Особенности практической реализации эффективных ионообменных систем

Жадан А.В. ЗАО «НПК Медиана-Фильтр»

Ионный обмен является одной из наиболее старых и часто используемых технологий для полной и частичной деминерализации воды, а также для селективного удаления ионов из водных растворов.

На страницах научно-технических изданий, на семинарах и конференциях часто возникают дискуссии о преимуществах противоточной регенерации по сравнению с параллельноточной и преимуществах различных технологий противоточной регенерации по сравнению друг с другом. Как правило, каждая из сторон, участвующих в обсуждении, стремится доказать, что оптимальной является именно та технология, которая была разработана, реализована или применяется данной стороной. Отдельные публикации, касающиеся сравнения работы различных технологий, хотя и являлись достаточно объективными, но, либо носили характер частных случаев для конкретных условий эксплуатации [1], либо ограничивались констатацией самых общих положений [2–5], без проведения глубокого анализа, потому применимость таких статей в качестве универсальной методики для оценок является спорной.

Согласно оценкам зарубежных аналитиков, по всему миру работают более пяти тысяч установок водоподготовки, работающих по противоточной технологии ионного обмена. Около четырех тысяч установок работают по технологии разработанной немецкой компанией Bayer AG и называемой “Schwebebett” [6], около семисот – по технологии, патент на которую принадлежит американской компании Dow Chemicals, “UPCORE ” [7] и порядка шестисот приходится на долю всех остальных противоточных технологий вместе взятых. Цель настоящей статьи состоит в проведении анализа слабых сторон двух наиболее распространённых технологий противоточного ионного обмена, выдаче рекомендаций по устранению или минимизации влияния таких недостатков, а также выдача рекомендаций по областям применения этих технологий водоподготовки. Технические и экономические преимущества противоточных методов регенерации по сравнению с параллельноточной известны давно, широко освещены в научных и технических изданиях [8, 9] и поэтому в рамках данной статьи параллельноточный метод регенерации рассмотрен не будет.

Одним из основных недостатков технологии Schwebebett является её нестабильная работа в условиях часто изменяющегося расхода воды или в условиях частых остановов. Смола, находящаяся во взвешенном состоянии, нуждается в постоянном восходящем потоке жидкости, удерживающим её в зажатом состоянии и предотвращающим смешение слоёв смолы и разрушение зоны с высокой степенью регенерации, являющейся основным преимуществом всех противоточных ионообменных технологий. Восходящий поток должен обеспечивать минимальную скорость движения в фильтре, которая зависит от плотности смолы и температуры самой жидкости. При температуре воды 20 °С эта скорость составляет 10–15 м/ч для катионитов и 8–12 м/ч для анионитов. Единственным способом решения этой проблемы является рециркуляция части потока фильтрата после анионитного фильтра в начало обессоливающей установки. В зависимости от конфигурации системы такую рециркуляцию с минимальными капитальными затратами можно осуществить следующими способами.

При наличии ёмкости хранения подготовленной фильтрованной воды, из которой осуществляется подача на ионообменную установку, самым простым решением является возврат части потока воды, обеспечивающего минимальную необходимую скорость потока в фильтре. Трубопровод возвратной воды необходимо оборудовать электронным расходомером (рис. 1,а), а при разработке АСУ ТП необходимо предусмотреть вычитание зафиксированного расхода возвращённой воды из общего расхода воды, обработанного за фильтроцикл. Таким образом, удастся избежать перерасхода реагентов, вызванного преждевременной регенерацией по количеству обработанной воды.

а)

Принципиальные схемы технологии Schwebebett с рециркуляцией части обессоленной воды:

б)

Принципиальные схемы технологии Schwebebett с рециркуляцией части обессоленной воды:

в)

Принципиальные схемы технологии Schwebebett с рециркуляцией части обессоленной воды:

Рис. 1. Принципиальные схемы технологии Schwebebett с рециркуляцией части обессоленной воды:

а) при использовании бака и насоса осветленной воды; б) при использовании бака декарбонизированной воды; в) при отсутствии баков и насосов в схеме;
1 – противоточный Н-катионированный фильтр; 2 – противоточный ОН-анионитный фильтр; 3 – бак осветленной воды; 4 – бак декарбонизованной воды; 5 – линия рециркуляции воды; 6 – байпасная линия; 7 – ловушка ионитов; 8 – осветленная вода; 9 – обессоленная вода

