PUROPACK

Pierwsza publikacja Purolite dotycząca systemów przeciwprądowych opublikowana została w 1993 roku. Stanowiła ona studium ówczesnego stanu wiedzy na temat technologii złoża upakowanego, zagadnień związanych z projektowaniem instalacji uzdatniania wody, dotychczasowych wyników eksploatacyjnych, a także zalet i wad różnych systemów i technologicznych oczekiwań. W związku z rosnącym zainteresowaniem oraz ekonomicznymi zaletami systemów przeciwprądowych, w 1997 roku Purolite zbudował  instalację doświadczalną w Wielkiej Brytanii, która miała dać odpowiedź na wszelkie zagadnienia związane z inżynierią projektowania systemów przeciwprądowych, a więc układów dystrybucji wody i regenerantów, kierunków przepływu praca/regeneracja, wskaźników związanych z hydrauliką i upakowaniem złoża, układów do płukania jonitów,  uziarnieniem jonitów, kinetyką pracy złoża, a także wymagań związanych z jakością fizyko-chemiczną wody zasilającej. 
Po blisko dwuletnich badaniach pilotowych opracowano i zaproponowano do aplikacji wysokosprawną technologię złoża upakowanego PUROPACK, polegającą na przepływie wody z dołu do góry wymiennika i regeneracją w dół. Dalszy rozwój tego systemu pozwolił na wyodrębnienie systemu PUROPACK I i PUROPACK II. Systemy te różnią się głównie kierunkiem przepływu woda/regenerant.

 

W ostatnich 10-ciu latach zbudowano wiele, całkowicie nowych instalacji, co dało możliwość firmie Purolite wdrożenia swojej technologii  PUROPACK – nowoczesnej technologii wymiany jonowej.
Niewątpliwie, jedną z takich instalacji jest PUROPACK I znajdujący się w Elektrociepłowni w Usti/Łabą należącej do Dalkia Czechy. Woda z ujęcia rzeki Łaby poddawana jest wstępnej obróbce polegającej na dekarbonizacji, koagulacji oraz filtracji.

Parametry wody kierowanej na ciągi demineralizacyjne przedstawia poniższa tabela:

Parametr	Wielkość
Zasolenie	3.96 mval/l
SiO2	8.0 mg/l
Utlenialność	14.0 mg KMnO4/l
Zawiesina	≤ 1.0 mg/l

Schemat technologiczny instalacji przedstawiono poniżej:

Ogólny widok instalacji przedstawia poniższe zdjęcie:

Dane eksploatacyjne ciągu są następujące:

• Układ technologiczny: Km --> Asł/Am (wymiennik anionitowy dwukomorowy)
• Ilość ciągów: 2
• Średnica wymienników: Km = 2600 mm, Asł/Am = 2600 mm
• Prędkość liniowa: Ql = 47 m/h
• Wydajność: Q = 2 x 250 m3/h
• Długość cyklu: 10 godzin (dla maksymalnej wydajności)
• Produkcja wody brutto: V = 2500 m3
• Zapotrzebowanie własne wody: V = 78 m3
• Zużycie regenerantów:

100 % HCl: 1.18 val/val (0.17 kg/m3)
100 % NaOH: 1.19 val/val (0.195 kg/m3)

• Czas regeneracji: 2.5 godziny
• Sprawność regeneracji:

złoże kationitowe: η = 84.7 %
złoże anionitowe (zespół Asł/Am): η  = 84.0 %

Wyniki ruchu próbnego:

* Maksymalny, projektowy przepływ utrzymywano przez 2,5 godz. cyklu pierwszego i przez kilka minut cyklu drugiego, po czym przepływ ten skorygowano do aktualnego zapotrzebowania Stacji na wodę zdemineralizowaną.

