水处理系统设计

1、离子交换水处理系统 工艺设计说明书 目录 1 工艺设计说明 1.1 工艺设计依据 （1）水处理工程师手册 （ 北京：化学工业出版社， 2000） ； （2）锅炉水处理技术 （郑州：黄河水利出版社， 2003） ； （3）火电厂水处理及水质控制 （ 北京：中国电力出版社， 2008）； （4）50109-2006 工业用水软化除盐设计规范； （5）20519-2009 化工工艺设计施工图内容和深度统一规定； （6）20553-2011 化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列； （7）17279 1998水池贮源型丫辐照装置设计安全准则； （8）7465-2009 高活度钴 60 密封放射源。 1.

2、2 原理介绍 离子交换柱的结构和一级复床加混床系统原理图如图1 和图 2所 示。如图 2 所示的一级复床加混床系统，是水处理专著文献水处理 工程师手册（北京：化学工业出版社，2000）、锅炉水处理技术 （郑 州：黄河水利出版社， 2003）的推荐流程，其系统较简单，出水水质 稳定。该系统采用化学法对进水进行除盐处理， 水中的各种盐类几乎 都可被除尽，出水水质主要指标为：电导率小于20卩。该系统中， 当水通过强酸性H离子交换树脂时，水中的各种阳离子被树脂中的交 换后留在树脂中，而则到了水中，其交换反应可用下式综合表示： Cfi 1 t（HC0j）2 R（SO出）2+ Mg S04瑕迥）2 nJ

3、Q 由上述反应式可知，阳床的出水呈酸性，其中含有和进水中阴离子相 -IL- nrr iul Ir.m _JNI 应的H4和等强酸，以及 H3和H23等弱酸。通常H23在酸 图1离子交换柱的结构 性水中成为2。随后，阳床出水由除碳器上部经喷淋装置，流过填料 层表面，空气自下部风口进入逆流穿过填料层。 水中的游离二氧化碳 迅速解析进入空气中，自顶部排出，其残留量可达 5。然后，再进 入阴床。这时水中各种阴离子被型树脂交换吸附， 树脂上的则被置换 到水中，并与水中的结合成 H0,其交换反应可用下式综合表示： -(HCOa )3 so4 R(NOH)； + Hr (HSiOj HC6)2 R(N)r

4、S04 + 2H.0 经复床除盐后，出水水质达到初级纯水的水平。最后，复床的出水进 入混床，进一步纯化除盐，出水电导率达20卩以下。从而，实现原 水的净化处理 I J LJ 45 图2 一级复床加混床除盐系统原理图 1 阳床；2 除二氧化碳器；3 中间水泵; 4阴床；5混床 1.3 流程介绍 离子交换水处理系统工艺管道及仪表流程图如图 3所示。如图所 示，首先树脂由树脂注入口通过漏斗（F01/13）注入树脂柱内。树 脂注入口还可以作为备用管口，如用于柱内树脂的酸碱洗涤等。管道 W01-32P为进水管道的旁路，用于调节系统的进水流量，超出处理能 力的池水直接由此旁路返回池内。 进水由经石英砂过滤

5、器和活性炭过 滤器两级过滤后， 按 1.1 小节所述原理及图 2 中的流程依次进入由阳 离子交换柱（R01）、除碳器（R02）、阴离子交换柱（R03）和混合离子交 换柱（R04），进行阴阳离子交换纯化及除碳。石英砂过滤器和活性炭 过滤器具有滤去水中游离物、微生物、部分重金属离子的作用。若池 水电导率符合要求，只是为了除去之中的铁锈、絮状物等渣滓，池水 可仅经两级过滤后，由管道W03-15P直接返回水池。各柱进出液管道 上均设有在线电导率仪、压差变送器及管道过滤器，其中，电导率仪 用于测定出水水质； 管道过滤器用于过滤出水中的碎树脂等小颗粒物 质；压差变送器用于指示管道过滤器前后的压差， 当压差

