JPH10506040A - 再生剤リサイクルを含むイオン交換法及びシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 向流形のイオン交換器（１０）は樹脂ベッド（１４）を支持する圧力槽（１２）を含む。通常の再生サイクル時に、槽（１２）は並流及び向流の両方の作用を行う。

Description

【発明の詳細な説明】 再生剤リサイクルを含むイオン交換法及びシステム 先行技術においてイオン交換システムは良く知られている。このシステムは代 表的には樹脂ベッドが支持されている圧力槽（pressure vessel）を含む。樹脂 材料はイオン交換プロセスを促進するものであり、定期的に補給又は『再生』（ regeneration）する必要がある。従ってこのシステムを作用させるには２種の主 要な作用サイクルがある。１つは、原料水又はその他の供給物を処理し、そして 容器から排出する生成サイクル（production cycle）であり、もう１つは再生剤 を槽へ供給して樹脂を補給する再生サイクル（regeneration cycle）である。こ のような作用モ−ドは業界において並流式か向流式かによって更に特徴付けされ る。並流式の場合は生成サイクル及び再生サイクルの両方について下降流が採用 される。向流式の場合は生成サイクル供給流とは反対方向の流れに再生剤（rege nerant）が適用される。先行技術の向流システムは再生剤を上昇流で又は下降流 で適用するように建設されている。 このような先行技術のイオン交換システムは多くの欠点を有する。並流作用で は前回の再生からのイオン残留物が残存する。即ち、再生後には排出口に隣接す る容器の底部に最も質の低い樹脂が残るが、次回の生成サイクルにとってはこの 位置に最も質の高い樹脂が必要とされる。向流作用はこの問題を解決して最も質 の高い樹脂が（再生後に）排出口近くに位置することを可能とする。他方、その 固有の性質として、向流作用は再生サイクルにおいて流動床を形成する。即ち、 先行技術は再生時に樹脂ベッドを保持するために各種の高価で複雑な技術を開発 してきた。代表的にはこれは水又はガスの向流をベッド上方で用いるか、又は不 活性充てん剤をベッド上方で用いることにより成されてきた。向流作用システム は並流作用シ ステムと比べて生産効率が良く生産品の品質も優れているが、イオン交換業界に おいてこのような先行技術システムの性能を高めることは永く要望されてきたこ とである。 従って本発明の第１の目的は、従来技術の問題点を克服し高い生産品品質を効 果的な生産速度で提供する工業用イオン交換システムを提供することである。 本発明のより詳しい目的は、再生時に再生剤を有利にリサイクルするイオン交 換器を提供することである。 本発明の特別な目的は、第１の部分において実質的に向流作用を、そして第２ の部分において実質的に並流作用を同時に成立させるイオン交換器を提供するこ とである。 本発明の他の目的は、他の場合には再生時にベッドが動くのを防ぐために必要 とされるような、水、ガス又は他の充てん剤ブロック技術を回避する、標準ベッ ドイオン交換器での再生剤リサイクルを提供することである。 本発明の他の目的は、パックドベッド又は標準ベッド圧力槽中でのこのような リサイクル再生イオン交換方法を提供することである。 本発明の他の目的は、軟化カチオン交換及びアニオン交換用途への本発明再生 剤リサイクル再生イオン交換器の使用にある。 これらのそして他の本発明の目的は樹脂ベッドを支持する圧力槽を含むイオン 交換器において提供される。この容器は、生成サイクル時に処理する水を該槽に 供給するための第１の開口部と、生成サイクル時に処理した水を除去しそして再 生サイクル時に再生剤を該槽に供給するための第２の開口部と、第１及び第２の 開口部の間に位置し、槽中に位置する低位インベッド分配器に接続された、第３ の開口部とを有する。本発明によれば、再生サイクルの少くとも一部分において 、第３の開口部と第１の開口部と の間に再生剤をリサイクルするためのリサイクルル−プが形成される。