離子交換水處理系統(tǒng)工藝設(shè)計說明書

1、離子交換水處理系統(tǒng)工藝設(shè)計說明書目錄1 工藝設(shè)計說明51.1 工藝設(shè)計依據(jù)51.2 原理介紹61.3 流程介紹81.4 樹脂再生與否的選擇91.5 出水質(zhì)量要求111.6 處理能力及水池水量122 主要設(shè)備設(shè)計計算122.1 樹脂柱設(shè)計計算122.1.1 設(shè)計依據(jù)122.1.2 陽離子柱設(shè)計計算132.1.2.1 柱內(nèi)徑D內(nèi)1計算132.1.2.2 柱高H1計算142.1.2.3 再生周期計算142.1.3 陰離子柱設(shè)計計算152.1.3.1 柱內(nèi)徑D內(nèi)2計算162.1.3.2 柱高H2計算162.1.3.3 再生周期計算172.1.4 混合交換柱設(shè)計計算172.2 過濾器設(shè)計計算172.3

2、除碳器設(shè)計計算192.3.1 工作面積計算202.3.2 填料高度計算212.4 槽罐設(shè)計計算222.5 管路設(shè)計計算222.5.1 進出水管232.5.2 樹脂注入管232.5.3 樹脂卸出管232.5.4 壓空進氣管232.5.5 呼排管243 廢物治理244 附圖附表24附圖：24附圖1 設(shè)備布置平面圖24附表：24附表1 主要設(shè)備、材料一覽表25附表2 管道特性表251 工藝設(shè)計說明1.1 工藝設(shè)計依據(jù)（1）水處理工程師手冊(北京：化學工業(yè)出版社，2000)；（2）鍋爐水處理技術(shù)(鄭州：黃河水利出版社，2003)；（3）火電廠水處理及水質(zhì)控制(北京：中國電力出版社，2008)；（4）G

3、B50109-2006 工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計規(guī)范；（5）HG/T 20519-2009 化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定；（6）HG/T 20553-2011 化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列；（7）GB 172791998 水池貯源型輻照裝置設(shè)計安全準則；（8）GB 7465-2009 高活度鈷60密封放射源。1.2 原理介紹離子交換柱的結(jié)構(gòu)和一級復床加混床系統(tǒng)原理圖如圖1和圖2所示。如圖2所示的一級復床加混床系統(tǒng)，是水處理專著文獻水處理工程師手冊(北京：化學工業(yè)出版社，2000)、鍋爐水處理技術(shù)(鄭州：黃河水利出版社，2003)的推薦流程，其系統(tǒng)較簡單，出水水質(zhì)穩(wěn)定。該系統(tǒng)采用化學

4、法對進水進行除鹽處理，水中的各種鹽類幾乎都可被除盡，出水水質(zhì)主要指標為：電導率小于20S/m。該系統(tǒng)中，當水通過強酸性H離子交換樹脂時，水中的各種陽離子被樹脂中的H+交換后留在樹脂中，而H+則到了水中，其交換反應(yīng)可用下式綜合表示：由上述反應(yīng)式可知，陽床的出水呈酸性，其中含有和進水中陰離子相應(yīng)的H2SO4和HCl等強酸，以及H2CO3和H2SiO3等弱酸。通常H2CO3在酸圖1 離子交換柱的結(jié)構(gòu)性水中成為CO2。隨后，陽床出水由除碳器上部經(jīng)噴淋裝置，流過填料層表面，空氣自下部風口進入逆流穿過填料層。水中的游離二氧化碳迅速解析進入空氣中，自頂部排出，其殘留量可達5 mg/L。然后，再進入陰床。這時

