軟化器設(shè)計計算書

1、 目錄一、總述11.鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則12.離子交換樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)13.鈉離子交換軟化原理及特性:24.水質(zhì)分析測試內(nèi)容2PH值(Potential of Hydrogen)2總?cè)芙夤腆w(TDS -TOTAL DISSOLVED SOLIDS)2鐵含量(IRON)2錳3硬度值(HARDNESS)3堿度3克分子(mol)3當量4克當量4硬度單位4我國江河湖泊水質(zhì)組成6二、全自動軟水器6三、影響軟水器交換容量的因素81.流速(gpm/ft，m/h)82.水與樹脂的接觸時間：（gpm/ft3）83.樹脂層的高度94.進水含鹽量105.溫度126.再生劑質(zhì)量(NaCl)127.再生液流量138.再生

2、液濃度149.再生劑用量1510.樹脂15四、自動軟水器設(shè)計151.軟水器設(shè)備應(yīng)遵循的標準152.全自動軟水器主要參數(shù)計算161)反洗流速的計算:162)系統(tǒng)壓降計算163.軟水器設(shè)計計算步驟16計算示例18軟化水系統(tǒng)設(shè)計手冊一、 總述1. 鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則第三條 鍋爐及水處理設(shè)備的設(shè)計、制造、檢驗、修理、改造的單位，鍋爐及水處理藥劑、樹脂的生產(chǎn)單位，鍋爐房設(shè)計單位，鍋爐水質(zhì)監(jiān)測單位、鍋爐水處理技術(shù)服務(wù)單位及鍋爐清洗單位必須認真執(zhí)行本規(guī)則。第九條 鍋爐水處理是保證鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要措施，不應(yīng)以化學清洗代替正常的水處理工作。第十條 生產(chǎn)鍋爐水處理設(shè)備、藥劑和樹脂的單位，須取得省級以上(

3、含省級)安全監(jiān)察結(jié)構(gòu)注冊登記后，才能生產(chǎn)。第十一條 未經(jīng)注冊登記的鍋爐水處理設(shè)備、藥劑和樹脂，不得生產(chǎn)、銷售、安裝和使用。第十四條 鍋爐水處理設(shè)備出廠時，至少應(yīng)提供下列資料: 1.水處理設(shè)備圖樣(總圖、管道系統(tǒng)圖等);2.設(shè)計計算書;3.產(chǎn)品質(zhì)量證明書;4.設(shè)備安裝、使用說明書;5.注冊登記證書復(fù)印件。第三十六條 對違反本規(guī)則的單位和個人，有下列情況之一者，安全監(jiān)察機構(gòu)有權(quán)給予通報批評、限期改進，暫扣直至吊銷資格(對持證的單位和個人)的處理。2. 離子交換樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)離子交換樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為三個部分：1) 高分子骨架 由交聯(lián)的高分子聚合物組成，如交聯(lián)的聚苯烯、聚丙烯酸等；2) 離子交換基

4、團 它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子(稱為反離子)的離子官能團如-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl等，或帶有極性的非離子型官能團如-N(CH3)2、-N(CH3)H等；3) 孔 它是在干態(tài)和濕態(tài)的離子交換樹脂中都存在的高分子結(jié)構(gòu)中的孔(凝膠孔)和高分子結(jié)構(gòu)之間的孔(毛細孔)。離子交換樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖中的左圖所示，離子交換基團的結(jié)構(gòu)如下圖的右圖所示。順流再生：交換流速20-30m/h，反洗流速1215m/h，吸鹽流速4-6m/h（逆1.4-2m/h）3. 鈉離子交換軟化原理及特性:鈉離子交換軟化處理的原理是：原水通過鈉型陽離子交換樹脂，使水中的硬度成份Ca2+、Mg2+與樹脂

