JP7124397B2

JP7124397B2 - カチオン交換樹脂再生塔

Info

Publication number: JP7124397B2
Application number: JP2018074820A
Authority: JP
Inventors: 恒康安達
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: JP2019181363A

Description

本発明は、イオン交換樹脂再生装置のカチオン交換樹脂再生塔に係り、特に火力発電所、原子力発電所等における復水脱塩装置用のイオン交換樹脂再生装置に好適なカチオン交換樹脂再生塔に関する。

通常、復水脱塩は、イオン交換樹脂再生のためにカチオン交換樹脂再生塔、アニオン交換樹脂再生塔および樹脂貯槽が設置されており、薬液再生は硫酸および苛性ソーダで行なわれる（例えば特許文献１，２）。

特許文献１，２に記載のイオン交換樹脂再生装置及び再生方法について図３，４を参照して説明する。この再生装置は、復水脱塩塔１、カチオン交換樹脂再生塔３、アニオン交換樹脂再生塔５、樹脂貯槽８及びこれらを接続して樹脂移送を可能にする配管２，４，６，７，９を有する塔外再生方式を用いた復水脱塩装置におけるイオン交換樹脂再生装置である。復水脱塩塔１には、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが混合状態で充填されている。カチオン交換樹脂再生塔３内には、配管４が接続されたコレクター４ａが設置されている。特許文献１の第３，４図では、コレクターは樋状であり、塔内に水平かつ上向きに配置される。特許文献１の第６図では、コレクターは水平パイプ状であり、両側面にイオン交換樹脂が通り抜ける開口が設けられている。

通常運転時には、配管２，４，６，７，９は、各配管に設けられた弁（図示略）が閉とされることにより通液停止している。配管１ａ、１ｂのみを介して復水脱塩塔１に復水を通水することにより、脱塩処理を行う。この再生装置によるイオン交換樹脂再生は次の樹脂抜き・分離工程、逆洗再生工程及び樹脂混合・返送工程によって行われる。
＜樹脂抜き・分離工程＞
(i) 配管１ａ、１ｂの通液を停止し、復水脱塩塔１を主系統から切り離す。
(ii) 復水脱塩塔１内のイオン交換樹脂を、配管２を通じてカチオン交換樹脂再生塔３に移送する。
(iii) 図４（ａ）の通り、カチオン交換樹脂再生塔３内でイオン交換樹脂を水に浸漬した状態で下部より空気を吹き込み（エアスクラビング）、樹脂に付着した腐食生成物（クラッド等）を脱離する。
(iv) 図４（ｂ）の通り、カチオン交換樹脂再生塔３に逆洗水を上向流にて通水することにより、混合状態のイオン交換樹脂を比重差でアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の上下２層に分離する。
(v) 図４（ｃ）の通り、コレクター４ａ及び配管４を通じてアニオン交換樹脂を選択的に引き抜き、アニオン交換樹脂再生塔５に移送する。
＜逆洗再生工程＞
(vi) カチオン交換樹脂はカチオン交換樹脂再生塔３、アニオン交換樹脂はアニオン交換樹脂再生塔５において、それぞれ酸、アルカリを注入して薬液再生を行う。
＜樹脂混合・返送工程＞
(vii) 薬液再生が終了した後、再生したカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂を、それぞれ配管６と配管７を通じて樹脂貯槽８に移送する。
(viii) 樹脂貯槽８において洗浄および混合操作を行う。
(ix) 樹脂貯槽８内のイオン交換樹脂を混合状態のまま配管９を通じて復水脱塩塔１に返送する。
(x) 配管９を通液停止し、復水脱塩塔１を予備塔として待機状態とする。

これにより、再生が終了するので、配管１ａ、１ｂを介して復水通水を再開し、脱塩処理運転に戻る。

特開昭５８－１５９８８９号公報特開２００２－６６３４０号公報特開２０００－４７６号公報

図４（ｃ）に示すように、従来のカチオン交換樹脂再生塔３にあっては、該塔３からアニオン交換樹脂を抜き出した場合、コレクター４ａとカチオン交換樹脂層との間に、アニオン交換樹脂の残留層が残る。なお、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との界面が乱れたときには、残留層のアニオン交換樹脂にカチオン交換樹脂が混在することもある。

