離子交換器終點(diǎn)的控制方法.doc

全國(guó)化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2004年年會(huì)論文集談單元制離子交換器終點(diǎn)控制的方法宋玉梅1 王成富2 （1. 齊魯石化公司煉油實(shí)業(yè)部， 山東淄博 255434；2. 齊魯石化勝利煉油設(shè)計(jì)院，山東淄博 255434）內(nèi)容提要 本文通過(guò)分析單元制離子交換器運(yùn)行末期電導(dǎo)率的變化情況，說(shuō)明了判斷單元制離子交換器的終點(diǎn)可以通過(guò)在線電導(dǎo)率數(shù)值的變化來(lái)判斷交換器運(yùn)行終點(diǎn)。用此種方法判斷終點(diǎn)，代替同時(shí)分析SiO2及電導(dǎo)率的常規(guī)方法，使終點(diǎn)控制變得更加方便、快捷、可靠，且可減少投資，是一種簡(jiǎn)便可行的方法。關(guān) 鍵 詞 給水處理；離子交換；除鹽水；電導(dǎo)率；二氧化硅由于單元制離子交換除鹽工藝具有酸堿同步排放，調(diào)整恰當(dāng)可基本實(shí)現(xiàn)再生酸堿廢液等當(dāng)量自行中和、減少酸堿浪費(fèi)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛采用。根據(jù)電力部標(biāo)準(zhǔn)，一級(jí)除鹽水指標(biāo)為電導(dǎo)率：10s/cm，二氧化硅100g/l，故單元制離子交換器的終點(diǎn)應(yīng)控制陰床出水電導(dǎo)率及SiO2在規(guī)定范圍內(nèi)。由于手工分析存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、間隔時(shí)間長(zhǎng)、水質(zhì)易超標(biāo)等原因，單元制離子交換器一般采用在線儀表分析控制終點(diǎn)。在線電導(dǎo)率表可連續(xù)監(jiān)測(cè)水質(zhì)電導(dǎo)率，國(guó)產(chǎn)表價(jià)格便宜，質(zhì)量可靠；而在線硅表價(jià)格昂貴，是電導(dǎo)率表的十幾倍，且存在分析結(jié)果嚴(yán)重滯后的問(wèn)題。是否可僅用在線電導(dǎo)率表測(cè)定陰床出水電導(dǎo)率的連續(xù)變化情況來(lái)控制單元制離子交換器的終點(diǎn)，本文從離子交換原理、失效前后電導(dǎo)率的變化等方面進(jìn)行了分析，并提出了控制方法。1 離子交換器運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)原理1.1陽(yáng)床的離子交換反應(yīng)原水經(jīng)陽(yáng)床后，其中的Ca2+、 Mg2+ 、Na+、K+等所有陽(yáng)離子和樹(shù)脂電離出的氫離子進(jìn)行交換，陽(yáng)離子被樹(shù)脂吸附，氫離子被置換下來(lái)，和水中的陰離子形成相應(yīng)的酸。根據(jù)樹(shù)脂的選擇性吸附順序1，Na+最難于被吸附，因此樹(shù)脂失效時(shí)鈉離子首先漏出，監(jiān)測(cè)陽(yáng)床漏鈉的情況可以判斷陽(yáng)床終點(diǎn)。1.2 陰床的離子交換反應(yīng)陽(yáng)床出水經(jīng)除碳器除碳后進(jìn)入陰床，其中的SO42、 CL 、HCO3、HSiO3等所有陰離子和樹(shù)脂電離出的氫氧根離子進(jìn)行交換，陰離子被樹(shù)脂吸附，氫氧根被置換下來(lái)，和水中的氫離子生成水，達(dá)到除鹽目的。根據(jù)樹(shù)脂的選擇性吸附順序，HSiO3陰離子最難于被吸附，因此陰樹(shù)脂失效時(shí)SiO2首先漏出，監(jiān)測(cè)陰床漏硅的情況可以判斷陰床終點(diǎn)。2 單元制離子交換器的終點(diǎn)控制單元制離子交換器失效有三種情況：陽(yáng)床失效而陰床不失效；陽(yáng)陰床基本同時(shí)失效；陰床失效而陽(yáng)床不失效。下面，就此三種情況分別加以分析說(shuō)明。2.1陽(yáng)床失效而陰床不失效：運(yùn)行末期，陽(yáng)床漏鈉量開(kāi)始增加，陰床硅泄漏量保持穩(wěn)定。陽(yáng)床所漏鈉經(jīng)陰床后形成NaOH，由于OH導(dǎo)電常數(shù)較大，陽(yáng)床漏鈉將導(dǎo)致陰床出水導(dǎo)電度的迅速升高，電導(dǎo)率變化情況可判斷交換器失效。根據(jù)水中離子的理論電導(dǎo)率（見(jiàn)表1），可推算出相應(yīng)漏鈉量的除鹽水的理論電導(dǎo)率。