離子交換裝置及運(yùn)行課案課件

1、8.3 離子交換裝置及運(yùn)行操作裝有離子交換劑的離子交換器稱(chēng)離子交換床，離子交換劑層稱(chēng)離子交換床層。生產(chǎn)實(shí)踐中，離子交換裝置妁種類(lèi)很多。可分為固定床式和移動(dòng)床式兩大類(lèi)，固定床在各領(lǐng)域用得最廣泛。一、 固定床固定床：離子交換劑在一個(gè)設(shè)備中先后完成制水、再生等過(guò)程的裝置。按水和再生液的流動(dòng)方向分為：順流再生式、逆流再生式、分流再生式逆流再生包括逆流再生離子交換器和浮床式離子交換器。按交換器內(nèi)樹(shù)旨的狀態(tài)又分為：?jiǎn)螌樱?shù)脂）床、雙層床、雙室雙層床、雙室雙層浮動(dòng)床以及混合床。按設(shè)備的功能又分為：陽(yáng)離子交換器（包括鈉離子交換器和氫離子交換器）、陰離子交換器和混合離子交換器。1順流再生離子交換器交換：水流自上

2、而下通過(guò)樹(shù)脂層；再生：再生液也是自上而下通過(guò)樹(shù)脂層。（水與再生液的流向是相同）（1）其結(jié)構(gòu)： 密封的圓柱形壓力容器；設(shè)有樹(shù)脂裝卸口；觀察樹(shù)脂狀態(tài)的窺孔；進(jìn)水裝置、排水裝置；再生液分配裝置；內(nèi)裝有樹(shù)脂。樹(shù)脂上部有反洗空間。如圖86所示。外部管路系統(tǒng)如圖87所示。（2）順流再生離子交換器的運(yùn)行：分為五步：反洗、進(jìn)再生液、置換、正洗和制水。組成一個(gè)運(yùn)行周期。1）反洗：常用水自下而上進(jìn)行的強(qiáng)烈反洗。反洗的目的：1）松動(dòng)樹(shù)脂層；2）清除樹(shù)脂上層中的懸浮物、碎粒；反洗到排水不渾為止，一般需10l5min。2）再生：先將交換器內(nèi)的水放至樹(shù)脂層以上約100200mm處，然后使一定濃度的再生液以一定流速自上而下

3、流過(guò)樹(shù)脂層。3）置換：使水按再生液流過(guò)樹(shù)脂的流程及流速通過(guò)交換器，這一過(guò)程稱(chēng)為置換。目的：使樹(shù)脂層中仍有再生能力的再生液和其他部位殘存的再生液得以充分利用。4）正洗：目的：清除交換器內(nèi)殘留的再生產(chǎn)物。置換后，應(yīng)用運(yùn)行時(shí)的出水自上而下清洗樹(shù)脂層，流速約1015m/h。正洗一直進(jìn)行到出水水質(zhì)合格為止。5）制水：正洗合格后即可投入制水。3）順流再生工藝特點(diǎn)圖（a），交換結(jié)束時(shí)，進(jìn)水中離子依據(jù)樹(shù)脂對(duì)它們的選擇順序依次沿水流方向分布，最下部樹(shù)脂的交換容量未能得到充分利用，尚存在一部分H型樹(shù)脂。再生前的反洗使樹(shù)脂中基本呈 均勻分布狀 態(tài)如圖（b） 再生：再生液由上而下通過(guò)樹(shù)脂層，上部樹(shù)脂先再生再生較充分，

4、由上而下再生度逐漸降低；下部未再生的主要是Ca、Mg型樹(shù)脂，和少量Na型樹(shù)脂，如圖（c）再生初期，一部分被再生下來(lái)的高價(jià)離子流經(jīng)下部樹(shù)脂層時(shí)，會(huì)將下部樹(shù)脂中的低價(jià)離子置換出來(lái)，使這部分樹(shù)脂轉(zhuǎn)為較難再生的高價(jià)離子型，底部未失效的H型樹(shù)脂也會(huì)因再生產(chǎn)物通過(guò)而轉(zhuǎn)成失效態(tài)， 樹(shù)脂再生困難，消耗再生劑多。順流再生工藝的再生效果差。順流交換器特點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；運(yùn)行操作方便；工藝控制容易；對(duì)進(jìn)水懸浮物含量要求不很?chē)?yán)格（濁度5NTU）。適用情況：對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求不高的小容量除鹽裝置；原水水質(zhì)較好以及Na+值較低的水質(zhì)；采用弱酸樹(shù)脂或弱堿樹(shù)脂時(shí)。2逆流再生離子交換器再生液流動(dòng)方向與交換時(shí)水流相反離子交換工藝。目的

