Противоточный обменник

Противоточные теплообменники , также известные как противоточные фильтры, используются для обмена нежелательных ионов в жидкостях на связанные ионы и обеспечивают очень хорошее и экономичное полное опреснение. В водной технике это обозначение указывает на конструкцию ионообменных колонок. С 1970-х годов эта новая разработка в значительной степени заменила теплообменники постоянного тока в качестве рабочих фильтров (катионообменников и анионитов) в установке полного опреснения воды. Для получения дополнительной информации о теории и применении ионного обмена см. Ионообменники и ионообменные колонки .

Процедура

Для повышения экономической эффективности ионообменников разработаны различные методики, а именно:

• Регенерация компаундов (последовательное соединение 2 фильтров либо со слабодиссоциированными и сильно диссоциированными ионообменниками, либо только с сильно диссоциированными ионообменниками, которые регенерируются вместе)
• Слоистый теплообменник (использование в фильтре 2 типов смол, например, слабые катиониты и сильнокислые)
• Противоточный обменник

Однако оптимальные улучшения без других недостатков могут быть достигнуты только с помощью противоточных теплообменников. Поэтому далее более подробно будут рассмотрены только противоточные процессы.

Основы противоточного процесса

Прямоточные теплообменники протекают в одном направлении во время работы и регенерации , противоточные теплообменники - в противоположных направлениях. Основное преимущество состоит в том, что во время регенерации слои смолы, прошедшие последний раз во время работы, контактируют только с чистым раствором для регенерации. Напротив, во время регенерации прямоточных фильтров эти слои смолы обрабатываются только загрязненным регенерирующим раствором. Это загрязнение происходит, когда ионы, поглощенные во время загрузки - катионы или анионы, в зависимости от типа смолы - диффундируют в регенерирующий раствор. Полная регенерация смол возможна только с использованием чистого раствора. Неполностью регенерированные смолы вызывают противоионный эффект и тем самым ухудшают качество чистой воды во время работы. Чтобы смягчить и компенсировать эти недостатки с помощью фильтров постоянного тока, требуется значительно большее количество регенератора. Поэтому следует избегать контакта последней смолы, протекшей во время работы, с загрязненным регенерирующим раствором. Это достигается, если обменные смолы протекают в противоположных направлениях во время работы и регенерации. Возможны два различных направления потока: поток воды сверху вниз или снизу вверх с соответствующим противоположным направлением потока во время регенерации.

Работа сверху вниз

Одним из первых противоточных процессов, успешно внедренных на практике в 1960-х годах, был процесс Permutit . Поток через теплообменник идет сверху вниз во время работы и снизу вверх во время регенерации. Поскольку свободное пространство над смолами было сильно ограничено, чтобы избежать сдвигов во время регенерации, обратная промывка в рабочем резервуаре, которая требовалась перед регенерацией, не могла произойти. Для этого над рабочим баком был установлен гидравлически подключаемый и запираемый бак обратной промывки. Этот метод был очень сложным и поэтому аппаратно дорогостоящим. Таким образом, процедура не смогла закрепиться на практике и была заменена последующими процедурами.

Снизу вверх

Процесс с плавающим слоем

Другой способ - процесс с плавающим слоем, разработанный и запатентованный компанией Bayer AG (Леверкузен) в начале 1960-х годов . В этом процессе емкость заполняется смолой примерно на 70%, и вода течет через нее снизу вверх. В зависимости от расхода, во время работы образуется как неподвижный слой - самый верхний слой смолы, который прижимается к верхнему основанию сопла, так и нижний плавающий слой. В этом плавающем слое смолы не плотно упакованы, а находятся в движении. Когда фильтр выключен, взвешенные смолы начинают двигаться и оседать на основании нижнего сопла. Поэтому обратная промывка для разрыхления перед регенерацией не требуется. Недостатками являются отсутствие расслоения в плавающем слое и возможная перегруппировка смол при остановке системы. Эти преобразования частично сводят на нет компактную слоистую структуру смол, необходимую для хорошего противоточного эффекта. Частые запуски и остановки теплообменника перед регенерацией недопустимы, поскольку затем увеличивается проскальзывание натрия в катионных смолах и ухудшается качество чистой воды. Эти недостатки можно уменьшить, изменив способ, например, используя циркуляционный насос для работы и / или увеличив объем смолы в фильтре. Этот процесс с плавающим слоем в первоначально запатентованной версии почти не используется.

