离子交换装置及运行课案课件

1、8.3 离子交换装置及运行操作装有离子交换剂的离子交换器称离子交换床，离子交换剂层称离子交换床层。生产实践中，离子交换装置妁种类很多。可分为固定床式和移动床式两大类，固定床在各领域用得最广泛。一、 固定床固定床：离子交换剂在一个设备中先后完成制水、再生等过程的装置。按水和再生液的流动方向分为：顺流再生式、逆流再生式、分流再生式逆流再生包括逆流再生离子交换器和浮床式离子交换器。按交换器内树旨的状态又分为：单层（树脂）床、双层床、双室双层床、双室双层浮动床以及混合床。按设备的功能又分为：阳离子交换器（包括钠离子交换器和氢离子交换器）、阴离子交换器和混合离子交换器。1顺流再生离子交换器交换：水流自上

2、而下通过树脂层；再生：再生液也是自上而下通过树脂层。（水与再生液的流向是相同）（1）其结构： 密封的圆柱形压力容器；设有树脂装卸口；观察树脂状态的窥孔；进水装置、排水装置；再生液分配装置；内装有树脂。树脂上部有反洗空间。如图86所示。外部管路系统如图87所示。（2）顺流再生离子交换器的运行：分为五步：反洗、进再生液、置换、正洗和制水。组成一个运行周期。1）反洗：常用水自下而上进行的强烈反洗。反洗的目的：1）松动树脂层；2）清除树脂上层中的悬浮物、碎粒；反洗到排水不浑为止，一般需10l5min。2）再生：先将交换器内的水放至树脂层以上约100200mm处，然后使一定浓度的再生液以一定流速自上而下

3、流过树脂层。3）置换：使水按再生液流过树脂的流程及流速通过交换器，这一过程称为置换。目的：使树脂层中仍有再生能力的再生液和其他部位残存的再生液得以充分利用。4）正洗：目的：清除交换器内残留的再生产物。置换后，应用运行时的出水自上而下清洗树脂层，流速约1015m/h。正洗一直进行到出水水质合格为止。5）制水：正洗合格后即可投入制水。3）顺流再生工艺特点图（a），交换结束时，进水中离子依据树脂对它们的选择顺序依次沿水流方向分布，最下部树脂的交换容量未能得到充分利用，尚存在一部分H型树脂。再生前的反洗使树脂中基本呈 均匀分布状 态如图（b） 再生：再生液由上而下通过树脂层，上部树脂先再生再生较充分，

4、由上而下再生度逐渐降低；下部未再生的主要是Ca、Mg型树脂，和少量Na型树脂，如图（c）再生初期，一部分被再生下来的高价离子流经下部树脂层时，会将下部树脂中的低价离子置换出来，使这部分树脂转为较难再生的高价离子型，底部未失效的H型树脂也会因再生产物通过而转成失效态， 树脂再生困难，消耗再生剂多。顺流再生工艺的再生效果差。顺流交换器特点：设备结构简单；运行操作方便；工艺控制容易；对进水悬浮物含量要求不很严格（浊度5NTU）。适用情况：对经济性要求不高的小容量除盐装置；原水水质较好以及Na+值较低的水质；采用弱酸树脂或弱碱树脂时。2逆流再生离子交换器再生液流动方向与交换时水流相反离子交换工艺。目的

5、：再生效果好。现广泛采用逆流再生。逆流再生：再生液及置换水都是从下向上流动的，如流速稍大，会使对脂层扰动。乱层打乱再生的层。使再生效果降低。（1）逆流再生离子交换器结构：图89和图810所示。与顺流再生离子交换器结构不同的地方是：在树脂层上表面处设有中间排液装置以及在树脂层上面加压脂层。1）中间排液装置：作用：使向上流动的再生液和清洗水能均匀地由此装置排走，不使水流流向上面的空间而扰动树脂层；小反洗的进水装置；小正洗的排水装置。2）压脂层：目的是溶液向上流时树脂不乱层，不能靠自身起到压脂作用；压脂层真实作用：滤掉水中的悬浮物，使它不进入下部树脂中；使顶压空气或水通过压脂层均匀地作用于整个树脂层

