水处理系统设计

1、离子交换水处理系统工艺设计说明书书目1 工艺设计说明51.1 工艺设计依据51.2 原理介绍61.3 流程介绍81.4 树脂再生和否的选择91.5 出水质量要求111.6 处理实力及水池水量122 主要设备设计计算122.1 树脂柱设计计算122.1.1 设计依据122.1.2 阳离子柱设计计算132.1.2.1 柱内径D内1计算132.1.2.2 柱高H1计算142.1.2.3 再生周期计算142.1.3 阴离子柱设计计算152.1.3.1 柱内径D内2计算162.1.3.2 柱高H2计算162.1.3.3 再生周期计算172.1.4 混合交换柱设计计算172.2 过滤器设计计算172.3

2、除碳器设计计算192.3.1 工作面积计算202.3.2 填料高度计算212.4 槽罐设计计算222.5 管路设计计算222.5.1 进出水管232.5.2 树脂注入管232.5.3 树脂卸出管232.5.4 压空进气管232.5.5 呼排管243 废物治理244 附图附表24附图：24附图1 设备布置平面图24附表：24附表1 主要设备、材料一览表25附表2 管道特性表251 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限制(北京：中国电力出版社，2008)；（4）G

3、B50109-2006 工业用水软化除盐设计规范；（5）HG/T 20519-2009 化工工艺设计施工图内容和深度统一规定；（6）HG/T 20553-2011 化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列；（7）GB 172791998 水池贮源型辐照装置设计平安准则；（8）GB 7465-2009 高活度钴60密封放射源。1.2 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)的举荐流程，其系统较简洁，出水水质稳定。该系统采纳化学

4、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20S/m。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H+交换后留在树脂中，而H+则到了水中，其交换反应可用下式综合表示：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应的H2SO4和HCl等强酸，以及H2CO3和H2SiO3等弱酸。通常H2CO3在酸图1 离子交换柱的结构性水中成为CO2。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快速解析进入空气中，自顶部排出，其残留量可达5 mg/L。然后，再进入阴床。这时

5、水中各种阴离子被OH型树脂交换吸附，树脂上的OH-则被置换到水中，并和水中的H+结合成H2O，其交换反应可用下式综合表示：经复床除盐后，出水水质达到初级纯水的水平。最终，复床的出水进入混床，进一步纯化除盐，出水电导率达20S/m以下。从而，实现原水的净化处理。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，用于调整系统的进水流量，超出

6、处理实力的池水干脆由此旁路返回池内。进水由经石英砂过滤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干脆返回水池。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

7、滤器前后的压差，当压差达到肯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，并和在线电导率显示数据相对比。为防止柱内树脂的板结等状况，造成进水流淌不畅，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肯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 树脂再生和否的选择该离子交换水处理系统运行过程中，不进行再

8、生操作，待离子交换树脂达到工作交换容量后干脆卸出更换新树脂。之所以不进行树脂28 / 28图3 离子交换水处理系统工艺管道及仪表流程图再生操作，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800m3，而水池水量仅28.3 m3。相对一个处理周期处理量而言，水池水量微小，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

9、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，还会产生很多酸碱废液；达到工作交换容量的离子交换树脂没有放射性，处理处置较简洁。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，且预处理相对简洁。1.5 出水质量要求参照GB 172791998 水池贮源型辐照装置设计平安准则中水池贮源水质电导率小于1000S/m的要求，并考虑到密封钴60放射源的自身条件，将其水质电导率降至100S/m甚至更低。同时，GB 74

10、65-2009 高活度钴60密封放射源规定贮源水中的总氯离子含量不大于1×10-6，pH值为5.58.5。该一级复床加混床系统采纳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，据相关文献报道其出水电导率一般小于20S/m。同时，由于现水池水质较好，盐分较少(120S/m)，经处理后其pH值也会在5.58.5范围内。出水电导率按20S/m计，再由原水电导率120S/m，则系统的净化效率为：=（120-20）/120=83.3%。1.6 处理实力及水池水量该系统处理实力确定为1.0 m3/h，对池水进行循环净化，直至满意贮源水质对电导率的要求。418/4-1

11、2源库内两个中子源水池相通，规格分别为2m×2m×5.1m、2m×1.45m×5.1m，水深为4.1m。则水池内水量为：（2m×2m2m×1.45m）×4.1m=28.3 m32 主要设备设计计算2.1 树脂柱设计计算2.1.1 设计依据处理实力：1.0 m3/h；工作温度：室温；732型树脂工作交换容量：1000 mmol/L(湿)；732型树脂运行流速：1045 m/h；717型树脂工作交换容量：500 mmol/L(湿)；717型树脂运行流速：1045 m/h；原水水质：电导率约为120S/m(由分析室供应)；出水水质

12、：电导率不大于100S/m，总氯离子含量不大于1×10-6，pH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纳732型中的001×7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1045m/h。本设计取进水流速为30 m/h，则结合式（1）可得：S=q/v（1）式中：S 床体内部截面积，m2q 处理实力，m3/hv进水流速， m/hS=q/v=1m3/h÷30m/h =0.033 m2再由S=0.785D内12得： D内1=206 mm为便于管道选取，设计中， D内1取200 mm，选用219×

13、;6的无缝不锈钢管。2.1.2.2 柱高H1计算一般状况下，处理实力为5 m3/h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：H=kD内（2）式中：H 床体高度，mmk 高径比D内柱内径， mmH1=kD内1=8×200 =1600 mm设计中，H1取1600 mm。2.1.2.3 再生周期计算一般地，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 mm,相应装填量为0.033 m3。依据式（3）进行该床再生周期的核算。 T=（ V树脂×K×0.6 ）÷ ( q×÷