槽中の低 位インベッド分配器の少し上方には、高位インベッド分配器が位置し、これは再 生サイクル時において槽から廃再生剤を除去するための第４の開口部と連関して いる。リサイクルル−プのために、ベッドの第１の開口部と高位インベッド分配 器との間の部分は実質的に並流モ−ドで作用し、他方、ベッドの低位インベッド 分配器と第２の開口部との間の部分は実質的に向流モ−ドで作用する。即ち、同 一の再生リサイクルにおいて、この槽は並流及び向流の両方の作用を行う。 上記は本発明のより適切な目的のいくつかを記載したものにすぎず、従って本 発明の特徴及び用途を例示したものにすぎない。ここに記載した以外の種種の方 法により本発明を実施して良好な結果を得ることができるのは言うまでもない。 以下に記載する本発明の実施態様は本発明の他の目的を明示し本発明のより深い 理解を助けるためのものである。 以下、本発明を添付の図面に示した実施態様について更に具体的に説明する。 図１は従来の向流イオン交換器の生成サイクル及び再生サイクルの作用を図示 した線図的説明図である。 図２は本発明のリサイクル再生イオン交換器の線図的説明図である。 第１図に、在来型の向流イオン交換器（countercurrent ion exchanger）１０ を、よく知られた作用の生成再生サイクルを示すように図式的に示す。向流イオ ン交換器１０は、加圧槽（pressurized vessel）１２を備え、この加圧槽内に樹 脂ベッド１４が支えられている。この特定の例は、いわゆる標準ベッドである。 またいわゆるパックド（packed）ベッド交換槽を作り出すように、加圧槽を完全 に充てんすることは、この種技術において知られている。向流イオン交換器１０ は、上部ポ−トすなわち第１のポ−ト １７に流体を供給し、次いで加圧槽１２の頂部２０に隣接して配置された分配器 １８に流体を供給する導菅１６を備えている。第２の分配器２２を、加圧槽１２ の中央に配置し、分配器２２に協働するポ−ト２３を設ける。第３の分配器２４ を、加圧槽１２の底部２７に隣接して位置させる。加圧槽１２の底部ポ−トすな わち第２のポ−ト２５を、第３の分配器２４と下方の供給導菅２６との間に連結 する。よく知られているように、一般に分配器は、穴を持つ配管部分品（plece of piping）を備え、流体を配管内へまた配管から外へ流すことができる。ワイ ヤ・スクリ−ンが典型的には配管を囲み、樹脂ベッドが配管に入るのを防止する 。適当な構造の支柱又はその類似物を、加圧槽内に分配器を支持するように使用 することはよく知られている。 第１図の左側が生成サイクル（production cycle）を示し、右側が再生サイク ル（regeneration cycle）を示す。生成の際に処理しようとする未処理の水（ra w water）又はその他の供給材料が導菅１６を経て上部ポ−ト１７内へ、次いで 第１の分配器内へ供給される。供給材料は、分配器から出て下方へ樹脂ベッド１ ４内へ流れ、この樹脂ベッド１４を通過してイオン交換が行われる。処理された 供給材料は、第３の分配器２４により収集されて、底部ポ−ト２５及び下方の供 給導菅２６を経て排出される。再生サイクルの際に、再生剤が、供給導菅２６を 経て底部ポ−ト２５内へ供給され、第３の分配器２４を経て上方へ流れる。同時 に阻止用（blocking）の水又は空気が導菅１６、上部ポ−ト１７及び第１の分配 器１８を経て供給され、樹脂ベッドを適所に保持する。さもなければ、樹脂ベッ ドは流動化のために上昇する。再生剤と流出する廃棄物とは、第２の分配器２２ とポ−ト２３を経て除去される。 在来形の向流イオン交換器１０もまた、再生剤源を装置の作用を制御す るための適当な弁調節装置（図示しない）を備えている。このような構成部品は よく知られている。 この発明のイオン交換システム第２図に示す。図示するようにこのイオン交換 システムは、再生の際に再生剤をリサイクルして、第１図に示されたような従来 のイオン交換システムに比べて一層効率的な生成速度で一層良好な生成物品質を 提供する点で有利である。