RU2789979C1

RU2789979C1 - Ion exchange apparatus

Info

Publication number: RU2789979C1
Application number: RU2022105442A
Authority: RU
Inventors: Сергей Валентинович Натареев; Николай Александрович Лапшин; Алексей Александрович Рябиков; Андрей Юрьевич Семёнов; Александр Алексеевич Краснов
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-02-14

Abstract

FIELD: chemical industry.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for ion exchange processes in the chemical industry. The ion exchange apparatus contains a cylindrical body, an elliptical lid and bottom, upper and lower drainage and distribution devices, fittings for the input of source water, regeneration solution, washing water, fittings for the discharge of purified water, waste regeneration solution and washing water, a fixed layer of ionite particles, a layer of inert material particles, a layer of fluidized ionite. The body of the device consists of two cylindrical shells of different diameters, the lower part of the first of which with a smaller diameter is installed inside the second shell of a larger diameter. The flat cover is made in the form of a circular ring located in the upper part of the shell of a larger diameter between its inner surface and the outer surface of the shell of a smaller diameter. The lower drainage and distribution device is made in the form of a circular ring located under a flat lid. To ensure that the device is inoperable, the arrangement of a stationary layer of ionite particles with a density lower than the density of the treated water, free space and a layer of particles of inert material from top to bottom along its height. For the stages of water purification, regeneration and washing, a fixed layer of ionite particles and a layer of inert material particles are located from top to bottom along the height of the apparatus, a free space is located between the shell of a smaller diameter and the shell of a larger diameter. For the loosening stage, a layer of fluidized ionite and a layer of inert material particles are located from top to bottom along the height of the apparatus.

EFFECT: present invention enables to perform the ion exchange water purification using ionites with a density lower than the density of the purified water.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов ионного обмена в химической отрасли.The invention relates to equipment for carrying out ion exchange processes in the chemical industry.

Известен ионообменный аппарат с неподвижным слоем ионита, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, крышку, днище, верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, штуцера для ввода исходной воды, регенерационного раствора и промывочной воды, штуцера для вывода очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды. Полный цикл аппарата складывается из следующих стадий: 1) очистка воды; 2) регенерация ионита; 3) отмывка ионита от регенерационного раствора; 4) взрыхление ионита с целью отмывки его от механических примесей [Иониты в химической технологии / Под ред. Б.П. Никольского и П.Г. Романкова. - Л.: Химия, 1982. - 416 с.].Known ion-exchange apparatus with a fixed bed of ion exchanger, containing a vertical cylindrical body, a lid, a bottom, an upper and lower drainage distribution device, a fitting for input of source water, regeneration solution and flushing water, a fitting for discharging purified water, waste regenerating solution and flushing water. The complete cycle of the apparatus consists of the following stages: 1) water purification; 2) regeneration of the ion exchanger; 3) washing the ion exchanger from the regeneration solution; 4) loosening the ion exchanger in order to wash it from mechanical impurities [Ion exchangers in chemical technology / Ed. B.P. Nikolsky and P.G. Romankov. - L.: Chemistry, 1982. - 416 p.].

Недостатком известного аппарата является то, что в нем невозможно использовать ионообменные материалы, например, на основе целлюлозы (модифицированные древесные опилки, хлопковую целлюлозу и др.), плотность которых меньше, чем плотность очищаемой воды, поскольку они не образуют внутри аппарата плотный неподвижный слой, а всплывают вверх аппарата.The disadvantage of the known apparatus is that it is impossible to use ion-exchange materials, for example, based on cellulose (modified sawdust, cotton cellulose, etc.), the density of which is less than the density of the treated water, since they do not form a dense fixed layer inside the apparatus, and float up the apparatus.

