第三代IONEX连续离交系统简介

郑州博大浓缩干燥设备有限公司

      比利时分离技术公司PuriTech以全新的视角来设计离交装置系统，通过对ISEP转盘式模拟移动动床系统改进，开发了新型IONEX系统。IONEX系统的核心创新点是分配阀的设计技术，这项液相吸附分离技术系统目前的应用方向是各种工业领域，改善流体与树脂之间的接触效率，同时削减装置系统的运行成本和固定投资费用。

      离交技术的应用方法有多种形式，随着人们对这种技术认知度的不断提升，毫无疑问地，其应用前景也将越来越广阔。

      全世界有无数的科学家和工程师们正在不懈地致力于新型聚合物和其它材料的开发，这将极大地促进新型、专用型离交树脂材料的出现和应用。

一、日益增长的市场需求

      离交技术的主要应用领域包括饮用水处理、商业和工业用水的处理、以及废水的处理等。离交技术可用来软化水质，去除水中的离子成分，甚至可用于海水淡化（脱盐处理）。当用于某些特定的工业领域（例如用于半导体材料生产线）时，采用纯水做生产用水，不仅能够有效提高产品质量，还能够同时提高产品产量。

      在世界范围内，水处理业务、特别是洁净水生产领域的市场需求呈高速增长态势，尤其是亚洲和非洲市场，增长速度更加显著。从离交装置系统及树脂的订货量稳定增长态势来分析，这类技术产品的市场前景非常光明。根据最新的研究结果和树脂技术改进成果，离交技术已被确认为目前废水处理领域的“最佳可利用技术”和“最成熟工艺类别”。

      采用离交技术做辅助，可用来制备各种酸、碱、盐及不同的溶液态产品，采用不同的树脂材料还可能对某些有价金属成分进行回收利用。

      经过数十年的发展，离交技术及吸附剂技术已经完全确立了其在液态食品加工领域的应用及市场地位。相关的工艺技术在食品工业，已被应用到了酒类产品生产和糖产品生产等领域。

二、技术进展

      认识到离交技术日益增强的市场需求和发展潜力之后，PuriTech公司开发了自己的液相吸附分离用IONEX技术。该项技术定位于对现用的常规离交技术系统，特别是连续逆流式离交技术系统进行大幅度改进，并通过建造设备系统来拓展该技术的应用领域。

      现用的常规离交技术系统，包括固定床型离交系统、阀阵式连续离交系统和连续逆流式离交系统三种类型。固定床离交系统属于间歇式操作型设备装置，其处理效率约为90%，与连续逆流离交系统相比，这种技术系统的应用效果要略差一些。另外，当用于水处理领域时，固定床型离交系统的废水产率占到产品水量的2%到4%（有些过高）。

      阀阵式连续离交系统系在单元树脂柱上配置一系列自控阀门来获得工艺改进效果和应用优势，但需要配置大量的管路和复杂的工艺控制装置。

上世纪80年代美国AST公司研发了一种新型离子交换系统——ISEP转盘式模拟移动动床系统。它由一个多槽口分配阀和机械转盘两大部分构成。流体通过分配阀后进入不同的树脂柱内形成逆向接触流动，ISEP将传统固定床分为若干个小交换柱，由转盘带动树脂柱旋转，从而将传统的固定床技术转化为连续式运行、分离效率大大提高。

ISEP系统，从其设备本身来说，也曾经历过不断的改进，如第二代设备 (SepTor系统) 将ISEP的旋转阀和转盘两套机械和控制系统合并为一套，为生产操作、安装、维修带来了一些方便。但无论ISEP，还是SepTor，均没有摆脱带动树脂柱一起转动的庞大的转盘系统，致使机械结构复杂，设备成本较高，难以得到普遍的应用和推广。特别是随着生产规模的扩大，树脂用量增加，树脂柱和转盘尺寸不断加大，转盘的负荷可能达到二三百吨的重量，这对驱动系统、设备基础和易磨损件都会带来新的问题。

三、新型技术方法

      近十年来，比利時Puritech公司和美国IXSEP公司，针对ISEP/SepTor系统的这一缺陷，同时开展了第三代系統的开发，并实现了工业化生产。新一代设备取消了全部转盘系统，树脂柱固定安装，机械结构和控制方案大大简化。

他们采用巧妙的构思，通过阀内的环形槽和开口，将不同液流按照工艺流程的要求，依次分配到树脂柱中，从而实现了树脂柱的固定安装，取消了转盘系统，使转盘式连续逆流离子交换和色谱分离技术跨入了第三代新阶段。

新一代技术和设备有两种不同的类型，工业上称作Ionex 系统和RDA系统。

四、IONEX系统设计特点

IONEX系统仅采用一个独立式多端口分配阀（图1）即实现了连续逆流操作离交工艺过程，这种专利型阀装置控制不同的工艺流体被分配到不同的树脂吸附柱中，使吸附柱中的树脂分别处于吸附操作、再生操作或者冲洗操作过程。

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图1：IONEX装置配用一个多端口分配阀机构

      这种技术方案与目前采用的、已经市场化的其它类型的连续逆流操作式离交系统存在显著的不同之处，后者的设计形式是将多个树脂柱围绕着中心位置的布液阀安装到一只转台或称“旋转木马”构件之上，而IONEX系统则是完全通过安装在IONEX阀体内部的、特制的、可围绕中心轴转动的阀盘构件（见图1），将不同流体分布到各个含有离交树脂或者其它吸附材料的吸附柱中（见图2），阀盘构件每回转一周，则每个吸附柱就会各自经历一次完整的“吸附分离循环”操作过程。

