способ регенерации ионообменных фильтров

Формула изобретения

1. Способ регенерации ионообменных фильтров, включающий растворение углекислого газа под давлением с получением регенерирующего раствора, подачу и выпуск его из ионообменного фильтра, отличающийся тем, что получение регенерирующего раствора растворением в нем углекислого газа ведут в скважине.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения регенерирующего раствора используют дымовой газ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из раствора, прошедшего через ионообменный фильтр, извлекают оставшийся в нем углекислый газ и направляют его на получение регенерирующего раствора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при проведении регенерации ионообменных фильтров в установках для умягчения воды.

Известен способ регенерации ионообменных фильтров на установках по умягчению воды, включающий приготовление регенерирующего раствора, представляющего собой концентрированный раствор поваренной соли, промывку им ионообменного фильтра, разбавление природной водой регенерационного раствора, в который превращается регенерирующий раствор после прохождения через ионообменный фильтр, до допустимых концентраций входящих в него компонентов и сброс разбавленного раствора в поверхностей водосток (см. Основы химии и технологии воды /Кульский Л.А.; - Киев, 1991, с. 373).

Основными недостатками этого способа являются большие затраты на приготовление регенерирующего раствора, малая его эффективность и большие объемы сточных вод, образующихся в результате разбавления регенерационных растворов перед выпуском их в поверхностные водотоки и связанную с ними опасность существенного ухудшения экологической обстановки в поверхностных водоемах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регенерации ионообменных фильтров, при котором в регенерирующем растворе кроме раствора соли используются также добавки в него углекислого газа, растворяемые в нем под давление до концентраций 72 - 202 мгэкв/л (см. "Способ регенерации катионита и анионита при ионировании воды", SU, авторское свидетельство N 1238784, 1986). В этом способе, принимаемым за прототип, в значительной мере устранены недостатки предыдущего, но некоторые из них все же остаются, например, такие, как неполное устранение сточных вод и большие затраты на приготовление регенерирующего раствора.

Задачей изобретения является создание способа с практически полным отсутствием сточных вод и существенно более низкими затратами на приготовление регенерирующих растворов.

Эта задача решается в способе регенерации ионообменных фильтров, раствора, включающего приготовление содержащего углекислый газ регенерирующего раствора подачу и выпуск его из ионообменного фильтра, при этом согласно изобретению, получение регенерирующего раствора растворением в нем углекислого газа ведут в скважине, используя в качестве его источника дымовой газ и углекислый газ, оставшийся в растворе, прошедшие через ионообменный фильтр.

Применение перечисленных операций обуславливает появление следующих новых положительных свойств у данного изобретения.

Использование только углекислотного раствора для регенерации ионообменного фильтра позволяет снизить затраты на приготовление регенерирующего раствора относительно прототипа и исключить из технологической схемы установок умягчения воды практически полностью сточные воды, осуществляя тем самым бессточную технологию. Это определяется тем, что после регенерации ионообменного фильтра углекислотным раствором, во время которой проходит замена на поверхности зерен фильтра катионов жесткости на ион водорода из раствора и дегазации регенерационного раствора, т.е. прошедшего через фильтр регенерирующего раствора, происходит выпадение из него катионов жесткости (кальция, магния) в виде слаборастворимых карбонатных соединений в результате чего этот раствор приобретает первоначальные свойства и способность после насыщения его углекислым газом, вновь стать регенерирующим и годным для повторного использования.

Осуществимость такого процесса обуславливается с одной стороны относительно хорошей растворимостью бикарбонатных соединений кальция и магния, которые возникают при избытке углекислого газа в растворе, и низкой растворимостью их карбонатных соединений, в которые они переходят при недостатке (дегазации) углекислого газа в растворе.