5、中的Na+相交換從而吸附水中的Ca2+、Mg2+使水得到軟化。如以Raa代表鈉型樹脂，其交換、再生過程如下：2RNa+Ca2+ =R2Ca+2Na+ R 2Ca+2NaCl =2RNa+CaCl2除去水中的硬度，堿度不變，TDS變化不大，氯根有所增加4. 水質(zhì)分析測試內(nèi)容主要包括: PH，TDS，總硬度和鐵含量及類型PH值(Potential of Hydrogen)PH是氫離子濃度的負對數(shù)，表示溶液是酸性還是堿性。PH以0到14的尺標度量，以7.0為中點或中和點。PH值尺標0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14酸性 中性 堿性觀察上面坐標，我們可得出結(jié)論:6.0

6、比中性僅“酸性略強”，但考慮到上面的科學定義，PH每下降一個整數(shù)，溶液的酸度增加10倍。因此PH4.0的酸性是PH7.0的1000倍;反之，PH10.0的堿性是PH7.0的1000倍。 總?cè)芙夤腆w(TDS -TOTAL DISSOLVED SOLIDS)溶解于水中的所有礦物質(zhì)總體稱作總?cè)芙夤腆w(TDS)。TDS可通過加各種陽離子或各種陰離子求得(陽離子和陰離子配對數(shù))。例如:鈣=21GPG(359.1mg/l)氯=16GPG(237.6mg/l)鎂=9GPG(153.9mg/l)硫酸根=4GPG(68.4mg/l)鈉=13GPG(222.3mg/l)碳酸根=23GPG(393.3mg/l)總陽

7、離子=43GPG(735.3mg/l)總陰離子=43GPG(735.3mg/l)總?cè)芙夤腆w(TDS)=43GPG(735.3mg/l)注意：TDS，總陽離子數(shù)和總陰離子數(shù)必須相等。溶解固體總量的90%以上是以下六種礦物質(zhì)：陽離子：Ca2+，Mg2+，Na+陰離子：Cl-，SO42-，CO3-注：Ca2+和Mg2+是兩種硬性礦物質(zhì)的主要離子。 GPG-格令/ 加侖 鐵含量(IRON) 鐵約占地殼的5%，也是最常見的水問題之一。當鐵暴露于空氣、氯氣中或受熱時，從相對無害的二價狀態(tài)轉(zhuǎn)變到令人討厭的三價狀態(tài)：FeO+2H2CO3Fe(HCO3)2+H2O4Fe(HCO3)2+O2+2H2O 4Fe(O

8、H)3+8CO2當鐵與某些嗜鐵細菌一起存在時，問題變得更為嚴重，細菌消耗鐵以維持生命，最終死亡，留下淤渣可堵塞水管和閥門。三種主要嗜鐵細菌：Gallionella (蓋氏鐵柄桿菌屬)Crenothrix (鐵細菌屬)Leptothrix (汗毛菌屬) 錳錳是一種稀有的金屬，它的化學、物理性能均與鐵非常相似。錳通過與鐵類似的反應(yīng)進入水中，并以類似的方式被氧化：MnO + 2H2CO3Mn(HCO3)2 + H2OMn2+O2 + 2H2O2MnO2 + 4H+二氧化錳(MnO2)在低達0.05 PPM(0.05mg/L)的水平上就會引起黑色污污。情況既然如此，可以想象2PPM(2mg/L)的濃度

9、將會怎樣。 硬度值(HARDNESS)1) 水在大氣中凝聚， 溶解空氣中的二氧化碳， 形成弱酸H2O+CO2H2CO32)該酸隨雨落地，流過土壤到達巖床，溶解石灰、中和，同時變硬H2CO3+CaCO3Ca(HCO3)2H2+MgCO3Mg(HCO3)23) 鈣，鎂形成硬性水垢CaCl2氯化鈣MgCl2氯化鎂CaSO4硫酸鈣MgSO4硫酸鎂4) 硬性物質(zhì)引起的問題是多重的， 最常見的是硬垢，反應(yīng)水“硬化”現(xiàn)象的方程式如下：Ca(HCO3)2加熱CaCO3+H2O+CO2 堿度水的堿度是指水中能夠接受H+離子與強酸進行中和反應(yīng)的物質(zhì)含量。堿度是表示水中CO32-，HCO3-，OH-及其它一些弱酸鹽