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图2：IONEX阀内置的可绕中轴回转的工艺阀盘机构，用来替代围绕中心阀组装机构使吸附柱组回转运动的转台机构，使不同工艺流体按照既定路径被分布到各个吸附柱或吸附罐中（吸附器中装填有离交树脂或其它吸附材料）

      吸附分离和离子交换分离过程通常由以下操作工序组成：吸附操作（第一阶段/正向传质过程）、固相介质材料的洗涤或冲洗操作、脱附操作（第二阶段/逆相传质过程）。树脂床层越矮、容积越小，则树脂的利用率就越高。

     在一个标准的离交装置中，传质区一般只占实际应用床层高度的很小一段，能够发生传质作用的这一小段床层在装置中系由饱和树脂层向未饱和树脂层连续发生着“迁移”的过程。

      为避免过于频繁地进行床层再生操作，应使床层中的介质材料在再生之前刚好达到吸附饱和状态，也就是说，“吸附-再生”操作是以间歇、逐批的间断操作方式完成的。而真正的、连续进行的逆流式接触过程是无法满足这些限制条件的，原因是不允许间断操作。

五、IONEX系统优势

       PuriTech的设计方案有多个独特的优势。例如，阀与离交柱之间可采用硬质管材进行连接，管路的密封处理得以简化，仅需要使用O形圈和垫片即可达到密封要求。另外，由于无需设置转台机构，故工艺控制装置也相应得以简化。

      IONEX装置在设计时充分考虑到了设备的适应性和通用性，在设备连续运行条件下，可同时实施多项用户功能。设计了快速到达阀装置（设备系统的唯一运动部件）和离交柱组的通道，便于进行维修维护操作（参见图3和图4）。

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图3：典型的、使用不锈钢材质阀体的IONEX装置，设置有易接近总成阀装置（系统内唯一的运动部件）和离交吸附器的通道，易于进行维修维护操作

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图4：饮用水处理用的IONEX装置系统，照片中显示的是可接近阀装置和离交吸附器的通道设计和布置

可在技术完整性的基础上对系统进行紧密式布置设计，离交单元柱组可按照各种预期的模式进行排列，使设备安装具备了充分的灵活性。还可用IONEX技术对现用的离交装置系统进行技术改造，不论之前的离交柱如何布置和安装，均可将其改造为具有IONEX技术运行特点的新型离交系统。

    与常用的固定床装置系统相比，对于某些具代表性的应用领域来说，IONEX装置系统的耗水量可减少75%以上，离交树脂用量则减少50%左右，节约效果显著。实际的可节约效果则需要依据具体项目的基本参数，采用PuriTech专用设计参数计算程序进行计算来确定。

      与类似技术装置系统相比，IONEX技术系统的分离效率更高、产品液的“浓度”更高（更加“纯净”）。采取逆相流动设计和回收利用设计，结合不间断式运行特点，使得装置系统的产品液回收率达到很高的水平。

六、市场机遇及应用范围

      采用IONEX技术的离交装置的应用目标定位于取代某些固定床离交装置、以及ISEP转盘式模拟移动动床系统。IONEX系统固定投资较少，更具有成本效益优势，竞争力相应得以提升。

      对某些应用领域的特定项目，例如：对于一个处理流量均为40立方米/小时的项目，采用IONEX装置与采用典型ISEP转盘式模拟移动动床系统相比，采用IONEX系统可使固定投资费用降低20%到40%。

       其它的市场机遇还包括：采用IONEX技术对过时的老型号多端口布液阀装置进行更换服务。

      针对特定的应用场合，应采取不同的分配阀布置方案和不同的构造材质。例如，当处理的工艺物料为非腐蚀性流体时，PuriTech公司为装置配置的是标准不锈钢材质阀头和聚四氟乙烯（PTFE）材质的阀盘；当应用于腐蚀性流体时，则采用聚氯乙烯（PVC）或聚偏二氟乙烯材质（PVDF）材质的阀头、和一套适用的阀盘；针对某些特殊的应用场合，还可配置哈氏合金或铬镍铁合金材质的阀部件。

      IONEX装置系统的应用目标涵盖了多个工业部门。用于废水处理时，能够高效处理工业废液，脱除废液中的极少量痕量有毒成分（如重金属成分和溶剂）。可采用IONEX装置来生产饮用水和超纯水。还常被用来脱除给水中的硝酸盐成分、砷及高氯酸盐成分。其它可应用的产业部门包括：电镀业、食品加工业、制药和生物技术工程产业、以及石油化工和化学品生产业等。

七、结束语

      通过对业已工业化应用的离交装置系统的运行特性、应用性能和运行原理进行充分评估和考察、分析，PuriTech公司对业已发现的技术问题进行了重新思考之后，确定了自己的离交技术系统设计方案。

      对离交技术应用的市场潜力和需求方面的日益增长态势确认之后，PuriTech公司开发了自己的、具有独创性的机械装置，不仅提高了离交装置的液相物料与树脂材料之间的接触效率，而且降低了装置系统的运行成本和固定投资费用。