漏鈉量與電導(dǎo)率關(guān)系見(jiàn)表2（忽略陰床漏硅），電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1的曲線1。表1 水中常見(jiàn)離子每mg/l相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率2 離子名稱Ca2+Mg2+Na+SO42-CO32-OH-HCO3-CL-H+導(dǎo)電常數(shù)（s/cm）2.63.822.131.542.8211.620.7152.14349.8表2 漏鈉量與電導(dǎo)率及產(chǎn)水行程關(guān)系漏鈉量（g/l）103030505080801001002002008008001000電導(dǎo)率（s/cm）0.110.320.320.540.540.860.861.11.12.22.28.68.6101#產(chǎn)水行程（h）00132.82.81.102#產(chǎn)水行程（h）6.88.85.20.51.00.903#產(chǎn)水行程（h）016.66.30.81.80.80注：（1）電導(dǎo)率值為根據(jù)水中Na+、OH的理論電導(dǎo)率推算值，與實(shí)際值較為吻合。（2）產(chǎn)水行程為在同一運(yùn)行周期內(nèi)，電導(dǎo)率值維持在一定范圍內(nèi)交換器產(chǎn)水時(shí)間。（3）1#、2#、3#產(chǎn)水行程所列數(shù)據(jù)分別為原水含鹽總量為9.5mmol/l、6.7 mmol/l、7.0 mmol/l；流量分別為220 t/h、280t/h、230 t/h時(shí)數(shù)據(jù)。一般，陽(yáng)床漏鈉量在30g/l50g/l，即陰床出水電導(dǎo)率在0.320.54s/cm時(shí)，交換器處于運(yùn)行穩(wěn)定期，隨后電導(dǎo)率開(kāi)始緩慢上升，達(dá)到12s/cm后，電導(dǎo)率迅速上升，可將電導(dǎo)率35s/cm作為終點(diǎn)控制指標(biāo)。陰、陽(yáng)床并聯(lián)制系統(tǒng)中，判斷陽(yáng)床失效一般采用手工做樣，控制鈉100g/l為失效點(diǎn)，從而使陽(yáng)床1020的交換容量得不到發(fā)揮，而單元制系統(tǒng)陽(yáng)床通過(guò)控制陰床出水電導(dǎo)作為失效點(diǎn)，可使陽(yáng)床交換容量得到充分發(fā)揮。2.2 陽(yáng)陰床基本同時(shí)失效運(yùn)行末期，陽(yáng)床漏鈉量增加，陰床出水NaOH含量增加，電導(dǎo)率開(kāi)始上升，但在電導(dǎo)率上升過(guò)程中突然出現(xiàn)小幅下降，此即說(shuō)明陰床開(kāi)始漏硅，因?yàn)椴糠諲aOH被硅酸中和，生成硅酸鈉，而硅酸根的電導(dǎo)常數(shù)氫氧根的電導(dǎo)常數(shù)，造成電導(dǎo)率下降，電導(dǎo)率最大可下降1s/cm左右；隨后電導(dǎo)率迅速上升。運(yùn)行末期，漏硅量與電導(dǎo)率下降關(guān)系見(jiàn)表3。表3 漏硅量與電導(dǎo)率下降關(guān)系 (SiO2)（g/l）305080100200300500電導(dǎo)率下降值（s/cm）0.080.140.210.270.540.811.35注：（1）(SiO2)為漏硅量。（2）電導(dǎo)率下降值為根據(jù)水中離子的理論電導(dǎo)率，以運(yùn)行末期電導(dǎo)率上升后開(kāi)始下降起為基點(diǎn)電導(dǎo)率，計(jì)算得出的理論值，經(jīng)實(shí)際做樣分析驗(yàn)證，基本正確。由表3可看出：當(dāng)電導(dǎo)率下降0.27s/cm時(shí)，漏硅量就達(dá)到失效值。一般，硅泄漏速度很快，30min內(nèi)硅泄漏值即達(dá)到失效值。如果分析SiO2，必須15min后出結(jié)果，往往所分析的水樣硅含量未到失效值，分析完后的實(shí)際硅已超標(biāo)。為此，可根據(jù)表，以交換器周期產(chǎn)水量為參考，在排除流量變化影響電導(dǎo)率變化因素外，把電導(dǎo)率下降0.20.3s/cm作為床子失效點(diǎn)。既使電導(dǎo)率值不高，也應(yīng)停運(yùn)交換器。需要說(shuō)明的是陰床失效初期，電導(dǎo)率值不高，而當(dāng)電導(dǎo)率達(dá)到失效控制點(diǎn)時(shí)，陰床已嚴(yán)重失效，故此種情況下不能以電導(dǎo)率值作為自動(dòng)控制失效值，只能手動(dòng)控制停床。若要達(dá)到自動(dòng)控制的目的，單元制離子交換工藝設(shè)計(jì)時(shí)陰床交換容量較陽(yáng)床交換容量大10%左右，保證陽(yáng)床先失效而陰床未失效。