5、：再生效果好?，F(xiàn)廣泛采用逆流再生。逆流再生：再生液及置換水都是從下向上流動(dòng)的，如流速稍大，會(huì)使對(duì)脂層擾動(dòng)。亂層打亂再生的層。使再生效果降低。（1）逆流再生離子交換器結(jié)構(gòu)：圖89和圖810所示。與順流再生離子交換器結(jié)構(gòu)不同的地方是：在樹(shù)脂層上表面處設(shè)有中間排液裝置以及在樹(shù)脂層上面加壓脂層。1）中間排液裝置：作用：使向上流動(dòng)的再生液和清洗水能均勻地由此裝置排走，不使水流流向上面的空間而擾動(dòng)樹(shù)脂層；小反洗的進(jìn)水裝置；小正洗的排水裝置。2）壓脂層：目的是溶液向上流時(shí)樹(shù)脂不亂層，不能靠自身起到壓脂作用；壓脂層真實(shí)作用：濾掉水中的懸浮物，使它不進(jìn)入下部樹(shù)脂中；使頂壓空氣或水通過(guò)壓脂層均勻地作用于整個(gè)樹(shù)脂層

6、表面，防止樹(shù)脂亂層。（2）運(yùn)行：制水過(guò)程和順流式?jīng)]有區(qū)別。再生隨防止亂層措施的不同而異，壓縮空氣預(yù)壓，如圖811所示。圖811 逆流再生操作過(guò)程示意（a）小反洗；（b）放水；（c）頂壓；（d）進(jìn)再生液；（e）逆流清洗；（f）小正洗；（g）正洗1）小反洗：為了保持不層亂，只對(duì)排液管上面的壓脂層進(jìn)行反洗，以沖洗掉運(yùn)行時(shí)積聚在壓脂層中的污物。2）放水：小反洗后，待樹(shù)脂沉降下來(lái)以后，放掉中間排液裝置以上的水。3）頂壓：從交換器頂部送人壓縮空氣，使氣壓維持在0.030.05MPa。4）進(jìn)再生液：在頂壓的情況下，將再生液送人交換器內(nèi)，進(jìn)行再生。5）逆流清洗：當(dāng)再生液進(jìn)完后，繼續(xù)用稀釋再生劑的水進(jìn)行清洗。6

7、）小正洗：用以除去再生后壓脂層中部分殘留的再生廢液。7）正洗：按一般運(yùn)行方式用進(jìn)水自上而下進(jìn)行正洗，流速10l5m/h，直到出水水質(zhì)合格，即可投入運(yùn)行。大反洗：經(jīng)多周期運(yùn)行后，下部樹(shù)脂層也會(huì)受到一定程度的污染，因此必須定期地對(duì)整個(gè)樹(shù)脂層進(jìn)行大反洗。其周期應(yīng)視進(jìn)水的濁度而定，一般為1020個(gè)反沖洗周期。水頂壓法：將氣頂壓換成水頂壓。（3）無(wú)頂壓逆流再生：為了保持再生時(shí)樹(shù)脂層逆流再生時(shí)不亂層，須采用頂壓。缺點(diǎn)：增加了一套頂壓設(shè)備和系統(tǒng)，且操作麻煩。如將中間排液裝置上的孔開(kāi)得足夠大，使孔的水流阻力較小，并在中間排液裝置以上仍裝有一定厚度的壓脂層，在無(wú)頂壓時(shí)逆流再生時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)水面超過(guò)壓脂層，就不會(huì)亂

