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....................................................5

1.1工艺设计依据................................................5

1.2原理介绍....................................................6

1.3流程介绍....................................................8

1.4树脂再生与否的选择..........................................9

1.5出水质量要求...............................................11

1.6处理能力及水池水量.........................................12

2主要设备设计计算...............................................12

2.1树脂柱设计计算.............................................12

2.1.1设计依据 ......................................................12

2.1.2阳离子柱设计计算.............................................13

2.1.2.1柱内径 D 内 1 计算 ....................................13

2.1.2.2柱高 H1 计算 ........................................14

2.1.2.3再生周期计算.......................................14

2.1.3阴离子柱设计计算 ..............................................15

2.1.3.1柱内径 D 内 2 计算 .....................................16

2.1.3.2柱高 H2 计算 .........................................16

2.1.3.3再生周期计算........................................17

2.1.4混合交换柱设计计算.............................................17

2.2过滤器设计计算...............................................17

2.3除碳器设计计算...............................................19

2.3.1工作面积计算....................................................20

2.3.2填料高度计算....................................................21

2.4槽罐设计计算.................................................22

2.5管路设计计算.................................................22

2.5.1进出水管 ........................................................23

2.5.2树脂注入管 ......................................................23

2.5.3树脂卸出管 ......................................................23

2.5.4压空进气管 ......................................................23

2.5.5呼排管 ..........................................................24

3废物治理 ...............................................................24

4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................................................25

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/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 17279—1998 水池贮源型 γ 辐照装置设计安全准则；

（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 5 mg/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 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 28.3m3。

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《GB 17279—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，

《GB 7465-2009 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

=28.3 m3

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：

1.0 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：

10～45 m/h；

717 型树脂工作交换容量：

500 mmol/L（湿）；

717 型树脂运行流速：

10～45 m/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 30 m/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

=0.033 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 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 5 m3/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

=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。

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）

=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：

0.033 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

=1.0 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 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 1950

mm。

本设计中，H2 取 2000 mm。

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）

=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。

结合以上情况，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 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

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

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

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

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

=0.083 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 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

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

=0.0167 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 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：

h =

G

S ⨯ A ⨯ K ⨯ ∆c

（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 30

mg／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：

h =

=

G

S ⨯ A ⨯ K ⨯ ∆c

0.025

204 ⨯ 0.0167 ⨯ 0.47 ⨯ 0.02

=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 1.0 m3/h,即储槽体积 V 为 2.0 m3。

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

=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 1.5～3.0m/s，本设计选用 1.5

m/s。

根据处理能力 1.0 m3/h，由式

（1）得：

S