离子交换系统处理污水计划书.doc

离子交换系统处理污水计划书一设计任务（一）设计目的1、通过课程设计使学生了解水污染控制技术课程设计的相关规范、内容及标准；2、了解污水的生物接触氧化反应系统的处理工艺，及其设备的工艺设计方法；3、掌握典型水污染控制单元系统工艺流程、结构、工作原理相关设计与设计计算；4、培养我们在水污染治理工程的工艺计算、初设图纸的绘制、工程量的计算、标准和规范的运用、设计手册与资料的查阅以及计算机的应用等能力，使我们树立正确的设计思想；5、培养我们正确、清晰地表达设计内容、书写设计说明书的能力；6、熟练运用Auto-CAD和工程制图规范与标准绘制规范性工艺设计图纸的能力以及计算工程量的能力；7、加强理论联系实际，培养我们科学严谨、实事求是的工作作风和勇于创新的敬业精神。（二）设计题目设计题目：离子交换系统。（三） 设计内容该题目分5个阶段完成设计内容。1查阅资料查阅资料的内容包括：（1）水污染控制技术课程设计的规范、内容和要求，环境工程设计规范与标准，工程制图标准；（2）设计任务所及水污染控制单元系统（及其设备与构筑物）的工艺流程、结构、工作原理、特点和用途，工艺设计参数，计算公式及设计方法；（3）设计说明等资料的内容与格式，工程量的计算方法；（4）其他资料。2工艺设计工艺设计的内容包括：（1）设备及构筑物布置（平面和剖面）设计：（2）管路布置设计；（3）标准设备及选材；（4）绘制工艺设计草图并进行计算；（5）编写设计说明。3绘图需绘制的图纸包括：（1）带控制点工艺流程图；（2）非标准设备及构筑物的工艺构造图；（3）设备布置图（平、立面）；（4）零件图；（5）高程图；（6）管道布置图；（7）设备材料一览表。4工程量估算按照图纸进行工程的估算，如土方数、混凝土体体积、钢板重量、钢管重量、防腐面积等。5资料汇总将设计任务、设计说明、工艺设计图纸和工程量估算等内容依次汇编装订，构成水污染控制技术课程设计报告。二、设计说明（一）设计介绍离子交换水处理是通过离子交换剂，除去水中呈离子态杂质的水处理方法。普通应用于水处理的离子交换剂的物质是离子交换树脂，它直接影响着离子交换水处理的水质水平和经济性。为此，需要讨论离子交换树脂及其在水处理中的基本原理。离子交换是靠交换剂本身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的。推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和能力，这就是离子交换的基本原理。离子交换是可逆反应，其反应式可表达为 RHMRMH 交换 交换 饱和 树脂 离子 树脂在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式 （RMH+）/（RHM+）=KK是平衡常数。K大于1，表示反应能顺利地向右方进行。K值越大，越有利于交换反应，而不利于逆反应。K值的大小能定量地反映在离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。在重金属废水的离子交换法处理过程中，由于工业废水种类繁多，水质复杂，故应考虑工业废水水质对离子交换的影响。（二）基本设计参数与要求1、废水的水质和水量处理水量 550m3/d=23m3/h SS(200mg/l) 处理前金属离子浓度 :mg/l Ni2+ 220 Cu2+ 80 Co2+ 20 Pb2+ 10 Zn2+ 20 Fe3+ 10 Cl1500 SO421000 PH=2.5 处理后金属离子浓度（mg/l） Ni2+ 1.0 Cu2+ 1.0 Co2+ 1.0 Pb2+ 1.0 Zn2+ 1.0 PH=6.58.5废水中各种重金属的回收率Ni的回收率=（220-1）/220=99.5Cu的回收率=（80-1）/80=98.82、 工艺流程方案（一）系统工艺流程 离子交换系统的带控制点工艺流程图。工艺流程介绍如图所示 重金属废水通过管道进入集水调节池，投加一定的NaOH溶液以调节PH到中性并进行水量调节，出水经水泵进入连续过滤池以去除水中固体悬浮物，过滤后，经提升泵导入离子交换柱内，在离子交换柱内，重金属离子与弱酸性Na离子树脂发生离子交换反应，重金属即被固定到离子交换树脂上，直到离子交换树脂达到饱和为止。