20°C). Другие смолы с меньшей удельной массой компактируются при меньшем расходе, минимум около 16 м/ч.

Upcore™ и аналогичные

Загрузка сверху вниз, регенерация снизу вверх. Расход регенерации должен быть достаточно высоким для компактации слоя. Это достигается следующими приёмами:

• Начальный короткий этап компактации при ~30 м/ч перед подачей регенеранта
• Снижение концентрации регенеранта для подачи кислоты при ≥7 м/ч в SAC и щёлочи при ≥5 м/ч в анионите
• Возможное сокращение времени контакта

Размеры сосудов

Сравнение колонн

Для заданного объёма смолы обычно дешевле сделать высокую и узкуюколонну, чем широкую и короткую: на иллюстрации обе колонны содержат одинаковый объём смолы. Колонна B дешевле, потому что основные затраты — это днища и дренажные пластины.

Нет ограничений по высоте, кроме того, что перепад давления при максимальном расходе не должен превышать 100-150 кПа (1-1,5 бар) на чистых смолах.

Выбор смолы

Необходимо обращаться к производителю смолы. Однако можно дать несколько общих рекомендаций:

• Макропористые смолы обычно не требуются для деминерализации или умягчения
• Исключение: все стирольные WBA смолы макропористые
• Специальные размеры частиц требуются в зависимости от технологии:
  • Однородные или полуоднородные смолы необходимы для уплотнённых слоёв
  • Специальные марки для стратифицированных слоёв (Stratabed™, Stratapack™)
  • Специальные марки для смешанных слоёв
• При высоком содержании органики в воде акриловые анионообменники — хороший выбор

Примерный расчёт вручную

Вы можете сделать приблизительный расчёт вручную даже без компьютерной программы. Результаты могут быть точны лишь на 20%, но дадут представление. В любом случае, это хорошее упражнение для понимания основных принципов.

Этот расчёт применим для умягчителей и простых линий деминерализации, включающих одну колонну SAC, опциональный дегазатор и одну колонну SBA.

Пример расчёта

Схема SAC + дегазатор + SBA

1. Анализ воды [мэкв/л]:

2-4. Расчёт:

• C_c = 4,8 мэкв/л
• HCO₃ = 2,9 мэкв/л → рекомендуется дегазатор
• Остаточный CO₂ после дегазатора = 0,25 мэкв/л
• C_a = 1,1 + 0,6 + 0,2 + 0,25 = 2,15 мэкв/л

5-6. Время цикла и производительность:

• Время работы t = 12 ч
• Расход f = 60 м³/ч
• Производительность Q = 60 × 12 = 720 м³

7-9. Ионная нагрузка и объём смолы:

• Катионная нагрузка = 4,8 × 720 = 3456 экв
• Анионная нагрузка = 2,15 × 720 = 1548 экв
• V_SAC = 3456 / 1,0 = 3456 л
• V_SBA = 1548 / 0,5 = 3096 л

10. Удельный расход:

• SAC: 60 / 3,456 = 17,4 BV/ч ✓
• SBA: 60 / 3,096 = 19,4 BV/ч ✓

Amberpack, Upcore, Stratabed и Stratapack являются товарными знаками компании Dow Chemical.