本発明は、カチオン交換樹脂再生塔からアニオン交換樹脂を効率よく抜き出すことができるカチオン交換樹脂再生塔を提供することを目的とする。

本発明のカチオン交換樹脂再生塔は、塔内の上下方向の途中にアニオン交換樹脂の排出口を有するカチオン交換樹脂再生塔において、該排出口は下方に向って拡径する拡径構造であることを特徴とする。

本発明の一態様では、前記カチオン交換樹脂再生塔内にアニオン交換樹脂移送用配管が差し込まれており、該配管が放射方向に分岐しており、各分岐配管の先端側が下方に向って曲がっており、各分岐配管にそれぞれ前記排出口が設けられている。

本発明の一態様では、前記排出口の下端の直径Ｄが５０～２００ｍｍであり、拡径構造の拡径軸の鉛直軸との交差角度θが３０゜～６０゜である。

本発明の一態様では、各排出口の下端面が同一水平面上に位置する。

本発明の一態様では、前記排出口が３～６個設置されている。

本発明のカチオン交換樹脂再生塔では、アニオン交換樹脂移送用の排出口がカチオン交換樹脂再生塔内において下方に向って、かつ下方ほど拡径する拡径構造にて設けられているので、アニオン交換樹脂が排出口内にスムーズに取り込まれる。また、排出口が拡径構造であるので、その上にイオン交換樹脂が載って残ることがない。このようなことから本発明によると、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを効率よく分離することが可能となる。

（ａ）は実施の形態に係るカチオン交換樹脂再生塔の概略的な縦断面図、（ｂ）は排出口の縦断面図である。図１のカチオン交換樹脂再生塔におけるイオン交換樹脂分離工程の説明図である。従来のイオン交換樹脂再生装置の構成図である。図３のイオン交換樹脂再生装置の作動工程説明図である。排出口の別形状を示す縦断面図である。比較例１のカチオン交換樹脂再生塔を示す縦断面図である。（ａ）は比較例２のコレクター下面側を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ矢視図である。実施例及び比較例の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１（ａ）は、実施の形態に係るカチオン交換樹脂再生塔１０を示している。

カチオン交換樹脂再生塔１０の底部には、弁１１ａを有した逆洗水供給配管１１が接続され、頂部には、弁１２ａを有した逆洗排水の排水配管１２が接続されている。カチオン交換樹脂再生塔１０内の上下方向の途中にアニオン交換樹脂排出口１５が設置されており、樹脂移送配管１４の上流端が該アニオン交換樹脂排出口１５に接続されている。樹脂移送配管１４の途中には弁１４ａが設けられている。

樹脂移送配管１４の上流端は複数本（好ましくは３～６本）の分岐配管１４Ａに分岐している。各分岐配管１４Ａの先端側は下方に向って曲がっている。各分岐配管１４Ａの先端側の下端にそれぞれ排出口１５が設けられている。排出口１５は、図１（ｂ）に示す通り、下方に向って開放している。この排出口１５は、下方ほど径が大きくなるテーパ形状を有している。

各排出口１５の設置レベルは同一である。即ち各排出口１５の下端（開口面）は同一水平面上に位置している。

排出口１５の下端の開口径（直径）Ｄは好ましくは５０～２００ｍｍ特に好ましくは１００～１５０ｍｍである。鉛直軸に対する排出口１５の傾斜角度θは好ましくは３０゜～６０゜である。

このカチオン交換樹脂再生塔１０を含むイオン交換樹脂再生装置の全体構成は図３の場合と同様とされる。ただし、カチオン交換樹脂再生塔３から抜き出した混在層を直接樹脂貯留槽８に移送する配管を設けてもよい。イオン交換樹脂を再生する際のイオン交換樹脂の分離・移送等について図２を参照して説明する。