此时排出的一部分水用于淋洗再生后的树脂，其他水外排。接着进行树脂的反洗，再生。树脂再生后的洗脱液浓集了大量有毒而又有用的重金属离子，将再生洗脱液导入废酸收集槽内，接着进行树脂的转型，将转型后的废碱液导入废碱收集槽内，再用水泵将废酸和废碱同时导入中和池内，最后重金属经回收处理。（三）设计方案与计算 1、集水调节池设计计算 因为工艺流程采用的是弱酸性阳离子树脂，其交换基团的离解与PH值关系很大。如羧酸型（COOH）阳树脂，只有在PH大于4时才显示其交换性，且PH值越大，交换能力越强（当PH=5时，交换容量为0.5mg 当量/g树脂，而PH=89时，其交换容量可达9mg 当量/g树脂）所以首先要进行PH调节，才能发挥其离子交换作用。针对废水PH=2.5，且含有多种重金属离子，故采用投药中和法进行PH调节。考虑到所处理的水量小，且不产生大量沉渣，故将中和剂（NaOH）投加在集水调节池中。即可不设混合反应池，但须满足混合反应时间。中和反应式：H+ + OH H2O1 1710252310004 XX=4848.4g 即NaOH的用量=(4848.440)/17=11408g故每个小时的NzOH的用量为11408/4=2852g/h在均化池内通常要进行混合，其目的是要保证调节作用，通过混合与曝气，防止可沉降的固体物质在池中沉降下来和出现厌氧情况。还有预曝气的作用。废水中的还原性物质可以被氧化，吹脱去除可挥发性物质。 计算公式 WT= Qi在T时段内废水的平均流量 m3/hTi时段 h取Ti=4h Wt=234=92m3调节池尺寸有效水深取2m 池面积为46m2池宽取4m 池长为12m2、过滤池设计计算 过滤是通过具有孔隙的粒状滤料层截留水中悬浮物和胶体而使水获得澄清的工艺过程。滤池的形式有多种多样，因双层滤料池属于反粒度过滤，截留杂质能力强，杂质穿透深，产水能力大，适于在给水和废水过滤处理中使用，故采用双层滤料滤池。滤速采用8m/s，滤料采用了无烟煤和石英沙。过滤池计算公式滤池面积公式 F=Q/VTF=滤池总面积 m2Q=设计日废水量 m3/dV=滤速 m/hT=滤池的实际工作时间 T=T0-t1-t2T0=滤池工作周期时间 hT1=滤池运行后的停留时间 hT2=滤池反冲洗时间 h设计数据 Q=1.05550m3/d=577.5m3/d 其中考虑了水厂自用水量（包括反冲洗用水）V取流速8m/h 冲洗强度q=1216L/(sm2) 冲洗时间6min滤池面积及尺寸 滤池的工作时间为24h，每次冲洗6min，停留时间40min,滤池实际工作时间为T=T0-t1-t2=2440/606/60=23.23hF=Q/V=577.5/8=72.2m2采用滤池三个 每个滤池面积为f=F/N=72.2/3=24.1m2设计滤池长宽比L/B=1 则滤池尺寸L=B=4.91m较核强制滤速 v=NV/（N1）=12m/h滤池总高 承托层H1采用0.45m，滤料层高度无烟煤层为400m，石英砂层为250mm，总高H2=650mm，滤料上水深H3为1.2m，超高H4为0.3m，滤板H5为0.12m。则滤池总高度为H= H1+ H2+ H3+ H4=2.72m滤池反冲洗水头损失管式大阻力配水系水头损失 h2=(q/(10a)2(1/2g)设计支管直径d=70mm,b(壁厚)=5mm,孔眼d=9mm,孔口流量系数=0.68，配水系统开a=0.25%,q=14L/(sm2),得h2=3.5m经支承层水头损失计算 h3=0.022H1q=0.0220.4514=0.14(m)滤料层水头损失及富余水头为 h4=2m反冲洗水泵扬程滤池高度清水池深度管道、滤层水头损失H=2.723(3.50.142)=11.36m根据冲洗流量和扬程选择反冲洗水泵各类过滤池的滤料必须定期进行反冲洗，这主要是因为在过滤过程中，原水中的悬浮物被滤料表面吸附并不断地在滤料层中积累，由于滤层孔隙逐渐被污物堵塞，过滤水头损失不断增加，当达到某一限度时，滤料需要进行清洗，使滤池恢复工作性能，继续工作。