10、類的總和。在水中碳酸氫鹽與氫氧化物不能同時存在：HCO3-+OH-=CO32-+H2O因此，水中的堿度以五種形式存在:1)HCO3-2)CO32-3)OH-4)HCO3-+CO32-5)CO32-+OH-堿度對鍋爐運行影響堿度對鍋爐的腐蝕，主要是苛性脆化腐蝕，是由水中NaOH造成?？列源嗷g會使金屬晶粒間發(fā)生裂紋。其后果輕者使鍋爐不能使用，重者發(fā)生鍋爐爆炸，造成嚴重后果。NaHCO3 NaOH + CO2Na2CO3 + H2O 2NaOH + CO2 克分子(mol)定義：一定重量的物質(zhì)，在數(shù)值上等于他的分子量，單位用克表示.這個量就稱為一個克分子。如水的分子量為18，而18克水就是1克分

11、子水?？朔肿拥乃械姆肿訑?shù)為：6.02X1023國際上規(guī)定：物質(zhì)體系所包含的結(jié)構(gòu)粒子(如原子、分子、離子、電子、光子等)數(shù)目與12克碳(C12)中的原子數(shù)目相等，則這體系的量為摩爾，符號mol。 當量定義：當量表示元素相互化合時它們之間的重量關(guān)系。各種元素相互化合時，其重量比等于他們的當量比。元素的當量原子量/化合價化合物的當量化合物的分子量/正(或負)價總數(shù)如: 鈣的當量=原子量/化合價=40.078/2=20.039 克當量定義：一定量的物質(zhì)在數(shù)值上等于它的當量，單位以克表示， 這個量就稱為該物質(zhì)的1 個克當 量。如：鈣的當量為20.039， 而20.039克的鈣就等于1克當量 硬度單位

12、1升水中含有的鈣、鎂離子的總毫克分子數(shù)(mmol/L)。1升水中含有的鈣、鎂離子的總毫克當量數(shù)(meq/L)。1升水中含有的1/2鈣、1/2鎂離子的總毫克分子數(shù)。即：以氫離子為基本單位的物質(zhì)的量濃度(氫摩爾濃度)(在數(shù)值上½鈣、½鎂離子的總毫克分子數(shù)等于鈣、鎂離子的總毫克當量數(shù))以CaCO3摩爾質(zhì)量來表示的1升水中含有鈣、鎂離子的摩爾總數(shù)。表示方法為ppm(以CaCO3計)如: CaCO3的分子量為100其可接受或提供1molH+的摩爾質(zhì)量為50。硬度為2H+mmol/L濃度，可表示為2×50=100ppm(以CaCO3計)例：水質(zhì)分析結(jié)果為Ca2+=42.4mg

13、/L，Mg2+=25.5mg/L用上面種方試表示其硬度(1)42.4/40.07+25.5/24.3=1.058+1.049=2.107mmol/L(2)42.4/20.03+25.5/12.15=4.22meq/L(3)4.22mmol/L(½Ca2+ ½Mg2+)(4)4.22×50=211ppm(以CaCO3計)1升水中含有的鈣、鎂離子總量等于17.1ppm(以CaCO3計）定義為一個格令/加侖(gr/gallon)。Cv 和 Kv是什么? Cv 是溫度為60華氏度時, 流體通過一閥門時壓力損失1 psi狀態(tài)下的流量(單位為gpm ). Kv 是溫度為20攝

14、氏度時, 流體通過一閥門時壓力損失1 Bar狀態(tài)下的流量(單位為 m3/hr ). 以上系數(shù)所涵蓋的系統(tǒng)不受氣蝕的影響. 數(shù)據(jù)來源為: 在實驗室狀態(tài)下, 在不同的流量情況下進行多次實驗獲得,同時記錄下不同流量下的壓力損失. Cv和Kv的相互轉(zhuǎn)換: Cv = 1.16 KvKv = 0.853 Cv 主要用作計算閥門在不同流量狀態(tài)下的壓力損失.DP = (單位psi)DP = (單位為Bar) Cv = Kv = 事例 1: 一閥門 Cv = 6.5 ,壓力損失為1 psi 時的流量為 6.5 gpm. 當流量為25 gpm 時,壓力損失為: DP = (25/6.5)² = 14.8