Przewodność wody zdemineralizowanej w cyklu pracy:

 

PORÓWNANIE STAREJ I NOWEJ INSTALACJI DEMINERALIZACJI WODY

Stacja	Stara	Nowa
Układ technologiczny	Km®As®Am	Km®As/Am
System regeneracji: Kationit Anionit(y)	Standardowy przeciwprąd Współprąd	Przeciwprąd Przeciwprąd
Maksymalny projektowy przepływ, m3/h	120	250
Srednica, mm	3000	2600
Uziarnienie	Purolite	Puropack
Typ jonitu: kationit silnie kwaśny anionit słabo zasadowy anionit silnie zasadowy	C100 A100 A400	PPC100 PPA100 PPA400
Objetość jonitu: kationit silnie kwaśny anionit słabo zasadowy anionit silnie zasadowy	17500 11500 9100	8675 6900 6450

PORÓWNANIE CZASÓW I SPRAWNOŚCI REGENERACJI CIĄGÓW INSTALACJI STAREJ I NOWEJ

Czas regeneracji, h	6‘30	2‘30
Sprawność regeneracji, % kationit Km anionit As/Am	45,0 56,0	84,7 84.0

Technologia złoża upakowanego PUROPACK posiada istotne zalety:

1. Wysoka sprawność regeneracji wynikająca z grawitacyjnego kierunku przepływu regeneranta, a zatem czasu jego kontaktu ze złożem.
2. Wysoka jakość wody zdemineralizowanej (przewodność, krzemionka).
3. Małe zużycie wody na potrzeby własne (recyrkulacja w miejsce płukania szybkiego, nie występuje potrzeba kompaktacji).
4. Zanieczyszczenia nagromadzone w złożu w cyklu pracy usuwane są w czasie dozowania regeneranta. Jest to możliwe dzięki grawitacyjnemu kierunkowi jego przepływu.
5. Ciąg może być wyłączany z pracy i ponownie do niej włączany bez konieczności utrzymania złoża w ciągłej recyrkulacji aż do 80% projektowanego cyklu międzyregeneracyjnego.

• Konstrukcja wymiennika anionitowego zapobiega mieszaniu się ze sobą złóż anionitowych, co ułatwia prowadzenie płukania dowolnego z jonitów, uzupełniania ubytków, czy też wymiany dowolnego złoża.
• Łatwość – w przypadku takiej potrzeby – przeprowadzenia operacji przekwasowania kationitu lub czyszczenia złoża anionitowego solanką alkaliczną.

8. Większa pewność ruchowa, na przykład w sytuacji awarii istnieje możliwość wytransportowania dowolnego złoża do zbiornika do płukania.
9.  Samoneutralizacja ścieków poregeneracyjnych (równowagowy nadmiar kwasu i ługu przyjmowany jest z programu obliczeniowego PUREDESIGN).

Częstotliwość płukania jonitów jest funkcją zawartości mikrozawiesiny w wodzie zasilającej ciągi demineralizacyjne. Zgodnie z założeniem projektowym przyjęto, że średnia wielkość zawiesiny nie powinna przekraczać 1.0 mg/l. Średnio roczna wielkość wynosi 0.6 mg/l, mętność < 1 NTU. W związku z tym, częstotliwość płukania kationitu wynosi raz do roku, a złóż anionitowych raz na dwa lata.  Projekt przewiduje, że płukanie kationitu należy przeprowadzać również wówczas, gdy opory na złożu przekroczą wielkość 130 kPa. Po blisko trzech latach eksploatacji ciągów, przypadek taki nie wystąpił.

PUROPACK w Polsce

W celu poprawy jakości wody ciepłowniczej dla miasta Szczecina, w 2005 roku zrealizowano inwestycję instalacji doczyszczania wody sieciowej dla Szczecińskiej Energetyki Cieplnej SEC. Pomysłodawcą oraz realizatorem inwestycji jest CBW „Unitex” w Gdańsku. Projekt instalacji wykonała Pracowania Wodna „Ekonomia” w Bielsku Białej.
Układ, w skład którego wchodzi ciąg demineralizacyjny w technologii PUROPACK, pracuje na zasadzie tzw. nerki ciepłowniczej, polegającej na ciągłym poprawianiu jakości wody poprzez uzdatnianie części jej strumienia. Jest to woda o wysokim, bo ponad 90% udziale jonów sodowych. Ponadto, zadaniem ciągu jest produkcja wody zdemineralizowanej dla potrzeb własnych oraz uzupełniania zładu ciepłowniczego. W tym celu, ciąg zasilany jest wodą wodociągową o ponad 85% udziale twardości całkowitej.