Наиболее близким по технической сущности, то есть прототипом, является ионообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, крышку и днище эллиптической формы, верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, штуцера для ввода исходной воды, регенерационного раствора, промывочной воды, штуцера для вывода очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды, неподвижный слой частиц ионита с плотностью, большей, чем плотность очищаемой воды, слой частиц инертного материала с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, слой псевдоожиженного ионита, свободный объем, расположенные сверху вниз по высоте фильтра на стадии очистки воды слой частиц инертного материала, неподвижный слой ионита и слой псевдоожиженного ионита, расположенные сверху вниз по высоте аппарата на стадии регенерации слой частиц инертного материала, свободный объем и неподвижный слой ионита. Стадии отмывки и взрыхления ионита в аппарате не предусмотрены [Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. - М.: ДеЛи принт, 2004. - С. 125-127.].The closest in technical essence, that is, the prototype, is an ion exchange apparatus containing a cylindrical body, a cover and an elliptical bottom, upper and lower drainage distribution devices, a fitting for input of source water, regeneration solution, flushing water, a fitting for the output of purified water, spent regeneration solution and washing water, a fixed layer of ion exchanger particles with a density greater than the density of the treated water, a layer of inert material particles with a density lower than the density of the treated water, a layer of fluidized ion exchanger, a free volume located from top to bottom along the height of the filter at the stage water purification layer of particles of inert material, a fixed layer of ion exchanger and a layer of fluidized ion exchanger, located from top to bottom along the height of the apparatus at the stage of regeneration, a layer of particles of inert material, a free volume and a fixed layer of ion exchanger. The stages of washing and loosening the ion exchanger in the apparatus are not provided [Ryabchikov B.E. Modern methods of water treatment for industrial and domestic use. - M.: DeLi print, 2004. - S. 125-127.].

Техническим результатом изобретения является возможность проведения ионообменной очистки воды с помощью ионитов с плотностью меньшей, чем плотность очищаемой воды.The technical result of the invention is the possibility of carrying out ion-exchange water purification using ion exchangers with a density less than the density of the water to be purified.

Указанный результат достигается тем, что в ионообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус, эллиптические крышку и днище, верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства, штуцера для ввода исходной воды, регенерационного раствора, промывочной воды, штуцера для отвода очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды, неподвижный слой частиц ионита, слой частиц инертного материала, слой псевдоожиженного ионита, согласно изобретению, корпус аппарата состоит из двух цилиндрических обечаек разного диаметра, нижняя часть первой из которых с меньшим диаметром установлена внутрь второй обечайки большего диаметра, плоской крышки в форме кругового кольца, расположенной в верхней части обечайки большего диаметра между ее внутренней поверхностью и наружной поверхностью обечайки меньшего диаметра, нижнего дренажно-распределительного устройства в форме кругового кольца, расположенного под плоской крышкой, для обеспечения в нерабочем состоянии аппарата расположения сверху вниз по его высоте неподвижного слоя частиц ионита с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, свободного пространства и слоя частиц инертного материала, а также для обеспечения следующих состояний слоев в процессе работы аппарата: для стадий очистки воды, регенерации и отмывки расположены сверху вниз по высоте аппарата неподвижный слой частиц ионита и слой частиц инертного материала, и расположено между обечайкой меньшего диаметра и обечайкой большего диаметра свободное пространство; для стадии взрыхления расположены сверху вниз по высоте аппарата слой псевдоожиженного ионита и слой частиц инертного материала.This result is achieved by the fact that in an ion exchange apparatus containing a cylindrical body, an elliptical cover and bottom, upper and lower drainage distribution devices, fittings for input of source water, regeneration solution, flushing water, fittings for discharging purified water, waste regenerating solution and washing water, a fixed layer of ion exchanger particles, a layer of particles of an inert material, a layer of fluidized ion exchanger, according to the invention, the body of the apparatus consists of two cylindrical shells of different diameters, the lower part of the first of which, with a smaller diameter, is installed inside the second shell of a larger diameter, a flat cover in the form of a circular ring , located in the upper part of the shell of a larger diameter between its inner surface and the outer surface of the shell of a smaller diameter, the lower drainage-distributing device in the form of a circular ring located under a flat cover, to ensure that the apparatus is located in the idle state from top to bottom along its height of a fixed layer of ion exchanger particles with a density less than the density of the treated water, free space and a layer of particles of an inert material, as well as to ensure the following states of the layers during the operation of the apparatus: for the stages of water purification, regeneration and washing are located on top down the height of the apparatus a fixed layer of ion exchanger particles and a layer of particles of inert material, and free space is located between the shell of a smaller diameter and the shell of a larger diameter; for the loosening stage, a layer of fluidized ion exchanger and a layer of inert material particles are located from top to bottom along the height of the apparatus.

