离子交换树脂的再生_周潇

1、第 40卷第 8期 当 代 化 工 Vol.40,No.8 2011年 8月 Contemporary Chemical Industry August,2011收稿日期 : 2011-06-17 作者简介 : 周 潇(1963- ,男,广西河池人,副总经理,硕士,1986年毕业于广西大学化工专业,研究方向:从事化工技术工作。E-mail:jifan_yu,电话离 子 交 换 树 脂 的 再 生周 潇(广西河池化工股份有限公司,广西 河池 547007摘 要 :离子交换法除盐在锅炉给水除盐工艺中有广泛地应用,离子交换树脂的再生是一个复杂的过程, 再生浓度、流速和时间

2、等都会影响再生的效果。在总结广西河池化工股份有限公司除盐水系统再生经验的基础 上,对再生工艺进行了研究,为采用离子交换法除盐的企业提供借鉴。 关 键 词 :离子交换树脂;再生;工艺中图分类号 :TQ 425 文献标识码 : A 文章编号 : 1671-0460(201108-0817-03Regeneration of Ion-Exchanging ResinZHOU Xiao(Guangxi Hechi Chemical Co. ,Ltd, Guangxi Hechi 547007, ChinaAbstract : Desalination by ion exchange is widely

3、 used in purifying water for boiler. Regeneration of ion-exchanging resin is a complication process ,and regeneration results are affected by regeneration concentration, velocity and time. In this paper, on the basis of summarizing regeneration experiences of the desalination system in Guangxi Hechi

4、 chemical company, regeneration process was studied, which can provide some references for other enterprises which adopt ion-exchanging process. Key words: Ion-exchanging resin; Regeneration; Process离子交换树脂在除盐处理工艺中用来交换水中的离子,阳离子交换树脂释放出氢离子(H+,失 效后用盐酸或硫酸再生,置换出生产过程中吸附的 Ca 2+、Mg 2+、Na +等阳离子;阴离子交换树脂释放出氢氧根离

5、子(OH- ,失效后用烧碱再生,置换出生产过程中吸附的 Cl -、SO 42-、HCO 3-等阴离子。离子 交换树脂的吸附和再生是一个可逆的过程,再生剂 的浓度、流速和再生时间都会影响再生效果;同样 设备状况也会影响再生效果,不同的设备状况和树 脂性能适用不同的再生工艺。 根据离子树脂的特性, 交换设备和树脂的状况选择适当的再生工艺,将有 助于提高再生效率,降低再生剂的消耗,对降低制 水成本及系统的稳定运行具有重要的意义。1 原再生工艺及存在问题1.1 再生液浓度根据离子交换设备厂家的推荐,一般阳离子交 换树脂的再生浓度为 3%5%, 阴离子交换树脂的再 生浓度为 2%3%, 整个再生过程中维

6、持不变。 河池 化工除盐水系统的再生浓度分别为 3.4%和 2.4%。再生过程之所以选择较高的浓度,基于离子交 换树脂对不同离子的不同吸附能力。再生过程是树脂吸附 H +(阳树脂和 OH -(阴树脂的过程,而树脂对二者的吸附能力与 Ca 2+、SO 42-相比较弱,因 而必需以高浓度的再生液维持浓差才能获得较好的 再生效果,浓度越高,再生越彻底,而根据工作层 理论,浓度越大,工作层越厚,再生液也越容易穿透树脂层造成浪费 1。再生过程中,树脂相的失效离子(Ca2+、SO 42-的浓度不断下降,随再生进程 改变再生浓度既可保持浓差又可以使工作层变薄, 从而减少再生液的穿透,提高利用率。因此再生液

7、的浓度应当综合考虑工作层及浓度差的影响,而非 固定不变。1.2 再生流速正固定床逆流再生的再生流速一般为 35 m/h。 河池化工原再生流速为 4.5 m/h。限制高再生流速的目的在于防止树脂乱层,而 过低的流速降低树脂表面再生液的雷诺数,阻碍传 质, 降低再生液的利用率。 在不发生乱层的前提下, 高流速是有利的,确保树脂不乱层的流速与树脂层 总高度、压脂层高度是相关的。1.3 再生剂量根据离子交换设备厂家的调试结果,河池化工 原再生用酸 3 500 kg,用碱 3 000 kg。818 当 代 化 工 2011年 8月再生剂用量一般以离子交换树脂的交换容量计 算。 离子交换树脂在使用过程中,

