JP2010115598A - イオン交換樹脂装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容器内にイオン交換樹脂が充填され、下部にストレーナが配置されたイオン交換樹脂装置において、水の滞留部を解消し、充填した樹脂を有効にイオン交換に使用することができるイオン交換樹脂装置を提供する。
【解決手段】イオン交換樹脂装置は、筒軸心方向を鉛直方向とした容器１と、該容器１の天蓋１ａに設けられた流入口２と、該天蓋１ａの中心部を貫通して上下方向に延在した集水管４と、該集水管４の下端に連なり、容器１内の底部に設けられたストレーナ３と、容器１内に充填された粒状のイオン交換樹脂５とを備えている。ストレーナ３は、上面３ａが上方に向って凸となるテーパ形であり、下面３ｂが下方に向って凸となるテーパ形である。容器内径Ｄとイオン交換樹脂５の層高Ｈとの比Ｄ／Ｈは０．１５〜０．６好ましくは０．２５〜０．４である。ストレーナ３の最大直径ｄと容器内径Ｄとの比ｄ／Ｄは０．４〜０．８好ましくは０．５〜０．７である。
【選択図】図１

Description

本発明はイオン交換樹脂装置に係り、特に円筒状容器の上部から導入された原水が容器内のイオン交換樹脂と接触した後、容器内の下部のストレーナを通って処理水として取り出されるイオン交換樹脂装置に関する。

筒軸心方向を上下方向とした円筒状容器内の下部にストレーナが配置され、容器内にイオン交換樹脂が充填されてなるイオン交換樹脂装置は、特公平３−６４１９５、特開２００７−２４５００６に記載されている通り公知である。原水は容器の上部から導入され、イオン交換樹脂と接触した後、ストレーナを通過し、該ストレーナに接続された集水管を通って装置上部から処理水として取り出される。ストレーナは、この集水管の下端に取り付けられており、容器内に吊支された状態にて配置されている。

この種のイオン交換樹脂装置ではイオン交換樹脂層内を上方から下方に向って流れてきた水がそのままストレーナ内に流れ込み、容器底部の隅角部（容器側周面と容器底面とが交わるコーナー部）付近がデッドスペースとなり、この付近のイオン交換樹脂がイオン交換反応にそれ程寄与しないようになる。

上記特開２００７−２４５００６には、かかるデッドスペースを解消するために、上面が閉鎖され、下面が開放した略々鐘状の小円筒形カバーをストレーナを取り巻くように設けることが記載されている。この構成であれば、イオン交換樹脂層を流下してきた水が、カバーの下端を回り込んでカバーとストレーナ外周面との間に入り込み、ストレーナ周面からストレーナ内に入り込むようになるので、容器底部の隅角部付近のイオン交換樹脂にも被処理水が接触するようになり、デッドスペースが減少ないし解消される。

しかしながら、このようにカバーを設けた場合、カバー内周面とストレーナ外周面との間のインナーゾーンにイオン交換樹脂を十分に密に充填することが容易ではない。仮にこのインナーゾーンにおけるイオン交換樹脂の充填が不十分であると、イオン交換容量がその分だけ減少してしまう。また、カバーを設ける分だけ、コスト高にもなる。
特公平３−６４１９５ 特開２００７−２４５００６

上記のイオン交換樹脂装置は、超純水サブシステムの非再生式混床式イオン交換樹脂装置等として用いられている。この超純水サブシステムの非再生式混床式イオン交換樹脂装置は、非再生式のため、１〜２年毎にプロセスから装置を外し、樹脂の入れ替えが必要である。そのため、容器の運搬を容易とするために、装置サイズが限られる。このようなことから、容器流入水の偏流や壁流の発生を防止し、容器内のイオン交換樹脂のイオン交換容量を無駄なく有効に利用して容器充填量に見合うイオン交換容量を得、水処理装置のイオン交換樹脂の交換頻度を低減することが望まれている。

本発明は、かかる状況に鑑み、容器内にイオン交換樹脂が充填され、容器内の下部にストレーナが配置されたイオン交換樹脂装置において、水の滞留部を解消し、充填した樹脂を有効にイオン交換に使用することができるイオン交換樹脂装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のイオン交換樹脂装置は、円筒状容器と、該容器内の下部に配置された、該容器よりも小径のストレーナと、該容器内に充填されたイオン交換樹脂とを備え、容器上部から導入された原水がイオン交換樹脂と接触した後、該ストレーナで集水され、処理水として取り出されるイオン交換樹脂装置において、該容器内径Ｄとイオン交換樹脂層高Ｈとの比Ｄ／Ｈが０．１５〜０．６であり、ストレーナの最大直径ｄと容器内径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．４〜０．８であり、該ストレーナの少なくとも下面に集水面が設けられていることを特徴とするものである。

請求項２のイオン交換樹脂装置は、請求項１において、前記ストレーナの上面は上に向って凸のテーパ形状であり、下面は下に向って凸のテーパ形状であることを特徴とするものである。

