JP4883680B2

JP4883680B2 - イオン交換塔

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Publication number: JP4883680B2
Application number: JP2006072657A
Authority: JP
Inventors: 省次郎小池; 彰高野; 和彦清水
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP2007245020A

Description

本発明は、イオン交換塔に関し、とくに、充填されたイオン交換樹脂を効率よく洗浄できるようにしたイオン交換塔に関する。

従来、純水の製造装置としては、陽イオン交換樹脂を充填したカチオン交換塔とその処理水中から炭酸ガスを除去するための脱炭酸塔と陰イオン交換樹脂を充填したアニオン交換塔からなる２床３塔式が一般的である。

上記イオン交換塔において、通水時や再生時にイオン交換樹脂が流動すると処理水の純度やイオン交換樹脂の利用効率が悪化するために、できるかぎり樹脂を固定した状態で使用するようなタイプのイオン交換装置が採用されている。

イオン交換装置の原水としては、河川水や工業用水を凝集ろ過装置などで前処理して用いるが、この原水中には微量ながら懸濁物質が残存しており、１ヶ月〜２４ヶ月に１度程度は、イオン交換塔内のイオン交換樹脂を洗浄する必要が出てくる。このため、塔外に設置された樹脂洗浄塔に樹脂の一部を移送して洗浄するタイプの純水製造装置（図１に例示、例えば特許文献１）や、塔内の一部に樹脂移送室を設け、固定化されていた樹脂の一部を樹脂移送室に移送し、樹脂充填室に上部空間を確保して洗浄するタイプの純水製造装置（図２に例示）などが考案されている。

図１に例示した装置においては、通常の通水工程（Ａ）では、イオン交換樹脂１が充填されたイオン交換塔２に原水が通水されて処理水とされ、樹脂洗浄時には、樹脂移送工程（Ｂ）で先ず充填されていたイオン交換樹脂１の一部が移送水により樹脂洗浄塔３に移送され、逆洗工程（Ｃ）で、樹脂洗浄塔３に移送された樹脂、および、イオン交換塔２に残されていた樹脂が、逆洗水を用いて逆洗されるようになっている。図２に例示した装置においては、イオン交換塔１１内が目板１２により上下２室に区画され、該上下２室間を連通可能な連通管１３が設けられており、通水工程（Ａ）では、上室に上部空間１４（フリーボードと呼ばれることもある）が形成された状態で、原水が通水されて処理水とされる。樹脂移送および逆洗工程（Ｂ）では、連通管１３が開かれ、樹脂の体積膨張分を考慮した条件下で、樹脂の移送と逆洗が行われるようになっている。
特開２００５−３２９２７５号公報

しかしながら、図１のごとく塔外に樹脂を移送しようとすると、樹脂洗浄塔で樹脂を洗浄するための自動弁類や配管類を設置しなければならず、装置が複雑で設備のコストアップや設置面積の増大を招くという問題がある。

また、図２のように塔内に上部空間を確保し、目板の上下の連通管を介して樹脂を移送しようとすると、下室側に固定化されていた樹脂を上室側に抜き出して逆洗した後に、再度、樹脂を固定化させるために樹脂を下室側に戻そうとしても、固定化に最適な樹脂量を充填できないことがあり、通水時の処理水の純度が悪化するという問題がある。

上記固定化に最適な樹脂量とは、少なすぎることのない量で、再生や通水時に樹脂が流動しない量であり、多すぎることのない量で、樹脂充填層内の樹脂の詰まりすぎによる通水差圧の上昇や樹脂の破損を起こさない量のことである。

イオン交換樹脂は、再生型と塩型とで体積が数〜20％程度変化する。例えば、２床３塔型の純水製造装置の陽イオン交換塔において強酸性陽イオン交換樹脂を充填した場合、強酸性陽イオン交換樹脂の再生型はＨ型、塩型はＮａやＣａ型であり、塩型が再生型より数％体積が小さく、陰イオン交換塔において強塩基性陰イオン交換樹脂を充填した場合、強塩基性陰イオン交換樹脂の再生型はＯＨ型、塩型はＣｌやＨＣＯ₃ 型であり、塩型が再生型より20％近く体積が小さい。