При отсутствии ёмкости подготовленной фильтрованной воды, что в современных установках далеко не редкость, циркуляцию следует осуществлять при помощи насосов декарбонизатора (рис. 1,б). Как и в предыдущем случае, часть обрабатываемой воды возвращается по линии 5 для поддержания минимальной скорости восходящего потока. Для отмывки цепочки ионитовых фильтров в замкнутом контуре декарбонизатор следует оборудовать второй байпасной линией 6. По той же линии возможна рециркуляция потока воды в цепочке при кратковременном прекращении подачи воды потребителю, при этом исключается насыщение обессоленной воды свободной углекислотой в декарбонизаторе и, как следствие, преждевременное исчерпывание ионообменной способности анионитового фильтра. Наличие двух байпасных линий позволяет сократить расход воды на регенерацию до минимума, необходимого для разбавление реагентов с товарной концентрации до рабочей и вытеснения отработанного раствора реагента из ионита.

Лишь при отсутствии, как бака фильтрованной воды, так и декарбонизатора возникает необходимость в установке дополнительных циркуляционных насосов (рис 1,в). Как и в предыдущем случае, эти насосы используются для отмывки цепочек по замкнутому контуру для сокращения потребления воды на собственные нужды. Таким образом, включение насосов в работу происходит не только при расходах, недостаточных для поддержания загрузки в зажатом состоянии, но и при осуществлении некоторых этапов регенерации.

На основании испытаний проведённых нами на пилотной установке (рис. 2), на которой отрабатывалась технология Schwebebett была исследованна зависимость минимальной скорости восходящего потока воды от температуры, для катионита марки MonoPlus S 100, представленная на рис. 3. Пилотная установка, на которой проводились испытания представляет прозрачный цилиндрический корпус с внутренним диаметром 200 мм и высотой 1200 мм , расположенный вертикально. В нижней части корпуса расположена сборно-распределительное устройство в виде щелевого колпачка с размером щелей 0,2 мм. Оно соединено с обвязкой фильтра пластиковой восходящей трубкой диаметром 20 мм . Через нижнее распределительное устройство осуществляется подача подготовленной фильтрованной воды и отвод отработанного регенерационного раствора. В верхней части корпуса размещено второе распределительное устройство, идентичное первому. Высота слоя загрузки ионообменным материалом марки MonoPlus S 100 составляет 1500 мм и объёмом 30 л . Верхняя часть корпуса установки заполнена инертным материалом – гранулированным полиэтиленом, который защищает верхнее распределительное устройство. Производительность установки составляет 1 м 3 /ч. Точность измерения используемых при проведении испытаний приборов составляет 3 %.

Рис. 2. Внешний вид лабораторной установки

Зависимость минимально необходимой скорости восходящего потока воды от температуры для поджатия слоя катионита

Рис. 3. Зависимость минимально необходимой скорости восходящего потока воды от температуры для поджатия слоя катионита

Представленную на рис. 3 зависимость можно описать приближенной формулой:

[ м/ч ] , (1)

где V min – минимальная скорость восходящего потока, м/с; t – температура воды в ° C

Произведя несложные математические преобразования и отнеся потребление электроэнергии к объёмному расходу через фильтр, выраженному как произведение площади фильтра S на номинальную скорость фильтрации V n получим зависимость удельного потребления электроэнергии на 1 м³ обработанной воды от температуры:

[кВт ч/м³]. (2)

На рис. 4 показаны кривые зависимости потребления электроэнергии на собственные нужды установки Schwebebett в зависимости от температуры и номинальной рабочей скорости фильтрации V n , рассчитанные при высоте подъёма циркуляционного насоса 20 м . Из рис. 4 следует, что реализация технологии Schwebebett осложняется с увеличением температуры обрабатываемой и снижением рабочей скорости в фильтре. Одновременно с этим наблюдается увеличение удельных затрат электроэнергии.

Зависимость удельного потребления электроэнергии на собственные нужды установки противоточного ионирования от температуры и скорости фильтрации воды

Рис. 4. Зависимость удельного потребления электроэнергии на собственные нужды установки противоточного ионирования от температуры и скорости фильтрации воды

Ещё одним недостатком технологии с восходящим рабочим потоком является более быстрое ухудшение качества обессоленной воды, связанное с перекрёстным загрязнением смол ионитной мелочью смолы другого типа. Практика показывает, что такую проблему можно прекрасно решить, используя ловушки ионита с рейтингом фильтрации не более 100 мкм. Такие решения, как правило, не приводят к удорожанию установки, но значительно повышают её надёжность. Необходимо лишь помнить, что введение трубопроводов рециркуляции отмывочных вод и возврата части потока для поддержания взвешенного слоя обеспечивало прохождение потока воды через ловушку ионита при всех технологических операциях, как это показано на рис. 1,б и 1,в.