Parametry wody kierowanej na ciąg demineralizacyjny przedstawia poniższa tabela:

Parametr	Woda sieciowa	Woda wodociągowa
Zasolenie	4.32 mval/l	6.67 mval/l
SiO2	2.0 mg/l	19.8 mg/l
Utlenialność	10.0 mg KMnO4/l	10.0 mg KMnO4/l
Temperatura	do 60 oC	10 oC

Dane eksploatacyjne ciągu są następujące:

• Układ technologiczny: Km ® Asł/Am (wymiennik anionitowy dwukomorowy)
• Ilość ciągów: 1
• Średnica wymienników: Km = 1600 mm, Asł/Am = 1800 mm
• Prędkość liniowa: Ql = 24.1 – 30.6 m/h
• Wydajność: Q = 60 m3/h
• Długość cyklu: 16 godz. dla wody sieciowej i 8 godz. dla wody wodociągowej
• Produkcja wody brutto: odpowiednio 970 i 520 m3
• Zużycie regenerantów:

100 % HCl: 1.21 val/val (0.21 kg/m3)
100 % NaOH: 1.28 val/val (0.25 kg/m3)

• Czas regeneracji: 2.5 godziny
• Sprawność regeneracji:

złoże kationitowe: η = 82.3 % dla wody sieciowej
złoże anionitowe (zespół Asł/Am): η  = 78.2 % dla wody sieciowej
Eksploatacja ciągu przebiega bezobsługowo. Parametrem sterującym instalacją jest przewodność wody zdemineralizowanej, zarówno ciepłowniczej, jak i wodociągowej. Ciąg produkuje wodę na potrzeby regeneracji oraz uzupełnianie sieci, sam przygotowuje się do regeneracji (np. napełnianie dawkowników HCl i NaOH), inicjuje ją, neutralizuje ścieki poregeneracyjne, po czym zrzuca je do kanalizacji miejskiej, wyłącza się do rezerwy lub włącza do pracy. 

Ogólny widok instalacji przedstawia zdjęcie:

Inne przykładowe instalacje w pracujące w systemie Puropack:

Instalacja	Wydajność
Soda Polska CIECH Sp. z o.o. Zakład Produkcyjny JANIKOSODA w Janikowie (2010)	3 ciągi - Qn=120 m3/h
POLPHARMA S.A – Starogard Gdański (1995)	3 ciągi – Qn=30 [m3/h]
HUTA SZOPIENICE – MYSŁOWICE (1998)	2 ciągi – Qn=40 [m3/h]
FEDERAL MOGUL – GORZYCE k/SANDOMIERZA (2002)	2 ciągi – Qn= 25 [m3/h]
Soda Polska CIECH Sp. z o.o. Zakład Produkcyjny SODA MĄTWY w Inowrocławiu (2006)	1 ciąg - Qn= 50 [m3/h]

Dzięki odpowiednim założeniom technologiczno-projektowym system PUROPACK stanowi połączenie zalet wynikających z grawitacyjnego kierunku przepływu regeneranta z szeroką tolerancją na zmienne obciążenie wymienników jonitowych, umożliwiającą wyłączenie ciągu z pracy i ponowne jego włączenie bez konieczności utrzymania złoża w ciągłej recyrkulacji, a dzięki dobrej kinetyce pracy złoża stosowanie wysokich prędkości liniowych wody.
System PUROPACK cechuje wysoka pewność ruchowa dzięki zastosowaniu wymienników dwukomorowych oraz odpowiednio projektowanym węzłom płukania jonitów.
Niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne osiągane są dzięki odpowiedniej geometrii wymienników, prostocie układu instalacji i jego zwartości a także w efekcie wysokiej sprawności regeneracji i niskiego zużycia wody na potrzeby własne.