5、水中各種陰離子被OH型樹脂交換吸附，樹脂上的OH-則被置換到水中，并與水中的H+結(jié)合成H2O，其交換反應(yīng)可用下式綜合表示：經(jīng)復床除鹽后，出水水質(zhì)達到初級純水的水平。最后，復床的出水進入混床，進一步純化除鹽，出水電導率達20S/m以下。從而，實現(xiàn)原水的凈化處理。圖2 一級復床加混床除鹽系統(tǒng)原理圖1陽床；2除二氧化碳器；3中間水泵；4陰床；5混床1.3 流程介紹離子交換水處理系統(tǒng)工藝管道及儀表流程圖如圖3所示。如圖所示，首先樹脂由樹脂注入口通過漏斗（F01/13）注入樹脂柱內(nèi)。樹脂注入口還可以作為備用管口，如用于柱內(nèi)樹脂的酸堿洗滌等。管道W01-32P為進水管道的旁路，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進水流量，超出

6、處理能力的池水直接由此旁路返回池內(nèi)。進水由經(jīng)石英砂過濾器和活性炭過濾器兩級過濾后，按1.1小節(jié)所述原理及圖2中的流程依次進入由陽離子交換柱(R01)、除碳器(R02)、陰離子交換柱(R03)和混合離子交換柱(R04)，進行陰陽離子交換純化及除碳。石英砂過濾器和活性炭過濾器具有濾去水中游離物、微生物、部分重金屬離子的作用。若池水電導率符合要求，只是為了除去之中的鐵銹、絮狀物等渣滓，池水可僅經(jīng)兩級過濾后，由管道W03-15P直接返回水池。各柱進出液管道上均設(shè)有在線電導率儀、壓差變送器及管道過濾器，其中，電導率儀用于測定出水水質(zhì)；管道過濾器用于過濾出水中的碎樹脂等小顆粒物質(zhì)；壓差變送器用于指示管道過

7、濾器前后的壓差，當壓差達到一定值后對其中過濾芯子進行更換。同時，在各管道上還設(shè)置有取樣點，取樣后送分析室分析電導率等，并與在線電導率顯示數(shù)據(jù)相對比。為防止柱內(nèi)樹脂的板結(jié)等情況，造成進水流動不暢，各柱上均設(shè)置了壓差測量儀表和壓空進氣管。壓差測量儀表安裝在柱子進出水管上。壓差測量儀表顯示值達一定值或進水流速變慢時，由壓空進氣管向柱內(nèi)通入壓空可以疏松柱內(nèi)樹脂確保水流暢通。待各柱樹脂達到工作交換容量，即出水水質(zhì)達不到要求后，開啟樹脂卸出管道上的相關(guān)閥門，同時向柱內(nèi)注水和適當開啟壓空閥門向柱內(nèi)通入壓空(起到攪拌作用)，卸出樹脂送處理處置。1.4 樹脂再生與否的選擇該離子交換水處理系統(tǒng)運行過程中，不進行再

8、生操作，待離子交換樹脂達到工作交換容量后直接卸出更換新樹脂。之所以不進行樹脂圖3 離子交換水處理系統(tǒng)工藝管道及儀表流程圖再生操作，是基于以下幾方面的考慮：1）陰、陽離子床的再生周期為825 h(混床的再生周期會更長)，即一個運行周期處理水量大于800m3，而水池水量僅28.3 m3。相對一個處理周期處理量而言，水池水量極小，一個運行周期可以將水池內(nèi)的水純化約30次。2）該離子交換水處理系統(tǒng)并非長期連續(xù)運行，待水池水質(zhì)達到要求后運行便會停止。另外，水池處于密封狀態(tài)，池水相當于貯存于一不銹鋼密封容器內(nèi)，水質(zhì)受外界環(huán)境的影響較少，一般不會收到污染。因此，該系統(tǒng)每投入運行一次，便能保證池水水質(zhì)維持較長