3、离子交换柱设计计算 离子交换是靠交换剂自身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的，推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂上的动能基对离子的亲合能力，这就是离子交换的基本原理。针对Ni2+,Cu2+,Co2+,Fe3+等离子。采用弱酸氢离子交换树脂。这种树脂对氢离子选择能力特别强，对多价离子的选择能力也忧于低价离子。弱酸性阳离子交换树脂指含有羧酸基（COOH），磷酸基（PO3H2）等的离子交换树脂，其中以含有羧酸基的弱酸性树脂用途最广，含羧酸基的阳离子交换树脂在水中的解离程度较弱，在10-510-7之间，所以显弱酸性，其解离如下：RCOOHRCOO+H它仅能在接近中性和碱性介质中才能解离而显示离子交换能力，含羧酸基的弱酸性离子树脂是用甲基丙烯酸或丙烯酸与二乙烯苯进行悬浮共聚而后水解的方法制得，过去，聚丙烯酸系弱酸性树脂以对链霉素的特殊选择交换吸附性能而主要用于链霉素的分离提炼。近年来，根据它的高达9mg 当量/g左右的交换容量，容易再生，以及对二价金属离子具有较好的选择性的特点，已广泛用于水处理及工业废水处理等方面。再生阶段的液流方向和交换时水流方向相同称为顺流再生，反之称为逆流再生。顺流再生的优点是：设备简单，操作简单，工作可靠。故在本设计中采用顺流再生固定床工艺。3.1、采用弱酸双阳柱全饱和流程离子交换柱应去除的金属离子的物质的量，考虑到出水中金属离子的含量比较少（Cp0）Ni2+（220mg/L）物质的量浓度为C（1/2Ni2+）=7.48mmol/LCu2+ (80mg/L)物质的量浓度为C（1/2Cu2+）=2.52mmol/LCo2+ (20mg/L)物质的量浓度为C（1/2Co2+）=0.59mmol/LFe3+ (10mg/L) 物质的量浓度为C（1/3Fe3+）=0.19mmol/LPb2+（10mg/L）物质的量浓度为C（1/2Pb2+）=.1.035mmol/LZn2+ (20mg/L) 物质的量浓度为C（1/2Zn2+）=.0.62mmol/L合计 12.435mmol/L 计算交换柱处理负荷 G=Q（CCp） G处理负荷 mol/h Q处理水量 m3/h C进水浓度mol/m3Cp出水浓度mol/m3每日应去除金属离子负荷为G=Q（CCp）=550m3/d(12.4350)mmol/L=6836.5mol/d3.2、计算Na型阳离子交换树脂交换塔所需树脂的体积，该弱酸阳树脂工作交换容量E0=1500mol/m3,决定树脂再生周期T=2d,所需树脂的体积计算所需树脂的总体积树脂总体积m3T树脂再生周期hEO工作交换容量mol/m30=(6836.5mol/d2d)/1500mol/m3=9.115m3 （1）设计离子交换柱的直径DD离子交换柱直径mV处理液在柱内流速m/hD=1.71m（2）计算离子交换柱高度h=4/(D2)h树脂层高度m离子交换柱高度m 树脂清洗时膨胀率可按考虑h(1+) 计算交换塔尺寸 设交换塔直径D=1700mm(1.7m) 则树脂层厚度为h=4/(D2)=(9.115m34)/(1.7)=3.9ma 考虑反冲洗时树脂的膨胀率=50 所以交换塔高h(1+)=3.9（1+50）=5.9m采用2柱串联，则每柱的树脂深度为5.9/2=2.95m（3）离子交换再生液的计算再生剂的用量q0E0M再生剂的用量gQ0再生剂耗量g/mol饱和树脂的体积m3再生液的体积 I=MCiI在一定浓度下的再生液的体积L Ci再生液中所含再生剂的浓度g/l整个处理过程发生的化学反应（Na型阳离子交换柱）去除 2RCOONaM2+（RCOO）2M2Na+式中 M2=Ni2+,Cu2+,Zn2+,Pb2+,Co2+等再生 （RCOO）2M2HCl2RCOOHMCl2转型 RCOOHNaOHRCOONaH2O3.3、计算交换塔阳树脂再生时的耗酸量，查表得HCL的再生剂耗量为 q0=50g/mol再生一次所需的酸量（M）为： q0E0=50g/mol1500mol/m39.115m3=683625g如配成5浓度的盐酸，查表得每升含盐酸质量51.2g，即浓度Chcl=51.2g/L.