運(yùn)行末期，電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1的曲線2。2.3 陰床失效而陽(yáng)床未失效運(yùn)行末期,進(jìn)入陰床的硅酸開(kāi)始泄漏，先和陽(yáng)床漏出的少量鈉（NaOH）反應(yīng)生成硅酸鈉，使電導(dǎo)率出現(xiàn)小幅下降（歷時(shí)幾分鐘至十幾分鐘左右），后由于硅泄漏量迅速增加，且其它陰離子開(kāi)始泄漏，形成相應(yīng)的酸,導(dǎo)致電導(dǎo)率迅速上升。可將運(yùn)行末期電導(dǎo)率下降0.20.3s/cm作為失效點(diǎn)。運(yùn)行末期，電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1的曲線3。電導(dǎo)率s/cm5.043122.50.5制取水量（t）0 50002500500圖1 離子交換器運(yùn)行及失效時(shí)電導(dǎo)率曲線示意圖 說(shuō)明：曲線1為陽(yáng)床失效而陰床未失效時(shí)曲線，以電導(dǎo)率5s/cm作為失效點(diǎn)。曲線2為陽(yáng)、陰床基本同時(shí)失效時(shí)曲線，以運(yùn)行末期電導(dǎo)率下降0.20.3s/cm作為失效點(diǎn)。曲線3為陰床失效而陽(yáng)床未失效時(shí)曲線，以運(yùn)行末期電導(dǎo)率下降0.20.3s/cm作為失效點(diǎn)。曲線為正常運(yùn)行時(shí)出水電導(dǎo)率曲線。為失效控制點(diǎn)。3 采用在線電導(dǎo)率控制單元制離子交換器終點(diǎn)的實(shí)際效果 煉油實(shí)業(yè)部第三除鹽水站單元制離子交換器設(shè)計(jì)使用地下水質(zhì)，使用該水質(zhì)運(yùn)行時(shí)，失效時(shí)情況是陽(yáng)床失效而陰床未失效。以電導(dǎo)率5s/cm作為失效控制點(diǎn)，分析失效時(shí)硅含量皆20g/l；改用黃河水做原水后，由于水質(zhì)較差，強(qiáng)酸根陰離子成倍上升，導(dǎo)致陽(yáng)、陰床基本同時(shí)失效或陰床先于陽(yáng)床失效，繼續(xù)采用電導(dǎo)率5s/cm作為失效點(diǎn)時(shí)，手工分析硅含量500g/l，水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)。為此我們加強(qiáng)了運(yùn)行末期硅的分析次數(shù)，但由于硅分析結(jié)果的嚴(yán)重滯后性，使得硅含量仍經(jīng)常超標(biāo)。現(xiàn)在，我們采用運(yùn)行末期電導(dǎo)率下降0.20.3s/cm作為失效點(diǎn)，使硅含量都控制在指標(biāo)之內(nèi)。此種不僅大大簡(jiǎn)化操作，同時(shí)也降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。4 經(jīng)濟(jì)效果單元制離子交換器采用在線電導(dǎo)率控制僅需在線電導(dǎo)率表一塊，國(guó)產(chǎn)表價(jià)格在6000元左右，儀表維護(hù)量小，質(zhì)量可靠，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率變化；常規(guī)控制除在線電導(dǎo)率表外，還需在線硅表一塊，目前多采用進(jìn)口表，單臺(tái)價(jià)格在70000元左右，測(cè)量時(shí)每月需消耗1000元左右的化學(xué)試劑，因此采用在線電導(dǎo)率控制，經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。 5 結(jié)語(yǔ)單元制離子交換器終點(diǎn)控制可采用在線電導(dǎo)率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，控制失效點(diǎn)。實(shí)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的除鹽水處理，應(yīng)保證陽(yáng)床先于陰床失效，否則，在達(dá)到電導(dǎo)率控制點(diǎn)時(shí)，陰床已嚴(yán)重失效；由于樹(shù)脂質(zhì)量差別、設(shè)計(jì)樹(shù)脂層高不恰當(dāng)或水質(zhì)變化等原因，陰床可能先于陽(yáng)床失效，此種情況下仍可采用在線電導(dǎo)率表作為監(jiān)測(cè)手段，人工連續(xù)監(jiān)視電導(dǎo)