9、時間。3）陰、陽離子交換樹脂的再生對床體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有要求，因此會增加大量柱內(nèi)構(gòu)件、管線及閥門等。再生操作過程比較繁瑣，要求比較嚴格，稍有疏忽就會給運行帶來不良后果。另外，還會產(chǎn)生許多酸堿廢液；達到工作交換容量的離子交換樹脂沒有放射性，處理處置較容易。4）本系統(tǒng)選用的陰、陽離子交換樹脂是常用樹脂，早已商品化，尤其在發(fā)電廠水處理過程中大量應(yīng)用，廉價易得，且預處理相對容易。1.5 出水質(zhì)量要求參照GB 172791998 水池貯源型輻照裝置設(shè)計安全準則中水池貯源水質(zhì)電導率小于1000S/m的要求，并考慮到密封鈷60放射源的自身條件，將其水質(zhì)電導率降至100S/m甚至更低。同時，GB 7465-2009

10、 高活度鈷60密封放射源規(guī)定貯源水中的總氯離子含量不大于1×10-6，pH值為5.58.5。該一級復床加混床系統(tǒng)采用化學法對進水進行除鹽處理，水中的各種鹽類幾乎都可被除盡，且出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，據(jù)相關(guān)文獻報道其出水電導率一般小于20S/m。同時，由于現(xiàn)水池水質(zhì)較好，鹽分較少(120S/m)，經(jīng)處理后其pH值也會在5.58.5范圍內(nèi)。出水電導率按20S/m計，再由原水電導率120S/m，則系統(tǒng)的凈化效率為：=（120-20）/120=83.3%。1.6 處理能力及水池水量該系統(tǒng)處理能力確定為1.0 m3/h，對池水進行循環(huán)凈化，直至滿足貯源水質(zhì)對電導率的要求。418/4-12源庫內(nèi)兩個中

11、子源水池相通，規(guī)格分別為2m×2m×5.1m、2m×1.45m×5.1m，水深為4.1m。則水池內(nèi)水量為：（2m×2m2m×1.45m）×4.1m=28.3 m32 主要設(shè)備設(shè)計計算2.1 樹脂柱設(shè)計計算2.1.1 設(shè)計依據(jù)處理能力：1.0 m3/h；工作溫度：室溫；732型樹脂工作交換容量：1000 mmol/L(濕)；732型樹脂運行流速：1045 m/h；717型樹脂工作交換容量：500 mmol/L(濕)；717型樹脂運行流速：1045 m/h；原水水質(zhì)：電導率約為120S/m(由分析室提供)；出水水質(zhì)：電導率不大于

12、100S/m，總氯離子含量不大于1×10-6，pH值為5.58.5。2.1.2 陽離子柱設(shè)計計算2.1.2.1 柱內(nèi)徑D內(nèi)1計算陽離子交換柱采用732型中的001×7號離子交換樹脂。運行過程中，原水在該樹脂床中的運行流速范圍為1045m/h。本設(shè)計取進水流速為30 m/h，則結(jié)合式（1）可得：S=q/v（1）式中：S 床體內(nèi)部截面積，m2q 處理能力，m3/hv進水流速， m/hS=q/v=1m3/h÷30m/h =0.033 m2再由S=0.785D內(nèi)12得： D內(nèi)1=206 mm為便于管道選取，設(shè)計中， D內(nèi)1取200 mm，選用219×6的無縫不銹

13、鋼管。2.1.2.2 柱高H1計算一般情況下，處理能力為5 m3/h以下的離子交換柱，高徑比的取值范圍為510。本設(shè)計取高徑比為8，則由式（2）可得：H=kD內(nèi)（2）式中：H 床體高度，mmk 高徑比D內(nèi)柱內(nèi)徑， mmH1=kD內(nèi)1=8×200 =1600 mm設(shè)計中，H1取1600 mm。2.1.2.3 再生周期計算一般地，離子交換柱的裝填量為柱高的2/3左右，即可得本陽離子交換樹脂裝填高度約為1000 mm,相應(yīng)裝填量為0.033 m3。按照式（3）進行該床再生周期的核算。 T=（ V樹脂×K×0.6 ）÷ ( q×÷ 50) （