Технический результат достигается за счет удержания в аппарате для стадий очистки воды, регенерации и отмывки слоя частиц ионита в неподвижном состоянии между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, прижатого к слою частиц ионита избыточным давлением в зависимости от стадий исходной водой, регенерационным раствором и промывочной водой, и достигается для стадии взрыхления за счет перемешивания ионита в псевдоожиженном слое, расположенном между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, часть которого перемещена самотеком в пространство между обечайками.The technical result is achieved by keeping in the apparatus for the stages of water purification, regeneration and washing a layer of ion exchanger particles in a stationary state between the upper drainage distribution device and a layer of inert material particles pressed against the layer of ion exchanger particles by excess pressure, depending on the stages, with source water, regeneration solution and washing water, and is achieved for the loosening stage by mixing the ion exchanger in a fluidized bed located between the upper drainage distribution device and a layer of inert material particles, part of which is moved by gravity into the space between the shells.

На фиг. 1 изображен ионообменный аппарат в нерабочем состоянии, на фиг. 2 - ионообменный аппарат для стадий очистки воды, регенерации и отмывки, на фиг. 3 - ионообменный аппарат для стадии взрыхления.In FIG. 1 shows the ion exchanger in a non-operating state, FIG. 2 - ion exchange apparatus for the stages of water purification, regeneration and washing, in Fig. 3 - ion exchange apparatus for loosening stage.

Ионообменный аппарат содержит цилиндрические обечайки 1 и 2, эллиптические крышку 3 и днище 4, плоскую крышку 5 в форме кругового кольца, верхнее 6 и нижнее 7 дренажно-распределительные устройства. В верхней части обечайки 2 расположен штуцер 8 для ввода в аппарат исходной воды, регенерационного раствора, промывочной воды и вывода из аппарата воды после взрыхления ионита. В верхней части эллиптической крышки 3 расположен штуцер 9 для вывода из аппарата очищенной воды, отработанных регенерационного раствора и промывочной воды, а также для ввода в аппарат очищенной воды для взрыхления ионита. В нижней части эллиптического днища 4 расположен штуцер 10 для опорожнения аппарата. Внутри аппарата, находящегося в нерабочем состоянии (фиг. 1), расположены сверху вниз по его высоте неподвижный слой частиц ионита 11, свободное пространство 12 и слой частиц инертного материала 13.The ion-exchange apparatus contains cylindrical shells 1 and 2, elliptical cover 3 and bottom 4, a flat cover 5 in the form of a circular ring, top 6 and bottom 7 drainage distribution devices. In the upper part of the shell 2, there is a fitting 8 for entering the initial water, regeneration solution, washing water into the apparatus and withdrawing water from the apparatus after loosening the ion exchanger. In the upper part of the elliptical cover 3 there is a fitting 9 for removing purified water, spent regeneration solution and washing water from the apparatus, as well as for introducing purified water into the apparatus for loosening the ion exchanger. In the lower part of the elliptical bottom 4 there is a fitting 10 for emptying the apparatus. Inside the apparatus, which is in a non-working state (Fig. 1), there are located from top to bottom along its height a fixed layer of ion exchanger particles 11, free space 12 and a layer of particles of inert material 13.

Для стадий очистки воды, регенерации и отмывки (фиг. 2) расположены сверху вниз по высоте аппарата неподвижный слой частиц ионита 11 и слой частиц инертного материала 13 и между обечайкой 1 и обечайкой 2 расположено свободное пространство 14. Для стадии взрыхления (фиг. 3) расположены сверху вниз по высоте аппарата слой псевдоожиженного ионита 15 и слой частиц инертного материала 13. For the stages of water purification, regeneration and washing (Fig. 2), a fixed layer of ion exchanger particles 11 and a layer of particles of inert material 13 are located from top to bottom along the height of the apparatus, and free space 14 is located between shell 1 and shell 2. For the loosening stage (Fig. 3) located from top to bottom along the height of the apparatus is a layer of fluidized ion exchanger 15 and a layer of particles of inert material 13.

Ионообменный аппарат работает следующим образом.The ion exchanger works as follows.