8、層。這就是無(wú)頂壓逆流再生操作步驟：與有頂壓再生操作基本相同，只是不進(jìn)行頂壓。（4）逆流再生工藝特點(diǎn)：與順流再生相比，逆流再生具有對(duì)水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)；出水水質(zhì)好；再生劑比耗低；自用水率低。3其他形式的離子交換器介紹（1）分流再生離子交換器 分流再生離子交換器的結(jié)構(gòu)：中間排液裝置設(shè)置在樹(shù)脂層表面下約400600mm處。上下同時(shí)進(jìn)再生液。流過(guò)上部的再生液可以起到頂壓作用；交換器中樹(shù)脂的交換容量利用率較高。兩端樹(shù)脂都能夠得到較好均再生。最下端樹(shù)脂的再生度同樣高，可保證了運(yùn)行出水的水質(zhì)。（2）浮床式離子交換器整個(gè)樹(shù)脂層被向上水流托起的懸浮狀態(tài)進(jìn)行離子交換的（稱(chēng)成床）。樹(shù)脂失效停止進(jìn)水，樹(shù)脂層下落（稱(chēng)落床），

9、便可進(jìn)行逆流再生。浮動(dòng)床的運(yùn)行：制水落床進(jìn)再生液置換下向流清洗成床上向流清洗，再轉(zhuǎn)人制水。構(gòu)成一個(gè)周期。1）落床：出水失效，停止制水，靠重力從下部起逐層下落，可起到疏松樹(shù)脂層、排除氣泡的作用。2）進(jìn)再生液：常用水射器送液。調(diào)整再生流速，開(kāi)啟計(jì)量閥，調(diào)整再生液濃度，再生。3）置換：待再生液進(jìn)完后，關(guān)閉計(jì)量閥，繼續(xù)按再生流速和流向進(jìn)行置換，置換水量約為樹(shù)脂體積的1.52倍。4）下向流清洗：置換后，開(kāi)清洗水閥，調(diào)整流速至1015m/h進(jìn)行下向流清洗，一般需1530min。5）成床、上流清洗：用2030m/h的較高流速進(jìn)水將樹(shù)脂層托起，并進(jìn)行上向流清洗，直至出水水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可轉(zhuǎn)入制水。由于浮動(dòng)床

10、內(nèi)樹(shù)脂是基本裝滿的，沒(méi)有反洗空間，故無(wú)法進(jìn)行體內(nèi)反洗。當(dāng)樹(shù)脂需反洗時(shí)，需將部分或全部樹(shù)脂移至專(zhuān)用清洗裝置內(nèi)進(jìn)行清洗。經(jīng)清洗后的樹(shù)脂送回交換器后再進(jìn)行下一個(gè)周期的運(yùn)行。清洗周期取決于進(jìn)水中懸浮物含量的多少和設(shè)備在工藝流程中的位置，一般是1020個(gè)周期清洗一次。清洗方法：水力清洗法和氣水清洗法兩種。浮床式離子交換器的工藝特點(diǎn)：自學(xué)（3）雙層床和雙室雙層床：將強(qiáng)、弱型樹(shù)脂聯(lián)合應(yīng)用的離子交換裝置雙層床和雙室雙層床。目的：充分利用再生液?？蓪⑵浞謱友b填在同一個(gè)交換器中，組成雙層床的形式。常用弱型樹(shù)脂的密度比強(qiáng)型樹(shù)脂小的特點(diǎn)，使其處于上層，強(qiáng)型樹(shù)脂處于下層。交換時(shí)：水自上而下，先過(guò)弱型樹(shù)脂，后過(guò)強(qiáng)型樹(shù)脂；

11、再生時(shí)：反向流，屬逆流再生。為了使雙層床中強(qiáng)型樹(shù)脂和弱型樹(shù)脂都能發(fā)揮它們的長(zhǎng)處，應(yīng)能較好地分層。為此，對(duì)所用樹(shù)脂的密度、顆粒大小都有一定要求。雙室雙層床是將交換器分隔成上、下兩室，強(qiáng)、弱樹(shù)脂各處一室；強(qiáng)型樹(shù)脂在下室，弱型樹(shù)脂在上室，避免了樹(shù)脂混層的問(wèn)題。（4）混合床：圖813離子交換器內(nèi)主要裝置有：上部進(jìn)水裝置、下部配水裝置、進(jìn)堿裝置、進(jìn)酸裝置及壓縮空氣裝置，在體內(nèi)再生混合床中部的陰、陽(yáng)樹(shù)脂分界處設(shè)有中間排液裝置。有關(guān)混合床的其他特性將在84中詳細(xì)敘述。4，固定床離子交換設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算離子交換器都有定型產(chǎn)品，其尺寸、附屬設(shè)備和樹(shù)脂的裝填高度都有規(guī)定。選擇步驟：（1）交換器直徑的確定：由水量和流