14、3）式中：T 再生周期，hV樹脂樹脂體積，m3K 樹脂工作交換容量，mmol/Lq 處理能力(進水流量)，m3/h進水電導率，S/cm即T1=（0.033×1000×0.6）÷ ( 1×1.2 ÷ 50) =825 h可見，陽離子床的再生周期為825 h,即約5周需再生一次，較為合適。從另外一個角度講，去離子柱每運行一個周期即可將水池內(nèi)的水凈化約30次。2.1.3 陰離子柱設(shè)計計算陰陽離子交換樹脂中的OH-、H+通過與池水中的各種陰陽離子交換后而進入水中?？紤]到池水的內(nèi)雜質(zhì)離子種類等具體情況，理論上進行交換的這兩種離子的物質(zhì)的量是相等的，即進入

15、水中OH-的摩爾數(shù)與進入水中H+的摩爾數(shù)相等。同時，由于陽離子樹脂的工作交換容量較大，通常是陰離子樹脂交換容量的2倍，因此，對于一級復床，陰離子柱的樹脂裝填量是陽離子柱的2倍才比較匹配。本設(shè)計中，陽離子柱的樹脂裝填量為0.033 m3，故陰離子柱的樹脂裝填量應(yīng)為：0.033 m3×2=0.066 m3。設(shè)計中，陰陽柱及混合柱的規(guī)格型號及內(nèi)裝樹脂量相同的情況很常見。但考慮到為適當延長陰離子樹脂柱的更換周期，本規(guī)格書采用陰離子柱的樹脂裝填量是陽離子柱的2倍的方案，即適當放大陰離子交換柱。2.1.3.1 柱內(nèi)徑D內(nèi)2計算運行過程中，進水在該樹脂床中的運行流速范圍為1045m/h。本設(shè)計取進

16、水流速為20 m/h。由處理能力1.0 m3/h，結(jié)合式（1）可得：S=Q/v=1.0 m3/h÷20m/h =0.05 m2再由S=0.785D內(nèi)2得： D內(nèi)2=252 mm為便于管道選取，設(shè)計中， D內(nèi)2取250 mm，選用273×7的無縫不銹鋼管。2.1.3.2 柱高H2計算由陰離子柱的樹脂裝填量，即0.066 m3及D內(nèi)2為250 mm，可求得陰離子交換柱樹脂裝填高度約為1300 mm?？紤]到離子交換柱的裝填量為柱高的2/3左右，即可得陰離子交換柱高H2為1950 mm。本設(shè)計中，H2取2000 mm。2.1.3.3 再生周期計算按照式（3）進行該床再生周期的核算，

17、即： T2=（0.066×500×0.6）÷ ( 1×1.2 ÷ 50) =825 h可見，其再生周期同陽離子床。2.1.4 混合交換柱設(shè)計計算由于系統(tǒng)的進水電導率較低，又通過一級復床進行除鹽處理，因此，混床的進水電導率極低。結(jié)合以上情況，混床的設(shè)計參照陰離子交換柱的設(shè)計，內(nèi)徑取250 mm，高度取2000 mm，樹脂裝填高度取1300 mm。另外，由于混床的進水電導率極低，相應(yīng)地會延長混床的再生周期，這樣會減少樹脂更換次數(shù)。該床是把一定比例的陰、陽離子交換樹脂混合裝填于同一個交換柱中，以進行離子交換。一般來講，陽離子樹脂的比重比陰離子樹脂大。

18、因此，在混床內(nèi)陰離子樹脂在陽離子樹脂上。陰、陽離子樹脂的裝填比例一般為2：1，即陰、陽離子樹脂的裝填高度分別為870 mm、430 mm。綜上，該一級復床加混床系統(tǒng)各柱主要設(shè)計參數(shù)見表1。表1 復床加混床系統(tǒng)各柱主要設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)柱高/mm內(nèi)徑/mm裝填高度/mm樹脂種類陽床16002001000001×7陰床20002501300201×7混床20002501300201×7MB、001×7MB2.2 過濾器設(shè)計計算2.2.1 活性炭過濾器活性炭過濾器內(nèi)裝填活性炭，是一種較常用的水處理設(shè)備，作為水處理脫鹽系統(tǒng)前處理可有效保證后級設(shè)備使用壽命，提高出水

