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水处理系统设计
离子交换水处理系统
工艺设计说明书
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)GB50109-2006工业用水软化除盐设计规范;
(5)HG/T20519-2009化工工艺设计施工图内容和深度统一规定;
(6)HG/T20553-2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列;
(7)GB17279—1998水池贮源型γ辐照装置设计安全准则;
(8)GB7465-2009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20μS/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迅速解析进入空气中,自顶部排出,其残留量可达5mg/L。
然后,再进入阴床。
这时水中各种阴离子被OH型树脂交换吸附,树脂上的OH-则被置换到水中,并与水中的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。
最后,复床的出水进入混床,进一步纯化除盐,出水电导率达20μS/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(F01/1~3)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
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825h(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28.3m3。
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《GB17279—1998水池贮源型γ辐照装置设计安全准则》中水池贮源水质电导率小于1000μS/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100μS/m甚至更低。
同时,《GB7465-2009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5.5~8.5。
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,据相关文献报道其出水电导率一般小于20μS/m。
同时,由于现水池水质较好,盐分较少(~120μS/m),经处理后其pH值也会在5.5~8.5范围内。
出水电导率按20μS/m计,再由原水电导率120μS/m,则系统的净化效率μ为:
μ=(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1.0m3/h,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2m×2m×5.1m、2m×1.45m×5.1m,水深为4.1m。
则水池内水量为:
(2m×2m+2m×1.45m)×4.1m
=28.3m3
2主要设备设计计算
2.1树脂柱设计计算
2.1.1设计依据
处理能力:
1.0m3/h;
工作温度:
室温;
732型树脂工作交换容量:
1000mmol/L(湿);
732型树脂运行流速:
10~45m/h;
717型树脂工作交换容量:
500mmol/L(湿);
717型树脂运行流速:
10~45m/h;
原水水质:
电导率约为120μS/m(由分析室提供);
出水水质:
电导率不大于100μS/m,总氯离子含量不大于1×10-6,pH值为5.5~8.5。
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001×7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10~45m/h。
本设计取进水流速为30m/h,则结合式
(1)可得:
S=q/v
(1)
式中:
S—床体内部截面积,m2
q—处理能力,m3/h
v—进水流速,m/h
S=q/v
=1m3/h÷30m/h
=0.033m2
再由S=0.785D内12得:
D内1=206mm
为便于管道选取,设计中,D内1取200mm,选用φ219×6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5m3/h以下的离子交换柱,高径比的取值范围为5~10。
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,mm
k—高径比
D内—柱内径,mm
H1=kD内1
=8×200
=1600mm
设计中,H1取1600mm。
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1000mm,相应装填量为0.033m3。
按照式(3)进行该床再生周期的核算。
T=(V树脂×K×0.6)÷(q×λ÷50)(3)
式中:
T—再生周期,h
V树脂—树脂体积,m3
K—树脂工作交换容量,mmol/L
q—处理能力(进水流量),m3/h
λ—进水电导率,μS/cm
即T1=(0.033×1000×0.6)÷(1×1.2÷50)
=825h
可见,阳离子床的再生周期为825h,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OH-的摩尔数与进入水中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0.033m3,故阴离子柱的树脂装填量应为:
0.033m3×2
=0.066m3。
设计中,阴阳柱及混合柱的规格型号及内装树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10~45m/h。
本设计取进水流速为20m/h。
由处理能力1.0m3/h,结合式
(1)可得:
S=Q/v
=1.0m3/h÷20m/h
=0.05m2
再由S=0.785D内2得:
D内2=252mm
为便于管道选取,设计中,D内2取250mm,选用φ273×7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0.066m3及D内2为250mm,可求得阴离子交换柱树脂装填高度约为1300mm。
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1950mm。
本设计中,H2取2000mm。
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:
T2=(0.066×500×0.6)÷(1×1.2÷50)
=825h
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250mm,高度取2000mm,树脂装填高度取1300mm。