故所需5的盐酸再生液体积：HCL=M/CHCL=683625g/(51.2g/l)=13352L再生周期为12h。3.4、计算转型液用量转型液用量为树脂体积的1.5倍即9.1151.5=13.673m3取转型液（NaOH）浓度（4）转型 即为1mol/L(NaOH的密度约等于水的密度)转型周期为12h 3.5、新树脂的预处理弱酸阳树脂再生淋洗宜用低纯水，水量约为树脂体积的6倍，淋洗流速先用再（0.4m/h）,后逐步增大到交换流速（10m/h）.、预处理用水量=9.1156=54.69m3转型淋洗要用低纯水，大量约为树脂体积的6倍，淋洗到出水PH=89，淋洗开始用再生流速，然后用交换滤速淋洗。淋洗用水量=9.1156=54.69m33.6、离子交换柱尺寸设计离子交换柱简图如右图所示再生液入口管离子交换柱管径的确定 根据公式d=18.8（Q/v）1/2d管内径（mm）Q介质容积流量（m3/h）v介质平均流速（m/s）因废水中含有重金属离子和氯离子，硫酸根离子查表得 盐水的滤速通常为1.02.0m/s取v1=1.0m/s 则进出水管直径 视镜滤速表见标注2 根据经验 排气口管直径比进水管小12号即排气管的直径为90mm.因再生需要12个小时，且在12个小时的总流量为17m3+54.69m3=71.69m3考虑到多用的水量取V总=75m3d=18.8（Q/v）1/2 查表得盐酸的常用流速v2=1.5 m/sQ总=75/12=6.25m3/hd2=18.8(6.25/1.5)1/2=39mm 取40mm转型所需时间为12小时，且在12个小时的总流量为13.673m3+54.69m3=68.363m3考虑到多用的水量取V总=70m3d=18.8（Q/v）1/2 查表得NaOH的常用流速v3 =2.0m/sQ总=70/12=5.8m3/hd3=18.8(5.8/2)1/.2=27mm 取30mm3.7、 离子交换柱壳体壁厚设计计算壳体的空间高度除交换树脂层，压脂层占有的高度，还应能满足树脂层所必需的反洗膨胀高度，此高度一般应为树脂层于压脂层高度的50-60。壳体材料应满足交换柱强度及耐柱内工作液腐蚀的要求。在本设计中，采用碳素钢及低合金钢。壳体的附件有，上进水管，下出水管，排气管，视镜等，视镜的位置应能观察树脂下部动态及颜色变化，树脂层面是否波动和树脂层反洗膨胀后的层面等，故视镜该采用2个。视镜通常为耐腐蚀的材料作成，常用有机玻璃制成。在本设计中，采用凸缘构成的视镜，它结构简单，不易粘料，有比较宽阔的视察范围。标准视镜的公称直径有50100mm五种，考虑到筒体直径为1700mm,故视镜直径为100mm较为合适，分别设置在交换柱上布水系统下部和支承层上部。因容器处于常温常压下，采用公式min=2Di/1000mmmin=(21700)/1000=3.4mm 考虑到钢板被腐蚀应加上1mm的厚度附加量，即壳体厚度为4.4mm3.8、离子交换柱封头设计 采用标准椭圆形封头,封头用碳素钢材料制成标准椭圆形封头壁厚计算公式=PDi/(2t-0.5P)+C1+C2已知 P=1MPa Di=1700mm t=180MPa =1(整体冲压) Ci=0.6mm(钢板负偏差)C2=1mm（单向腐蚀）=（11700）/（218010.51）+1=5mm当碳素钢封头厚度在48mm,封头直边h高度取25mm3.9、离子交换柱的支座设计 采用支承式支座用钢板组焊接的支承式支座已经标准化，通过查表得Di=1700mm时，支座的主体负荷为2.36T支座的支承面积为345cm2支承面上的单位压力为5.610-1MPa支座尺寸L=290mm H=350mm a=170mm b=215mm c=250mm e=90mm s=16mm地脚螺栓尺寸孔径d=30mm 直径M24每个支座质量23.4kg 采用三个支座3.10、离子交换柱的开孔及补强，凸缘设计。