Противоточные технологии ионного обмена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный

университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Уральский энергетический институт

Реферат

на тему: "Противоточные технологии ионного обмена"

Выполнил: Степанов Д.Н.

Екатеринбург 2014 г.

План

Введение

1. Ионитовые фильтры

2. Противоточные фильтры

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Одним из основных направлений снижения удельных расходов реагентов, сокращения металлоемкости оборудования и объемов сброса солевых сточных вод является применение технологии противоточного ионирования. Рассмотрим данную технологию подробнее.

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 "параллельно тока".

Использование "противотока" в одну ступень позволяет получить минимальную остаточную концентрацию катионов и анионов. Причем нарастание последней идет плавно по мере истощения материала загрузки. При "параллельно токе" 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.

1. Ионитовые фильтры

Ионитовые фильтры служат для умягчения воды путем обмена ионов жесткости Сa2+ и Mg2+ на эквивалентное количество ионов Na+или H+, а также ионов кислотного остатка (Cl-, SO42-и др.) на ионы OH- в зависимости от типа фильтра. Ионный обмен, при этом, осуществляется в основном рабочем слое, который занимает небольшой объем от общего объема загрузки. реагент ионитовый катион

Работа ионитового фильтра состоит из двух процессов: ионного обмена и регенерации (восстановления). Ионный процесс завершается при проскоке жесткости, и фильтр останавливается на регенерацию. Регенерация проводится различными веществами:

· В Na-катионитовых фильтрах используется раствор NaCl

· В H-катионитовых фильтрах в качестве регенерационного раствора используют кислоты HCl или H2SO4

· В OH-анионитовых фильтрах используют раствор щелочи NaOH

В зависимости от организации этих двух процессов, ионитовые фильтры можно разделить на параллельно-точные (вода для ионного обмена и регенерационный раствор подаются в одном направлении) и противоточные (встречное направление рег. раствора и исходной воды).

2. Противоточные фильтры

Из лекций нам известно, что противоточная технология имеет несколько модификаций, отличающихся конструкцией фильтров и типом ионообменного материала:

1. Амберпак. Данные фильтры используют смолы типа Амбержет, отличающиеся одинаковой крупностью, вследствие чего скорость фильтрования увеличивается.

2. UPCORE (АПКОРЕ). Фильтры этого типа используют специальный тип ионитов, выбор которых шире, чем для Амберпака.

При подготовке к данной работе из статей нам удалось узнать более подробное описание противоточных фильтров:

1. Технология "Швебебет" (Schwebebett) фирмы Bayer (Германия).

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.

2. Система "Амберпак" (Amberpack) компании RohmandHaas (США).

Данная система аналогична технологии "Швебебет", 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.

3. Технология АПКОРЕ (UP.CO.RE - Upflow Countercurrent Regeneration: противоточная регенерация восходящим потоком) фирмы DowChemical.

В фильтре, где реализуется эта технология, обрабатываемая вода движется сверху вниз, регенерационный раствор - снизу вверх. 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.

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 параллельно-точные фильтры для противоточного фильтрования, заменяя только внутренние дренажно-распределительные устройства.

Основной недостаток данной системы - высокая чувствительность к содержанию взвешенных веществ в исходной воде.

Достоинствами данных систем, по сравнению с параллельно-точными являются:

· 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.

Однако, как уже упоминалось ранее, у всех этих фильтров есть один общий недостаток - высокая чувствительность к взвешенным веществам в исходной воде. Соответственно, при переходе на противоточные фильтры, необходимо повысить эффективность работы предочисток за счет модернизации установленного оборудования, совершенствования технологических процессов и использования современных фильтрующих материалов (для механических фильтров).

Данный подход в свою очередь вызывает дополнительные затраты на модернизацию ВПУ, что соответственно приводит к увеличению лимитированного срока окупаемости затрат.

В одной из статей представлены результаты внедрения ЗАО "Энергокаскад" противоточной технологии АПКОРЕ на химводоочистке (ХВО) ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат" (НЛМК) с альтернативным решением вышеуказанных проблем.

С целью защиты сильнокислотного катионита от загрязнения взвешенными веществами и оксидами железа (неэффективный режим работы осветлителей), а также для продления срока службы ионитов предусматривается дополнительная загрузка в противоточный фильтр (по технологии АПКОРЕ) слоя гранулированного сополимерастирола и дивинилбензола (ДВБ), который располагается между слоем катионита и слоем плавающего инертного фильтрующего материала. Высота слоя сополимера стирола и ДВБ составляет примерно 300 мм, а высота свободного пространства (между слоем сополимера и слоем инертного материала) - 50-100 мм. При этом не перемешивание слоев катионита и сополимера обеспечивается значительной разницей в их плотностях: плотность сильнокислотного катионита -1,20-1,28 г/см ³, плотность сополимера стирола и ДВБ - 1,05 г/см ³.

