Технология UP FLOW, или как сэкономить на эксплуатации умягчителей воды

к.т.н. М.С. Краснов, А.А. Милованов, А.С. Демидов
компания "Экодар"

    Существуют различные методы умягчения воды. На сегодняшний день наиболее распространена технология умягчения с использованием ионообменных смол. В основе лежит процесс, при котором растворенные в воде ионы жесткости заменяются на ионы, не образующие осадка в трубопроводах и на поверхности нагревательного оборудовании. Принцип работы ионообменных фильтров-умягчителей таков: в воде, проходящей через слой ионообменной смолы, ионы кальция и магния заменяются на ионы натрия, связанные с активными ионогенными группами самого катионита. После прекращения обмена ионов требуется восстановление обменной емкости ионообменной смолы - регенерация, которая производится за счет подачи в фильтр водного раствора поваренной соли, и обратного замещения ионов кальция и магния на ионы натрия.

    Технология ионного обмена используется уже достаточно давно. И ровно столько же разработчики бьются над задачами по увеличению рабочей обменной емкости ионитов и снижению затрат на эксплуатацию умягчителей. Одним из способов увеличения фильтроцикла при одновременном удельном снижении количества реагентов на регенерацию является технология Upflow. Принцип и отличительные особенности данной технологии предлагаются к рассмотрению в настоящей статье.

    Устройство фильтра-умягчителя, использующего традиционную технологию регенерации (Downflow), и фильтра-умягчителя, в котором применяется технология Upflow, упрощенно представлено на рисунке 1.

 

    Особенностями компоновки фильтра в случае использования технологии Upflow являются:

• высокий коэффициент заполнения катионитом объема фильтра (порядка 80-90 % цилиндрической части фильтра);
• уменьшенная зона свободного пространства (примерно 1/10 высоты цилиндрической части фильтра);
• слой плавающего инертного материала, прижимающегося к верхнему дренаж- но-распределительному устройству.

    Инертный материал предназначен для интенсификации процесса удаления из слоя ионита взвесей и ионитной «мелочи» при промывке фильтра снизу вверх. При этом основной фильтрующий материал задерживается слоем инерта. Во время рабочего цикла (поток воды направлен сверху вниз) наличие инертного материала способствует более равномерному распределению поступающей воды на фильтрующую загрузку и снижает вероятность её внутрислойного перемешивания. Обработка исходной воды по технологии Upflow осуществляется аналогично соответствующей стадии традиционной технологии (направления потоков указаны на рис.1), а стадии процесса регенерации существенно отличаются от стандартной процедуры.

    Условно процесс противоточной регенерации можно разбить на следующие стадии (стадии представлены в сравнении с традиционной технологией).

1 стадия. «Зажатие» (обратная промывка) (рис.2)

Вода поступает из нижней распределительной системы и прижимает слой катионита к инерту, а его, в свою очередь, к верхней дренажно-распределительной системе. Во время этой операции из верхней части слоя вымываются взвеси, задержанные во время рабочего цикла, и ионитная мелочь, которая образуется при истирании и растрескивании гранул смолы. Скорость потока на этой стадии при технологии Upflow сравнима со скоростью по технологии Downflow. Интенсивность вымывания примесей по технологии Upflow несколько выше в связи с тем, что гранулы инертного материала в отличие от гранул катионита значительно меньше забивают верхнее распределительное устройство. Продолжительность этой стадии при технологии Upflow может быть несколько снижена.

2 стадия. Собственно регенерация взрыхленного слоя ионита (рис.3).

   Регенерационный раствор поваренной соли с концентрацией 25-30% засасывается из реагентного бака через инжектор, разбавляется до концентрации 10-12% и проходит через слой ионообменного материала снизу-вверх. При этом происходит послойный контакт достаточно концентрированного раствора соли с катионитом и обмен ионов кальция и магния катионита на ионы натрия раствора. Поступающие новые порции раствора соли осуществляют более глубокую регенерацию нижних слоев катионита и, соответственно, более полное удаление ионов жесткости в процессе фильтрации. Несмотря на избыточное, по сравнению со стехиометрическим, количество соли для проведения регенерации, степень перехода катионита верхних слоев в натриевую форму к моменту окончания процесса оказывается меньше, чем у нижних слоев. За счет более равномерного осуществления послойной регенерации снизу-вверх по технологии Upflow в отличие от традиционной технологии с потоком регенерации сверху-вниз солевой раствор используется более полно. Как было отмечено, заполнение фильтра катионитом в этом случае значительно больше, чем по традиционной технологии, но при этом расход соли на регенерацию не увеличивается.

3 стадия. Вытеснение продуктов регенерации (рис.4).

   Направление потока и его скорость аналогична предыдущей стадии. Скорость удаления ионов жесткости из фильтра несколько выше, чем по традиционной технологии в связи с тем, что скорость и полнота удаления отработанного раствора из разуплотненного слоя смолы выше, чем при удалении раствора в зажатом слое сверху вниз. В связи с этим продолжительность стадии вытеснения продуктов может быть уменьшена по сравнению с традиционной технологией.