Процесс с неподвижным слоем при противоточной регенерации

Недостатки способа с псевдоожиженным слоем устраняются при дальнейшей разработке противоточного способа с неподвижным слоем . Ниже приведен эскиз этого теплообменника с внутренними устройствами и трубными соединениями, необходимыми для процесса.

1 = емкость, 2 = смотровое стекло (контроль заполнения), 3 = дно форсунки, 4 = ионообменные смолы, 5 = инертные смолы, 6/7 = сырая и чистая вода, 8/9 = химикаты для регенерации, 10 = вход и выход смолы, 11 = Форсунки фильтра

Эти процессы с неподвижным слоем с противоточной регенерацией не следует путать с классическим процессом с неподвижным слоем, который регенерируется в прямотоке. Теплообменники, спроектированные по противоточной технологии с неподвижным слоем, почти полностью заполнены смолами, учитывается только их способность к набуханию. Например, изменение объема сильно кислой катионной смолы между загрузкой и регенерационной формой составляет около 5%. Изменения объема анионообменников намного больше и составляют примерно 15-25%, но небольшие изменения в слоистости этих смол не вызывают таких сильных противоионных эффектов, как в случае сильно кислых катионных смол. Сдвиги в катионных смолах, которые приводят к значительному ухудшению рабочих параметров, не могут происходить при включении и выключении этих фильтров с неподвижным слоем. В любом случае достигается необходимое разрыхление слоя смолы перед регенерацией. Использование монодисперсных смол дает положительный эффект. С этими смолами можно отказаться от использования инертных смол, которые в противном случае служат плавающим дренажным слоем между верхней системой распределения смолы и слоем смолы. На практике более частая внешняя обратная промывка и очистка смол необходимы только для применений с последующим осаждением в слое смолы или неадекватной предварительной фильтрацией. Как правило, достаточно компенсировать потери смолы, возникающие из-за механического износа (примерно 2-7% в год), добавляя новую смолу (каждые 1-3 года).

Возможность размещения двух или более камер в одном контейнере является особенно выгодной. Таким образом, например, слабокислотные и сильнокислые катионные смолы можно залить в контейнер с 2 камерами. Перемешивание предотвращается разделительным основанием форсунки. Сравнимый результат достигается путем последовательного или последовательного переключения катионитов в двух отдельных колоннах, но инвестиционные затраты на это значительно выше. В 2-камерных теплообменниках ионный обмен может быть достигнут почти теоретическими расходами на химические вещества, небольшим расходом промывочной воды и, в то же время, низким проскальзыванием ионов .

Работая снизу вверх, растворы с более высокой плотностью также можно без проблем опреснять или повторно засолить путем повторного размещения. Например, это делает размягчение или посол сахарных растворов намного проще и, в зависимости от концентрации, только возможным.

Дальнейшими усовершенствованиями процесса плавающего слоя являются процессы подъемного слоя и промывочного слоя . В этих процессах в каждом фильтре во время работы также имеется неподвижный слой . В процессе подъемного слоя используются 2-камерные фильтры. Как и в случае с неподвижным слоем, верхняя камера максимально заполнена смолой с учетом набухания смолы. Поэтому во время работы доступна неподвижная кровать. Нижняя камера содержит только около 70% смолы, что сопоставимо с плавающим слоем. Таким образом, во время работы не образуется полностью неподвижный слой.

При использовании метода с промывным слоем перфорированное основание и дренажная система помещаются в однокамерный фильтр на высоте около двух третей. Смола заливается только немного выше перфорированного основания. Таким образом, верхняя треть камеры не содержит смолы. Во время работы очищенная вода выходит из фильтра через дренаж. Смола образует неподвижный слой до выпускного дренажа.

