離子交換設(shè)計(jì)計(jì)算書

全自動軟水器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊（附設(shè)計(jì)公式）

目錄TOC\o"1-5"\h\z\u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(PotentialofHydrogen) 2 總?cè)芙夤腆w(TDS--TOTALDISSOLVEDSOLIDS) 2 鐵含量(IRON) 2 錳 3 硬度值(HARDNESS) 3 堿度 3 克分子(mol) 3 當(dāng)量 4 克當(dāng)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(shí)間：（gpm/ft3） 83. 樹脂層的高度 94. 進(jìn)水含鹽量 105. 溫度 126. 再生劑質(zhì)量(NaCl) 127. 再生液流量 138. 再生液濃度 149. 再生劑用量 1510. 樹脂 15四、 自動軟水器設(shè)計(jì) 151. 軟水器設(shè)備應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn) 152. 全自動軟水器主要參數(shù)計(jì)算 161) 反洗流速的計(jì)算: 162) 系統(tǒng)壓降計(jì)算 163. 軟水器設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 16計(jì)算示例 18總述鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則第三條鍋爐及水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、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(jì)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(rèn)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(jì)運(yùn)行的重要措施，不應(yīng)以化學(xué)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(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(shí)，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(jì)計(jì)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(gè)人，有下列情況之一者，安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)有權(quán)給予通報(bào)批評、限期改進(jìn)，暫扣直至吊銷資格(對持證的單位和個(gè)人)的處理。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(gè)部分：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；離子交換基團(tuán)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(tuán)[如-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl]等，或帶有極性的非離子型官能團(tuán)[如-N(CH3)2、-N(CH3)H等]；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(xì)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(tuán)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12~15m/h，吸鹽流速4-6m/h（逆h）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+R2Ca+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(PotentialofHydrogen)PH是氫離子濃度的負(fù)對數(shù)，表示溶液是酸性還是堿性。PH以0到14的尺標(biāo)度量，以為中點(diǎn)或中和點(diǎn)。PH值尺標(biāo)01234567891011121314酸性中性堿性觀察上面坐標(biāo)，我們可得出結(jié)論:比中性僅“酸性略強(qiáng)”，但考慮到上面的科學(xué)定義，PH每下降一個(gè)整數(shù)，溶液的酸度增加10倍。因此的酸性是的1000倍;反之，的堿性是的1000倍?？?cè)芙夤腆w(TDS--TOTALDISSOLVEDSOLIDS)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=21GPGl) 氯=16GPGl)鎂=9GPGl) 硫酸根=4GPGl)鈉=13GPGl) 碳酸根=23GPGl)總陽離子=43GPGl) 總陰離子=43GPGl)總?cè)芙夤腆w(TDS)=43GPGl)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(dāng)鐵暴露于空氣、氯氣中或受熱時(shí)，從相對無害的二價(jià)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到令人討厭的三價(jià)狀態(tài)：FeO+2H2CO3→Fe(HCO3)2+H2O4Fe(HCO3)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3+8CO2當(dāng)鐵與某些嗜鐵細(xì)菌一起存在時(shí)，問題變得更為嚴(yán)重，細(xì)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(xì)菌：Gallionella (蓋氏鐵柄桿菌屬)Crenothrix (鐵細(xì)菌屬)Leptothrix(汗毛菌屬)錳錳是一種稀有的金屬，它的化學(xué)、物理性能均與鐵非常相似。