Противники технологии UPCORE в основном аргументируют свою позицию, большим расходом воды на собственные нужды и необходимостью увеличения диаметров трубопроводов подачи воды на зажатие ионита и отвода регенерационных стоков. Расчёт насосов собственных нужд на максимальный расход при зажатии слоя загрузки приводит к увеличению капитальных затрат на насосную станцию и эксплуатационных расходов за счёт увеличения потребления электроэнергии. Такое увеличение расхода электроэнергии становится весьма заметным при наличии нескольких рабочих линий с коротким фильтроциклом.

Эффективное решение проблемы высоких капитальных затрат на трубопроводы и насосы собственных нужд представляется при реализации коллекторной схемы установки. Причем, для сокращения расхода отмывочных вод катионитный и анионитный фильтры оборудуется байпасной линией в обход коллектора, позволяющей проводить отмывку в замкнутом контуре. Вода для зажатия слоя подаётся из коллектора подготовленной воды в обход ловушек смолы, как это показано на рис. 5. То есть подача воды на зажатие по существу осуществляется насосами исходной воды для катионитных фильтров и насосами декарбонизованной воды для анионитных. Такое решение позволяет эффективно избавиться от «лишних» трубопроводов и сократить расчётный расход насосной станции собственных нужд.

Рис. 5. Принципиальная схема технологии UPCORE с байпасными линиями :

1 – противоточный Н-катионированный фильтр; 2 – противоточный ОН-анионитный фильтр; 3 – осветленная вода; 4 – обессоленная вода; 5 – линия п одачи воды на зажатие слоя ионита; 6 – линия циркуляционной отмывки

Потребление воды на собственные нужды на зажатие и регенерацию, как и в случае технологии Schwebebett зависит от температуры и диаметра фильтра

Для сокращения общего расхода воды на собственные нужды (настоящее решение с успехом может и должно быть реализовано для любой ионообменной установки) целесообразно возвращать сточные воды, образующиеся в результате зажатия, на повторное использование, подавая их в осветлитель или в коллектор перед механическими фильтрами. И в первом и во втором случае целесообразно использовать промежуточную емкость для предотвращения залповых колебаний расхода. Данную рекомендацию следует с особенной осторожностью применять на осветлителях, работающих без дополнительного замутнения воды, например на нереконструированных осветлителях со слоем взвешенного осадка. Для дальнейшего сокращения потребления воды на собственные нужды трубопровод напорных дренажей оборудуется кондуктометром (или другим подходящим прибором) и необходимой арматурой, позволяющей отводить условно чистые регенерационные стоки на повторное использование. Помимо общего сокращения расхода воды на собственные нужды такое решение позволит сократить и капитальные затраты, путём уменьшения объёма ёмкости для нейтрализации. Настоящее решение с успехом было реализовано и применяется на установке водоподготовки ТЭЦ-11 ОАО «Иркутскэнерго» в Усолье-Сибирском.

Отождествление противоточных ионообменных фильтров, работающих с нисходящим рабочим потоком, в которых используется послойная загрузка с самой технологий UPCORE с является ошибочным [11], поскольку послойная загрузка является лишь дополнительным преимуществом противоточной технологии с нисходящим рабочим потоком, но никак ни абсолютным условием реализации технологии UPCORE. Поэтому, для действительно объективного сравнения двух технологий необходимо сравнивать фильтры одинаковой конструкции, то есть двухкамерные фильтры Schwebebett с двухкамерными фильтрами UPCORE. К большому сожалению, некоторые производители ионообменных смол умышленно забывают об этом и получают крайне искажённые результаты сравнения, показывающие неоправданное увеличение диаметров фильтров и «катастрофический» расход воды на собственные нужды.

При выборе технологии регенерации необходимо сравнивать и учитывать целые ряд показателей, к важнейшим из которых относятся производительность установки водоподготовки и качество исходной воды [10–12]. Особенности технологии “S chwebebett ” к значительному скоплению взвешенных веществ в нижних слоях фильтрующее загрузки, что ведёт к необходимости регулярной отмывки ионитов в отдельной ёмкости. Эта особенность технологии “S chwebebett ” заставляет использовать более сложные технологии в качестве предварительной подготовки, такие как ультра- и микрофильтрация. Следует отметить, что при правильно сконструированных (нижняя распределительная система в виде ложного днища с колпачками) и правильно загруженных (трёхслойная загрузка общей высотой не менее 1700- 1800 мм ) многослойных фильтрах достигается требуемое для технологии “S chwebebett ” качество воды, о чём свидетельствую многочисленные референцные объекты за рубежом. Технология UPCORE позволяет более высокое содержание взвешенных частиц, так как они аккумулируются, главным образом, в верхней части фильтрующей загрузки и более легко могут быть удалены из фильтра во время регенерации. Внедрение профессионально исполненных современных аппаратов и технологий предварительной очистки позволяет достичь качества осветлённой воды, удовлетворяющей требованиям обоих технологий.