15、 psi 事例2: 兩軟水器在流量為15 gpm 時,將產(chǎn)生的壓力損失為 3 psi. 計算流量為25 gpm時的壓差DP 為多少? Syst. Cv = (gpm/DP) = (15/3) = (15/1.732) = 8.66 At 25 gpm, DP = (gpm/Cv)2 = (25/8.66)2 = 8.3 psi工作能力的表達: 10 噸 軟化器意思: 一軟化器的產(chǎn)水量為10 m³/hr = 10 x (4.4) = 44 gpm線性流速的表達: 10 gpm/ft² (x) 2.33 = 23.3 m/h ,中國采用的線性流速為 20 到 30 m/h (4

16、.3 to 8.6 gpm/ft²)體積流速的表達: 7.481 gpm/ft³ = 1 BV/min 加鹽量: 15 lbs/ft³ (x) 16 = 240 grams/liter of resin樹脂量: 1 ft³ (x) 28.3 = 28.3 liters of resin樹脂的交換能力: 30 Kgr/ft³ (x) 2.29 = 68.7 grams CaCO3/liter of resin總硬度: 171 ppm = 171 mg/l = 171 grams/m³ = 10 grains/gallon 在中國鍋爐鍋爐

17、給水應(yīng)用中,可以接受的硬度泄露: 0.03 Meq/l 或 0.03 Meq/l (x) 50 = 1.5 mg/l(以CaCO3計)水壓: 30 psig (x) 0.00689 = 0.207 Mega Pascals事例: TH = 100 mg/l, 去除的硬度容量 = 68.7 grams = 68700 mg 軟水量 = (68700 mg)/(100 mg/l) = 687 L 或 (68.7 g)/(100 g/ m³) = 0.687 m³NaCl日曬鹽 48 - 50% void volume69 lbs/cu.ft.礦鹽41% void volume7

18、6 lbs/cu.ft.Rust Rem. Pellets48 - 52% void volume70 lbs/cu.ft.NaCl 和 KCl 數(shù)據(jù) (At 20ºC or 68ºF)1 加侖水溶解鹽量: 3 lbs. of NaClI 加侖 NaCl飽和溶液中: 2.6 lbs. of NaCl1 加侖水的溶解鹽量: 2.8 lbs. Of KCl1加侖KCl飽和溶液中:2.5 lbs. of KCl 我國江河湖泊水質(zhì)組成成分含量， mg/L珠江長江黃河黑龍江閩江塔里木河松花江Ca2+18.028.939.111.62.6107.612.0Mg2+1.19.617.92

19、.50.6841.53.8Na+K+16.18.646.36.76.710265.06.8HCO3-128.9162.054.920.2117.264.4SO42-34.813.482.66.04.96052.05.9Cl-7.34.230.02.00.514368.01.0含鹽量110.2193.6377.983.735.531751.393.9某些淡水湖泊、水庫水質(zhì)組成成分含量， mg/L南湖 （武漢）洪湖 （湖北）立新城水庫藏（長春）Ca2+18.922.420.5Mg2+1.833.175.61Na+K+17.911.43.17HCO3-70.775.379.9SO42-15.810.