19、水質(zhì)，防止污染，特別是防止后級離子交換樹脂等的游離態(tài)余氧中毒污染。據(jù)文獻火電廠水處理及水質(zhì)控制(北京：中國電力出版社，2008)，活性炭過濾器的水流速度v一般為515m/h，活性炭床的層高H一般在10002500mm，一般不低于1000mm。本設(shè)計中取水流流速為12m/h, 高H取1200mm。即由式（1）得：S=q/v=1m3/h÷12m/h =0.083 m2再由S=0.785D內(nèi)32得： D內(nèi)3=330 mm可見，活性炭過濾器內(nèi)徑330mm,高1200mm。2.2.2 石英砂過濾器石英砂過濾器用作系統(tǒng)的預處理設(shè)備，作為粗過濾設(shè)備，過濾精度在之間。它可有效去除水中的懸浮物，并對水

20、中的膠體、鐵、有機物、細菌等污染物有明顯的去除作用，具有過濾速度快、過濾精度高、截污容量大等優(yōu)點。一般情況下，砂濾的水流速度v一般為810m/h，設(shè)計中取10 m/h；濾層高度為1000mm左右。即由式（1）得：S=q/v=1m3/h÷10m/h=0.10 m2再由S=0.785D內(nèi)2得： D內(nèi)5=356 mm設(shè)計中，石英砂過濾器取與活性炭過濾器同種規(guī)格，即內(nèi)徑356mm,高1200mm。2.3 除碳器設(shè)計計算除碳器的作用是脫除陽床出水中的二氧化碳，經(jīng)過除碳器脫除后進入到陰床。陰離子交換柱在酸性介質(zhì)中易于交換。如果不脫除，二氧化碳氣體與陰樹脂反應(yīng)，縮短陰樹脂的交換容量，縮短工作周期，

21、增加制水成本。水處理系統(tǒng)常用的除碳器有大氣式除碳器(結(jié)構(gòu)見圖4)和真空式除碳器兩種。本系統(tǒng)采用大氣式除碳器。大氣式除碳器的計算，主要是確定除碳器的本體尺寸，即工藝尺寸。圖4 大氣式除碳器結(jié)構(gòu)1收水器；2布水裝置；3填料層；4格柵；5進風管；6出水錐底2.3.1 工作面積計算除碳器的工作面積按下式計算：A=q÷b （4）式中：A 工作面積，m2q除碳器的處理水量，m3/hb除碳器的淋水密度，一般采用60m3/（m2.h）由式（4）得：A=1.0 ÷60 =0.0167 m2再由S=0.785D內(nèi)2得： D內(nèi)6=146 mm設(shè)計中，D內(nèi)6取150 mm，選用159×4

22、.5的無縫不銹鋼管。2.3.2 填料高度計算除碳器內(nèi)所需填料高度按下式計算：（5）式中：G 需脫除的CO2量，kg/hS單位體積填料所具有的表面積，可按選定的填料品種及規(guī)格由相關(guān)表中查得，m2/m3A除碳器的工作面積， m2K除碳器的解吸系數(shù)c脫除CO2的平均推動力，kg/m3水中溶解的二氧化碳一般為1540mgL，設(shè)計中取30 mgL。經(jīng)除碳后，其殘留量按5 mg/L計。同時，選用25×25×3的瓷拉西環(huán)。據(jù)文獻火電廠水處理及水質(zhì)控制(北京：中國電力出版社，2008)，此時，c為0.02 kg/m3；對于25×25×3瓷環(huán)，S為204 m2/m3；在淋