（１）分離工程：弁１１ａ，１２ａを開とし、弁１４ａを閉とし、カチオン交換樹脂再生塔１０内に逆洗水を好ましくはＬＶ８～１５ｍ／ｈｒで上向流通水することにより、該再生塔１０内の混合状態のイオン交換樹脂を、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の上下２層に比重差で分離する。この工程により、樹脂分離界面がアニオン交換樹脂排出口１５より３０～１５０ｍｍ低くする（図２（ａ））。

（２）アニオン交換樹脂抜出工程：弁１１ａ，１４ａを開とし、弁１２ａを閉とし、カチオン交換樹脂再生塔１０内の上層側のアニオン交換樹脂をアニオン交換樹脂排出口１５、分岐配管１４Ａ及び樹脂移送配管１４を介して引き抜き、アニオン交換樹脂再生塔に移送する（図２（ｂ））。この間、カチオン交換樹脂の界面は一定となるように水量を調節する。

（３）混在層抜出工程：アニオン交換樹脂がアニオン交換樹脂排出口１５のレベルまで排出・移送されると、図２（ｂ）の通り、アニオン交換樹脂排出口１５とカチオン交換樹脂層上面との間には、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混在層が残存する。

そこで、弁１１ａ，１２ａを開とし、弁１４ａを閉とし、逆洗水のＬＶを速めて上向流通水する逆洗を行い、混在層とカチオン交換樹脂層との界面を押し上げると共に混在層においてさらなる樹脂分離を促進し（図２（ｃ））、この界面がアニオン交換樹脂排出口１５から０～２０ｍｍ下方となるように弁１１ａの開度を調整し（図２（ｃ））、次いで弁１２ａを閉とし、弁１４ａを開とし、アニオン交換樹脂をアニオン交換樹脂排出口１５、分岐配管１４Ａ及び樹脂移送配管１４を介して移送する（図２（ｄ））。

これにより、カチオン交換樹脂再生塔１０内のカチオン交換樹脂中にアニオン交換樹脂が残留することが防止される。このため、次の再生工程において、該カチオン交換樹脂再生塔１０内でアニオン交換樹脂が逆再生されることが防止される。

この実施の形態では、排出口１５が下向きに拡径するテーパ形状となっているので、排出口１５付近のアニオン交換樹脂が効率よく該排出口１５内に取り込まれる。この排出口１５は、排出口がテーパのない直管状である場合に比べて、排出口１５に流入するアニオン交換樹脂・水混合流の流速が小さくなるので、アニオン交換樹脂・カチオン交換樹脂界面近傍のカチオン交換樹脂を吸い上げることがなく、移送アニオン交換樹脂へのカチオン交換樹脂の混入が防止される。また、この排出口１５はテーパ形であり接続部の上側に平面がないので、排出口１５の上側にイオン交換樹脂が載って残留することがなく、これによっても、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混ざり合うことが防止される。

排出口１５の別形状を図５（ａ）～（ｅ）に示す。図５（ａ）の排出口１５Ａでは、テーパ管１５ａが分岐配管１４Ａに接着しテーパ管１５ａの開口の所定距離下側にバッフル１５ｂがボルト１５ｃによって固定されている。なお、排出口１５Ａ内には、分岐配管１４Ａが延設され、該分岐配管１４Ａの下端にフランジ１４ｆが設けられ、該フランジ１４ｆの外周縁がテーパ管１５ａの下端縁に連なっている。

図５（ｂ）の排出口１５Ｂは、図５（ａ）においてバッフル１５ａを省略された構成となっている。

図５（ｃ）の排出口１５Ｃは、図２の排出口１５において、分岐配管１４Ａを若干排出口内に延長した構成となっている。

図５（ｄ）の排出口１５Ｄは、図５（ｃ）の排出口１５Ｃにおいて配管１４Ａをさらに下方に延長し、該配管１４Ａにスリットやパンチ孔１５ｄを設けたものである。

図５（ｅ）の排出口１５Ｅは、図５（ａ）においてテーパ管１５ａの下端にさらに下部円筒管１５ｄが接続され、下部円筒管１５ｄにバッフル１５ｂがボルト１５ｃによって固定された構成となっている。図５（ａ），（ｅ）の所定距離は５～３０ｍｍ、特に１０～２０ｍｍであることが好ましい。