当筒体内径Di1500mm时，开孔最大直径dDi/3 且d1000mm接入再生液进口管时，S封=4mm d排=40mm 查表得开孔规格外径D=160mm 内径d=80mm 转型液进口管和淋洗水进口管管径均为40mm S封=6mm 查表得开孔规格外径D=160mm 内径d=80mm接入排气管时 S封=6mm d排=90mm 查表得开孔规格外径D=180mm 内径d=93mm接入进水管时 S封=6mm d进=100mm 查表得开孔规格外径D=200mm 内径d=112mm以上开孔后均采用凸缘代替接管，凸缘本身具有加强开孔的作用，不需要另行补强缺点是螺栓断在螺栓孔中后，取出较困难。凸缘与管道法兰配用，因此其连接尺寸应根据所选用的管法兰确定。3.11、离子交换柱法兰联接设计法兰联接是由一对法兰，若干螺栓螺母和一个垫片组成法兰技术发展至今，已有一套法兰标准规格。对于离子交换柱筒体其公称直径Di=1700mm 采用甲型平焊法兰，平面型密封面，法兰的各部分尺寸查表得知：法兰的标准号为JB115882法兰尺寸 D=1930，D1=1890，D2=1855，D3=1841，D4=1838，=56，d=23，螺栓规格：M20 数量52，垫片材料选用石棉橡胶板，螺栓材料选用Q235-A，螺母材料选用Q215-A。法兰尺寸示意图规格如右图：对于离子交换柱的管道法兰，如下表：公称直径DN管子外径A连 接 尺 寸密封面法兰厚度C法兰内径B法兰理论质量法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔径L螺栓数量N螺纹Th.df4048.3130100144M127831649.51.17100114.3210170184M16114318116.02.85 PN0.6MPa凸面板式平焊钢制管法兰（GB9119.6 88）再生液进水管，淋洗水进水管，转型液进水管的管径均为40，排气管管径为90，进水管管径为100，所以采取以上两种法兰。管法兰尺寸示意图规格如下：3.12、离子交换柱的人孔设计因本离子交换柱直径为1700，所以应开设人孔，人孔的形状有圆形和椭圆形两种，圆形人孔的直径一般为450600，本设计中取D=500。人孔主要由简节、法兰、盖板和手柄组成，本设计中采用回转盖人孔。人孔的规格为：人孔APN1.0DN500 JB58079，人孔补强，本设计选用的人孔简节内径d=500，厚n=4，补强圈尺寸确定如下：内径D1=534，外径D2=840，补强圈厚度按下式估算：补=de/（D2- D1）=500（4-0.5）/（840-534）=5.7，考虑离子交换柱体与人孔简节都有一定的壁厚裕量，故补强圈取5。人孔简图如下:3.13、离子交换柱支承装置及填料压板填料支承结构不但要有足够的刚度和强度，而且必须要有足够的自由截面，使在支承处不致首先发生液泛。在本设计中，采用的支承结构是栅板，因离子交换柱的直径是1700，故采用分块式栅板。当塔径为1700时，根据经验设计尺寸得：栅板分块数：5填料环直径50D=1710hs=6010t=50栅板1：I1=394，栅条数8，连接板长度394，栅板2：I=394，栅条数7，连接板长度347，支持圈数量8支持圈：b=60，（碳钢）=103.14、上下布水系统设计计算上下布水系统的作用主要是保证布水均匀，并防止树脂逸出。在本设计中，上下布水系统均采用多孔板排水帽式（如下图），其优点是易损坏，其尺寸规格如下：水帽隙缝长50mm，隙缝宽0.30.4mm,材料为聚苯乙烯或尼龙1010（耐热，机械强度高）水帽尺寸如下图离子交换高程图：3.16设备及构筑物设置 调节池 过滤池 清水池 泵 离子交换柱 盐池（四）主要设备序号名称型号与规格数量功率/KW1玻璃钢耐酸泵50FS-3525.52玻璃钢耐酸泵40FS-2032.23小型三相鼠异步电动机Y132S125.54小型三相鼠异步电动机Y90L32.25玻璃钢液体搅拌机JYB 24-1.113.06小型三相鼠异步电动机Y100L13.07DS加药装置DS-100A10.218PH计PHD-11数字式精密PH计19化验设备一套1（五）设计图纸序号名称编号备注1带控制点工艺流程图0-12调节池1-1非标设备3离子交换器3-1非标设备4封头简图3-2零件图5法兰尺寸示意图3-3零件图6管法兰尺寸示意图3-4零件图7人孔简图3-5零件图8栅板图3-6零件图9多孔板排水帽式3-7零件图10高程图3-8高程图11设备及构筑物设置图3-9设备布置图三、工程估算需要挖掘