8、 或因重金属离子、 有机物的污染,或因树脂氧化导致交换基团损坏, 其交换容量不可避免地降低。故再生剂量也当视树 脂性能而定。1.4 再生时间在既定的再生剂量、流速和再生浓度下,时间 实际上也是既定的。原再生的时间一般为 60 min。 由于人为操作的影响,事实上浓度不能保证恒定, 故很难保证再生时间。2 工艺的优化2.1 再生液浓度的选择工作层是进行目的交换的树脂层区域,也就是 正在工作的树脂层。在离子交换器运行时,工作层 是指交换器内沿水流方向上被交换离子浓度等同进 水的断面至被交换离子浓度达到水质要求的断面之 间的树脂层。再生也是交换过程,只是浓度不同。 将这个概念应用于再生过程,则其工作

9、层可以认为 是沿再生液方向上已再生好的树脂断面至未再生树 脂断面之间的树脂层。假定树脂的交换容量为 Q , mol/m3(将再生过程 视为交换过程,交换容量即吸附再生液的能力; 再生液浓度为 a ,mol/m3;再生液流速为 v ,m/h;设备直 径为 s ,m;树脂高度为 h , m;则再生液穿透树脂层的时 间为:t = h ×Q /(v ×a (1 当再生液浓度比较低时,工作层较薄,其移动 速度小于再生液流速 v ,如果提高再生液浓度,工 作层厚度将增加,当升高到某一值,就会出现工作 层的移动速度等于再生液流速 v 的现象,浓度超过 该值时,在整个再生过程中,再生液就会

10、一直处于 穿透树脂层的状态,再生液的利用率就低。因此该 值是一个临界值。如前所述,较高的浓差有利于提高再生效果。 因此,再生液浓度为临界值时,既能保持经济性又 可以获得较好的再生效果。此时工作层的移动速度 w 为:w = h /t代入(1式得:h /w =h ×Q /(v ×a 因此时 w =v 得:a =Q即当再生液浓度等于 Q 值时为最佳再生浓度。 这里需要说明的是, Q 是再生工况下的工作交换容 量, 这是一个与树脂性能、 设备性能以及树脂高度、 交换溶液浓度等有关系的值。由于再生过程能吸附 再生液的树脂不断减少, 工作交换容量也随之降低, 因此最佳再生液浓度是一个逐

11、渐降低的变动值。 由于工作交换容量计算过于复杂,我们通过实 验的方式测定初始的工作交换容量,将工作交换容 量与时间的函数关系简化为线性关系,其斜率 k 也 由实验测定。故整个再生过程的再生液浓度为:a = Q 初始 -k ×t通过实验,河池化工除盐水系统 Q 初始 约为 800 mol/m3, k 值约为 6.7 mol/(m3·min ,即:a = 800 - 6.7×t知初始再生浓度为 2.92%;阴床 Q 初始 约为 610 mol/m3, k 值为 7.5 mol/ (m3·min即:a = 610 -7.5×t知初始再生浓度为 2.4

12、4%。2.2 再生流速的选择经试验选择再生流速为 4 m/h, 可保证树脂无乱 层现象发生。需注意的是, 对于有气顶压或者水顶压的设备, 流速可适当提高。2.3 再生剂量的选择离子交换树脂再生剂用量一般按下式计算: 阳床用盐酸 (31% 量=树脂工作交换容量×有 效树脂量×1.2×36.5/0.31阴床用烧碱 (30% 量=树脂工作交换容量×有 效树脂量×1.3×40/0.30其中 1.2及 1.3为过余系数。经测算,河池化工的阳树脂工作交换容量(运 行时的进水水质 为 1 200 mol/m3, 设备直径 3.0 m, 有效树脂量为

13、 12.5 m3, 则再生用酸量应为 2 119 kg。 阴树脂工作交换容量(运行时的进水水质为 700 mol/m3,设备直径 3.0 m,有效树脂量为 12.5 m3, 则 再生用碱量应为 1 517 kg。2.4 再生时间的选择离子交换树脂的再生过程可分为几个过程:(1 再生液离子在水溶液中向树脂颗粒表面的扩散; (2 再生液离子通过边界水膜的扩散;(3再生液离子 在树脂颗粒网孔内的扩散;(4再生液离子和树脂 交换基团上被交换离子的相互交换;(5被交换下 来的离子在树脂网孔内向颗粒表面的扩散;(6被 交换离子通过边界水膜的扩散;(7被交换离子从 树脂表面向水溶液的扩散。第 40卷第 8期

