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[离子交换] 双层床在除盐系统的应用研究

发布时间：2009/6/13 阅读次数：1373 字体大小: 【小】【中】【大】

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双层床在除盐系统的应用研究

摘要
双层床设备系统在联合应用弱型、强型树脂化学除盐工艺中具有较高的实用价值。本文简要论述了双层床在阳、阴离子交换系统的不同使用特点；着重研究了阴双层床使用中的问题和改进措施，并由实际统计结果证明了在采用新的两步进碱法再生工艺后阴双层床的运行完全可以达到设计指标。
关键词:双层床、树脂平均工交容量、弱型强型树脂联合应用工艺
一，双层床工艺综述
双层床工艺是实施弱型、强型树脂联合应用工艺的设备之一。它是将弱型树脂和强型同时装填在一台设备内来实施联合应用工艺的设备系统。因此它与复床相比可以大幅度的减少占地面积和节约设备投资，而且具有系统简单，操作方便等显著特点。它与双室床结构上的不同在于其体内不象双室床那样设有专门的树脂分隔装置，运行中双层床体内的弱型树脂与强型树脂是依靠树脂颗粒的不同质量在水力筛选作用下自动分层的。因此它比双室床设备结构简单，可以直接选用常规的固定床设备。同时在运行中双层床树脂可以象固定单床那样在设备体内直接进行清洗，不必象双室床那样需另设树脂清洗系统。由于双层床的这些优点，在采用弱型、强型树脂联合应用工艺时，它具有较高的使用价值。
双层床体内的弱型、强型树脂是依靠两种树脂颗粒的不同质量来分层的，由此要求组成双层床的弱型树脂和强型树脂颗粒必需具有一定的质量差，即上层的弱型树脂不仅需要有比下层强型树脂较低的湿真密度，而且还必需具有较小的颗粒直径。因为在双层床弱型、强型树脂层的交界处树脂颗粒的质量较接近，所以必然会存在一个弱型、强型树脂的混杂层，混杂层的层高会直接影响双层床的运行效果。因此双层床不仅对其组床树脂有较高的要求，而且其运行效果也在一定程度上会受到混杂层的影响。
二，双层床的组床
组成双层床的弱型树脂与强型树脂的体积比可以依据联合应用工艺中的弱型树脂与强型树脂的体积比的计算公式进行计算：
式中： e、e′、V、V′ 分别为强型树脂和弱型树脂的平均工交容量及体积，F 为水中能被弱型树脂去除的离子的摩尔浓度，α为运行周期中弱型树脂的平均离子泄漏率，∑ 为离子总含量。
因为双层床是将弱型强型两种树脂装填在同一台设备内运行的，在组床时树脂层除了要计算弱型、强型树脂的体积比外，树脂的装填层高还会受到设备总高度的限制；当双层床在一定树脂层总高度的设备内组床时，按上述计算的树脂体积比可以直接计算弱型和强型树脂的装填层高：
H q = H总 / （1 + n）
H r = H总 - H q ；
式中H q、 H r 分别为强型弱型树脂层高；H总为总树脂层高；n为弱型、强型树脂体积比；
根据不同水源水质组成阳双层床和阴双层床时，在计算假设条件范围内的弱型树脂及强型树脂装填高度的计算结果见表一及表二。
表一不同进水水质时阳双层床树脂装填高度计算结果
阳双层床
重碳酸盐硬度/总离子含量
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
弱酸树脂工交/强酸树脂工交
0.67
0.92
1.27
1.78
2.57
4.0
弱酸树脂强酸树脂体积比n
0.29
0.40
0.55
0.76
1.10
1.72
强酸树脂层高 Hq
1.86
1.71
1.55
1.36
1.14
0.88
弱酸树脂层高 Hr
0.54
0.69
0.85
1.04
1.26
1.52
计算时假设条件
弱酸树脂平均工交容量=2800 mol/m3
强酸树脂平均工交容量=1200 mol/m3
弱酸树脂周期平均离子泄漏率=0.20
双层床树脂总层高=2.4m
表二不同进水水质时阴双层床树脂装填高度计算结果
阴双层床
进水酸度（mmol/L）
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
弱酸阴离子/强酸阴离子
0.23
0.20
0.18
0.16
0.14
0.13
弱碱树脂工交/强碱树脂工交
2.71
3.18
3.60
3.99
4.38
4.74
弱减树脂强碱树脂体积比n
0.90
1.06
1.20
1.33
1.46
1.58
强碱树脂层高 Hq
1.26
1.17