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870mm、430mm。
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
1600
200
1000
001×7
阴床
2000
250
1300
201×7
混床
2000
250
1300
201×7MB、001×7MB
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5~15m/h,活性炭床的层高H一般在1000~2500mm,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
=0.083m2
再由S=0.785D内32得:
D内3=330mm
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8~10m/h,设计中取10m/h;滤层高度为1000mm左右。
即由式
(1)得:
S=q/v
=1m3/h÷10m/h
=0.10m2
再由S=0.785D内2得:
D内5=356mm
设计中,石英砂过滤器取与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。
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:
A=q÷b(4)
式中:
A—工作面积,m2
q—除碳器的处理水量,m3/h
b—除碳器的淋水密度,一般采用60m3/(m2.h)
由式(4)得:
A=1.0÷60
=0.0167m2
再由S=0.785D内2得:
D内6=146mm
设计中,D内6取150mm,选用φ159×4.5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/h
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,m2/m3
A—除碳器的工作面积,m2
K—除碳器的解吸系数
Δc—脱除CO2的平均推动力,kg/m3
水中溶解的二氧化碳一般为15~40mg/L,设计中取30mg/L。
经除碳后,其残留量按5mg/L计。
同时,选用φ25×25×3的瓷拉西环。
据文献《火电厂水处理及水质控制》(北京:
中国电力出版社,2008),此时,Δc为0.02kg/m3;对于φ25×25×3瓷环,S为204m2/m3;在淋水密度为60m3/(m2.h),设计水温为25℃时,K=0.47。
再根据处理能力,可得G为(30-5)×1000=0.025kg/h。
即由式(5)可得:
=780mm
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能力的2倍进行设计,高径比选用1:
1。
因系统处理能力为1.0m3/h,即储槽体积V为2.0m3。
由高径比H:
D=1,根据公式(6):
V=0.785H×D2(6)
式中:
V—储槽容积,m3
H—储槽高度,m
D—储槽内径,m
得D=(V/0.785)1/3
=1084mm
即H=D=1084mm
设计中,两槽子的高、直径均取1100mm。
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1.5~3.0m/s,本设计选用1.5m/s。
根据处理能力1.0m3/h,由式
(1)得:
S=q÷v
=2.78×10-4m3/s÷1.5m/s
=1.85×10-4m2
再由S=0.785D内2
得D内=15.3mm
设计中,选择φ18×2.5的不锈钢管。
2.5.2树脂注入管
为保证树脂顺利注入各柱,注入管选用DN32的不锈钢管。
设计中,选用φ38×2.5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DN32和DN40的不锈钢管。
设计中,支管选用φ38×2.5的不锈钢管;总管选用φ45×3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φ18×2.5。
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φ32×2.5的不锈钢管,其DN=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DN25和DN40的不锈钢管。
设计中,支管选用φ32×2.5的不锈钢管;总管选用φ45×3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》(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
1
S01
石英砂过滤器
D=330mmL=1200mm
304
个
1
2
S02
活性炭过滤器
D=330mmL=1200mm
304
个
1
3
V01
除碳水储槽
V=2.0m3;D=1100mmL=1100mm
0Cr18Ni9Ti
个
1
4
V02
产品水储槽
V=2.0m3;D=1100mmL=1100mm
0Cr18Ni9Ti
个
1
5
P01
离心泵
离心水泵KQL15-80型
流量:
2.0m3/h扬程:
7m
转速:
2900r/min
台
1
6
F01/1~3
漏斗
D上=275mmD下=48mmH=225mm
Q235
个
3
7
R01
阳离子交换柱
D内=200mmH=1600mm
0Cr18Ni9Ti
台
1
8
R02
除碳器
D=150mmL=1000mm
填料:
φ25×25×3的瓷拉西环
0Cr18Ni9Ti
台
1
9
R03
阴离子交换柱
D内=250mmH=2000mm
0Cr18Ni9Ti
台
1
10
R04
混合离子交换柱
D内=250mmH=2000mm
0Cr18Ni9Ti
台
1
11
截止阀
DN15
0Cr18Ni9Ti
个
16
12
截止阀
DN25
0Cr18Ni9Ti
个
5
13
截止阀
DN32
0Cr18Ni9Ti
个
3
14
管道过滤器
Y型DN1550目
滤料类型:
不锈钢
304
个
3
15
液位计
磁翻板式,L=1000mm
个
2
16
压差变送器
WT1151型
个
8
17
在线电导率仪
量程:
0-20.00μs/cm
温度范围:
-20.0-200.0℃
精度:
±0.5%
个
5
18
玻璃流量计
(普通型)
型号:
LZB-40
公称通径:
40mm
个
2
附表2管道特性表
管道名称
外径×壁厚/mm
材料
数量/m
进出水管
18×2.5
0Cr18Ni9Ti
60
树脂注入管
38×2.5
0Cr18Ni9Ti
2
树脂卸出支管
38×2.5
0Cr18Ni9Ti
3
树脂卸出总管
45×3
0Cr18Ni9Ti
10
压空进气支管
18×2.5
0Cr18Ni9Ti
12
压空进气总管
32×2.5
0Cr18Ni9Ti
10
呼排支管
32×2.5
0Cr18Ni9Ti
6
呼排总管
45×3
0Cr18Ni9Ti
12
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