この体積の変化を考慮して、再生後にはほぼ満杯であり、通水後にはその体積縮小分の隙間が空くような充填状態が最も理想的な固定状態の樹脂層であるが、このような再充填を行えなければ、通水時の純度が悪化したり、通水差圧の上昇を起こす問題がある。

また、このような装置でもなるべく理想的な充填状態にするために、上部空間を確保した室に、ほとんどイオン交換処理に携わらない無効な樹脂１５（図２（Ａ）に図示）を300〜500mm程度充填しており、この無効な樹脂のためにコストがアップするという問題もある。

この無効樹脂の量が少ないと、逆洗後の上室（逆洗室）から下室（固定充填層が形成される室）への樹脂移送水による樹脂移送の際に、例えば図３（Ａ）の樹脂充填工程のごとき状態で上部から樹脂の移送水を供給し、連通管を介して樹脂を下部の樹脂層側に移送しようとしても、移送水は目板を通過して連通管にはほとんど流れない状態となり、結局、樹脂が下部層に移送できないとか、みずみちを形成していまい、ごくわずかしか移送できないという問題が生じるおそれがある。樹脂を確実に移送しようとすれば、図３（Ｂ）のごとく無効樹脂を多く充填しておき、移送水を樹脂の通水差圧で目板よりも連通管に流れるようにして樹脂を下部層に移送する必要がある。無効樹脂を多く充填すると、前述のごとく、コストアップの問題を招く。これは、通水、再生を逆向きの流れで行う場合でも同様である。

そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、無効樹脂がほとんどない状態でも、望ましい逆洗と逆洗後の樹脂再充填とを効率よく行うことができ、かつ、通水時の処理水を高純度に保つことが可能なイオン交換塔を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るイオン交換塔は、原液を通液して処理液を得、原液と対向して再生液を通液してイオン交換樹脂を再生する向流式イオン交換塔であって、
通液方向に対し塔内に垂直に設置された目板によって区切られた第一の空間であり、固定床を形成するようにイオン交換樹脂が充填された固定充填室と、
該固定充填室の上方に設けられ、通液方向に対し塔内に垂直に設置された目板によって区切られた第二の空間であり、前記固定充填室から移送されたイオン交換樹脂を逆洗するための逆洗室と、
前記固定充填室と前記逆洗室との相互のイオン交換樹脂の移送を弁を介して行う連通管を備えたイオン交換塔において、
前記逆洗室内に局所的に水を注入することにより逆洗室内に水流を形成して、前記逆洗室内のイオン交換樹脂を流動化させることが可能な流動水供給配管が前記連通管とは別に設けられることを特徴とするものからなる。

より具体的には、例えば、イオン交換樹脂塔内にイオン交換樹脂の充填層を確保するための固定充填室と、その上部に樹脂を逆洗するために必要な上部空間に相当する容量を持つ逆洗室とを有し、逆洗室と固定充填室を弁を介して樹脂を下方に移送するために連通する連通管と、樹脂流動化手段として、逆洗室内の樹脂を流動化させるための流動水を逆洗室内に供給するための配管を有することを特徴とするイオン交換塔である。

このようなイオン交換塔においては、注入される水の少なくとも一部が、逆洗後に前記逆洗室から固定充填室への樹脂移送用水として用いられる構成とすることができる。

また、上記流動水供給配管は、逆洗室内に旋回流を形成させる手段から構成することが好ましい。旋回流としては、水平方向や斜め方向に旋回する流れや、後述の如く分割された旋回流等に形成されればよい。

また、逆洗室と固定充填室の位置関係としては、逆洗室より下方に、目板を介して固定充填室が配置されている構成とすることができる。また、両室間に他の樹脂室が介在される構成も可能である。

とくに本発明においては、原液が下向流で通液され、再生液が上向流で通液される形態を代表的な形態として挙げることができる。

本発明に係るイオン交換塔によれば、逆洗室内に水流を形成して内部樹脂を流動化させることにより、とくに、逆洗室内に旋回流を形成させることにより、内部樹脂はスラリー状となり、無効樹脂がほとんどなくても、みずみちを形成せずに逆洗後のイオン交換樹脂の固定充填室への再充填を効率よく行うことができる。この旋回流形成と逆洗を繰り返すことで、大型の塔でも同様な効果が得られる。

また、無効樹脂がないか、その樹脂量をごく僅かに抑えることができるため、固定充填室から抜き出した樹脂量と再充填する樹脂量を調整する必要がなく、一連の操作を容易に自動化できる。