6、表面，防止树脂乱层。（2）运行：制水过程和顺流式没有区别。再生随防止乱层措施的不同而异，压缩空气预压，如图811所示。图811 逆流再生操作过程示意（a）小反洗；（b）放水；（c）顶压；（d）进再生液；（e）逆流清洗；（f）小正洗；（g）正洗1）小反洗：为了保持不层乱，只对排液管上面的压脂层进行反洗，以冲洗掉运行时积聚在压脂层中的污物。2）放水：小反洗后，待树脂沉降下来以后，放掉中间排液装置以上的水。3）顶压：从交换器顶部送人压缩空气，使气压维持在0.030.05MPa。4）进再生液：在顶压的情况下，将再生液送人交换器内，进行再生。5）逆流清洗：当再生液进完后，继续用稀释再生剂的水进行清洗。6

7、）小正洗：用以除去再生后压脂层中部分残留的再生废液。7）正洗：按一般运行方式用进水自上而下进行正洗，流速10l5m/h，直到出水水质合格，即可投入运行。大反洗：经多周期运行后，下部树脂层也会受到一定程度的污染，因此必须定期地对整个树脂层进行大反洗。其周期应视进水的浊度而定，一般为1020个反冲洗周期。水顶压法：将气顶压换成水顶压。（3）无顶压逆流再生：为了保持再生时树脂层逆流再生时不乱层，须采用顶压。缺点：增加了一套顶压设备和系统，且操作麻烦。如将中间排液装置上的孔开得足够大，使孔的水流阻力较小，并在中间排液装置以上仍装有一定厚度的压脂层，在无顶压时逆流再生时就不会出现水面超过压脂层，就不会乱

8、层。这就是无顶压逆流再生操作步骤：与有顶压再生操作基本相同，只是不进行顶压。（4）逆流再生工艺特点：与顺流再生相比，逆流再生具有对水质适应性强；出水水质好；再生剂比耗低；自用水率低。3其他形式的离子交换器介绍（1）分流再生离子交换器 分流再生离子交换器的结构：中间排液装置设置在树脂层表面下约400600mm处。上下同时进再生液。流过上部的再生液可以起到顶压作用；交换器中树脂的交换容量利用率较高。两端树脂都能够得到较好均再生。最下端树脂的再生度同样高，可保证了运行出水的水质。（2）浮床式离子交换器整个树脂层被向上水流托起的悬浮状态进行离子交换的（称成床）。树脂失效停止进水，树脂层下落（称落床），

9、便可进行逆流再生。浮动床的运行：制水落床进再生液置换下向流清洗成床上向流清洗，再转人制水。构成一个周期。1）落床：出水失效，停止制水，靠重力从下部起逐层下落，可起到疏松树脂层、排除气泡的作用。2）进再生液：常用水射器送液。调整再生流速，开启计量阀，调整再生液浓度，再生。3）置换：待再生液进完后，关闭计量阀，继续按再生流速和流向进行置换，置换水量约为树脂体积的1.52倍。4）下向流清洗：置换后，开清洗水阀，调整流速至1015m/h进行下向流清洗，一般需1530min。5）成床、上流清洗：用2030m/h的较高流速进水将树脂层托起，并进行上向流清洗，直至出水水质达到标准时，即可转入制水。由于浮动床

10、内树脂是基本装满的，没有反洗空间，故无法进行体内反洗。当树脂需反洗时，需将部分或全部树脂移至专用清洗装置内进行清洗。经清洗后的树脂送回交换器后再进行下一个周期的运行。清洗周期取决于进水中悬浮物含量的多少和设备在工艺流程中的位置，一般是1020个周期清洗一次。清洗方法：水力清洗法和气水清洗法两种。浮床式离子交换器的工艺特点：自学（3）双层床和双室双层床：将强、弱型树脂联合应用的离子交换装置双层床和双室双层床。目的：充分利用再生液。可将其分层装填在同一个交换器中，组成双层床的形式。常用弱型树脂的密度比强型树脂小的特点，使其处于上层，强型树脂处于下层。交换时：水自上而下，先过弱型树脂，后过强型树脂；