Использование дымового газа в качестве источника углекислого газа позволяет снизить затраты на приготовление регенерирующего углекислотного раствора. Особенно эффективно такое использование на установках умягчения воды, входящих как обязательный элемент в комплекс теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) для подпитки сетей теплоснабжения. Здесь дымовой газ имеется практически в неограниченном количестве. Кроме того, использование дымового газа позволяет довольно заметно снизить на ТЭЦ выбросы углекислого газа в атмосферу, улучшая этим экологическую обстановку вокруг них. Этот углекислый газ по данной технологии оказывается связанным с катионами жесткости в твердых слабораствоимых и экологически чистых минералах кальцита и магнезита.

Экономия углекислого газа достигается по данной технологии также тем, что этот газ, получаемый при дегазации регенерационного раствора не сбрасывается в атмосферу, как это обычно делается на установках умягчения воды, а направляется на повторное использование для приготовления регенерирующего раствора. Если учесть, что доля такого газа в регенерирующем растворе в несколько раз должна превышать долю газа, необходимого для образования карбонатных минералов с катионами жесткости, то экономию углекислого газа в результате действия такой операции следует считать существенной.

Растворение углекислого газа в скважине, являющееся главной отличительной операцией, также снижает затраты на приготовление регенерирующего раствора за счет повышения скорости и эффективности растворения. Повышение скорости растворения обеспечивается наличием в скважине дополнительного гидростатического столба воды, под которым и происходит растворение. Чем больше же давление, оказываемое на газ, тем выше скорость его растворения. Повышение эффективности растворения обусловлено прямоточным нисходящим режимам движения растворенного газа и раствора в скважине, в результате которого время контакта газа с раствором многократно увеличивается по сравнению с традиционными способами растворения, как барботирование или эжектирование. Повышенное давление и время контакта газа с раствором в скважине позволяют снизить количество подаваемого на растворение газа в 3-8 раз относительно традиционных способов.

Схема растворения газа в скважине иллюстрируется чертежом, на котором видны: обсадная колонна труб 1 в скважине; колонна труб 2 для выпуска из скважины нерастворившегося газа; колонна труб 3 для прохождения газо-водяной смеси в скважине; трубопровод 4 для подачи воды в скважину; трубопровод 5 для подачи газа в скважину; трубопровод 6 для газонасыщенного раствора; камера 7 для отделения нерастворившегося газа от газонасыщенного раствора.

Количество растворяемого углекислого газа из дымового газа, принимаемого в первом приближении за двухкомпонентную газовую смесь (углекислый газ и воздух) может быть определено по следующим формулам, полученным и сходя из условия прямой пропорциональности растворяемого объема от давления растворения:

,

,

,

где

U_p1, U_p2 - соответственно объемы растворившегося углекислого газа и воздуха в 1 л воды, н.л.;

U₁, U₂ -соответственно объемы углекислого газа и воздуха, поданные на растворение в 1 л воды, н.л.;

K₁, K₂ - соответственно объемы растворенных в 1 л воды при нормальном давлении (1 атм) и 15^oC углекислого газа (k₁ = 1,0 н.л./атм) и воздуха (k₂ = 0,02 н.л./атм);

P_k - давление растворения, атм;

U_H1, U_H2 - соответственно объемы нерастворившегося углекислого газа и воздуха из их объемов, поданных для растворения в 1 л. воды, н.л.

Из приведенных зависимостей видно, что объемы растворенных и соответственно нерастворившихся газов зависят от значений постоянных параметров (k₁, k₂), давления растворения, количества подаваемых для растворения газов и соотношения между ними.

Выполнение способа поясняется на следующем примере. Известна установка глубокого умягчения на катионитовых фильтрах, снижающая жесткость обрабатываемой воды с 1 мгэкв/л (с 20 мг/л по кальцию) до 0,01 мгэкв/л. Установка имеет производительность 1000 м³/ч., располагается рядом с ТЭЦ и служит для подпитки ее теплосети. На установке используются натрий- и водород-ионообменные фильтры, для регенерации которых обычно применяются растворы поваренной соли и серной кислоты. Регенерационные растворы после их многократного разбавления и нейтрализации сбрасываются в гидрографическую сеть.