さらに、樹脂量の調整が必要ないため、最も初期の充填量を最適な量に合わせておきさえすれば、樹脂の流動により通水時に処理水の純度が悪化することもない。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図４は、本発明の第１実施態様に係るイオン交換塔２１を示しており、このイオン交換塔２１は、原液（被処理液〔被処理水〕））を通液して処理液を得、原液と対向して再生液を通液してイオン交換樹脂２２を再生する向流式イオン交換塔からなる。このイオン交換塔２１においては、塔内に固定床としての固定充填層２３を形成するようにイオン交換樹脂２２を充填する固定充填室２４と、固定充填室２４からイオン交換樹脂２２を上方へ抜き出して固定充填室２４内のイオン交換樹脂２２を逆洗するための逆洗室２５とが、目板２６によって区画されており、固定充填室２４と逆洗室２５との相互のイオン交換樹脂の移送を弁２７を介して行う連通管２８が設けられている。逆洗室２５には、逆洗室２５内のイオン交換樹脂を逆洗室２５内に局所的に水を注入することにより逆洗室２５内に水流を形成してイオン交換樹脂を流動化させることが可能な樹脂流動化手段が付設されている。本実施態様では、樹脂流動化手段として、逆洗室２５内に旋回流２９を形成させるべく水を局所的に注入する流動水供給配管３０が設けられている。

本実施態様では、通水工程（図４（Ａ））においては、目板２６上の無効樹脂が極めて少ない状態にて、上方から被処理水が下向流にて導入されて処理水とされ、逆洗後の樹脂充填工程（図４（Ｂ））においては、流動水供給配管３０から供給された流動水により逆洗室２５内に旋回流２９が形成され樹脂が流動化された状態にて、逆洗後の樹脂が上方から供給される樹脂移送水により、連通管２８を介して固定充填室２４内に移送される。移送水は、固定充填室２４から下方に排出されればよい。

本発明に係るイオン交換塔は、上記第１実施態様のような構成以外にも、次のような各種形態を採り得る。例えば、図５に本発明の第２実施態様に係るイオン交換塔３１を示すように、被処理水を、イオン交換樹脂の固定充填層３２を形成する固定充填室３３の上部空間から導入し、その上方に、別室形態で逆洗室３４を設け、固定充填室３３と逆洗室３４との相互のイオン交換樹脂の移送を弁３５を介して行う連通管３６を設けるようにしてもよい。そして第１実施態様同様に、逆洗室３４に、逆洗室３４内のイオン交換樹脂を逆洗室３４内に局所的に水を注入することにより逆洗室３４内に水流を形成してイオン交換樹脂を流動化させることが可能な樹脂流動化手段としての流動水供給配管３７が付設される。この構成においては、処理水は固定充填室３３の下部から排出され、逆洗排水は、逆洗室３４の上部に接続された逆洗排水出口管３８を通して排出される。

また、本発明に係るイオン交換塔は、固定充填室と逆洗室との間に他の樹脂室が介在する形態、さらには、その他の樹脂室が逆洗室の上方に設けられる形態等も採り得る。例えば、図６に本発明の第３実施態様に係るイオン交換塔４１を示すように、イオン交換樹脂の固定充填層４２を形成する固定充填室４３と逆洗室４４との間に、他の樹脂室としての第２樹脂室４８を設け、固定充填室４３と逆洗室４４との相互のイオン交換樹脂の移送を弁４５を介して行う連通管４６を設けるようにしてもよい。そして第１実施態様同様に、逆洗室４４に、逆洗室４４内のイオン交換樹脂を逆洗室４４内に局所的に水を注入することにより逆洗室４４内に水流を形成してイオン交換樹脂を流動化させることが可能な樹脂流動化手段としての流動水供給配管４７が付設される。

さらに、図７に本発明の第４実施態様に係るイオン交換塔５１を示すように、イオン交換樹脂の固定充填層５２を形成する固定充填室５３と逆洗室５４を第１実施態様同様に区画し、逆洗室５４の上方に、他の樹脂室としての第２樹脂室５８を設け、固定充填室５３と逆洗室５４との相互のイオン交換樹脂の移送を弁５５を介して行う連通管５６を設けるようにしてもよい。そして第１実施態様同様に、逆洗室５４に対して、逆洗室５４内のイオン交換樹脂を逆洗室５４内に局所的に水を注入することにより逆洗室５４内に水流を形成してイオン交換樹脂を流動化させることが可能な樹脂流動化手段としての流動水供給配管５７が付設される。