請求項３のイオン交換樹脂装置は、請求項１または２において、前記ストレーナの高さｈと最大直径ｄとの比ｈ／ｄが０．３〜０．７であることを特徴とするものである。

請求項４のイオン交換樹脂装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記ストレーナの最下部と容器の底部との最小間隔が０〜５ｃｍであることを特徴とするものである。

本発明のイオン交換樹脂装置にあっては、容器内径Ｄとイオン交換樹脂層高Ｈとの比Ｄ／Ｈを０．１５〜０．６とし、ストレーナの最大直径ｄと容器内径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．４〜０．８とし、ストレーナの少なくとも下面に集水面を設けているので、デッドゾーンが減少ないし解消される。即ち、Ｄ／Ｈを０．６以下とすることにより、デッドゾーンを小さくすることができる。ただし、Ｄ／Ｈが０．１５よりも小さくなると、イオン交換樹脂層高が過大となり、通水圧損が徒に大きくなる。

また、ｄ／Ｄを０．４以上とし、ストレーナの少なくとも下面に集水面を設けることにより、イオン交換樹脂層内を流れ下ってきた水の少なくとも一部が、ストレーナと容器内周面との間を通って容器底部の隅角部付近にも到達して流れるようになり、この付近のデッドゾーンが減少又は解消される。ただし、ｄ／Ｄが０．８より大きくなると、ストレーナと容器内周面との間の間隔が過度に小さくなり、この間を水が流れにくくなる。

請求項２のように、ストレーナの上面を上に凸のテーパ形とし、下面を下に凸のテーパ形とすることにより、ストレーナと容器内周面との間の間隙部分を水が通過し易くなる。

請求項３のように、ストレーナの高さｈと最大直径ｄとの比ｈ／ｄを０．３〜０．７とすることにより、集水特性を確保しつつ、ストレーナ容積が過大となることを防止し、イオン交換樹脂量を多くすることができる。

請求項４のように、ストレーナと容器底部との間隔を小さくすることによっても、容器底部のデッドゾーンを減少させることができる。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第１図は実施の形態に係るイオン交換樹脂装置の縦断面図、第２図はこのイオン交換樹脂装置の下部の拡大図である。なお、図面を明瞭にするために、第２図ではイオン交換樹脂の図示が省略されている。

このイオン交換樹脂装置は、筒軸心方向を鉛直方向とした容器１と、該容器１の天蓋１ａに設けられた流入口２と、該天蓋１ａの中心部を貫通して上下方向に延在した集水管４と、該集水管４の下端に連なり、容器１内の底部に設けられたストレーナ３と、容器１内に充填された粒状のイオン交換樹脂５とを備えている。当然ながら、イオン交換樹脂５は、容器１と集水管４及びストレーナ３との間に充填されている。容器１の底面１ｂは、この実施の形態では、下方に凸に湾曲した鏡板にて構成されている。

ストレーナ３は、上面３ａが上方に向って凸となるテーパ形であり、下面３ｂが下方に向って凸となるテーパ形(円錐台形)である。これらストレーナ上面３ａ及び下面３ｂにはそれぞれイオン交換樹脂５を通過させない大きさのスリットが多数設けられている。なお、イオン交換樹脂５の平均粒径は好ましくは０．２〜０．５ｍｍ程度であり、スリット幅はその３０〜６０％程度であることが好ましい。ストレーナ３は、多孔質樹脂ブロックなどの透水性材料で構成されてもよい。

この容器内径Ｄとイオン交換樹脂５の層高Ｈとの比Ｄ／Ｈは０．１５〜０．６好ましくは０．２５〜０．４である。ストレーナ３の最大直径ｄと容器内径Ｄとの比ｄ／Ｄは０．４〜０．８好ましくは０．５〜０．７である。ストレーナ３の高さｈと最大直径ｄとの比ｈ／ｄは好ましくは０．３〜０．７特に好ましくは０．４〜０．６である。ストレーナ３の最下部と、容器底部との最小間隔ｔは好ましくは０〜５ｃｍ特に好ましくは０〜２ｃｍである。

このように構成されたイオン交換樹脂装置において、原水は流入口２から容器１内に供給され、イオン交換樹脂５層を通り、ストレーナ３を透過し、集水管４から取り出される。

このイオン交換樹脂装置では、ストレーナ３の下面３ｂにもスリットを設けて集水面としているので、イオン交換樹脂５の層を流れ下ってきた水が、ストレーナ３の下方にも流れ込んでストレーナ下面３ｂを透過する。このため、ストレーナ３よりも下側のイオン交換樹脂もイオン交換反応に十分に寄与する。

このイオン交換樹脂装置においては、Ｄ／Ｈを０．１５以上としているので、通水圧力損失が小さい。なお、イオン交換樹脂量は、イオン交換樹脂装置に要求されるイオン交換量によって決定される。容器内径を小さくすると、その分だけイオン交換樹脂層高Ｈが大きくなり、通水圧力損失が大きくなる。

このイオン交換樹脂装置においては、Ｄ／Ｈを０．６以下としているので、低流速部（水の通りが悪いデッドゾーン）が少ない。

ｄ／Ｄを０．４以上としたことによっても、ストレーナ３の側方の容器１の内周面に沿うデッドゾーンが少なくなる。ｄ／Ｄを０．８以下としたことにより、ストレーナ３と容器内周面との間の通水スペースが確保され、ストレーナ３よりも下側のゾーンにも十分に水が流れる。

