Фильтр смешанного слоя

Теплообменники со смешанным слоем , также известные как фильтры со смешанным слоем , используются при очистке воды, когда полностью деминерализованная вода должна быть получена из питьевой или промышленной воды с помощью ионообменников . Фильтры со смешанным слоем удаляют из воды оставшиеся ионогенные соединения, которые все еще присутствуют в виде шликера после расположенных выше по потоку катионообменников и анионитов. Они также берут на себя защитную функцию, если ионы прорываются через фильтр, расположенный выше по потоку. Поэтому фильтры также называют полицейскими фильтрами. Это название также используется в производстве фильтров для фильтров, которые не выполняют никакой ионной остаточной очистки или ионной защитной очистки . Ниже представлен эскиз смешанного фильтра с типичными фитингами и трубными соединениями.

1 = емкость, 2.1 = смотровое стекло (для обратной промывки), 2.2 = смотровое стекло (для разделительного слоя), 3 = основание форсунки, 4 = форсунка фильтра, 5 = катионная и анионная смолы, 6 = регенерационный дренаж, 7/8 = сырая и чистая вода, 9 / 10 = регенерирующий раствор, 11 = регенерирующая кислота, 12 = выход регенерирующей кислоты + промывка / впуск, 13 = смешанный воздух, 14/15 = вода для обратной промывки

Конструкция смешанного фильтра во многом сопоставима с конструкцией теплообменников постоянного тока . Хотя последние содержат либо только катиониты, либо анионообменные смолы, в фильтрах со смешанным слоем обычно используются по крайней мере два типа, а именно одна катионная и одна анионообменная смола. Эти два типа обменных смол позволяют полностью удалить растворенные в воде электролиты . Поскольку в одном контейнере присутствуют две разные ионообменные смолы, в случае фильтров со смешанным слоем , которые не регенерируются извне , должна быть установлена дополнительная дренажная система, чтобы смолы можно было регенерировать пространственно отдельно .

Развитие полного опреснения

До разработки и промышленного производства сильноосновных анионообменных смол природная вода могла быть полностью умягчена или частично опреснена только с использованием метода ионного обмена. После того, как в начале 1950-х годов стали доступны сильноосновные анионообменные смолы, полное опреснение с использованием ионообменников стало возможным благодаря простой технологии и высокой степени эффективности. Такая полностью деминерализованная вода в больших количествах требуется прежде всего для работы современных котлов высокого давления на электростанциях. До разработки фильтра со смешанным слоем полностью деминерализованную воду с проводимостью менее 1,0 мкСм / см можно было получить только с большими усилиями, например, с помощью систем со следующей схемой:

Катионит 1-й ступени с сильнокислой обменной смолой

Анионит 2-й ступени со слабоосновной обменной смолой

Катионит 3-й ступени с сильнокислой обменной смолой

Анионообменник 4-й ступени с сильноосновной обменной смолой

Без разделения на два катионита и два анионита из-за эффекта противоиона может быть достигнута только остаточная проводимость> 1 мкСм / см. Для дальнейшего улучшения остаточной проводимости до явно <1,0 мкСм / см потребовалось дополнительное размещение скользящего фильтра после линии опреснения с фильтрами постоянного тока.

1 = контейнер, 2,1 / 2,2 = смотровое стекло, 3 = основание сопла, 4 = анионообменник, 5 = инертная смола, 6 = катионообменник, 7/8 = сырая и чистая вода, 9/10 = регенерирующий раствор, 11/12 = регенерирующая кислота, 13 = двойное сопло , 14 = форсунка, 15 = дренаж, 16 = вход и выход смолы