23、水密度為60m3/（m2.h），設(shè)計水溫為25時，K=0.47。再根據(jù)處理能力，可得G為（30-5）×1000=0.025kg/h。即由式（5）可得：=780 mm即填料層高度為780mm。設(shè)計中，除碳器高度取1000mm。2.4 槽罐設(shè)計計算該系統(tǒng)共設(shè)有2個儲罐，為除碳水槽V01和產(chǎn)品水槽V02，分別位于除碳器后和混床后，用于接收除碳后的陽床出水和混床出水。設(shè)計中，兩儲槽的體積按系統(tǒng)每小時處理能力的2倍進行設(shè)計，高徑比選用1：1。因系統(tǒng)處理能力為1.0 m3/h,即儲槽體積V為2.0 m3。由高徑比H：D=1，根據(jù)公式（6）：V=0.785H×D2（6）式中： V 儲槽容

24、積，m3H 儲槽高度，mD 儲槽內(nèi)徑，m得D=(V/0.785)1/3 =1084 mm即H=D=1084 mm設(shè)計中，兩槽子的高、直徑均取1100 mm。2.5 管路設(shè)計計算2.5.1 進出水管一般地，水在管內(nèi)流速在1.53.0 m/s，本設(shè)計選用1.5 m/s。根據(jù)處理能力1.0 m3/h，由式（1）得：S = q÷v =2.78×10-4 m3/s ÷1.5 m/s =1.85×10-4 m2再由S=0.785D內(nèi)2得D內(nèi)=15.3 mm設(shè)計中，選擇18×2.5的不銹鋼管。2.5.2 樹脂注入管為保證樹脂順利注入各柱，注入管選用DN32的

25、不銹鋼管。設(shè)計中，選用38×2.5的不銹鋼管。2.5.3 樹脂卸出管為保證樹脂的順利卸出，卸出支管及總管均選用較進出水管通徑大些的管道。支管及總管分別選用DN32和DN40的不銹鋼管。設(shè)計中，支管選用38×2.5的不銹鋼管；總管選用45×3的不銹鋼管。2.5.4 壓空進氣管壓空進氣管分壓空進氣總管與支管。支管共四根，分別為陰陽床、混床和除碳器進氣管。支管均選用與進出水同等規(guī)格的不銹鋼管，即18×2.5。為保證進氣暢通，相應(yīng)地進氣總管應(yīng)選較大通徑的不銹鋼管，設(shè)計中選用32×2.5的不銹鋼管，其DN=25。2.5.5 呼排管呼排管分呼排總管與支管。

26、支管共四根，分別為陰陽床、混床和除碳器呼排管。為保證陰陽床、混床和除碳器內(nèi)氣體的順利排出，支管規(guī)格應(yīng)選用較進氣管通徑大些的管道。基于此，支管及總管分別選用DN25和DN40的不銹鋼管。設(shè)計中，支管選用32×2.5的不銹鋼管；總管選用45×3的不銹鋼管。3 廢物治理本系統(tǒng)產(chǎn)生的廢物主要是廢氣、廢水、廢樹脂、廢過濾器濾芯及預處理和洗滌樹脂產(chǎn)生的廢酸堿液等，均為非放射性廢物，作為一般廢物進行處理。廢氣為壓縮空氣，直接排放至大氣。廢樹脂及廢過濾器芯子送一般垃圾場。廢水及廢酸堿液按照污水綜合排放標準(GB8978-1996)中的相關(guān)規(guī)定，進行中和或稀釋后達標排放。4 附圖附表附圖：附圖1 設(shè)備布置平面圖附表：附表1 主要設(shè)備、材料一覽表附表2 管道特性表附圖1 設(shè)備布置平面圖附表1 主要設(shè)備、材料一覽表序號設(shè)備位號設(shè)備名稱設(shè)備技術(shù)規(guī)格材料單位數(shù)量1S