離子交換樹脂的再生_周瀟

1、第 40卷第 8期 當 代 化 工 Vol.40,No.8 2011年 8月 Contemporary Chemical Industry August,2011收稿日期 : 2011-06-17 作者簡介 : 周 瀟(1963- ,男,廣西河池人,副總經(jīng)理,碩士,1986年畢業(yè)于廣西大學化工專業(yè),研究方向:從事化工技術工作。E-mail:jifan_yu,電話離 子 交 換 樹 脂 的 再 生周 瀟(廣西河池化工股份有限公司,廣西 河池 547007摘 要 :離子交換法除鹽在鍋爐給水除鹽工藝中有廣泛地應用,離子交換樹脂的再生是一個復雜的過程, 再生濃度、流速和時間

2、等都會影響再生的效果。在總結廣西河池化工股份有限公司除鹽水系統(tǒng)再生經(jīng)驗的基礎 上,對再生工藝進行了研究,為采用離子交換法除鹽的企業(yè)提供借鑒。 關 鍵 詞 :離子交換樹脂;再生;工藝中圖分類號 :TQ 425 文獻標識碼 : A 文章編號 : 1671-0460(201108-0817-03Regeneration of Ion-Exchanging ResinZHOU Xiao(Guangxi Hechi Chemical Co. ,Ltd, Guangxi Hechi 547007, ChinaAbstract : Desalination by ion exchange is widely

3、 used in purifying water for boiler. Regeneration of ion-exchanging resin is a complication process ,and regeneration results are affected by regeneration concentration, velocity and time. In this paper, on the basis of summarizing regeneration experiences of the desalination system in Guangxi Hechi

4、 chemical company, regeneration process was studied, which can provide some references for other enterprises which adopt ion-exchanging process. Key words: Ion-exchanging resin; Regeneration; Process離子交換樹脂在除鹽處理工藝中用來交換水中的離子,陽離子交換樹脂釋放出氫離子(H+,失 效后用鹽酸或硫酸再生,置換出生產(chǎn)過程中吸附的 Ca 2+、Mg 2+、Na +等陽離子;陰離子交換樹脂釋放出氫氧根離

5、子(OH- ,失效后用燒堿再生,置換出生產(chǎn)過程中吸附的 Cl -、SO 42-、HCO 3-等陰離子。離子 交換樹脂的吸附和再生是一個可逆的過程,再生劑 的濃度、流速和再生時間都會影響再生效果;同樣 設備狀況也會影響再生效果,不同的設備狀況和樹 脂性能適用不同的再生工藝。 根據(jù)離子樹脂的特性, 交換設備和樹脂的狀況選擇適當?shù)脑偕に?將有 助于提高再生效率,降低再生劑的消耗,對降低制 水成本及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要的意義。1 原再生工藝及存在問題1.1 再生液濃度根據(jù)離子交換設備廠家的推薦,一般陽離子交 換樹脂的再生濃度為 3%5%, 陰離子交換樹脂的再 生濃度為 2%3%, 整個再生過程中維

6、持不變。 河池 化工除鹽水系統(tǒng)的再生濃度分別為 3.4%和 2.4%。再生過程之所以選擇較高的濃度,基于離子交 換樹脂對不同離子的不同吸附能力。再生過程是樹脂吸附 H +(陽樹脂和 OH -(陰樹脂的過程,而樹脂對二者的吸附能力與 Ca 2+、SO 42-相比較弱,因 而必需以高濃度的再生液維持濃差才能獲得較好的 再生效果,濃度越高,再生越徹底,而根據(jù)工作層 理論,濃度越大,工作層越厚,再生液也越容易穿透樹脂層造成浪費 1。再生過程中,樹脂相的失效離子(Ca2+、SO 42-的濃度不斷下降,隨再生進程 改變再生濃度既可保持濃差又可以使工作層變薄, 從而減少再生液的穿透,提高利用率。因此再生液

7、的濃度應當綜合考慮工作層及濃度差的影響,而非 固定不變。1.2 再生流速正固定床逆流再生的再生流速一般為 35 m/h。 河池化工原再生流速為 4.5 m/h。限制高再生流速的目的在于防止樹脂亂層,而 過低的流速降低樹脂表面再生液的雷諾數(shù),阻礙傳 質, 降低再生液的利用率。 在不發(fā)生亂層的前提下, 高流速是有利的,確保樹脂不亂層的流速與樹脂層 總高度、壓脂層高度是相關的。1.3 再生劑量根據(jù)離子交換設備廠家的調試結果,河池化工 原再生用酸 3 500 kg,用堿 3 000 kg。818 當 代 化 工 2011年 8月再生劑用量一般以離子交換樹脂的交換容量計 算。 離子交換樹脂在使用過程中,