さらに、このリサイクリングのために、加圧槽の上部 部分は、実質的に作用の並流モ−ドで作用するが、加圧槽の下部部分は、同じ再 生サイクルの際に実質的に作用の向流モ−ドで作用する。この作用によって従来 の技術を越えた重要な利点を提供する。 この発明のイオン交換器１０´は樹脂ベッド１４´を支える圧力槽（pressure vessel）１２´を備えている。この発明を、パックド樹脂ベッドと共に使用す るように例示しているけれども、第１図に示すような標準のベッド槽に均等に適 用できる。この標準のベッド槽においては樹脂はベッド槽全体を満たしていない 。イオン交換器１０´は、前述したように、上部供給導菅１６´を、下部供給導 菅２６´と、ポ−ト１７´２３´２５´と、第１、第２及び第３の分配器１８´ 、２２´、２４´を備えている。ただし分配器２２´の機能及び位置は、所期す る理由のために変えてある。処理しようとする注入される水の源、２７を、供給 導管１６´（したがってポ−ト１７´）へ弁２８の作動によって供給する。（特 定の交換の適用に従って）酸性、苛性、または塩水性の再生剤を準備して弁３４ の制御のもとに導管２６´に送出す。弁２８、３４は自動的に操作されるのが好 適であり、この種技術において周知の制御装置３５及び作動装置３７によって制 御される。導管２６´はサ−ビス導管３６´に連結され、サ−ビス導管３６´は 、処理された水（ポ−ト２５´を経て供給される）を適当な弁 調節装置を経て送り出す。 この発明の１つの重要な特徴によれば、再生剤リサイクル・ル−プ４２は、ポ −ト２３´と供給導管１６´との間に連結される。再生剤リサイクル・ル−プ４ ２は、第１の弁４４と、再生剤ポンプ４５と、第２の弁４６とが内部に支えられ た流体導管４１を備えるのが好適である。第１の弁４４は、ポ−ト２３´と再生 剤ポンプ４５との間に連結され、第２の弁４６は、再生剤ポンプ４５と、ポ−ト １７´との間に連結される。第２の弁４６を省略してもよい。 第２図に示すように、分配器２２´を中央に位置させるよりもむしろ圧力槽の 長さの約１／４までの位置に配置するのが好適である。圧力槽が分配器２２´の 真上に位置する他の分配器５１を備えているので、この分配器２２´を下方イン −ベッド分配器（lower in-bed distributor）と呼ぶ、特に分配器５１は、分配 器２２′の約６″上方に支持された上方イン−ベッド分配器（upper in-bed dis tributor）である。分配器５１を第４をポ−ト５２に連結する。ポ−ト５２は、 ドレン５４に連結された流体導管５３に連結される。弁４７は、流体導管５３内 に支持される。イオン交換器１０´はまた、流体導管４１に連結された水洗導管 （rinse conduit）５５を備えている。弁５６は、水洗導管内に支えられている 。 分配器５１の上方のベッド部分４８（すなわち実質的に分配器５１と圧力槽の 頂部との間の部分）が、分配器２２´の下方のベッド部分５０（すなわち実質的 に分配器２２´と圧力槽の底部との間の部分）の樹脂量の約３倍の樹脂量を保持 する。ベッド部分４８は、の圧力槽の第１の部分に相当し、ベッド部分５０は、 圧力槽の第２の部分に相当する。このイン−ベッド分配器の位置決めは、再生剤 リサイクル・ル−プ４２の適正な作用には必要ではないけれども好適である。図 示されるように、圧力槽の第１の 部分は、並流モ−ド（cocurrent-mode）で作用するが、圧力槽の第２の部分は、 向流モ−ド（countercurrent mode）で作用する。 特に生成サイクル（production cycle）の際に、弁３４、４４、４６、４７、 ５６は閉じられ、弁２８は開けれ、源２７からの供給材料を、圧力槽１２´を通 って下方へ流れさせ、サ−ビス導管３６から外へ流れさせる。再生サイクルの際 に、弁２８は閉じられて水の流れを終わらせる。再生サイクルの初めに、弁３４ が開かれて再生流れを開始する。ほぼ同時に、弁４４、４６、４７が開かれて再 生剤ポンプ４５がタ−ン・オンされる。