6、达到一定值 后对其中过滤芯子进行更换。同时，在各管道上还设置有取样点，取 样后送分析室分析电导率等， 并与在线电导率显示数据相对比。 为防 止柱内树脂的板结等情况， 造成进水流动不畅， 各柱上均设置了压差 测量仪表和压空进气管。 压差测量仪表安装在柱子进出水管上。 压差 测量仪表显示值达一定值或进水流速变慢时， 由压空进气管向柱内通 入压空可以疏松柱内树脂确保水流畅通。 待各柱树脂达到工作交换容 量，即出水水质达不到要求后，开启树脂卸出管道上的相关阀门，同 时向柱内注水和适当开启压空阀门向柱内通入压空 （起到搅拌作用 ）， 卸出树脂送处理处置。 1.4 树脂再生与否的选择 该离子交换水处理系统

7、运行过程中，不进行再生操作，待离子交 换树脂达到工作交换容量后直接卸出更换新树脂。 之所以不进行树脂 J O um P Y X AH IEZ1I tf* RQI RQ2 R03 R04 j-3 也衣麻 卧舗 SOI SD1 VOJ V32 FT1/1O -. 1 “9如 醐榔M 血IM vT 图3离子交换水处理系统工艺管道及仪表流程图 p S L I At HriflAf r)Ni5 J-l DN2S J-2 DN32 J =3 NIC -.一4 VOP 再生操作，是基于以下几方面的考虑： 1）阴、阳离子床的再生周期为 825 h（ 混床的再生周期会更长 ）， 即一个运行周期处理水量大于 80

8、0m3,而水池水量仅28.3 m。相对一 个处理周期处理量而言， 水池水量极小， 一个运行周期可以将水池内 的水纯化约 30 次。 2）该离子交换水处理系统并非长期连续运行,待水池水质达到 要求后运行便会停止。另外,水池处于密封状态,池水相当于贮存于 一不锈钢密封容器内, 水质受外界环境的影响较少, 一般不会收到污 染。因此,该系统每投入运行一次, 便能保证池水水质维持较长时间。 3）阴、阳离子交换树脂的再生对床体内部结构有要求,因此会 增加大量柱内构件、管线及阀门等。再生操作过程比较繁琐,要求比 较严格,稍有疏忽就会给运行带来不良后果。另外,还会产生许多酸 碱废液；达到工作交换容量的离子交换

9、树脂没有放射性, 处理处置较 容易。 4）本系统选用的阴、阳离子交换树脂是常用树脂,早已商品化, 尤其在发电厂水处理过程中大量应用, 廉价易得,且预处理相对容易。 1.5 出水质量要求 参照17279 1998水池贮源型丫辐照装置设计安全准则中 水池贮源水质电导率小于1000卩的要求，并考虑到密封钻60放射源 的自身条件，将其水质电导率降至100卩甚至更低。同时，7465-2009 高活度钻60密封放射源规定贮源水中的总氯离子含量不大于 1 X 10-6，值为 5.5 8.5 该一级复床加混床系统采用化学法对进水进行除盐处理， 水中的 各种盐类几乎都可被除尽， 且出水水质较为稳定， 据相关文献

10、报道其 出水电导率一般小于20卩。同时，由于现水池水质较好，盐分较少( 120卩)，经处理后其值也会在5.58.5范围内。 出水电导率按20卩计，再由原水电导率120卩，则系统的净化效 率为： 卩=(120-20) /120 =83.3%。 1.6 处理能力及水池水量 该系统处理能力确定为1.0 m,对池水进行循环净化，直至满足 贮源水质对电导率的要求。 418/4-12 #源库内两个中子源水池相通，规格分别为2mx 2mX 5.1m、2mx 1.45mX 5.1m，水深为4.1m。则水池内水量为： (2nK 2m+ 2mX 1.45m)x 4.1m =28.3 m3 2 主要设备设计计算 2