排出口１５がイオン交換樹脂を吸い込む面（図５（ｄ），（ｅ）は円筒の側面、図５（ｂ）～（ｄ）は下端開口面）の面積を大きくしてＬＶを緩和することが好ましく、特に図５（ａ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）の形状が好ましい。

なお、拡径構造としてテーパ形状部材を備える例を説明したが、本発明においては、下向きラッパ形状でもよい。ただし、この場合はラッパ形状の上端と下端のそれぞれの傾斜角度が共に３０～６０°であることが好ましい。
また図１は分岐配管１４Ａを備える構造を例示したが、塔径が小さい場合などでは樹脂移送配管１４の上流端に直接排出口１５が接続されてもよい。

［実施例１］
＜実験条件＞
図１に示すカチオン交換樹脂再生塔にアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の混合樹脂を導入した後、弁１１ａ，１２ａを開けてＬＶ１０ｍ／Ｈｒで逆洗分離を行い、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを２層に分離した（図２（ａ））。逆洗ＬＶは１０ｍ／Ｈｒで一定とし、カチオン交換樹脂の量を調節して樹脂分離境界面との高低差を変えてつまり、排出口１５の下端と樹脂分離境界面との距離を変えて試験を行った。逆洗水供給を継続し、樹脂移送用の弁１４ａを開けてから逆洗排水用の弁１２ａを閉じてアニオン交換樹脂（平均粒径０．６ｍｍ）の移送を行った（図２（ｂ））。移送中の樹脂を採取し、アニオン交換樹脂中に含まれるカチオン交換樹脂（平均粒径０．５ｍｍ）の混入率を測定した。

次に、樹脂分離界面の高さが排出口１５の下端から２０ｍｍ下方になるよう逆洗ＬＶを調節し、樹脂分離境界面近傍の樹脂の移送を行った（図２（ｃ）～（ｅ））。移送を２０分間行った後、逆洗を止めてカチオン交換樹脂に残留するアニオン交換樹脂量の計測、およびカチオン交換樹脂量の減少量を測定した。

カチオン交換樹脂再生塔のスペックは次の通りである。
直胴部の塔径：１，９００ｍｍ
有効高さ：１，５００ｍｍ
カチオン交換樹脂層高さ（静止状態）：約５００ｍｍ
アニオン交換樹脂層高さ（静止状態）：約２５０ｍｍ
分岐配管本数：４本（放射４方向）
排出口下端直径Ｄ：１５０ｍｍ
排出口高さｈ：１４ｍｍ
傾斜角度θ：４０゜

［比較例１］
＜実験条件＞
図６に示すように、排出口１５の代わりに、再生塔１０’の側面の１箇所に内径８５ｍｍの排出ノズル１５Ｎを設けた他は実施例１と同一構成の再生塔１０’を使用した。逆洗水流入用の弁１１ａと逆洗水排水弁１２ａを開けてＬＶ１０ｍ／Ｈｒで逆洗分離を行い、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを２層に分離した。逆洗ＬＶは１０ｍ／Ｈｒで一定とし、カチオン交換樹脂の量を調節して樹脂分離境界面との高低差を変えてつまり横ノズル１５Ｎの開口下端と樹脂分離界面との距離を変えて試験を行った。逆洗水供給を継続し、樹脂移送弁１４ａを開けてから逆洗水排水弁１２ａを閉じてアニオン交換樹脂の移送を行った。移送中の樹脂を採取し、アニオン交換樹脂中に含まれるカチオン交換樹脂混入率を測定した。

次に、樹脂分離境界面の高さが横ノズル１５Ｎの下端から２０ｍｍ下方になるように逆洗ＬＶを調節して、樹脂分離境界面近傍の樹脂移送を行った。移送を２０分間行った後、逆洗を止めてカチオン交換樹脂再生塔１０’内に残留するアニオン交換樹脂量の計測、およびカチオン交換樹脂量の減少量を測定した。