上記のような各実施態様における、逆洗室内の樹脂を流動化させるための流動水を逆洗室内に供給するための流動水供給配管は、例えば、逆洗室の横部に付設される。流動水供給配管は水平方向に（イオン交換塔の壁面に垂直に）付設することが好ましい。逆洗室内のイオン交換樹脂がカチオン交換樹脂の場合は、横部に付設された配管に１．５〜５．０m/sec（好ましくは、２．０〜４．０m/sec）の流速で、アニオン交換樹脂の場合は、横部に付設された配管に０．８〜４．０m/sec（好ましくは、１．５〜３．０m/sec）の流速で流動水を逆洗室に流入させると、よりイオン交換樹脂の流動状態が良くなり、逆洗室内にイオン交換樹脂を残留させることなく、固定充填室へ移送することができる。

また、流動水供給配管の取付け位置としては、例えば、流動水により逆洗室内に水平方向の旋回流あるいは斜め方向成分も含む旋回流を発生させるように配置されていることが好ましい。旋回流が発生すると、逆洗室内部に流速の遅いゾーン（デッドゾーン）ができにくく、イオン交換樹脂の流動が均一に行われ、残留するイオン交換樹脂をより少なくすることができる。より好ましくは、逆洗室下部の中央部もしくは接線方向に配置されるのが望ましい。例えば図８（Ａ）に示すように、流動水供給配管６１を逆洗室６２の横断面において中央部に付設すれば、ほぼ左右対称の旋回流６３が生成され、図８（Ｂ）に示すように、流動水供給配管６４を逆洗室６５の横断面において接線方向に付設すれば、実質的に１つの旋回流６６が逆洗室６５内に形成される。ただし、旋回流の生成の仕方は、これらの例に限定されるものではない。

逆洗室内のイオン交換樹脂は、多かれ少ないかれ、固定充填室との仕切り板（目板）上に沈殿して残留するので、流動水供給配管の高さ位置としては、仕切り板から上方に、例えば400mmまでの位置に設置するのが好ましく、200mm以下がより好ましい。

また、逆洗室の高さが高くなれば、流動水供給配管を複数箇所に設置することが好ましく、例えば、高さが1000mmを超えると高さ方向に２箇所あるいはそれ以上設置するのが望ましい。例えば図９に示すように、固定充填室７１、逆洗室７２、原水入口管７３、処理水出口管７４、連通管７５を備えたイオン交換塔において、逆洗室７２に対し、流動水供給配管７６を上下２箇所に設けた構造が例示できる。

また、塔径が大きくなれば、流動水供給配管を塔週方向に複数箇所設置することが好ましく、例えば、周長が5000mm（1600mmφ）を超えると周方向において２箇所あるいはそれ以上設置するのが望ましい。例えば図１０に示すように、周長が5000mmを超える場合、周方向の対面位置２箇所に流動水供給配管７７を設けることが好ましく、周長が10000mmを超える場合には、周方向に120度ピッチで３箇所とすることが望ましい。旋回流の流速は、逆洗室内で注入点から流線に沿って遠いほど弱くなり、旋回流の中心部ほど弱くなることから、上記のような構造を採用することが好ましい。

再生式の２床３塔型イオン交換装置（カチオン交換塔−脱炭酸塔−アニオン交換塔）において、濁質が蓄積するカチオン交換塔を逆洗すると樹脂層が乱れるので、再生薬品を通常の２〜３倍程度の量使用しないと、例えば0.1〜0.5μS/cmのごとき高純度の処理水が得られないので、逆洗はできるだけ少ない頻度で行われるのが望ましいが、原水中の濁質がイオン交換樹脂層に蓄積して、通水中の差圧が上昇して流量が低下したり、再生時における通薬時の差圧が上昇して再生薬品の流量が低下しないように適宜逆洗することが望ましい。すなわち、通常時は、逆洗しないで（固定充填室内で樹脂の流動が極力少ないように）運転することで、高純度の水質が得られるので、向流再生方式であれば、図４に示したような下向流通水上向流再生方式であっても、図１１に示すような上向流通水下向流再生方式のイオン交換塔であっても、本発明は適用できる。図１１は、図４に示したイオン交換塔を、上向流通水下向流再生方式に変更したものの通水工程を示している。