Требуется применить в данных условиях бессточную технологию регенерации ионообменных фильтров и сократить затраты на приготовление регенерирующих растворов.

Для этого, используя операции, представленные в данном изобретении, ведут их в следующей последовательности. Приготовление регенерирующего раствора начинают с подачи в скважину, глубиной 100 м, по трубопроводу 4 воды со средним дебитом 800 м³/сут. и давлением 10 атм. Одновременно по трубопроводу 5 с тем же давлением подают от ТЭЦ дымовой газ с дебитом 4000 н.м.³сут., т.е. при отношении подаваемых в скважину газа к воде 5:1. Содержание углекислого газа в дымовом газе составляет приблизительно 10%.

При нисходящем движении газоводяной смеси по колонне труб 3 в скважине происходит растворение газа в воде, чему способствует увеличивающееся по мере глубины давление, превышающее устьевое давление за счет давления гидростатического столба воды к концу движения более, чем на 5 атм. В конце движения этой смеси в камере 7 происходит отделение нерастворившегося газа от газонасыщенного раствора. Нерастворившийся газ поднимается отсюда по трубной колонне 2 к устью скважины и здесь выпускается в атмосферу.

Газонасыщенный раствор, в котором растворилось около 0,35 м³/м³ углекислого газа, что соответствует его концентрации в растворе приблизительно 0,7 г/л, поднимается к устью скважины по пространству между трубными колоннами 1 и 2. Отсюда газонасыщенный раствор, находящийся под давлением приблизительно 5,5 атм, подается по трубопроводу 6 или непосредственно на регенерацию ионообменных фильтров или, что более эффектно в конечном счете, на донасыщение его дополнительной порцией углекислого газа.

Донасыщение производится во второй скважине, оборудованной также, как первая по схеме. Во вторую скважину раствор подают по трубопроводу, 4, одновременно в этот раствор по трубопроводу 5 подают углекислый газ в количестве около 6 г на 1 л раствора. После растворения этого газа в трубной колонне 3 раствор углекислого газа, концентрация которого достигла 6,7 г/л, направляют из скважины по трубопроводу 6 на регенерацию фильтра, а нерастворившийся газ, выходящий из скважины по трубной колонне 2, направляют к первой скважине на повторное растворение.

В процессе регенерации ионообменного фильтра катионы жесткости на нем замещаются ионом водорода из углекислотного раствора, после чего фильтр оказывается снова пригодным для извлечения из умягчаемой воды катионов жесткости. Раствор же, прошедший через фильтр, направляют в дегазатор, где вакуумным насосом извлекают свободный, не связанный с катионами жесткости углекислый газ.

Этот газ направляют во вторую скважину для растворения в новых порциях готовящего регенерирующего раствора. Количество этого газа при заданных исходных параметрах установки водоочистки как раз достаточно при его растворении для увеличения концентрации углекислоты в регенерирующем растворе на 6 г/л, т. е. этот газ является циркулирующим в системе в постоянном объеме и необходимым только для того, чтобы соединения катионов жесткости находились во время регенерации в растворенном состоянии.

В дегазированном же растворе происходит выпадение этих катионов в виде слаборастворимых карбонатных соединений. После освобождения этого раствора от осадка он может быть снова направлен для приготовления регенерирующего раствора или в общий поток воды, идущий на очистку от катионов жесткости и затем на подпитку теплосети ТЭЦ. Осажденные соединения являются экологически совершенно безвредными и их количество в пересчете на кальцит составляет для данного примера приблизительно 1,25 т/сут.

Таким образом, по представленной технологической схеме исключаются полностью сточные регенерационные воды, значительно снижаются объемы подаваемого на растворение газа, исключаются затраты серной кислоты и поваренной соли на приготовление регенерирующего раствора в количестве около 6 т/сут., предотвращается выброс в атмосферу вместе с дымовым газом двуокиси углерода в количестве 0,6 т/сут. и появляется ряд других положительных эффектов.