錳通過與鐵類似的反應(yīng)進(jìn)入水中，并以類似的方式被氧化：MnO+2H2CO3 →Mn(HCO3)2+H2OMn2++O2+2H2O →2MnO2+4H+二氧化錳(MnO2)在低達(dá)PPML)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+CO2 →H2CO32)該酸隨雨落地，流過土壤到達(dá)巖床，溶解石灰、中和，同時(shí)變硬H2CO3+CaCO3→Ca(HCO3)2 H2+MgCO3→Mg(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(qiáng)酸進(jìn)行中和反應(yīng)的物質(zhì)含量。堿度是表示水中CO32-，HCO3-，OH-及其它一些弱酸鹽類的總和。在水中碳酸氫鹽與氫氧化物不能同時(shí)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(yùn)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。苛性脆化腐蝕會使金屬晶粒間發(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(yán)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(gè)量就稱為一個(gè)克分子。如水的分子量為18，而18克水就是1克分子水。１克分子的水含有的分子數(shù)為：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(dāng)量定義：當(dāng)量表示元素相互化合時(shí)它們之間的重量關(guān)系。各種元素相互化合時(shí)，其重量比等于他們的當(dāng)量比。元素的當(dāng)量＝原子量/化合價(jià)化合物的當(dāng)量＝化合物的分子量/正(或負(fù))價(jià)總數(shù)如:鈣的當(dāng)量=原子量/化合價(jià)=2=克當(dāng)量定義：一定量的物質(zhì)在數(shù)值上等于它的當(dāng)量，單位以克表示，這個(gè)量就稱為該物質(zhì)的1個(gè)克當(dāng)量。如：鈣的當(dāng)量為，而克的鈣就等于1克當(dāng)量硬度單位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(dāng)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)值上鈣、鎂離子的總毫克分子數(shù)等于鈣、鎂離子的總毫克當(dāng)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(jì))如:CaCO3的分子量為100其可接受或提供1mol[H+]的 摩爾質(zhì)量為50。硬度為2[H+]mmol/L濃度，可表示為2×50=100ppm(以CaCO3計(jì))例：水質(zhì)分析結(jié)果為Ca2+=L，Mg2+=L用上面４種方試表示其硬度(1)+=+=L(2)+=L(3)L(Ca2+Mg2+)(4)×50=211ppm(以CaCO3計(jì))1升水中含有的鈣、鎂離子總量等于(以CaCO3計(jì)）定義為一個(gè)格令/加侖(gr/gallon)。Cv和Kv是什么Cv是溫度為60華氏度時(shí),流體通過一閥門時(shí)壓力損失1psi狀態(tài)下的流量(單位為gpm).Kv是溫度為20攝氏度時(shí),流體通過一閥門時(shí)壓力損失1Bar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(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下,在不同的流量情況下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)獲得,同時(shí)記錄下不同流量下的壓力損失.Cv和Kv的相互轉(zhuǎn)換:Cv=Kv Kv=Cv主要用作計(jì)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=,壓力損失為1psi時(shí)的流量為gpm.當(dāng)流量為25gpm時(shí),壓力損失為:DP=(25/2=psi事例2:兩軟水器在流量為15gpm時(shí),將產(chǎn)生的壓力損失為3psi.計(jì)算流量為25gpm時(shí)的壓差DP為多少Syst.Cv=(gpm/√DP)=(15/√3)=(15/=At25gpm,DP=(gpm/Cv)2=(25/2=psi工作能力的表達(dá):10噸軟化器意思:一軟化器的產(chǎn)水量為10m3/hr=10x=44gpm線性流速的表達(dá):10gpm/ft2(x)=m/h,中國采用的線性流速為20到30m/htogpm/ft2)體積流速的表達(dá):gpm/ft3=1BV/min加鹽量:15lbs/ft3(x)16=240grams/literofresin樹脂量:1ft3(x)=litersofresin樹脂的交換能力:30Kgr/ft3(x)=gramsCaCO3/literofresin總硬度:171ppm=171mg/l=171grams/m3=10grains/gallon在中國鍋爐鍋爐給水應(yīng)用中,可以接受的硬度泄露:Meq/l或Meq/l(x)50=mg/l(以CaCO3計(jì))水壓:30psig(x)=MegaPascals事例:TH=100mg/l,去除的硬度容量=grams=68700mg軟水量=(68700mg)/(100mg/l)=687L或g)/(100g/m3)=m3NaCl日曬鹽 48-50%voidvolume 69lbs/.礦鹽 41%voidvolume 76lbs/.RustRem.Pellets 48-52%voidvolume 70lbs/.NaCl和KCl數(shù)據(jù)(At20oCor68oF)1加侖水溶解鹽量 :3lbs.ofNaClI加侖NaCl飽和溶液中 :lbs.ofNaCl1加侖水的溶解鹽量 :lbs.OfKCl1加侖KCl飽和溶液中 :lbs.ofKCl