Обычно большая часть остаточной проводимости, превышающей 90%, обусловлена ​​проскальзыванием натрия. После сильно основного анионита натрий присутствует в виде диссоциированного гидроксида натрия . Промежуточный фильтр, расположенный ниже по потоку, со слабокислотными или сильнокислотными катионообменными смолами надежно удаляет этот промах. Это значительно снижает проводимость. Недостатком таких скользящих фильтров является то, что, хотя они значительно снижают проводимость за счет удаления ионов натрия, они оставляют анионный скольжение неизменным. Помимо хлорид-ионов, этот анионный шликер состоит в основном из слабо диссоциированных анионов, например, кремнезема и гуминовой кислоты . Удаление этого проскальзывания анионов могло быть выполнено только с помощью дополнительного фильтра скольжения с сильноосновным анионообменным материалом. С введением смешанного фильтра в технологию очистки воды, очистка полностью деминерализованной воды стала возможной без повышенного проскока остаточных ионов и со значительно меньшими усилиями системы.

Однако после внедрения противоточного теплообменника уже можно было производить опресненную воду со средней проводимостью <0,5 мкСм / см без скользящего фильтра. До этого обычно требовались фильтры со смешанным слоем, которые также выполняли остаточное опреснение в качестве последней стадии . С введением противоточной технологии стали возможны комбинированные рабочие и полицейские фильтры , которые берут на себя как функцию опреснения, так и функцию скользящего фильтра с экономичным расходом химикатов . На практике для этого успешно используются специальные типы фильтров с минимум 2–3 камерами в фильтровальной колонне.

На следующем схематическом эскизе показан сэндвич-фильтр . Это многокамерный фильтр, работающий по принципу противотока и содержащий катиониты и анионообменные смолы в отдельных камерах. Такие фильтры требуют использования дополнительной инертной смолы. Особо легкая и плавучая инертная смола, размещенная в области отвода сточных вод, отделяет входящую и выходящую воду для регенерации от двух ионообменных смол. В трехкамерных фильтрах вместо двухкамерных фильтров катионообменная смола снова используется в верхней камере. Таким образом надежно удаляется возможное, но уже очень небольшое скольжение катионов . Деионизированные качества воды после того, как такой фильтр полностью соответствует значениям , которые также могут быть достигнуты с обычными фильтрами смешанного действия после того, как опреснительная линии.

Функциональность многоступенчатых фильтров сравнима с сэндвич-фильтрами . Однако они разработаны в соответствии с критериями процесса с плавающим слоем . С обоими типами фильтров в двухкамерной конструкции можно получить чистую воду с низким содержанием электролитов с небольшими затратами химикатов, даже без дополнительного фильтра со смешанным слоем. Остаточная проводимость менее 0,06 мкСм / см при 20 ° C.

Основы смешанного фильтра

Если в фильтрующем слое смешиваются сильнокислые и сильноосновные ионообменные смолы, то это соответствует последовательному соединению очень многих катионитов и анионитов для ионного обмена. Это неизбежно сводит к минимуму проскальзывание ионов и обеспечивает полный ионный обмен. Для этой максимальной функции обмена должны выполняться следующие требования:

• обширная регенерация двух типов смол
• оптимальная смесь двух смол

Требования к оптимальному сочетанию:

• используется достаточное количество воздуха
• время перемешивания достаточно
• доля воды в слое смолы во время смешивания ограничена

Вышеупомянутое требование обширной регенерации ионообменных смол неизбежно также ограничивает допустимые условия загрузки. Ионный обмен - это равновесная реакция. В соответствии со следующим уравнением для сильнокислой катионной смолы в регенерированной Н-форме и загруженной Na-форме:

${\ displaystyle \ mathrm {R {-} SO_ {3} H + Na ^ {+} + H_ {2} O \ \ rightleftharpoons \ R {-} SO_ {3} Na + H_ {3} O ^ {+} }}$

Если содержание свободных ионов Na в чистой нейтральной воде (pH = 7,0) должно быть максимум 1 ppb, для состояния загрузки и регенерации указываются следующие значения:

• Концентрация ионов водорода = 1 · 10 ⁻⁷ моль / л.
• Концентрация ионов натрия = 4,3 · 10 ⁻⁸ моль / л.