8、 或因重金屬離子、 有機物的污染,或因樹脂氧化導致交換基團損壞, 其交換容量不可避免地降低。故再生劑量也當視樹 脂性能而定。1.4 再生時間在既定的再生劑量、流速和再生濃度下,時間 實際上也是既定的。原再生的時間一般為 60 min。 由于人為操作的影響,事實上濃度不能保證恒定, 故很難保證再生時間。2 工藝的優(yōu)化2.1 再生液濃度的選擇工作層是進行目的交換的樹脂層區(qū)域,也就是 正在工作的樹脂層。在離子交換器運行時,工作層 是指交換器內沿水流方向上被交換離子濃度等同進 水的斷面至被交換離子濃度達到水質要求的斷面之 間的樹脂層。再生也是交換過程,只是濃度不同。 將這個概念應用于再生過程,則其工作

9、層可以認為 是沿再生液方向上已再生好的樹脂斷面至未再生樹 脂斷面之間的樹脂層。假定樹脂的交換容量為 Q , mol/m3(將再生過程 視為交換過程,交換容量即吸附再生液的能力; 再生液濃度為 a ,mol/m3;再生液流速為 v ,m/h;設備直 徑為 s ,m;樹脂高度為 h , m;則再生液穿透樹脂層的時 間為:t = h Q /(v a (1 當再生液濃度比較低時,工作層較薄,其移動 速度小于再生液流速 v ,如果提高再生液濃度,工 作層厚度將增加,當升高到某一值,就會出現(xiàn)工作 層的移動速度等于再生液流速 v 的現(xiàn)象,濃度超過 該值時,在整個再生過程中,再生液就會一直處于 穿透樹脂層的狀

10、態(tài),再生液的利用率就低。因此該 值是一個臨界值。如前所述,較高的濃差有利于提高再生效果。 因此,再生液濃度為臨界值時,既能保持經(jīng)濟性又 可以獲得較好的再生效果。此時工作層的移動速度 w 為:w = h /t代入(1式得:h /w =h Q /(v a 因此時 w =v 得:a =Q即當再生液濃度等于 Q 值時為最佳再生濃度。 這里需要說明的是, Q 是再生工況下的工作交換容 量, 這是一個與樹脂性能、 設備性能以及樹脂高度、 交換溶液濃度等有關系的值。由于再生過程能吸附 再生液的樹脂不斷減少, 工作交換容量也隨之降低, 因此最佳再生液濃度是一個逐漸降低的變動值。 由于工作交換容量計算過于復雜,

11、我們通過實 驗的方式測定初始的工作交換容量,將工作交換容 量與時間的函數(shù)關系簡化為線性關系,其斜率 k 也 由實驗測定。故整個再生過程的再生液濃度為:a = Q 初始 -k t通過實驗,河池化工除鹽水系統(tǒng) Q 初始 約為 800 mol/m3, k 值約為 6.7 mol/(m3min ,即:a = 800 - 6.7t知初始再生濃度為 2.92%;陰床 Q 初始 約為 610 mol/m3, k 值為 7.5 mol/ (m3min即:a = 610 -7.5t知初始再生濃度為 2.44%。2.2 再生流速的選擇經(jīng)試驗選擇再生流速為 4 m/h, 可保證樹脂無亂 層現(xiàn)象發(fā)生。需注意的是, 對

12、于有氣頂壓或者水頂壓的設備, 流速可適當提高。2.3 再生劑量的選擇離子交換樹脂再生劑用量一般按下式計算: 陽床用鹽酸 (31% 量=樹脂工作交換容量有 效樹脂量1.236.5/0.31陰床用燒堿 (30% 量=樹脂工作交換容量有 效樹脂量1.340/0.30其中 1.2及 1.3為過余系數(shù)。經(jīng)測算,河池化工的陽樹脂工作交換容量(運 行時的進水水質 為 1 200 mol/m3, 設備直徑 3.0 m, 有效樹脂量為 12.5 m3, 則再生用酸量應為 2 119 kg。 陰樹脂工作交換容量(運行時的進水水質為 700 mol/m3,設備直徑 3.0 m,有效樹脂量為 12.5 m3, 則 再