1.09
1.03
0.98
0.93
弱减树脂层高 Hr
1.14
1.23
1.31
1.37
1.42
1.47
计算时假设条件
弱减树脂平均工交容量=900mol/m3
强碱树脂平均工交容量=300
弱减树脂周期平均离子泄漏率=0.05
进水弱酸阴离子含量=0.3mmol/L
双层床树脂总层高=2.4 m
三，双层床的使用特点
在化学除盐的阴离子交换系统中，因为强碱阴树脂的工交容量极低，而通常进水中的强酸阴离子的含量都大大高于弱酸阴离子含量，所以采用弱碱树脂就更会有显著的效益，这是因为弱碱树脂能够充分发挥其高工交、低再生剂比耗的经济效益，使阴离子交换系统树脂平均工交容量比常规固定床可以提高一倍以上。但是，由于弱碱树脂的某些工艺特性，使阴双层床在运行中实际上很难达到理想的运行效果，其中比较突出的问题有：
因为双层床树脂是靠其颗粒的质量差来分层的，上层的弱碱树脂通常其颗粒直径都控制在0.3至0.6 mm范围内，而弱碱树脂湿真密度较低，使反洗时树脂容易随水流逸出；同时由于弱碱树脂在失效时其体积会有约25%的膨胀，这又相应降低了反洗空间高度，以致使阴双层床树脂的清洗造成困难。
阴双层床再生时，碱液由下向上首先与下层的强碱树脂接触，从树脂上置换下硅化合物，当携带了大量硅化合物的废碱液进入弱碱树脂层时，由于弱碱树脂对OH-的优先吸着，使废碱液的PH迅速降低，其中的硅化合物在低PH条件下会以胶态状的硅酸分子析出和积聚在弱碱树脂层内，在下一周期运行中，这些胶态的硅酸分子又随水流逐渐排出，造成出水含硅量增高，使运行周期提前结束。
在阴双层床进行无顶压逆再生时，由于弱碱树脂的转型收缩，会在压实树脂层下产生水垫空间，造成再生时树脂的扰动和乱层，影响再生效果。
由于阴双层床运行中存在的这些问题，使阴双层床系统的正常使用受到了一定的限制。而在阳离子交换系统采用双层床时，虽然弱酸树脂在运行中由H+型转变成Ca2+型时的体积变化极小，也不会有像阴双层床那样受到胶体硅影响的麻烦。但是因为弱酸树脂只能用于去除水中的重碳酸盐硬度，所以它的用量会严格受到水质的限制，阳双层床使用中的效益也必然会受到水源水质的限制，实际使用前就必需根据水质进行效益核算后才能决定。
四，阴双层床再生工艺的改进
针对阴双层床运行中的上述问题，实际试验证明采用两步进碱法再生工艺是改善运行、提高其工交容量的有效措施。
两步进碱法再生工艺操作过程与常规的无顶压逆再生操作的不同仅在于在逆流再生前增加了悬浮进碱过程，当低浓度的碱液在不顶压条件下以较低的流速流经树脂层时，可以将树脂颗粒托起成悬浮状态，有意造成树脂颗粒产生一定幅度的扰动。这样，一方面可以有利于树脂的松动和反洗，使弱碱、强碱树脂能较好的分层；同时也能使上层的弱碱树脂提前接触碱液，当含有大量硅化合物的碱液进入时，避免因弱碱树脂吸着OH-而产生胶体硅的析出和沉积。而由于弱碱树脂在悬浮进碱时已提前得到初步再生，在逆流进碱时，可以减少因树脂转型收缩产生水垫空间造成树脂乱层的可能，从而提高了再生效果。两步进碱法再生工艺的具体操作步骤如下：
(1) 悬浮进碱：失效树脂不需进行专门的反洗，直接由底部逆流进碱，废液由顶部通过反洗排水阀排出。进碱浓度约1%，流速4 m/h，进碱量21Kg/ m3树脂。进碱过程由于流速较低，树脂层逐渐松动、上浮，所以必需监视树脂层的膨胀高度，尤其在进碱后期如树脂层膨胀过高，为避免树脂随水流逸出，必要时可稍开中间排液阀排水分流。
(2) 沉降排水：悬浮进碱结束后，静置约10分钟，使树脂自然沉降。然后排去树脂层上部空间的存水，保证树脂压实层干燥。
(3) 无顶压逆流进碱：按传统操作方法无顶压逆流进碱，碱液由中间排液阀排出。进碱浓度2.5%，流速4 m/h，进碱量22Kg/ m3树脂。
(4) 置换：以除盐水置换，流速4 m/h，置换时间60分钟。
(5) 正洗：以运行流速正洗约15分钟，至排水电导率低于10 μs/cm，含硅量合格即可制水。
五，阴双层床再生工艺改进后的运行效果
对上述热电厂的阴双层床进行了两步进碱法再生工艺的试验，其统计结果与原来的运行统计结果的比较见表三。
表三再生工艺改进前后运行结果比较
再生
工艺
再生控制条件
运行结果统计
周期序号
制水量t/h
进水含盐量mmol/L
总工交mol
树脂平均工交mmol/m3
碱比耗
无顶压逆再生
进碱量=43Kg/m3
流速=4m/h
进碱浓度=2.14%
36
1798
2.06
3703.9
407.0
2.64
37
1918
2.10
4028.0
442.6