При строительстве систем с производительностью, изменяющейся в широком диапазоне, систем с большим резервом производительности, а также систем с большим количеством работающих технологических линий (цепочек) с нашей точки зрения предпочтение стоит отдавать технологиям, близким к UPCORE. Эти технологии выглядят более предпочтительными и при реконструкции существующих прямоточных ионообменных установок или при строительстве новых систем с низким уровнем автоматизации. Относительно высокая стоимость электроэнергии также может выступать аргументом против внедрения технологии Schwebebett.

Технологии, близкие к Schwebebett прекрасно зарекомендовали себя на небольших установках (большинство зарубежных установок) с одной работающей и одной резервной цепочкой. Технология Schwebebett может оказаться более экономичной и сточки зрения капитальных затрат при обессоливании вод с низким солесодержанием. Так на Ангарской ТЭЦ-2 внедрение технологии UPCORE привело бы к увеличению объёма засыпки катионита на 50   % по сравнению с объёмом смолы, достаточным для технологии Schwebebett, с целью достижения минимального времени контакта в 15 минут и при условии соблюдения концентрации рабочего раствора соляной кислоты на уровне не мене 4,5 %, а следовательно и к соответствующему увеличению затрат на строительство.

Для успешной реализации проекта с внедрением противоточных ионообменных систем мало правильного выбора технологии и понимания ионообменных процессов. Необходим правильный подбор насосов, арматуры и контрольно-измерительных приборов, правильная трассировка трубопроводов. Разработка программ для управления технологическим процессом ионного обмена требует не только профессионализма в области программирования, но и глубочайшего понимание технологического процесса всей водоподготовительной установки, включая вспомогательные системы, и многолетний практический опыт.

Таким образом, успешное применение ионообменного процесса зависит исключительно от квалификации и опыта компании – разработчика всей системы водоподготовки. Только за счёт профессионализма компаний, имеющих в своём потенциале решения, позволяющие создать единую работоспособную автоматизированную систему, можно получить результат, сочетающий в себе низкие капитальные и эксплуатационные затраты с надёжностью и удобством в обслуживании.

Список литературы

1. Strauss S.D. Consider upflow regeneration as demineralization alternative // Power, 1995, July, p. 43–44

2. Beltle C., Lisson G. A Comparison of Three Different Counterflow Regeneration Systems in a 640 m3/h Water Plant // IWC-97-16, International Water, July 2002

3. Громов С.Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE: промывка взрыхлением // Теплоэнергетика». 1998, № 3, с. 52–55

4. Громов С.Л. Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в СНГ // Химическое и нефтяное машиностроение, 1998, № 12, с. 47–48

5. Цырульников Д.Л., Юрчевский Е.Б., Яковлев А.В., Алексеева Т.В., Остроухов Л.Л. Способ регенерации ионитного фильтра – Патент РФ № 1372711, 1996

6. Юрчевский Е.Б., Яковлев А.В. Внедрение технологии противоточного ионирования на базе реконструкции установленного оборудования // Энергосбережение и водоподготовка, 1998, № 1, с. 52–59

7. Внедрение противоточной технологии UPCORE фирмы «Дау Кэмикал» (США) на ВПУ по обессоливанию ТЭЦ-12 МОСЭНЕРГО / И.И. Боровкова, И.С. Балаев, С.Л. Громов и др. // Электрические станции», 2000, № 5, с. 29-31

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

9. Гришин А.А., Малахов И.А., Ларин Б.М. Экологические проблемы ионообменных технологий на ТЭС // Сб. материалов междунар. конф. «Экология энергетики», МЭИ, 2000, с. 131-132

10. Опыт применения технологии противоточного натрий-катионирования в котельных / Э.Г. Амосова, П.И. Долгополов, Н.В. Потапова и др. // Сантехника», 2003, №2, с. 28-31

11. Красильников М.Д. Противоточная технология обработки воды // Вода и экология, 2005, № 2, с. 39-41

12. Ларин Б.М., Бушуев Е.Н., Бушуева Н.В. Технологическое и экологическое совершенствование водоподготовительных установок на ТЭС // Теплоэнергетика, 2001, № 8, с. 23-27

(c) 2010 НПК "Медиана - фильтр"
Все права защищены.