［比較例２］
カチオン交換樹脂再生塔内に、前記排出口１５の代りに、該排出口１５と同レベルに、図７に示すコレクター２０を設置した。

コレクター２０は、中空のボス部２１と、該ボス部２１から放射８方向に延在する水平な管状体２２とを有する。管状体２２には、側面の上部に、樹脂流入口２３が設けられている。流入口２３の開口方向は、管状体２２の管軸心と垂直な断面において、管軸心から見て４５゜の方向である。主なスペックは次の通りである。
ボス部２１の直径：２１０ｍｍ
管状体２２の長さ：６７０ｍｍ
管状体２２の内径：口径４０Ａ
樹脂流入口２３の直径：１０ｍｍ

その他の構成は実施例１の再生塔１０と同一である。

逆洗水流入弁１１ａと逆洗水排水弁１２ａを開けてＬＶ１０ｍ／Ｈｒで逆洗分離を行い、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを２層に分離した。逆洗ＬＶは１０ｍ／Ｈｒで一定とし、カチオン交換樹脂の量を調節して樹脂分離境界面との距離を変えて、つまりコレクター２０と樹脂分離境界面との距離を変えて試験を行った。逆洗水供給を継続し、樹脂移送弁１４ａを開けてから逆洗水排出弁１２ａを閉じてアニオン交換樹脂の移送を行った。移送中の樹脂を採取し、アニオン交換樹脂中に含まれるカチオン交換樹脂混入率を測定した。

次に、樹脂分離境界面の位置がコレクターから２０ｍｍ下方になるように逆洗ＬＶを調節して、樹脂分離境界面近傍の樹脂移送を行った。移送を２０分間行った後、逆洗を止めてカチオン交換樹脂に残留するアニオン交換樹脂量の計測、およびカチオン交換樹脂量の減少量を測定した。

＜結果と考察＞
（１）図８に、アニオン交換樹脂移送において、各移送方式の排出口位置と樹脂分離境界面の距離を変えた場合のカチオン交換樹脂混入率の関係を示す。
図８の通り、実施例１では、排出口と樹脂分離境界面の高低差が近接しても排出樹脂中へのカチオン交換樹脂の混入率は低レベルを維持するが、比較例１，２ではカチオン交換樹脂の混入率が高く、排出口と樹脂分離境界面との高低差が小さいほどカチオン交換樹脂の混入率が高くなる。
（２）表１に、混合樹脂移送において、各移送方式の排出樹脂の結果を示す。

実施例１、比較例２は、アニオン交換樹脂残留量とカチオン交換樹脂減少量に大きな差異はなかった。一方、比較例１は、アニオン交換樹脂残留量およびカチオン交換樹脂減少量とも多かった。

以上の評価を総合すると、実施例１によると、簡便な構成によりアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂を効率よく分離して移送できることが確認された。

１０カチオン交換樹脂再生塔
１１ａ，１２ａ，１４ａ弁
１５、１５Ａ～１５Ｅ排出口

Claims

塔内の上下方向の途中にアニオン交換樹脂の排出口を有するカチオン交換樹脂再生塔において、
該カチオン交換樹脂再生塔内にアニオン交換樹脂移送用配管が差し込まれており、該配管の先端側の下端に、下方に向って開放した前記排出口が設けられており、該排出口は下方に向って拡径する拡径構造であることを特徴とするカチオン交換樹脂再生塔。
前記配管が放射方向に分岐しており、各分岐配管の先端側が下方に向って曲がっており、各分岐配管の下端にそれぞれ前記排出口が設けられていることを特徴とする請求項１のカチオン交換樹脂再生塔。
前記排出口の下端の直径Ｄが５０～２００ｍｍであり、拡径構造の拡径軸の鉛直軸との交差角度θが３０゜～６０゜である請求項１又は２のカチオン交換樹脂再生塔。
各排出口の下端面が同一水平面上に位置する請求項２又は請求項２を引用する請求項３のカチオン交換樹脂再生塔。
前記排出口が３～６個設置されている請求項１～４のいずれのカチオン交換樹脂再生塔。