本発明は、あらゆる向流式イオン交換塔に適用でき、とくに純水製造装置におけるイオン交換塔に好適なものである。

従来のイオン交換塔の概略構成図である。従来の別のイオン交換塔の概略構成図である。従来のイオン交換塔における問題点を説明するための概略構成図である。本発明の第１実施態様に係るイオン交換塔の概略構成図である。本発明の第２実施態様に係るイオン交換塔の概略構成図である。本発明の第３実施態様に係るイオン交換塔の概略構成図である。本発明の第４実施態様に係るイオン交換塔の概略構成図である。本発明における旋回流を例示した逆洗室の横断面図である。本発明において流動水供給配管を複数設けた場合の一例を示すイオン交換塔の概略透視斜視図である。本発明において流動水供給配管を複数設けた場合の別の例を示すイオン交換塔の概略透視斜視図である。図４のイオン交換塔を上向流通水下向流再生方式に変更した場合の概略構成図である。

符号の説明

２１、３１、４１、５１イオン交換塔
２２イオン交換樹脂
２３、３２、４２、５２固定充填層
２４、３３、４３、５３固定充填室
２５、３４、４４、５４逆洗室
２６目板
２７、３５、４５、５５弁
２８、３６、４６、５６連通管
２９旋回流
３０、３７、４７、５７樹脂流動化手段としての流動水供給配管
３８逆洗排水出口管
４８、５８第２樹脂室
６１、６４流動水供給配管
６２、６５逆洗室
６３、６６旋回流
７１固定充填室
７２逆洗室
７３原水入口管
７４処理水出口管
７５連通管
７６、７７流動水供給配管

Claims

原液を通液して処理液を得、原液と対向して再生液を通液してイオン交換樹脂を再生する向流式イオン交換塔であって、
通液方向に対し塔内に垂直に設置された目板によって区切られた第一の空間であり、固定床を形成するようにイオン交換樹脂が充填された固定充填室と、
該固定充填室の上方に設けられ、通液方向に対し塔内に垂直に設置された目板によって区切られた第二の空間であり、前記固定充填室から移送されたイオン交換樹脂を逆洗するための逆洗室と、
前記固定充填室と前記逆洗室との相互のイオン交換樹脂の移送を弁を介して行う連通管を備えたイオン交換塔において、
前記逆洗室内に局所的に水を注入することにより逆洗室内に水流を形成して、前記逆洗室内のイオン交換樹脂を流動化させることが可能な流動水供給配管が前記連通管とは別に設けられることを特徴とするイオン交換塔。
前記注入される水の少なくとも一部が、逆洗後に前記逆洗室から前記固定充填室への樹脂移送用水として用いられる、請求項１に記載のイオン交換塔。
前記流動水供給配管が、前記逆洗室内に旋回流を形成させるように、前記逆洗室に接続されている、請求項１または２に記載のイオン交換塔。
原液が下向流で通液され、再生液が上向流で通液される、請求項１〜３のいずれかに記載のイオン交換塔。
原液を下向流で通液して処理水を得、再生液を上向流で通液してイオン交換樹脂を逆洗する向流式イオン交換塔であって、
固定床を形成するようにイオン交換樹脂が充填された固定充填室と、
前記固定充填室の上方に設けられ、仕切板を介して前記固定充填室と隣接する逆洗室と、
前記固定床よりも上方で前記固定充填室に接続され、原液通液時に原水を導入する原水入口管と、
前記固定床よりも下方で前記固定充填室に接続され、原水通水時に処理水を排出し、逆洗時に再生液を導入する処理水出口管と、
前記逆洗室の上方に接続され、逆洗時に逆洗排水を排出する逆洗排水出口管と、
前記固定充填室と前記逆洗室との相互のイオン交換樹脂の移送を弁を介して行う連通管と、
前記逆洗室内に局所的に水を注入することにより逆洗室内に水流を形成して、前記逆洗室内のイオン交換樹脂を流動化させることが可能な流動水供給配管と
を有することを特徴とするイオン交換塔。