12、速確定，流速與進(jìn)水含鹽量有關(guān)，據(jù)出水水質(zhì)要求、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)班制等因素進(jìn)行選用。式中， d單臺(tái)設(shè)各的內(nèi)徑，m； Q1單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)水量，m3/h； v運(yùn)行流速，m/h。一般一級(jí)復(fù)床正常流速v應(yīng)在1520m/h，為保障系統(tǒng)安全、正常運(yùn)行，復(fù)床除鹽系統(tǒng)的離子交換設(shè)備宜不少于2臺(tái)，當(dāng)一臺(tái)設(shè)備再生或檢修時(shí)，另一臺(tái)的供水量應(yīng)能滿足正常的供水和自用水要求。（2）一臺(tái)設(shè)備一個(gè)周期離子交換容量Ec(mmol)式中：3）交換器裝載樹(shù)脂高度（hR）式中 E0樹(shù)脂的工作交換容量，mmol/L；E0樹(shù)脂工作交換容量，據(jù)再生方式、原水的含鹽量及其組成、再生劑種類(lèi)及用量等來(lái)計(jì)算，常通過(guò)模擬試驗(yàn)求得。通常0017苯乙烯系強(qiáng)

13、酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂逆流再生工作交換容量在7001300mmol/L之間，2017苯乙烯系強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂，逆流再生工作交換容量在200400mmol/L之間。由上式計(jì)算的樹(shù)脂層高度一般不應(yīng)小于1.2m，正常應(yīng)在1.52.0m之間。二、移動(dòng)床離子交換器定期排出一部分已失效的樹(shù)脂和補(bǔ)充等量再生好的樹(shù)脂，排出的失效的樹(shù)脂在另一設(shè)備中進(jìn)行再生。樹(shù)脂交換過(guò)程和再生過(guò)程是分別在不同設(shè)備中同時(shí)進(jìn)行的，特點(diǎn)：制水是連續(xù)的。1運(yùn)行過(guò)程及再生過(guò)程自己看2移動(dòng)床的優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)床運(yùn)行流速高，樹(shù)脂用量少且利用率高，占地面積小、連續(xù)供水、減少了設(shè)備備用量。缺點(diǎn)：運(yùn)行終點(diǎn)較難控制；樹(shù)脂移動(dòng)頻繁，損耗大；閥門(mén)操作頻繁，易發(fā)生故

14、障，自動(dòng)化要求較高；對(duì)原水水質(zhì)變化適應(yīng)能力差，樹(shù)脂層易發(fā)生亂層；再生劑比耗高。三、除碳器氫離子交換器出水中的游離CO2會(huì)腐蝕設(shè)備，常用除碳器將其除去。1除CO2原理水中碳酸化合物與空氣的CO2平衡關(guān)系：水中H濃度越大，平衡向右反應(yīng)。經(jīng)H離子交換后的水呈強(qiáng)酸性，水中碳酸化合物幾乎全部以游離CO2形式存在。CO2氣體在水中的溶解度服從于亨利定律在一定溫度下氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的分壓成正比。降低水面氣體中CO2分壓，水中游離CO2便會(huì)從水中解吸出來(lái)，從而達(dá)到除去CO2目的。降低CO2分壓的辦法：一是在除碳器中鼓人空氣，即大氣式除碳；另一辦法是從除碳器的上部抽真空，即為真空式除碳。2除碳

15、器的設(shè)計(jì)計(jì)算鼓風(fēng)填料式除碳器（1）除碳器的有效直徑d（m）式中：Q除碳器設(shè)計(jì)處理水量，m3/h； q設(shè)計(jì)淋水密度，m3/（m2h） 基準(zhǔn)條件 q60 m3/（m2h） （2）除碳器所需填料高度h0（m）及填料總體積V0（m3）S單位體積填料所具有的工作表面積， （m2/m3 ），由所選的填料品種和規(guī)格決定，例如：25253mm瓷質(zhì)拉希環(huán)，其S值為204m2/m3C 脫除CO2的平均解析推動(dòng)力，kg/m3， 近似表達(dá)為：HZ 進(jìn)水碳酸鹽堿度，mmol/L；Mco2進(jìn)水中游離CO2含量，mg/L。除碳器直徑由所需處理的水量決定，而除碳器所需填料的高度取決于進(jìn)水CO2含量、其主要與原水堿度有關(guān)。（3）除碳器所需鼓風(fēng)量W（m3/h）及所需進(jìn)