20、35Cl-13.74.557.1含鹽量138.7127.12121.3某些地下水水質(zhì)組成成分含量， mg/L石家莊井水哈爾濱井水天津井水湖南某井水Ca2+82.978.28.02.8Mg2+19.812.83.71.6Na+K+16.223.5317.05.3HCO3-219.6317.2464.09.8SO42-37.38.048.09.0以上資料摘自“工業(yè)水處理技術(shù)”二、 全自動軟水器全自動軟水器就是將軟水器運行及再生的每一個步驟實現(xiàn)自動控制，并采用時間，流量或感應(yīng)器等方式來啟動再生。通常一個全自動軟水器的循環(huán)過程由下列具體步驟組成。1. 運行原水在一定的壓力，流量下，流經(jīng)裝有離子交換樹脂

21、的容器（軟水器）樹脂中所含的可交換離子Na+，與水中的陽離子（Ca+，Mg+，F(xiàn)e+，等）進行離子交換，使容器出水的Ca+，Mg+含量達到我們的要求。我們把一個軟水器所具有的離子交換的能力以工作交換容量表示，其單位可用（moI，eq，ppm，us grains等表示）2. 反洗樹脂失效后，在進行再生之前先用水自下而上的進行反洗，反洗的目的有兩個，一是通過反洗，使運行中壓緊的樹脂層松動，有利于樹脂肪顆粒與再生液充分接觸，二是清除運行時在樹脂表層積累的懸浮物及樹脂表面的懸浮物同時一些碎樹脂顆粒也可隨著反洗水排出，這樣，交換器的水流阻力不會越來越大，為了保證反洗時完整樹脂不被沖走，在設(shè)計軟水器時，應(yīng)

22、在樹脂層上留有一定的反洗空間，反洗強度越大要求的反洗空間就越大，通常設(shè)計選用50%的樹脂層高度作為反洗膨脹高度。它適應(yīng)的反洗流速為12m/h(5gpm/ft2)(進水溫度為10攝氏度)反洗的好壞直接影響再生效果(圖-1)。3. 再生再生液在一定濃度，流量下流經(jīng)失效的樹脂層，將樹脂還原再生，使其恢復(fù)原有的交換能力（影響再生效果的因素，再后面會專門闡述）4. 置換在再生液進完后，交換器膨脹空間及樹脂層中還有尚未參與再生交換的鹽液，為了充分利用這部分鹽液，采用小于或相當與再生液流速的清水進行清洗，目的是不使清水與再生液混合。一般清洗水量為樹脂體積的0.5-1倍。5. 正洗目的是清除脂層中殘留的再生廢

23、液，通常以正常運行流速清洗至出水合格為止。6. 鹽箱補水向鹽箱注入溶解再生所需鹽耗量的水。通常即1m3水溶解360kg鹽（1加侖水溶解3磅鹽，濃度為26.4%）。為了保證鹽箱中的鹽液濃度能達到飽和，首先應(yīng)保證溶解時間不小于6小時，其次是必須保持鹽液箱中，鹽平面始終高于水平面。通俗的講，鹽液箱要做到見鹽不見水。三、 影響軟水器交換容量的因素1. 流速(gpm/ft，m/h)通常流速越大離子交換所需要的工作層越大，樹脂有效利用率會下降，但設(shè)備產(chǎn)水能力會提高。反之流速越小所需的工作層越少，樹脂利用率增加，但設(shè)備產(chǎn)水能力下降。過小的流速會造成原水只與樹脂表面離子進行交換，水不能進入樹脂內(nèi)部。樹脂表面通

24、常僅提供20%的交換容量。樹脂里面能提供80%交換容量。合理的交換流速對提高設(shè)備產(chǎn)水能力及交換能力是非常重要的，一般建議運行流速控制在（中國20-30m/h，美國4-10pm/ft2）小型裝置可適當提高（圖-2）。交 換 示 意 圖2. 水與樹脂的接觸時間：（gpm/ft3）水與樹脂的接觸時間越長，交換越充分，但相對單位樹脂的產(chǎn)水能力下降，接觸的時間越短，交換越充分，單位樹脂的交換能力下降，而單位樹脂的產(chǎn)水能力提高。因此合理的接粗時間對于軟化器的經(jīng)濟運行非常重要。一般建議1.0-5.0gpm/ft3樹脂或8-4bv/h。（每小時流量為樹脂裝載量的八至四十倍）（圖-3）用線性流速與空間流速的區(qū)別