11、.1 树脂柱设计计算 2.1.1 设计依据 处理能力： 1.0 m 3； 工作温度：室温； 732型树脂工作交换容量： 1000 （ 湿）； 732型树脂运行流速：1045 ; 717 型树脂工作交换容量： 500 （ 湿） ； 717 型树脂运行流速： 10 45 ； 原水水质：电导率约为120（由分析室提供）； 出水水质：电导率不大于100卩，总氯离子含量不大于1X 10-6，值为 5.58.5 。 2.1.2 阳离子柱设计计算 2.1.2.1 柱内径 D 内1 计算 阳离子交换柱采用732型中的001 X 7号离子交换树脂。运行过 程中，原水在该树脂床中的运行流速范围为 1045。本设计

12、取进水 流速为 30 ，则结合式（ 1 ）可得： （1） 式中： S 床体内部截面积， m2 3 q 处理能力， m v进水流速， =1rr30 =0.033 m2 2 再由 0.785D 内12得： D 内 1=206 为便于管道选取，设计中，D内i取200，选用 219X 6的无缝 不锈钢管。 2.1.2.2 柱高 H1 计算 一般情况下，处理能力为5m以下的离子交换柱，高径比的取值 范围为 510。本设计取高径比为 8，则由式（ 2）可得： 内（2） 式中： H 床体高度， k 高径比 D 内柱内径， H1 内 1 =8X 200 =1600 设计中，H取1600 2.1.2.3 再生周

13、期计算 一般地， 离子交换柱的装填量为柱高的 2/3 左右，即可得本阳离 子交换树脂装填高度约为1000 ,相应装填量为0.033 m。按照式(3) 进行该床再生周期的核算。 (V 树脂 x KX 0.6 ) ( q X 入50)(3) 式中： T 再生周期， h v树脂一树脂体积，m K 树脂工作交换容量， q 处理能力 (进水流量 )， m3 入一进水电导率，卩 即 Ti= (0.033 x 1000X 0.6 ) - ( 1 X 1.2 - 50) =825 h 可见，阳离子床的再生周期为 825 h, 即约 5 周需再生一次，较 为合适。 从另外一个角度讲， 去离子柱每运行一个周期即可

14、将水池内 的水净化约 30 次。 2.1.3 阴离子柱设计计算 阴阳离子交换树脂中的、 通过与池水中的各种阴阳离子交换后而 进入水中。 考虑到池水的内杂质离子种类等具体情况， 理论上进行交 换的这两种离子的物质的量是相等的， 即进入水中的摩尔数与进入水 中的摩尔数相等。同时，由于阳离子树脂的工作交换容量较大，通常 是阴离子树脂交换容量的 2 倍，因此，对于一级复床，阴离子柱的树 脂装填量是阳离子柱的 2 倍才比较匹配。 本设计中，阳离子柱的树脂 装填量为0.033 m3，故阴离子柱的树脂装填量应为： 3 0.033 m X 2 3 =0.066 m3。 设计中，阴阳柱及混合柱的规格型号及内装树

15、脂量相同的情况很 常见。但考虑到为适当延长阴离子树脂柱的更换周期， 本规格书采用 阴离子柱的树脂装填量是阳离子柱的 2 倍的方案，即适当放大阴离子 交换柱。 2.1.3.1 柱内径 D 内2计算 运行过程中，进水在该树脂床中的运行流速范围为1045。本 设计取进水流速为20。由处理能力1.0 m3，结合式（1）可得： 3 =1.0 m 吃0 =0.05 m2 再由 0.785D 内2得： D 内 2=252 为便于管道选取，设计中，D内2取250，选用 273 X 7的无缝 不锈钢管 2.1.3.2 柱高 H2 计算 由阴离子柱的树脂装填量，即 0.066 m3及D内2为250，可求得 阴离子

