水处理系统设计.docx
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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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