再生剤ポンプは、ひとたび作動されると きは、再生剤リサイクル・ル−プ４２を通って再生剤のリサイクリングの提供す る。リサイクルされる再生剤がポ−ト１７´を通って圧力槽内にふたたび入ると きは、再生剤は分配器１８´から流れ出て樹脂ベッドの上方部分を通過し、次い で一部分が上方イン−ベッド分配器５１によって収集される。次いで収集された 再生剤の若干の部分は第４のポ−ト５２を経てドレン５４に出力される。この下 降流れは、生成サイクルの間の水の下降流れに相当し、したがってこのようなベ ッド部分４８内の圧力槽の作用は、実質的に並流である。 しかし同時に、純粋の再生剤は、外部から適用される圧力源によってポ−ト２ ５´を経て導入され、圧力槽の第２の部分５０を通って上向きに流れる。この圧 力源はまた、水と再生剤とを付勢して第４のポ−ト５２から外へドレン５４へ流 出させる。このような上昇流れは生成サイクルの間の水の下降流れとは反対であ り、したがって圧力槽の下方部分は、向流モ−ドで作用する。下方イン−ベッド 分配器２２´内に収集される再生剤は、再生剤リサイクル・ル−プ４２のための 再生剤ポンプ４５へ供給される。 再生サイクルの終わりに、弁３４、４４、４６、４７は閉じられ、弁５６は開 かれて、典型的には供給導管１６´を経て供給される水によって 排水量の下降を助長する。 限定する意味ではないが、圧力槽の下方の１／４の部分内に分配器２２´、５ １を配置して、供給導管２６´及び廃棄物の流体導管５３内の流量に比べて約４ ：１の再生剤リサイクル・ル−プ内の流量に助長するのが好適である。 再生剤リサイクル・ル−プは重要な利点を提供する。最も重要なことは、最高品 質の再生剤が、サ−ビス・ポ−トに隣接する圧力槽の底部部分すなわち下方のベ ッド部分５０内に位置させられることにより、次ぎの生成サイクルの間に、最適 のイオン交換性能が得られることが保証されることである。再生剤リサイクル・ ル−プは、上方のイン−ベッド分配器を経て最少の純粋の再生剤を除去します。 この結果、樹脂ベッド内の樹脂の全体の品質は、従来技術に比べて深さ全体にわ たって実質的に一層均等である。さらに再生剤リサイクル・ル−プの使用によっ て、再生サイクルの間に樹脂ベッドを維持するのに別の水又はガスの阻止流れ（ flocking flow）の使用を不要にする。リサイクリングは、さもなければ阻止流 れとして必要である水又はガス及び再生剤の消費を減少させる。再生剤が一層効 率的に利用されるから、再生サイクル自体は一層短くなる。さらに、リサイクリ ングのために再生剤の一層主要な体積に樹が密接に接触するから、一層効率的な イオン交換が生じる。 この発明は、カチオン又はアニオン交換の適用例に関連して説明されているが 、硬水軟化（water softening）の適用例においても満足させられることは明ら かである。またこの発明のプロセスは、水処理用のイオン交換器に限定されるも のではない。市販の設備は砂糖溶液の精製、薬品と製薬品との分離及び精製、流 出廃棄物の精製及び貴重な廃棄物の回収のようなプロセスに対するイオン交換器 を備えてる。この発明のイオン交換器は、 任意のこのような応用例に使用できる。 前記した特定の実施例は、この発明の同じ目的を達成するために構造を変更し 他の構造を設計するための規準として容易に利用できることは当業者には明らか である。またこのような均等な構造は、請求の範囲に記載された発明の精神及び 範囲を逸脱しないことは当業者にとって明らかである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．樹脂ベッドを支持する圧力槽を有するイオン交換器であって、該槽は、生成 サイクル時に処理する水を該槽に供給するための第１の開口部と、再生サイクル 時に再生剤を該槽に供給するための第２の開口部と、第１及び第２の開口部の間 に位置する第３の開口部とを有するものにおいて、 第３の開口部と第１の開口部との間に再生剤をリサイクルするリサイクル手段 を設け、再生サイクル時において、イオン交換器が、第１の部分においては実質 的に並流作用を、そして第２の部分においては実質的に向流作用を、行うように した、 ことを特徴とする、イオン交換器。 ２．リサイクル手段として、 槽中に位置しそして第４の開口部に接続されている高位インベッド分配器と、 高位インベッド分配器より下方に位置しそして第３の開口部に接続されている 低位インベッド分配器と、 第３の開口部と第１の開口部とを接続する流体導管と、 を含んで成るものを使った、請求項１に記載のイオン交換器。 ３．イオン交換器の第１の部分が、樹脂ベッドの第１の開口部と高位インベッド 分配器との間に位置する部分を含むものであり、イオン交換器の第２の部分が、 樹脂ベッドの低位インベッド分配器と第２の開口部との間に位置する部分を含む ものである、請求項２に記載のイオン交換器。 ４．リサイクル手段として、 流体導管に接続したポンプと、 第３の開口部とポンプとの間で流体導管中に支持した第１の弁と、 ポンプと第１の開口部との間で流体導管中に支持した第２の弁と、 をさらに含んで成る、請求項２に記載のイオン交換器。 ５．リサイクル手段として 第４の開口部をドレンに接続する流体導管と、 第４の開口部とドレンとの間で流体導管中に支持した第３の弁と、 をさらに含んで成る、請求項３に記載のイオン交換器。 ６．第１、第２及び第３の弁及びポンプを作動させて再生サイクルを開始する制 御手段をさらに含んで成る、請求項５に記載のイオン交換器。 ７．低位インベッド分配器を第１の開口部分と第２の開口部分との間の距離の約 １／４の位置に設けた、請求項１に記載のイオン交換器。 ８．樹脂ベッドを支持する圧力槽であって、生産サイクル時に処理する水を該槽 に供給するための第１の開口部と、生成サイクル時に処理した水を除去しそして 再生サイクル時に再生剤を該槽に供給するための第２の開口部と、第１及び第２ の開口部の間に位置する第３の開口部とを有する該槽と、第３の開口部と第１の 開口部との間に再生剤をリサイクルし、再生サイクル時において、イオン交換器 が、第１の部分においては実質的に並流作用を、そして第２の部分において実質 的に向流作用を行うようにするリサイクル手段と、 を含んで成る、イオン交換器。 ９．リサイクル手段として、 槽中に位置しそして第４の開口部に接続されている高位インベッド分配器と、 高位インベッド分配器より下方に位置しそして第３の開口部に接続されている 低位インベッド分配器と、 第３の開口部と第１の開口部とを接続する第１の流体導管と 第４の開口部をドレンに接続する第２の流体導管と を含んで成るものを使った、請求項８に記載のイオン交換器。 １０．イオン交換器の第１の部分が、樹脂ベッドの第１の開口部と高位インベッ ド分配器との間に位置する部分を含むものであり、イオン交換器の第２の部分が 、樹脂ベッドの低位インベッド分配器と第２の開口部との間に位置する部分を含 むものである、請求項８に記載のイオン交換器。 １１．樹脂ベッドを支持する圧力槽であって、生産サイクル時に処理する水を該 槽に供給するための第１の開口部と、生成サイクル時に処理した水を除去しそし て再生サイクル時に再生剤を該槽に供給するための第２の開口部と、第１及び第 ２の開口部の間に位置する第３の開口部とを有する該槽と、 槽中に位置しそして第４の開口部に接続されている高位インベッド分配器と、 高位インベッド分配器の直下方に位置しそして第３の開口部に接続されている 低位インベッド分配器と、 第３の開口部と第１の開口部とを接続する第１の流体導管と、 第４の開口部をドレンに接続する第２の流体導管と、 第１の流体導管中に支持したポンプ手段であって、第３の開口部と第１の開口 部との間に再生剤をリサイクルし、再生サイクル時において、イオン交換器が、 槽の第１の開口部と高位インベッド分配器との間に位置する部分においては実質 的に並流作用をそして容器の低位インベッド分配器と第２の開口部との間に位置 する部分においては向流作用を、行うようにした該ポンプ手段と、 を含んで成る、イオン交換器。