16、交换柱树脂装填高度约为 1300 。考虑到离子交换柱的装填量 为柱高的2/3左右，即可得阴离子交换柱高 H2为1950。本设计中， H2 取 2000。 2.1.3.3 再生周期计算 按照式( 3)进行该床再生周期的核算，即： T 2= (0.066 X 500X 0.6 ) - ( 1 X 1.2 - 50) =825 h 可见，其再生周期同阳离子床。 2.1.4 混合交换柱设计计算 由于系统的进水电导率较低， 又通过一级复床进行除盐处理， 因 此，混床的进水电导率极低。结合以上情况，混床的设计参照阴离子 交换柱的设计， 内径取 250 ，高度取 2000 ，树脂装填高度取 1300 。 另

17、外，由于混床的进水电导率极低，相应地会延长混床的再生周期， 这样会减少树脂更换次数。 该床是把一定比例的阴、 阳离子交换树脂混合装填于同一个交换 柱中，以进行离子交换。一般来讲，阳离子树脂的比重比阴离子树脂 大。因此，在混床内阴离子树脂在阳离子树脂上。阴、阳离子树脂的 装填比例一般为 2：1，即阴、阳离子树脂的装填高度分别为 870 、 430。 综上，该一级复床加混床系统各柱主要设计参数见表1 表1复床加混床系统各柱主要设计参数 设计参数 柱高 内径 装填高度 树脂种类 阳床 1600 200 1000 001 X 7 阴床 2000 250 1300 201 X 7 混床 2000 250

18、 1300 201 X 7、001 X 7 2.2 过滤器设计计算 2.2.1 活性炭过滤器 活性炭过滤器内装填活性炭，是一种较常用的，作为水处理脱盐 系统前处理可有效保证后级设备使用寿命， 提高出水水质，防止污染， 特别是防止后级离子交换树脂等的游离态余氧中毒污染。 据文献火电厂水处理及水质控制（北京：中国电力出版社， 2008），活性炭过滤器的水流速度v 一般为515,活性炭床的层高H 一般在10002500, 般不低于1000。本设计中取水流流速为12,高 H取1200。即由式（1）得: =1mi12 =0.083 m2 再由0.785D内3得： D 内 3=330 可见，活性炭过滤器内

19、径 330,高1200。 2.2.2 石英砂过滤器 石英砂过滤器用作系统的预处理设备， 作为粗过滤设备， 过滤精 度在 0.005-0.01m 之间。它可有效去除水中的悬浮物， 并对水中的胶 体、铁、有机物、细菌等污染物有明显的去除作用， 具有过滤速度快、 过滤精度高、截污容量大等优点。 一般情况下，砂滤的水流速度 v 一般为810,设计中取10 ; 滤层高度为 1000左右。即由式（ 1）得： 3 =1m10 =0.10 m2 再由 0.785D 内2得： D 内 5=356 设计中,石英砂过滤器取与活性炭过滤器同种规格,即内径 356, 高 1200。 2.3 除碳器设计计算 除碳器的作用

20、是脱除阳床出水中的二氧化碳, 经过除碳器脱除后 进入到阴床。阴离子交换柱在酸性介质中易于交换。如果不脱除,二 氧化碳气体与阴树脂反应,缩短阴树脂的交换容量,缩短工作周期, 增加制水成本。 水处理系统常用的除碳器有大气式除碳器 （结构见图 4） 和真空式 除碳器两种。本系统采用大气式除碳器。大气式除碳器的计算,主要 是确定除碳器的本体尺寸，即工艺尺寸 图4大气式除碳器结构 1收水器；2布水装置；3填料层；4格栅； 5 进风管；6 出水锥底 2.3.1 工作面积计算 除碳器的工作面积按下式计算： 宁 b(4) 式中： a 工作面积，m q除碳器的处理水量，m b 除碳器的淋水密度，一般米用60m/