この実施の形態では、ストレーナ３の上面及び下面をテーパ形としているので、ストレーナ３と容器１の内周面との間を水が通り易い。

このようなことから、このイオン交換樹脂装置によると、容器内のデッドスペースが極めて少ないものとなり、イオン交換樹脂のイオン交換容量を無駄なく有効に利用し、容器充填量に見合うイオン交換容量を得、イオン交換樹脂の交換頻度を低減することができる。また、ストレーナ３にカバーを設けることが不要であり、装置構成も簡易である。

なお、上記イオン交換樹脂装置の接液部（容器内面や集水管など）をフッ素樹脂などでコーティングしてもよい。これにより、装置からの金属流出などで、イオン交換された純水が汚染されることを防止することができる。

本発明のイオン交換樹脂装置は、超純水製造システムのサブシステムに設置される非再生型イオン交換装置に好適に用いられるが、特にこれに限定されるものではない。

第１，２図に示した構造のイオン交換樹脂装置において、イオン交換樹脂層高を変えることによりイオン交換樹脂層高と内径との関係を種々変えて製作し、通水試験を行った。

（通水量）／（イオン交換樹脂層の水平断面積）より求められる見かけの通水線速度を算出し、容器形状の良否を判定した。

円筒状容器直胴部のイオン交換樹脂層断面積は以下の式で求められる。

［樹脂層断面積］＝（［円筒状容器断面積］−［集水管断面積］）×［樹脂層空隙率］
通水線速度のこの（通水量）／（イオン交換樹脂層断面積）より求められる見かけ上の通水線速度（ＬＶ）の８０％以下となる部分を、水の流れが悪い低流速部と判定した。

この実験に用いた容器１の内径Ｄは２００ｍｍである。ストレーナ３の最大直径ｄは８０ｍｍであり、ｄ／Ｄは０．４である。原水として２質量％ＮａＣｌ水溶液を、各樹脂層高で空塔速度（ＳＶ）が６０［Ｌ／ｈｒ］と一定となるように、０．５３〜２．６０［ｍ^３／ｈｒ］で供給した。イオン交換樹脂としてはＮａ型カチオン交換樹脂を用いた。ストレーナ３の高さｈは４０ｍｍであり、ｈ／ｄは０．５である。最小間隔ｔは０ｍｍとした。実測された圧力損失値と、ＣＦＤ解析して求めた低流速部発生率を表１に示す。

ＣＦＤ解析は、上記実験装置を用いて次のＥｒｇｕｎの相関式の定数αおよびβを求め、ＡＮＳＹＳ，Ｉｎｃ．製のソフトウェアＡＮＳＹＳ ＣＦＸを用いて行った。
ΔＰ／Ｈ＝αｕ＋βｕ^２
ここで、
ΔＰ ：充填層差圧 ［Ｐａ］
Ｈ ：充填層高さ ［ｍ］
ｕ ：流体の空塔速度 ［ｍ／ｓ］
α，β ：同じ樹脂、同じ流体を同じ温度で用いた場合に決定される定数
なお、上記実験装置を用いて、２質量％のＮａＣｌ水溶液で純水を置換したときの出口水の電気伝導度変化を測定し、この測定値とＣＦＤ解析による計算値とを比較したところ両者はほぼ一致した結果となり、ＣＦＤ解析が妥当であることが確認された。

表１の通り、Ｄ／Ｈを０．１６７〜０．４４４とした実験Ｎｏ２〜５は低流速部発生率が低く、しかも圧力損失も小さい。

実施の形態に係るイオン交換樹脂装置の断面図である。 図１のイオン交換樹脂装置の下部の拡大図である。

符号の説明

１ 容器
２ 流入口
３ ストレーナ
４ 集水管
５ イオン交換樹脂

Claims (4)

1. 円筒状容器と、該容器内の下部に配置された、該容器よりも小径のストレーナと、該容器内に充填されたイオン交換樹脂とを備え、
   容器上部から導入された原水がイオン交換樹脂と接触した後、該ストレーナで集水され、処理水として取り出されるイオン交換樹脂装置において、
   該容器内径Ｄとイオン交換樹脂層高Ｈとの比Ｄ／Ｈが０．１５〜０．６であり、ストレーナの最大直径ｄと容器内径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．４〜０．８であり、
   該ストレーナの少なくとも下面に集水面が設けられていることを特徴とするイオン交換樹脂装置。
2. 請求項１において、前記ストレーナの上面は上に向って凸のテーパ形状であり、下面は下に向って凸のテーパ形状であることを特徴とするイオン交換樹脂装置。
3. 請求項１または２において、前記ストレーナの高さｈと最大直径ｄとの比ｈ／ｄが０．３〜０．７であることを特徴とするイオン交換樹脂装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記ストレーナの最下部と容器の底部との最小間隔が０〜５ｃｍであることを特徴とするイオン交換樹脂装置。

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