Полный цикл работы ионообменного аппарата складывается из следующих стадий: 1) очистка воды, 2) регенерация ионита, 3) отмывка ионита, 4) взрыхление ионита. Перед началом работы в ионообменный аппарат помещают ионит с плотностью меньшей, чем плотностью очищаемой воды, инертный материал в форме сферических частиц с плотность, большей на 15-25%, чем плотность очищаемой воды, и заливают в аппарат воду. Ионит всплывает вверх аппарата, образуя неподвижный слой 11, а частицы инертного материала опускаются под собственным весом вниз аппарата, образуя неподвижный слой 13 (фиг. 1). При этом устанавливается одинаковый уровень суспензии инертный материал-вода в обечайке 1 и пространстве между обечайкой 1 и обечайкой 2. Между неподвижными слоями ионита 11 и частицами инертного материала 13 образуется свободное пространство 12.The full cycle of operation of the ion exchanger consists of the following stages: 1) water purification, 2) ion exchanger regeneration, 3) ion exchanger washing, 4) ion exchanger loosening. Before starting work, an ion exchanger with a density less than the density of the treated water, an inert material in the form of spherical particles with a density greater by 15-25% than the density of the treated water is placed in the ion exchange apparatus, and water is poured into the apparatus. The ion exchanger floats up the apparatus, forming a fixed layer 11, and the particles of inert material fall under their own weight down the apparatus, forming a fixed layer 13 (Fig. 1). In this case, the same level of inert material-water suspension is established in shell 1 and the space between shell 1 and shell 2. Free space 12 is formed between the fixed layers of ion exchanger 11 and particles of inert material 13.

На стадии очистки воды (фиг. 2) исходная вода подается через штуцер 8, проходит через нижнее дренажно-распределительной устройство 7 и слой частиц инертного материала 13. Движущаяся исходная вода выдавливает частицы инертного материала из пространства между обечайкой 1 и обечайкой 2 в обечайку 1, поднимает частицы инертного материала вверх аппарата и прижимает их к неподвижному слою ионита 11. При этом между обечайкой 1 и обечайкой 2 образуется свободное пространство 14. Затем исходная вода проходит через неподвижный слой ионита 11, где очищается от ионов целевого компонента. Очищенная вода проходит через, верхнее дренажно-распределительное устройство 6 и выводится из аппарата через штуцер 9. После насыщения ионита целевым компонентом прекращают подачу исходной воды в аппарат и проводят стадию регенерации ионита регенерационным раствором, который подается через штуцер 8. Принцип работы аппарата на стадии регенерации аналогичен принципу работы аппарата на стадии очистки воды. После завершения стадии регенерации ионита прекращают подачу регенерационного раствора в аппарат и проводят стадию отмывки ионита от остатков регенерационного раствора промывочной водой, которая подается через штуцер 8. Принцип работы аппарата на стадии отмывки ионита аналогичен принципу работы аппарата на стадии очистки воды. После завершения отмывки ионита проводят стадию взрыхления ионита. Для этого прекращают подачу промывочной воды в аппарат, частицы инертного материала опускаются под собственным весом вниз обечайки 1, частично переходят в пространство между обечайкой 1 и обечайкой 2, заполняя свободное пространство 14. При этом между неподвижными слоями ионита 11 и инертного материала 13 образуется свободное пространство 12. Для стадии взрыхления (фиг. 3) очищенная вода поступает в ионообменный аппарат через штуцер 9, проходит через верхнее дренажно-распределительное устройство 6, проходит сквозь слой псевдоожиженного ионита 15, отмывает его от взвешенных веществ, а затем проходит сквозь слой частиц инертного материала 13, нижнее дренажно-распределительное устройство 7 и выводится из аппарата через штуцер 8. Затем цикл повторяется.At the stage of water purification (Fig. 2), the source water is supplied through the fitting 8, passes through the lower drainage-distributing device 7 and the layer of inert material particles 13. The moving source water squeezes out the particles of the inert material from the space between the shell 1 and the shell 2 into the shell 1, raises the particles of inert material up the apparatus and presses them to the fixed layer of the ion exchanger 11. In this case, free space 14 is formed between the shell 1 and the shell 2. Then the source water passes through the fixed layer of the ion exchanger 11, where it is purified from the ions of the target component. Purified water passes through the upper drainage distribution device 6 and is discharged from the apparatus through fitting 9. After the ion exchanger is saturated with the target component, the supply of source water to the apparatus is stopped and the ion exchanger is regenerated with a regeneration solution, which is supplied through fitting 8. The principle of operation of the apparatus at the stage of regeneration similar to the principle of operation of the apparatus at the stage of water purification. After completion of the stage of regeneration of the ion exchanger, the supply of the regeneration solution to the apparatus is stopped and the stage of washing the ion exchanger from the remnants of the regeneration solution with washing water, which is supplied through fitting 8, is carried out. The principle of operation of the apparatus at the stage of washing the ion exchanger is similar to the principle of operation of the apparatus at the stage of water purification. After completion of the washing of the ion exchanger, the stage of loosening the ion exchanger is carried out. To do this, the supply of flush water to the apparatus is stopped, the particles of the inert material fall under their own weight down the shell 1, partially pass into the space between the shell 1 and the shell 2, filling the free space 14. In this case, a free space is formed between the fixed layers of the ion exchanger 11 and the inert material 13 12. For the stage of loosening (Fig. 3), purified water enters the ion exchanger through the fitting 9, passes through the upper drainage distribution device 6, passes through the layer of fluidized ion exchanger 15, washes it from suspended solids, and then passes through the layer of inert material particles 13, the lower drainage distribution device 7 and is removed from the apparatus through the fitting 8. Then the cycle is repeated.