11、再生时：反向流，属逆流再生。为了使双层床中强型树脂和弱型树脂都能发挥它们的长处，应能较好地分层。为此，对所用树脂的密度、颗粒大小都有一定要求。双室双层床是将交换器分隔成上、下两室，强、弱树脂各处一室；强型树脂在下室，弱型树脂在上室，避免了树脂混层的问题。（4）混合床：图813离子交换器内主要装置有：上部进水装置、下部配水装置、进碱装置、进酸装置及压缩空气装置，在体内再生混合床中部的阴、阳树脂分界处设有中间排液装置。有关混合床的其他特性将在84中详细叙述。4，固定床离子交换设备的设计计算离子交换器都有定型产品，其尺寸、附属设备和树脂的装填高度都有规定。选择步骤：（1）交换器直径的确定：由水量和流

12、速确定，流速与进水含盐量有关，据出水水质要求、运行经济性、生产班制等因素进行选用。式中， d单台设各的内径，m； Q1单台设备的产水量，m3/h； v运行流速，m/h。一般一级复床正常流速v应在1520m/h，为保障系统安全、正常运行，复床除盐系统的离子交换设备宜不少于2台，当一台设备再生或检修时，另一台的供水量应能满足正常的供水和自用水要求。（2）一台设备一个周期离子交换容量Ec(mmol)式中：3）交换器装载树脂高度（hR）式中 E0树脂的工作交换容量，mmol/L；E0树脂工作交换容量，据再生方式、原水的含盐量及其组成、再生剂种类及用量等来计算，常通过模拟试验求得。通常0017苯乙烯系强

13、酸阳离子交换树脂逆流再生工作交换容量在7001300mmol/L之间，2017苯乙烯系强碱阴离子交换树脂，逆流再生工作交换容量在200400mmol/L之间。由上式计算的树脂层高度一般不应小于1.2m，正常应在1.52.0m之间。二、移动床离子交换器定期排出一部分已失效的树脂和补充等量再生好的树脂，排出的失效的树脂在另一设备中进行再生。树脂交换过程和再生过程是分别在不同设备中同时进行的，特点：制水是连续的。1运行过程及再生过程自己看2移动床的优点：移动床运行流速高，树脂用量少且利用率高，占地面积小、连续供水、减少了设备备用量。缺点：运行终点较难控制；树脂移动频繁，损耗大；阀门操作频繁，易发生故

14、障，自动化要求较高；对原水水质变化适应能力差，树脂层易发生乱层；再生剂比耗高。三、除碳器氢离子交换器出水中的游离CO2会腐蚀设备，常用除碳器将其除去。1除CO2原理水中碳酸化合物与空气的CO2平衡关系：水中H浓度越大，平衡向右反应。经H离子交换后的水呈强酸性，水中碳酸化合物几乎全部以游离CO2形式存在。CO2气体在水中的溶解度服从于亨利定律在一定温度下气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的分压成正比。降低水面气体中CO2分压，水中游离CO2便会从水中解吸出来，从而达到除去CO2目的。降低CO2分压的办法：一是在除碳器中鼓人空气，即大气式除碳；另一办法是从除碳器的上部抽真空，即为真空式除碳。2除碳

15、器的设计计算鼓风填料式除碳器（1）除碳器的有效直径d（m）式中：Q除碳器设计处理水量，m3/h； q设计淋水密度，m3/（m2h） 基准条件 q60 m3/（m2h） （2）除碳器所需填料高度h0（m）及填料总体积V0（m3）S单位体积填料所具有的工作表面积， （m2/m3 ），由所选的填料品种和规格决定，例如：25253mm瓷质拉希环，其S值为204m2/m3C 脱除CO2的平均解析推动力，kg/m3， 近似表达为：HZ 进水碳酸盐碱度，mmol/L；Mco2进水中游离CO2含量，mg/L。除碳器直径由所需处理的水量决定，而除碳器所需填料的高度取决于进水CO2含量、其主要与原水碱度有关。（3）除碳器所需鼓风量W（m3/h）及所需进