21、 ( m) 由式(4)得： 1.0 - 60 0.025 =0.0167 m 再由0.785D内2得： D 内 6=146 设计中，D内6取150，选用 159X 4.5的无缝不锈钢管 2.3.2 填料高度计算 除碳器内所需填料高度按下式计算: (5) 式中: G 需脱除的2量， S单位体积填料所具有的表面积，可按选定 的填料品种及规格由相关表中查得，m3 A除碳器的工作面积，m2 K除碳器的解吸系数 C 脱除2的平均推动力，3 水中溶解的二氧化碳一般为1540/L,设计中取30 /L。经除 碳后，其残留量按5计。同时，选用 25X 25X 3的瓷拉西环。据文 献火电厂水处理及水质控制(北京：

22、中国电力出版社，2008)，此 时， c为0.02 3;对于 25X 25X 3瓷环，S为204 m23;在淋水密 度为60nV (m),设计水温为25C时，0.47。再根据处理能力，可得 G%( 30-5) X 1000=0.025。即由式(5)可得： G 204 0.0167 0.47 0.02 =780 即填料层高度为780。设计中，除碳器高度取1000。 2.4 槽罐设计计算 该系统共设有2个储罐，为除碳水槽V01和产品水槽V02,分别 位于除碳器后和混床后，用于接收除碳后的阳床出水和混床出水。 设 计中，两储槽的体积按系统每小时处理能力的 2倍进行设计，高径比 选用1: 1。 因系统

23、处理能力为1.0 m3,即储槽体积V为2.0 m。由高径比H: 1,根据公式(6): 0.785HX D2 (6) 式中： V 储槽容积， 3 m H 储槽咼度， m D 储槽内径， m 得(0.785) = 1084 即 1084 设计中，两槽子的高、直径均取 1100 2.5 管路设计计算 2.5.1 进出水管 一般地，水在管内流速在1.53.0，本设计选用1.5。根据处 理能力1.0 m3，由式（1）得： S = q + v =2.78 x 10-4 m3 - 1.5 -42 =1.85 x10-4 m2 再由 0.785D 内2 得D内=15.3 设计中，选择 18X 2.5的不锈钢管

24、。 2.5.2 树脂注入管 为保证树脂顺利注入各柱，注入管选用 32 的不锈钢管。 设计中，选用 38x 2.5 的不锈钢管。 2.5.3 树脂卸出管 为保证树脂的顺利卸出， 卸出支管及总管均选用较进出水管通径 大些的管道。支管及总管分别选用 32 和 40 的不锈钢管。 设计中，支管选用 38x 2.5 的不锈钢管；总管选用 45x 3 的 不锈钢管。 2.5.4 压空进气管 压空进气管分压空进气总管与支管。 支管共四根，分别为阴阳床、 混床和除碳器进气管。 支管均选用与进出水同等规格的不锈钢管， 即 18X 2.5。为保证进气畅通，相应地进气总管应选较大通径的不锈 钢管，设计中选用 32X

25、 2.5的不锈钢管，其25。 2.5.5 呼排管 呼排管分呼排总管与支管。支管共四根，分别为阴阳床、混床和 除碳器呼排管。 为保证阴阳床、 混床和除碳器内气体的顺利排出， 支管规格应选 用较进气管通径大些的管道。基于此，支管及总管分别选用 25 和 40 的不锈钢管。 设计中，支管选用 32X 2.5 的不锈钢管；总管选用 45X 3 的 不锈钢管。 3 废物治理 本系统产生的废物主要是废气、废水、废树脂、废过滤器滤芯及 预处理和洗涤树脂产生的废酸碱液等， 均为非放射性废物， 作为一般 废物进行处理。废气为压缩空气，直接排放至大气。废树脂及废过滤 器芯子送一般垃圾场。废水及废酸碱液按照 污水综合排放标准 (8978-1996) 中的相关规定，进行中和或稀释后达标排放。 4 附图附表 附图： 附图 1 设备布置平面图 附表： 附表 1 主要设备、材料一览表 附表 2 管道特性表 vn z/ W交换柱 R01 R02 丿 Ln mn 水储槽 厂右 - 附图1设备