14、; 50) （3）式中：T 再生周期，hV树脂树脂体积，m3K 树脂工作交换容量，mmol/Lq 处理实力(进水流量)，m3/h进水电导率，S/cm即T1=（0.033×1000×0.6）÷ ( 1×1.2 ÷ 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OH-、H+通过和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详细状况，理论上进行交换的这两种离子的物质的量是

15、相等的，即进入水中OH-的摩尔数和进入水中H+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：0.033 m3×2=0.066 m3。设计中，阴阳柱及混合柱的规格型号及内装树脂量相同的状况很常见。但考虑到为适当延长阴离子树脂柱的更换周期，本规格书采纳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1045m/

16、h。本设计取进水流速为20 m/h。由处理实力1.0 m3/h，结合式（1）可得：S=Q/v=1.0 m3/h÷20m/h =0.05 m2再由S=0.785D内2得： D内2=252 mm为便于管道选取，设计中， D内2取250 mm，选用273×7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 mm，可求得阴离子交换柱树脂装填高度约为1300 mm。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 mm。本设计中，H2取2000 mm。2.1.3.3 再生周期计算依据式（3）进行该床再

17、生周期的核算，即： T2=（0.066×500×0.6）÷ ( 1×1.2 ÷ 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。结合以上状况，混床的设计参照阴离子交换柱的设计，内径取250 mm，高度取2000 mm，树脂装填高度取1300 mm。另外，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，这样会削减树脂更换次数。该床是把肯定比例的阴、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

18、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 mm、430 mm。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/mm内径/mm装填高度/mm树脂种类阳床16002001000001×7阴床20002501300201×7混床20002501300201×7MB、001×7MB2.2 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，是一种较常用的水处理设备，作为水处理脱盐系统前处理可有效保证后级设备运用

19、寿命，提高出水水质，防止污染，特殊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限制(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515m/h，活性炭床的层高H一般在10002500mm，一般不低于1000mm。本设计中取水流流速为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内32得： D内3=330 mm可见，活性炭过滤器内径330mm,高1200mm。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，过滤精度在之间。它可有效去除水中的

20、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。一般状况下，砂滤的水流速度v一般为810m/h，设计中取10 m/h；滤层高度为1000mm左右。即由式（1）得：S=q/v=1m3/h÷10m/h=0.10 m2再由S=0.785D内2得： D内5=356 mm设计中，石英砂过滤器取和活性炭过滤器同种规格，即内径356mm,高1200mm。2.3 除碳器设计计算除碳器的作用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。假如不脱除，二氧化碳气体和阴树脂反应，缩短阴树脂的交换容量，

21、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。本系统采纳大气式除碳器。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：A=q÷b （4）式中：A 工作面积，m2q除碳器的处理水量，m3/hb除碳器的淋水密度，一般采纳60m3/（m2.h）由式（4）得：A=1.0 ÷60 =0.0167 m2再由S=0.785D内2得： D内6=146 mm设计中，D内6取150 mm，选用159

22、×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CO2量，kg/hS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，m2/m3A除碳器的工作面积， m2K除碳器的解吸系数c脱除CO2的平均推动力，kg/m3水中溶解的二氧化碳一般为1540mgL，设计中取30 mgL。经除碳后，其残留量按5 mg/L计。同时，选用25×25×3的瓷拉西环。据文献火电厂水处理及水质限制(北京：中国电力出版社，2008)，此时，c为0.02 kg/m3；对于25×25×3瓷环，S为204 m

23、2/m3；在淋水密度为60m3/（m2.h），设计水温为25时，K=0.47。再依据处理实力，可得G为（30-5）×1000=0.025kg/h。即由式（5）可得：=780 mm即填料层高度为780mm。设计中，除碳器高度取1000mm。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实力的2倍进行设计，高径比选用1：1。因系统处理实力为1.0 m3/h,即储槽体积V为2.0 m3。由高径比H：D=1，依据公式（6）：V=0.785H×D2（6）式中

24、： V 储槽容积，m3H 储槽高度，mD 储槽内径，m得D=(V/0.785)1/3 =1084 mm即H=D=1084 mm设计中，两槽子的高、直径均取1100 mm。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 m/s，本设计选用1.5 m/s。依据处理实力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内2得D内=15.3 mm设计中，选择18×2.5的不锈钢管。2.5.2 树脂注入管为保证树脂顺当注入各柱，注入管

25、选用DN32的不锈钢管。设计中，选用38×2.5的不锈钢管。2.5.3 树脂卸出管为保证树脂的顺当卸出，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DN32和DN40的不锈钢管。设计中，支管选用38×2.5的不锈钢管；总管选用45×3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和支管。支管共四根，分别为阴阳床、混床和除碳器进气管。支管均选用和进出水同等规格的不锈钢管，即18×2.5。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32×2.5的不锈钢管，其DN=25。2.5.5 呼排管呼排管分呼

26、排总管和支管。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当排出，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DN25和DN40的不锈钢管。设计中，支管选用32×2.5的不锈钢管；总管选用45×3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，干脆排放至大气。废树脂及废过滤器芯子送一般垃圾场。废水及废酸碱液依据污水综合排放标准(GB8978-1996)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 管道特性表附图1 设备布置平面图附表1 主要设备、材料一览表序号设备位号设备名称设备技术规格材料单位数量1S