В зависимости от производителя системы и / или поставщика ионообменных смол для таких систем используются разные торговые наименования, основанные на процессе с неподвижным слоем.

Вот некоторые из них (список неполный, некоторые уже недоступны):

• Процесс Amberpack (TM)
• Процесс Econex
• Метод подъемной кровати
• Метод полоскания постели
• Противоточный процесс Mannesmann
• Процесс станины пресса
• ISEP (TM) процесс

регенерация

Для регенерации в качестве противотока используются те же разбавленные растворы - кислоты / основания / соли, что и для параллельных процессов. Только концентрации регенерирующих растворов немного отличаются. Для соляной кислоты используются значительно более высокие концентрации - до 10%. В случае серной кислоты концентрация также немного выше. Однако почти всегда необходимо использовать прогрессивное разбавление, чтобы избежать осаждения сульфата кальция. К концу регенерации верхние слои смолы необходимо регенерировать с помощью не менее 7-10% кислоты. Особенно эффективное использование регенерирующего агента может быть достигнуто при дополнительном промежуточном разбавлении слоя смолы.

Хотя для катионных смол используются более высокие концентрации, для анионных смол, особенно для нижних слоев, макс. Требуется концентрация регенерирующего раствора <2,8%. Причиной этого является поглощение диоксида кремния (SiO ₂ ) во время работы . Он реагирует с регенерирующим раствором с образованием гидросиликата натрия согласно следующему уравнению:

${\ displaystyle \ mathrm {(R {-} N (CH_ {3}) _ {3}) ^ {+} HSiO_ {3} ^ {-} + NaOH \ rightleftharpoons \ (R {-} N (CH_ {3 }) _ {3}) ^ {+} OH ^ {-} + NaHSiO_ {3}}}$

Анионная смола, содержащая диоксид кремния, реагирует с каустической содой с образованием регенерированной смолы + гидросиликата натрия; R = основная структура ионообменника

Щелочность образовавшегося гидросиликата натрия достаточно высока для регенерации загруженных слабоосновных анионитов. В более глубоких слоях смолы эти смолы превращаются в форму амина с регрессией SiO ₂ . Уравнение для этого:

${\ displaystyle \ mathrm {NaHSiO_ {3} + R {-} NH_ {3} ^ {+} Cl ^ {-} \ longrightarrow R {-} NH_ {2} + NaCl + SiO_ {2} + H_ {2} O}}$

Гидросиликат натрия восстанавливает анионную смолу, содержащую хлорид, до основной формы, хлорид натрия, диоксид кремния + вода.

Большее разбавление регенерирующей жидкости увеличивает скорость потока в слое смолы. Избегают осаждения геля SiO _2, который адсорбирует ионы Na и затрудняет вымывание регенерирующего раствора. Помимо увеличения расхода, регенерированный раствор также нагревается. Это также противодействует осаждению SiO ₂ .

Хотя противоточная технология намного более экономична при полной деминерализации, улучшение требований к регенерации достигается за счет умягчения, но преимущества несопоставимы.

Смотри тоже

• Принцип противотока

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Зигерс Г., Вуттке Г. Процессы подъемного слоя и промывочного слоя, новые технологии ионного обмена; в: VGB Kraftwerktechnik , 63, выпуск 1, январь 1982 г., стр. 42
2. ↑ Зигерс Г., Вуттке Г. Процессы подъемного слоя и промывочного слоя, новые технологии ионного обмена; в: VGB Kraftwerktechnik , 63, выпуск 1, январь 1982 г., стр. 45

литература

• Энергетика, ноябрь 1971, с. 44-47.
• Э. Чернинг , VGB Kraftwerkstechnik, 1961 год, выпуск 4, стр. 340-348
• G. Siegers et al. Г. Вуттке , VGB Kraftwerkstechnik, 1982 г., выпуск 1, стр. 42-48
• Бернар Косс , L'EAU, L'Industrie, Les Nuisances, № 89, январь - февраль. 1985, с. 37-40
• Брошюра по Amberpack ™ , Rohm and Haas Comp., Том 2000