Концентрация натрия в воде зависит от коэффициента равновесия K используемой катионообменной смолы. Например, для нормальной катионообменной смолы это 1,5. Это указанное значение для коэффициента равновесия K действительно для смолы на основе полистиролсульфоновой кислоты с 8% дивинилбензола в качестве сшивающего агента. Необходимая степень регенерации для такого ионита рассчитывается следующим образом:

К = (R * Na) * (H ⁺ ) / (R * H) * (Na ⁺ ) = 1,5

(H ⁺ ) = 1 · 10 ⁻⁷ моль / л

(R Na) = (1 - R H) мол.%

(R · H) / (1 - R · H) = 1 / 1,5 · 1 · 10 ⁻⁷ / 4,3 · 10 ⁻⁸ = 1,53

(R · H) = 1,53 (1 - R · H)

(R · H) = 0,606, в мол.% Это соответствует примерно 61% от общей емкости теплообменника.

По крайней мере, 61% теплообменника должен быть в H-форме, чтобы не превышалось значение 1 ppb для ионов натрия в воде в результате равновесия. Те же требования должны быть приняты во внимание для анионита и равновесия для ионов OH и Cl в соответствии со следующим уравнением:

${\ displaystyle \ mathrm {R {-} N (CH_ {2}) _ {3} OH + Cl ^ {-} \ \ rightleftharpoons \ R {-} N (CH_ {3}) _ {3} Cl + OH ^ {-}}}$

Данная высокая степень регенерации обменных смол ограничивает использование фильтра со смешанным слоем в качестве рабочего этапа , так как воду можно опреснять только с помощью значительно большего количества химикатов .

Качество ионообменных смол

Для использования в фильтрах со смешанным слоем подходят как гелевые смолы, так и механически более сильные макропористые смолы. В основном только сильно кислотные катиониты и сильно основные аниониты типа I используются. Рабочая температура, качество поступающей воды, а также высота слоя смолы и скорость фильтрации имеют решающее значение при выборе типов. Правильный гранулометрический состав и четкая разница в спец. Вес, чтобы обеспечить беспроблемное разделение за счет обратной промывки. Для более четкого наблюдения разделительного слоя обычно используются более светлые катионообменные смолы с более темными анионообменными смолами. Однако катионообменные смолы, в частности, становятся заметно темнее после длительного периода эксплуатации из-за поглощения примесей. Позже это уменьшит первоначальную разницу в цвете новых смол.

Технология регенерации

Для достижения в значительной степени раздельной регенерации двух заменяющих смол используются два процесса. В первом процессе, который является более сложным, но редко используемым, вся смола вымывается гидравлически из фильтра со смешанным слоем на внешней станции регенерации, где она пространственно разделяется перед регенерацией. Внешняя станция регенерации обычно состоит из 3, иногда всего 2 контейнеров. В варианте с 3 емкостями это: 1. Контейнер для сепарации и регенерации катионита, 2. Контейнер для регенерации анионной смолы и 3. Контейнер для смешивания и хранения смолы. Благодаря обширному пространственному разделению двух типов теплообменников перед регенерацией, с помощью этой технологии можно избежать некоторых проблем, таких как тяжелая загрузка в каждом случае неправильного химического вещества. Это может легко произойти во внутреннем процессе, если требуемые условия давления и потока в слое смолы не поддерживаются оптимально.

Во втором методе, который является более выгодным с точки зрения инвестиционных затрат и используется гораздо чаще, смолы регенерируются в фильтре со смешанным слоем. Перед регенерацией смолы подвергаются обратной промывке. В дополнение к удалению твердых частиц, захваченных во время работы, фильтрующий слой разрыхляется и разделяется на более тяжелый нижний слой катионных смол и верхний более легкий слой анионных смол. Только после этого разделения можно проводить фактическую регенерацию путем добавления химических растворов. Обычно для катионной смолы используется 4-6% разбавленная соляная кислота, а для анионной смолы - 2,5-4% разбавленный гидроксид натрия . Серная кислота используется чаще вместо соляной кислоты, особенно в системах для конденсата лечения. Это необходимо для предотвращения попадания ионов хлора в чистый конденсат при регенерации.