Предлагаемый аппарат позволяет проводить процессы ионообменной очистки воды, регенерации и отмывки ионита в плотном слое частиц ионита с плотностью, меньшей, чем плотность очищаемой воды, за счет удержания слоя частиц ионита в неподвижном состоянии между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, прижатым к слою ионита избыточным давлением соответственно исходной воды, регенерационного раствора и промывочной воды, и для стадии взрыхления за счет перемешивания ионита в псевдоожиженнбм слое, расположенном между верхним дренажно-распределительным устройством и слоем частиц инертного материала, часть которого перемещена вместе с водой самотеком в пространство между обечайкой большего диаметра и обечайкой меньшего диаметра.The proposed apparatus makes it possible to carry out the processes of ion-exchange water purification, regeneration and washing of the ion exchanger in a dense layer of ion exchanger particles with a density less than the density of the water to be purified, by keeping the layer of ion exchanger particles in a stationary state between the upper drainage distribution device and the layer of inert material particles pressed to the ion exchanger layer by excess pressure of the source water, regeneration solution and washing water, respectively, and for the loosening stage due to the mixing of the ion exchanger in the fluidized bed located between the upper drainage-distribution device and the layer of inert material particles, part of which is moved along with water by gravity into the space between a shell of a larger diameter and a shell of a smaller diameter.

Claims

SUBSTANCE: ion-exchange apparatus contains cylindrical body, elliptical cover and bottom, upper and lower drainage-distributing devices, fittings for input of initial water, regeneration solution, washing water, fitting for removal of purified water, spent regeneration solution and washing water, fixed layer of ion exchanger particles, a layer of particles of an inert material, a layer of fluidized ion exchanger, characterized in that the body of the apparatus consists of two cylindrical shells of different diameters, the lower part of the first of which, with a smaller diameter, is installed inside the second shell of a larger diameter, a flat cover in the form of a circular ring located in the upper part of the shell of a larger diameter between its inner surface and the outer surface of a shell of a smaller diameter, a lower drainage-distributing device in the form of a circular ring located under a flat cover, to ensure that the apparatus is not in working condition, from top to bottom along its height, stationary a layer of ion exchanger particles with a density less than the density of the water to be purified, free space and a layer of particles of an inert material, as well as to ensure the following states of the layers during the operation of the apparatus: for the stages of water purification, regeneration and washing, located from top to bottom along the height of the apparatus, a fixed layer of ion exchanger particles and a layer of particles of inert material, and located between the shell of a smaller diameter and the shell of a larger diameter free space; for the loosening stage, a layer of fluidized ion exchanger and a layer of inert material particles are located from top to bottom along the height of the apparatus.