2.43
38
1894
2.04
3863.8
424.6
2.53
39
2271
2.08
4723.7
519.1
2.07
40
2061
2.03
4183.8
459.7
2.34
平均
1988
2.06
4100.1
450.6
2.40
两步进碱再生
悬浮进碱：流速=4m/h进碱量=21Kg/m3树脂
进碱浓度=1%，
逆流进碱：流速=4m/h
进碱量=22Kg/m3树脂
进碱浓度=2.5%
48
3207
2.38
7632.7
838.8
1.33
49
2664
2.43
6473.5
711.4
1.50
50
2897
2.41
6981.8
767.2
1.40
51
2816
2.43
6842.9
752.0
1.55
52
2784
2.46
6849.0
752.0
1,43
平均
2874
2.42
6956.0
764.4
1.44
由表三统计结果可以得知，阴双层床采用两步进碱法再生工艺后，运行周期总工交容量比传统的逆流再生工艺可以提高69.9%，碱比耗相应的降低了42.6%，其运行结果已达到了设计计算值的95.3% 。同时通过对运行工交容量的核对可知，该双层床内共装填有D301-SC弱碱树脂6.08 m3,201-SF强碱树脂3.04 m3。当总工交容量为6956 mol时，其中强碱树脂在运行条件下计算总工交容量为1216 mol，则弱碱树脂发挥的工交容量为6959-1216=5740 mol，相当于弱碱树脂平均工交容量已高达944.1 mol/m3。
由于阴双层床采用了悬浮进碱，每次再生中树脂都能得到较长时间的松动和反洗，因此再生中不需专门进行树脂的小反洗和大反洗操作，有效的解决了阴双层床树脂反洗的困难，而且还节约了反洗用水和节省了再生时间。同时，在悬浮进碱时压实层内的树脂也已与碱液接触而得到初步的再生，使压实层树脂也能发挥一定的作用，提高了树脂的利用率，因而也增加了周期总工交容量。上述热电厂在改进再生工艺前后各6个月的实际运行统计见表四。
表四改进再生工艺前后运行结果统计
日期
制水量t
总工交
mol
运行
周期
树脂平均工交
mol / m3
碱耗
g/mol
改进前
96年7月
30227
47373
11
472.2
97.2
8月
33507
48999
13
413.3
103.9
9月
37788
61381
14
480.7
95.7
10月
38497
60734
13
512.3
83.8
11月
33920
69269
15
507.5
84.8
12月
32620
70449
13
595.5
83.2
合计
206559
358205
79
496.9
91.4
改进后
97年1月
31370
83253
14
679.3
63.6
2月
17739
45201
9
627.6
68.5
3月
45010
114381
17
714.9
60.1
4月
40020
109317
17
737.3
58.3
5月
47601
123625
17
749.5
57.4
6月
39936
103015
15
760.2
56.6
合计
222016
178792
89
711.5
60.4
表中运行实绩表明采用两步进碱法再生工艺，可使阴双层床树脂的平均工交容量由496.9 mol/m3增加到711.5 mol/m3,提高了43.2% 。再生时碱耗由91.4 g/mol减少到60.4 g/mol，降低了34% 。仅每年节约再生用减就达120吨，折合费用约3.5万余元。
六，小结`
(1) 双层床是实施弱型、强型树脂联合应用工艺的主要设备系统之一，它与复床和双室床系统相比具有设备系统简单、投资费用低、操作方便等显著优点；
(2) 针对阳、阴离子交换系统的不同特点，采用双层床时会有不同的工艺要求，对一般的水源水质，采用阴双层床具有较高的经济效益，但运行中的一些问题也长期限制了阴双层床的正常使用；
(3) 经过试验，阴双层床在运行中存在的树脂清洗困难、工交容量不高、再生效果不稳定等问题，可以通过改进再生工艺得到很好的解决。实践证明阴双层床采用两步进碱法再生工艺后，阴双层床的运行结果能基本达到设计计算指标；在某热电厂水处理阴双层床系统的运行统计结果证明，采用两步进碱法再生工艺后，树脂平均工交容量可长期稳定在700 mol/m3以上，再生时碱比耗保持在1.5以下。

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