 

4 стадия. Уплотнение ионита (рис.5)

   Вода подается сверху-вниз, как по традиционной технологии. В связи с тем, что все предыдущие стадии регенерации осуществляются потоком снизу-вверх, большее количество мелкой фракции катионита находится в верхней части фильтрующего слоя. Для технологии Upflow этот процесс более выражен, чем для традиционной технологии. Положительным явлением этого процесса является то, что верхний слой, состоящий преимущественно из мелких зерен ионита, играет роль барьера, предотвращающего проникновение взвесей, поступающих в фильтр в рабочем цикле, в нижние слои ионообменной смолы и способствует более легкому удалению их в процессе обратной промывки. 

 

    Преимущество технологии Upflow для осуществления процесса ионного обмена на промышленных объектах бесспорна. В СССР она широко использовалась на тепловых станциях и других производствах. Однако такую технологию можно использовать и для систем невысокой производительности (до 5 м3/ч). Основная проблема при этом – наличие блока управления процессом регенерации, позволяющего осуществлять противоточную регенерацию. Одним из немногих устройств управления, способных осуществлять противоточную регенерацию и, соответственно, работать по технологии Upflow, являются автоматические устройства управления компании Clack Corporation. Они имеют хорошие гидродинамические характеристики, простоту конструкции и достаточно низкую цену.

    Особенно актуально применение технологии Upflow для фильтров высотой 54 дюйма и менее. По заявлению ведущих производителей ионообменных смол для нормальной организации ионного обмена требуется, чтобы слой катионита был более 80 см. Исходя из параметров фильтров, даже для баллонов 0744 и 0844 можно добиться высокой эффективности ионообменного процесса.

    Приведем конкретный пример преимуществ, которые дает технология Upflow при использовании её в установках малой производительности. Произведем расчет фильтра-умягчителя на корпусе 10х54 с автоматическим устройством управления Clack при постоянном водопотреблении 1 м3/ч, исходной общей жесткости воды ОЖ=5мг-экв/л. Объем цилиндрической части данного корпуса составляет 57 л, рабочая обменная емкость катионита Е=1,1 г-экв/л. Для удобства расчета принимается умягчение до ОЖ=0мг-экв/л, а расход соли на регенерацию 120 г/л катионита.

    Коэффициент заполнения корпуса катионитом составляет:
   - для обычной технологии регенерации 67% - 38,2 л катионита;
   - для технологии Upflow около 90% - 51,3 л катионита.

    Ресурс системы при традиционной регенерации (Ртр) и регенерации Upflow (Рпр), и время до первой регенерации (Т) составят, соответственно:

Ртр= 38,2 · 1,1=42,0 г-экв

Рпр= 51,3 · 1,1=56,4 г-экв

Ттр= 42 г-экв /(0,005г-экв/л · 1000л/ч)= 8,4 ч

Тпр= 56,4 г-экв /(0,005г-экв/л · 1000л/ч)=11,3 ч

    Таким образом, для обычной системы требуется регенерация 3 раза, а противоточной 2 раза в сутки соответственно. Требуемый объем соли в сутки на регенерацию ионита составит:
   - для обычной технологии регенерации Vсоли= 38,2 · 0,12 · 3 = 13,8 кг/сут;
   - для технологии Upflow Vсоли= 51,3 · 0,12 · 2 = 12,4 кг/сут.

    Разница составляет 1,4 кг/сут, т.е. в месяц экономия соли в случае использования системы с технологией Upflow составит порядка 40 кг.

    Отличительной особенностью автоматических устройств управления Clack является возможность реализации пропорционального дозирования солевого раствора при реализации технологии UP Flow. При обычном дозировании регенерация системы проводится заданным количеством соли не зависимо от объема очищенной воды. При пропорциональном дозировании, объем соли на регенерацию пропорционален объему очищенной воды. Это позволяет сократить расход реагентов и эксплуатировать фильтр-умягчитель в экономичном режиме.

    Как было отмечено, экономия реагента и увеличение ресурса системы не все преимущества описываемой технологии. При использовании технологии Upflow можно сокращать продолжительность вспомогательных стадий регенерации. А более глубокая степень умягчения позволяет сократить количество ступеней умягчения или уменьшить размер фильтра, организуя процесс на более высоких скоростях. Это достигается, в первую очередь, за счет увеличения высоты слоя и изменения характера процесса фильтрации, при котором исходная вода поочередно проходит слои ионита от менее к более отрегенерированному, что обеспечивает более глубокое и полное удаление солей жесткости.

    Таким образом, технология Upflow обладает следующими преимуществами:

• высокое качество очищенной воды;
• высокая эффективность процесса умягчения;
• снижение продолжительности регенерации;
• отсутствие специальных требований к конструкции фильтра при использовании специальных устройств управления, например, компании Clack Corp.

В России официальным представителем Clack Corp. является компания Экодар. Широкое использование в собственных проектах технологии Upflow и предлагаемая полная линейка автоматики Clack от бытового до промышленного назначения являются серьезным конкурентным преимуществом компании. Дополнительным удобством является полностью русифицированное меню этих устройств управления, обеспечивающее легкость настроек и информативность выводимой на дисплей информации, а также то, что эти автоматические устройства управления изготовлены специально для эксплуатации в России. На сегодняшний день управляющая автоматика Clack Corporation является одним из наиболее оптимальных технических решений по реализации технологии Upflow.