Существует два метода также используется для проведения внутренней регенерации. В первом методе химические вещества протекают один за другим через соответствующий слой смолы. Сначала щелок пропускается через верхний слой анионной смолы. Он покидает контейнер либо через дренажную систему, расположенную в разделительном слое между анионной и катионной смолами, либо через нижнее выпускное отверстие контейнера. При использовании последнего метода катионная смола неизбежно полностью превращается в натриевую форму перед регенерацией кислотой.

В другом методе щелочь и кислота пропускаются через смолу одновременно. Щелочь и кислота вместе покидают емкость через дренажную систему. Преимущество этого метода регенерации - более короткое время регенерации и меньшая вероятность попадания щелочи или кислоты в неправильный слой смолы.

После того, как химическая обработка закончилась и регенерирующие растворы были достаточно вымыты из смол, уровень воды в контейнере понижается до нескольких сантиметров над слоем смолы. Затем оба слоя смолы интенсивно перемешиваются с воздухом в течение достаточно длительного времени. После заполнения и достаточного периода обкатки перед эксплуатацией полностью деминерализованная вода может быть снова получена с помощью фильтра со смешанным слоем.

Тройной слой - это особая форма смешанного фильтра . Эта система используется для фильтров смешанного слоя как с внутренней, так и с внешней регенерацией. Использование инертного третьего полимерного компонента уже было описано в патенте Германии в начале 1950-х годов. Впервые он был успешно применен на практике в 1976 году на атомной электростанции в Бельгии. По конструкции этот тип сопоставим с обычными смешанными фильтрами. Дополнительная инертная смола для наполнителя из смолы имеет удельный вес, который выше, чем у анионообменной смолы, но ниже, чем у катионообменной смолы. После обратной промывки инертная смола образует разделительный слой между двумя другими типами смолы в области дренажной системы . Во время регенерации это в значительной степени предотвращает контакт с неправильным регенерирующим раствором.

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{а б} Х. Р. Брост, Ф. Мартинола: Обменные процессы в фильтрах со смешанным слоем ; В: VGB Kraftwerkstechnik 60, 1980, январь, выпуск 1, стр. 60.
2. ^ Х. Брост, Ф. Мартинола: Технологии тонкой очистки воды ионным обменом ; В: VGB Kraftwerkstechnik 66, февраль 1986 г., выпуск 2, стр. 167.
3. ^ Х. Брост, Ф. Мартинола: Технологии тонкой очистки воды ионным обменом ; В: VGB Kraftwerkstechnik 66, 1986, февраль, выпуск 2, стр. 168.
4. ^ RR Harries, NJ Ray: Процесс смешивания в ионообменных смесительных слоях ; В: VGB Kraftwerkstechnik 60, сентябрь 1980 г., выпуск 10, стр. 722.
5. ↑ HR Brost, F. Martinola: Обменные процессы в фильтрах со смешанным слоем ; В: VGB Kraftwerkstechnik 60, 1980, январь, выпуск 1, стр. 53.
6. ↑ HR Brost, F. Martinola: Обменные процессы в фильтрах со смешанным слоем ; В: VGB Kraftwerkstechnik 60, 1980, январь, выпуск 1, с. 54.
7. ↑ HR Brost, F. Martinola: Обменные процессы в фильтрах со смешанным слоем ; В: VGB Kraftwerkstechnik 60, 1980, январь, выпуск 1, стр. 57.
8. ^ Гэри Д. Джонс, Роджер Л. Лонг, Усовершенствованная установка для очистки конденсата ; В: Сжигание, июль 1972 г., с. 18.
9. ^ MA Sadler, JC Bates, GR Mills: Использование трехслойной системы очистки конденсата ; В: VGB Kraftwerkstechnik 61, 1981, март, выпуск 13, стр. 221-233.
10. ^ Permutit AG, Берлин, Германия ; В: Патент DBP 971771, 1952.
11. ↑ Брошюра о продукте Duolite International; В: Triobed ; PWT 8202 A Октябрь 82.