Гранулированный сополимер стирола и ДВБ - высокомолекулярное соединение гелевой структуры, вещество в виде гранул сферической формы с размером зерна 0,8-2 мм. Насыпная масса сополимера 580-600 кг/м 3, плотность 1,05 г/см 3. Сополимер не растворим в воде, растворах кислот и щелочей, не токсичен, не оказывает вредного действия на организм.

Добавление слоя сополимера привело к тому, что уже не было необходимости в реконструкции осветлителей и механических фильтров, что значительно снизило затраты на модернизацию.

Всего нами было найдено 5 статей, в которых описываются различные технологии противоточного ионирования, приводятся примеры лабораторных испытаний фильтров, а также описывается опыт их применения на производстве.

В нашем домашнем задании №1, связанном с проектированием ВПУ, мы могли бы внедрить модернизированную противоточную технологию АПКОРЕ с дополнительной загрузкой слоя сополимера стирола и ДВБ для механической очистки вместо выбранных прямоточных Na-катионитовых фильтров. Это позволило бы:

· снизить перепад давления в противоточном фильтре при очистке воды нисходящим потоком с данной загрузкой материалов, либо повысить его производительность на 20-30 % по сравнению с фильтром, загруженным только катионитом (АПКОРЕ).

· защитить катиониты от загрязнения (взвесь, оксиды железа), что приведет к увеличению их срока службы, а также снизить их механическое разрушение за счет снижения гидравлического сопротивления (перепад давления), так как основную нагрузку (до 90 %) по сопротивлению всей загрузки фильтра принимает лобовой (верхний) слой высокопрочного сополимера высотой 300 мм;

· уменьшить расход реагентов в четыре раза,

· уменьшить количество фильтров (с двух ступеней по 4-5 фильтров до одной ступени из 3-4 фильтров), что значительно уменьшит стоимость ВПУ

· сократить расход воды на собственные нужды в 10 раз, что в свою очередь уменьшит стоки.

Заключение

В настоящее время в условиях реструктуризации энергетики и повышения конкурентоспособности предприятий наиболее актуальной проблемой становится модернизация существующего оборудования ТЭС, АЭС и промышленных предприятий с целью снижения эксплуатационных затрат и, соответственно, себестоимости производимой продукции.

В области водоподготовки перспективным направлением является перевод существующих водоподготовительных установок (ВПУ), работающих по методу ионного обмена, на противоточный принцип ионирования воды, что позволяет в 2-3раза снизить себестоимость получаемой на ВПУ обессоленной или умягченной воды.

В то же время финансирование работ по реконструкции ВПУ осуществляется, как правило, по "остаточному" принципу при обязательном обеспечении срока окупаемости затрат на реконструкцию менее 3-х лет.

Нельзя не отметить также тот факт, что осветленная вода на предочистке ВПУ (осветлители, механические фильтры) не в полной мере отвечает требованиям к качеству воды, поступающей на последующую ионообменную установку, что приводит к ухудшению технологических характеристик работы ВПУ и к увеличению эксплуатационных затрат. Таким образом, при внедрении практически любой противоточной технологии ионирования необходимо предварительно повысить эффективность работы предочисток за счет модернизации установленного оборудования, совершенствования технологических процессов и использования современных фильтрующих материалов (для механических фильтров).

Данный подход в свою очередь вызывает дополнительные затраты на модернизацию ВПУ, что соответственно приводит к увеличению лимитированного срока окупаемости затрат.

Список используемой литературы

1. Журнал "Аква-Терм", 2007, №5(39), с 31-33. Водоснабжение и водоподготовка. Технология противоточного ионирования (А. Калинин)

2. Опыт внедрения технологии противоточного натрий-катионирования при одновременной очистке от взвешенных веществ // "Энергосбережение и водоподготовка", 2004, №5, с 19-22.(Балалаев И.С.)

3. Внедрение противоточной технологии химобессоливания UPCORE на ВПУ Новгородской ТЭЦ // "Энергосбережение и водоподготовка", 2005, №4, с 3-5

4. Результаты исследований противоточной технологии ионирования воды с повышенным содержанием органических примесей // "Повышение эффективности работы энергосистем", 2009, №9, с 188-195 (23-30)

5. Опыт внедрения технологии противоточного натрий-катионирования при одновременной очистке от взвешенных веществ // "Новое в Российской Электроэнергетике", 2004, октябрь №10, с 15-23

Размещено на Allbest.ru