14、 周 潇:离子交换树脂的再生此 819其中(2 、 (6为膜扩散, (3 、 (5为颗粒扩 散或内扩散。膜扩散的半交换期计算式为 2:T 1 /2=0.23×r 0××q 0 /(d ×c 0其中:r 0 树脂直径,cm;q 0 全交换容量,mol/L; 水膜厚度,cm;d 扩散系数,cm 2/s; c 0 溶液浓度,mol/L。上述参数约分别为 0.1,2,0.05,0.000 05,1.2时, T 1 /238 min。颗粒扩散半交换期计算式为:T 1 /2=0.03×r 02/d扩散系数 d 0.000 05 cm2/s, r 0=0.1

15、 cm,则颗 粒扩散时间为 6 min。 所以, 再生时间不应低于二者 之和,即 44 min。根据 2.1节推导的浓度函数和 2.3计算的酸碱用 量, 进酸总时间应为 67 min(计算过程省略, 下同 ; 进碱总时间为 70 min。3 优化方案的实施传统的再生设备是利用水力抽射器的抽吸作用 吸取再生液,稀释后打入交换器的。水力抽射器的 抽力在水流量一定时是固定的,若不改变再生液出 口阀开度,浓度将维持定值,若需改变浓度,则应 调整再生液出口阀的开度。很显然,以人工操作实 现浓度按上述函数变动是不可能的。为此我们借助 专业的再生控制器,由电脑根据设定函数调节再生 过程的浓度和时间等参数,让

16、再生过程得到自动控 制。4 优化效果按上述再生方案再生后, 获得较好的再生效果, 运行半年以来,阳床平均周期产水量为 4 350 t,酸 单耗 0.487 kg/t;阴床平均周期产水量 9 000 t,碱单 耗 0.169 kg/t。当期阳床进水含盐量为 3.5 mmol/L, 理论耗酸量为 0.412 kg/t,实际比耗为 1.18,酸利用 率为 84.7%;阴床进水阴离子含量 0.97 mmol/L,理 论耗碱量为 0.129 kg/t,实际比耗为 1.31,碱利用率 为 76.3%。分别比优化前降低 28.4%和 39.6%。5 结 论离子交换树脂的再生是一个动态过程,再生液 浓度既要保

17、证再生所需要的浓差,又不能因浓度过 大而使再生液过早穿透树脂层,维持再生液浓度与 再生过程中的交换容量等值是最佳的再生浓度;在 不造成乱层的前提下再生液流速高有利于促进交 换;再生液用量应根据运行工况下的工作交换容量 计算;再生时间除了依流速、再生剂量等定外,还 不能低于离子的扩散所需的时间。参考文献 :1 孙允柱,徐福全. 电厂化学技术问答M.北京:冶金工业出版社,1993:87.2于瑞生,杜祖坤. 电厂化学M.北京:中国电力出版社,2006:114.(上接第 816页表 5 产品主要物性对比Table 5 Comparison of main physical properties of

18、the products测试项目测试方法 EP7226国产 对比样 熔融流动速率/(g10 min-1GB/T 3682-2000 21.2 22.9拉伸屈服强度/MPa 27.725.4拉伸断裂强度/MPa 16.415.3断裂伸长率,% GB/T 1040-2006 (拉伸速率 50 mm/min57.152.0弯曲模量/MPa GB/T 9341-2000 1 433.91 293.3悬臂梁冲击强度/(kJm -2GB/T 1843-1996 7.4 7.1 乙烯质量分数,% 红外光谱仪 8.43 8.73热变形温度/GB/T 1634-2004 111 109 硬度GB 19466-200699.996.83 结 论(1 通过工艺控制优化, 在中国石油抚顺石化公司乙烯化工厂 PP 装置上成功开发生产出高流动 性抗冲聚丙烯专用料 EP7226, 各项性能指标达到国内同类产品的标准。(2 今后将进一步提高产品中的乙烯含量, 特 别是 EPR 成分, 改进助剂体系, 在保证现有指标的 情况下提高产品