13、生用堿量應為 1 517 kg。2.4 再生時間的選擇離子交換樹脂的再生過程可分為幾個過程:(1 再生液離子在水溶液中向樹脂顆粒表面的擴散; (2 再生液離子通過邊界水膜的擴散;(3再生液離子 在樹脂顆粒網(wǎng)孔內的擴散;(4再生液離子和樹脂 交換基團上被交換離子的相互交換;(5被交換下 來的離子在樹脂網(wǎng)孔內向顆粒表面的擴散;(6被 交換離子通過邊界水膜的擴散;(7被交換離子從 樹脂表面向水溶液的擴散。第 40卷第 8期 周 瀟:離子交換樹脂的再生此 819其中(2 、 (6為膜擴散, (3 、 (5為顆粒擴 散或內擴散。膜擴散的半交換期計算式為 2:T 1 /2=0.23r 0q 0 /(d c

14、 0其中:r 0 樹脂直徑,cm;q 0 全交換容量,mol/L; 水膜厚度,cm;d 擴散系數(shù),cm 2/s; c 0 溶液濃度,mol/L。上述參數(shù)約分別為 0.1,2,0.05,0.000 05,1.2時, T 1 /238 min。顆粒擴散半交換期計算式為:T 1 /2=0.03r 02/d擴散系數(shù) d 0.000 05 cm2/s, r 0=0.1 cm,則顆 粒擴散時間為 6 min。 所以, 再生時間不應低于二者 之和,即 44 min。根據(jù) 2.1節(jié)推導的濃度函數(shù)和 2.3計算的酸堿用 量, 進酸總時間應為 67 min(計算過程省略, 下同 ; 進堿總時間為 70 min。3

15、 優(yōu)化方案的實施傳統(tǒng)的再生設備是利用水力抽射器的抽吸作用 吸取再生液,稀釋后打入交換器的。水力抽射器的 抽力在水流量一定時是固定的,若不改變再生液出 口閥開度,濃度將維持定值,若需改變濃度,則應 調整再生液出口閥的開度。很顯然,以人工操作實 現(xiàn)濃度按上述函數(shù)變動是不可能的。為此我們借助 專業(yè)的再生控制器,由電腦根據(jù)設定函數(shù)調節(jié)再生 過程的濃度和時間等參數(shù),讓再生過程得到自動控 制。4 優(yōu)化效果按上述再生方案再生后, 獲得較好的再生效果, 運行半年以來,陽床平均周期產(chǎn)水量為 4 350 t,酸 單耗 0.487 kg/t;陰床平均周期產(chǎn)水量 9 000 t,堿單 耗 0.169 kg/t。當期陽

16、床進水含鹽量為 3.5 mmol/L, 理論耗酸量為 0.412 kg/t,實際比耗為 1.18,酸利用 率為 84.7%;陰床進水陰離子含量 0.97 mmol/L,理 論耗堿量為 0.129 kg/t,實際比耗為 1.31,堿利用率 為 76.3%。分別比優(yōu)化前降低 28.4%和 39.6%。5 結 論離子交換樹脂的再生是一個動態(tài)過程,再生液 濃度既要保證再生所需要的濃差,又不能因濃度過 大而使再生液過早穿透樹脂層,維持再生液濃度與 再生過程中的交換容量等值是最佳的再生濃度;在 不造成亂層的前提下再生液流速高有利于促進交 換;再生液用量應根據(jù)運行工況下的工作交換容量 計算;再生時間除了依流

17、速、再生劑量等定外,還 不能低于離子的擴散所需的時間。參考文獻 :1 孫允柱,徐福全. 電廠化學技術問答M.北京:冶金工業(yè)出版社,1993:87.2于瑞生,杜祖坤. 電廠化學M.北京:中國電力出版社,2006:114.(上接第 816頁表 5 產(chǎn)品主要物性對比Table 5 Comparison of main physical properties of the products測試項目測試方法 EP7226國產(chǎn) 對比樣 熔融流動速率/(g10 min-1GB/T 3682-2000 21.2 22.9拉伸屈服強度/MPa 27.725.4拉伸斷裂強度/MPa 16.415.3斷裂伸長率,%

18、 GB/T 1040-2006 (拉伸速率 50 mm/min57.152.0彎曲模量/MPa GB/T 9341-2000 1 433.91 293.3懸臂梁沖擊強度/(kJm -2GB/T 1843-1996 7.4 7.1 乙烯質量分數(shù),% 紅外光譜儀 8.43 8.73熱變形溫度/GB/T 1634-2004 111 109 硬度GB 19466-200699.996.83 結 論(1 通過工藝控制優(yōu)化, 在中國石油撫順石化公司乙烯化工廠 PP 裝置上成功開發(fā)生產(chǎn)出高流動 性抗沖聚丙烯專用料 EP7226, 各項性能指標達到國內同類產(chǎn)品的標準。(2 今后將進一步提高產(chǎn)品中的乙烯含量, 特 別是 EPR 成分, 改進助劑體系, 在保證現(xiàn)有指標的 情況下提高產(chǎn)品的沖擊性能。