25、3. 樹脂層的高度樹脂層越低，因流速對其交換能力的影響就越大，當樹脂層高度達到30英尺（762mm）時，樹脂層高度造成的流速對其交換能力的影響可降到比較低的程度。因此一般建議樹脂層高度大于30英尺（762mm） （圖-4）4. 進水含鹽量進水含鹽量的高低直接影響出水的品質(zhì)，而進水含鹽量中K，Na的總含量對出水品質(zhì)的影響非常大。例：當原水含鹽量為500PPM，其中Na+K為零，硬度為10mol/m3，如果我們再生用151b/ft3(240g/L)出水質(zhì)量可達到近乎0.00。當原水含鹽量為500PPM而Na+K為250PPM，硬度為5mol/L接近0.04mmol/L(超過了國家低壓蒸汽鍋爐進水要

26、求)若要出水達到0.03mmol/L以下，必須使用(181b/ft3，290g/L) ( 圖-4-1)5. 溫度水溫增加能同時加快內(nèi)擴散，提高交換能力，無論是運行或再生，適當?shù)靥岣咚疁貙浰魇怯幸娴摹?. 再生劑質(zhì)量(NaCl)再生劑存度越高，樹脂的再生度越高，出水的離子泄露量越少，因此提高再生劑純度及運用軟化水溶鹽可提高再生度。(圖-5)7. 再生液流量通常再生液流量越小獲得的再生效果越好。但過低的再生液流量會使再生時間過長，易使再生劑繞過樹脂表面再生。因此一般要求再生液流量在0.25-0.9gpm/ft3(或順洗流量4-6m/h，逆流再生2-3m/h)(圖-6)8. 再生液濃度 根據(jù)離子

27、平衡原理，再生液濃度提高，可以使樹脂的交換能力提高， 但再生劑用量一定的條件下，再生液濃度過高，會縮短再生液與樹脂的接觸時間，餓、從而降低了再生效果.一般鹽液濃度控制在10%左右為宜.(圖-7)9. 再生劑用量樹脂的交換在再生理論上是按等當量進行即1mol的再生劑可恢復(fù) 一個1mol的交換容量，(即使用58.43的NaCl).但實際上再生劑的耗量 要比理論值大得多.實驗證明再生劑用量越多，獲得的樹脂工作交換容量越大。出水質(zhì)量越好。但隨著再生劑用量的不斷增加，工作交換容量的提高會越來越少。經(jīng)濟性會不斷下降。因此再生耗鹽，應(yīng)根據(jù)不同的原水水質(zhì)，再保證一定的交換能力及水質(zhì)條件下，盡可能選用比較經(jīng)濟合

28、理的耗鹽量。在美國通用低壓鍋爐的軟水器，采用240g/l鹽再生1升樹脂。10. 樹脂不同的樹脂所提供的交換能力是不一樣的。通常鍋爐用軟水器要求使用的樹脂其交聯(lián)度不應(yīng)低于7四、 自動軟水器設(shè)計1. 軟水器設(shè)備應(yīng)遵循的標準中國（GBJ109-87）美國注解運行濾速20-30m/h 4-10gpm/ft21.0-5.0gpm/ft3 1.5-5.0gpm/Ft3，此指標是用來衡量再生液與樹脂接觸的時間反洗流速15m/h5gpm/fT2(12.23m/h)以反洗膨脹空間50%為準時間15min10-20min再生再生劑耗量2-2.4kg/kg CaCo380-174g/mol鹽耗量進水含鹽量及硬度決定，具體需查表濃度5-8%8-10%流速4-6m/h(0.25-0.90gpm/ft3)0.5gpm/ft3無頂壓逆流再生小于2m/h以防樹脂亂層置換水耗0.5-1樹脂量0.5-1樹脂量流速同再生流速0.3gpm/fT3<時間計算確定計算確定正洗水耗3-63-6以出水達到合格為止流速15-20m/h同反洗流速工作交換容量40-45k