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+Mg2+Na++K+HCO3-SO42-Cl-含鹽量某些淡水湖泊、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+Mg2+Na++K+HCO3-SO42-5Cl-含鹽量某些地下水水質(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+Mg2+Na++K+HCO3-SO42-以上資料摘自“工業(yè)水處理技術(shù)”全自動軟水器全自動軟水器就是將軟水器運(yùn)行及再生的每一個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)自動控制，并采用時(shí)間，流量或感應(yīng)器等方式來啟動再生。通常一個(gè)全自動軟水器的循環(huán)過程由下列具體步驟組成。運(yùn)行原水在一定的壓力，流量下，流經(jīng)裝有離子交換樹脂的容器（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(jìn)行離子交換，使容器出水的Ca++，Mg++含量達(dá)到我們的要求。我們把一個(gè)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，usgrains等表示）反洗樹脂失效后，在進(jìn)行再生之前先用水自下而上的進(jìn)行反洗，反洗的目的有兩個(gè)，一是通過反洗，使運(yùn)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(yùn)行時(shí)在樹脂表層積累的懸浮物及樹脂表面的懸浮物同時(shí)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(shí)完整樹脂不被沖走，在設(shè)計(jì)軟水器時(shí)，應(yīng)在樹脂層上留有一定的反洗空間，反洗強(qiáng)度越大要求的反洗空間就越大，通常設(shè)計(jì)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(jìn)水溫度為10攝氏度)反洗的好壞直接影響再生效果(圖-1)。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）置換在再生液進(jìn)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(dāng)與再生液流速的清水進(jìn)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倍。正洗目的是清除脂層中殘留的再生廢液，通常以正常運(yùn)行流速清洗至出水合格為止。鹽箱補(bǔ)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%）。為了保證鹽箱中的鹽液濃度能達(dá)到飽和，首先應(yīng)保證溶解時(shí)間不小于6小時(shí)，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。影響軟水器交換容量的因素流速(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(jìn)行交換，水不能進(jìn)入樹脂內(nèi)部。樹脂表面通常僅提供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(yùn)行流速控制在（中國20-30m/h，美國4-10pm/ft2）小型裝置可適當(dāng)提高（圖-2）。交換示意圖水與樹脂的接觸時(shí)間：（gpm/ft3）水與樹脂的接觸時(shí)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(shí)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(shí)間對于軟化器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行非常重要。一般建議樹脂或8-4bv/h。（每小時(shí)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(dāng)樹脂層高度達(dá)到30英尺（762mm）時(shí)，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）進(jìn)水含鹽量進(jìn)水含鹽量的高低直接影響出水的品質(zhì)，而進(jìn)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(dāng)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(dá)到近乎。當(dāng)原水含鹽量為500PPM而Na+K為250PPM，硬度為5mol/L接近L(超過了國家低壓蒸汽鍋爐進(jìn)水要求)若要出水達(dá)到L以下，必須使用(181b/ft3，290g/L)(圖-4-1)溫度水溫增加能同時(shí)加快內(nèi)擴(kuò)散，提高交換能力，無論是運(yùn)行或再生，適當(dāng)?shù)靥岣咚疁貙浰魇怯幸娴?。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(yùn)用軟化水溶鹽可提高再生度。(圖-5)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(shí)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或順洗流量4-6m/h，逆流再生2-3m/h)(圖-6)再生液濃度根據(jù)離子平衡原理，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(shí)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)再生劑用量樹脂的交換在再生理論上是按等當(dāng)量進(jìn)行即1mol的再生劑可恢復(fù)一個(gè)1mol的交換容量，(即使用的NaCl).但實(shí)際上再生劑的耗量要比理論值大得多.實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)合理的耗鹽量。在美國通用低壓鍋爐的軟水器，采用240g/l鹽再生1升樹脂。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自動軟水器設(shè)計(jì)軟水器設(shè)備應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)中國（GBJ109-87）美國注解運(yùn)行濾速20-30m/h4-10gpm/ft2，此指標(biāo)是用來衡量再生液與樹脂接觸的時(shí)間反洗流速15m/h5gpm/fT2h)以反洗膨脹空間50%為準(zhǔn)時(shí)間15min10-20min再生再生劑耗量kgCaCo380-174g/mol鹽耗量進(jìn)水含鹽量及硬度決定，