第六章混床离子交换系统.docx

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第六章混床离子交换系统

第六章

混床离子交换系统

、处理原理

混合床离子交换法，就是把阴、阳离子交换树脂放在同一个交换器中，并且在运行前将它们混合均匀。

所以，混合床可以看作是许多阴、阳树脂交错排列而组成的多级式复床，如以阴、阳混匀的情况推算，其级数约可达1000～2000级。

在混合床中，由于阴、阳树脂是相互混匀的，所以其阴、阳离子交换反应几乎是同时进行的。

或者说，水的阳离子交换和阴离子交换是多次交错进行的。

所以经Ｈ型交换所产生的H＋和经OH型交换所产生的OH－都不能累积起来，基本上消除了反离子的影响，交换反应进行得十分彻底，出水水质很高。

混合床中树脂失效后，应先将两种树脂分离，然后分别进行再生和清洗。

分离的方法一般是用水力筛分法，即用水反洗，利用阳树脂的湿真密度比阴树脂大的特点，使阳树脂处于下层，阴树脂处于上层。

再生清洗后，再将两种树脂混合均匀，又可投入运行。

对水质要求高时，混合床中所用的树脂必须是强酸性阳树脂和强碱性阴树脂。

如用强酸性、弱碱性树脂或弱酸性、强碱性树脂的混合床，则出水水质就会降低，但是由于弱碱性或弱酸性树脂容易再生，故可降低再生剂的用量。

一般来说，混合床做成固定式的。

混床的离交换反应可以用下面的一个式子来表示出来：

（HsiO3-）2

R2（HCO3-）2

Cl-2

二、混床设备结构及特点

固定床式混合床离子交换设备的壳体和压力式过滤器的相同，是圆柱形密闭

容器。

壳体中常装置有上部进水装置；为了将其中阴、阳树脂分开再生，在其中部还设有配水装置。

其设备外观图具体见下图：

为了便于阴、阳树脂分层，混合床用的阳树脂和阴树脂的湿真密度差大于15％～20％。

关于在混合床中阴、阳树脂的配比，应从影响出水水质和一个周期中交换器的出水量两方面来考虑决定。

由于各种阴、阳树脂交换容量的不同和各系统中混合床进水的成分有差别，所以此配比值应根据具体情况选取。

关于出水水质，试验表明，除了阳树脂明显多于阴树脂的情况外，改变两种树脂比影响不大；当阴树脂多于阳树脂时，处理效果比阳树脂多于阴树脂的好。

目前国内采用的树脂体积比通常为阴∶阳＝2∶1。

三、安装说明

本系统中设备包括，混合离子交换器两台，酸碱再生计量箱各一个，再生泵的安装，酸碱喷射器各一个。

混合离子交换器安装参照设备的外观图，设备的管道安装请按现场管路图与工艺流程进行安装。

如有其它问题请与现场安装指导工程师联系。

本体设备中的视镜，与法兰连接面不能撞击。

酸碱喷射器应注意进出口方向与压力要求管道连接处应注意必须牢固可靠，且地面已经了进行防腐处理。

四、设备操作运行

由于混合床是将阴、阳树脂装在同一个交换器中运行的，因此在运行上有许多与普通固定床不同的地方。

下面从运行到失效后的操作进行讨论。

1．反洗分层。

混合床除盐装置运行操作中的关键问题之一，就是如何将失效的阴、阳树脂分开，以便分别通入再生液进行再生。

目前都是用水力筛分法，对阴、阳树脂进行分层。

这种方法就是借反洗的水力将树脂悬浮起来，使树脂层达到一定的膨胀率，再利用阴、阳树脂的密度差达到分层的目的。

一般阴树脂的密度较阳树脂的小，分层后阴树脂在上，阳树脂在下，只要控制适当，可以做到两层树脂间有一明显的分界面。

反洗开始时，流速宜小，待树脂层松动后，逐渐加大流速至10m/h左右，使

整个树脂层的膨胀率在50％以上。

如反洗流速过大，虽然可以增加树脂的膨胀率，有利于分离，但需要用较高级的设备，这就增加投资。

一般反洗需10～15min。

两种树脂是否能分层明显，除与阴、阳树脂的湿真密度差、反洗水流速有关外，还与树的失效程度有关。

树脂失效程度大的分层容易，反之就比较难，这是由于树脂在吸着不同离子后，密度不同，沉降速度不同而致。

当交换器运行到终点时底层尚未失效的树脂较多，未失效的阳树脂（H型）与已失效的阴树脂（SO4型）密度差较小，所以分层就比较困难。

为了容易分层，可在分层前先通入NaOH溶液，将阴树脂再生成OH型，阳树脂转变为Na型，使两者间的密度差加大，从而加快其分层。

此外，H型和OH型树脂还有互相粘结的现象（即抱团），这使分层困难。

为了消除此粘结现象，可在分怪前先通入NaOH溶液。

2．再生。

混合床的再生通常有体内再生法，下面来介绍这种方法。

混床再生操作有反洗分层，阳，阴离子树脂再生；混脂及正洗见图

1—阴离子树脂再生，

2—阳离子树脂再生,阴离子树脂清洗

3—阳,阴离子树脂各自冲洗

4—正洗

体内再生，就是树脂有交换内部进行再生的方法。

根据进酸、进碱和冲洗

步骤的不同，它又可分为两步法和同时处理法两种

所谓两步法是指酸、碱再生液不是同时日先后进入交换器。

两步法又可分为碱液流经阴、阳树脂的两步法和酸、碱分别通过阳、阴树脂的两步法。

在大型装置中，一般都使用酸、碱分别单独通过阳、阴树脂层的两步法。

这种方法，是在反洗分层完毕后，将交换器中的水放至树脂表面上约10cm处，从上部送入NaOH溶液再生阴树脂，废液从阴、阳树脂分界自的排液管排出，并按同样的流程进行阴树脂的清洗，清洗至排出水的OH-碱度至0.5mmol/L以下。

在此再生和清洗时，可用水下部通入阳树脂层，以减轻碱液污染阳树脂。

然后，再生阳树脂时，酸由底部通入，废液也由阴、阳树脂分界自的排液管中排出。

此时，为了防止酸液进入阴树脂层，需继续自上部通以小流量的水清洗阴树脂。

阳树脂的清洗流程也和再生时相同，清洗至排出水的酸度降到0.5mmol/L（O-H）以下为止。

最后进行整体正洗，即从上部进水，底部排水，一直洗至排出水电导率至

1.5μS/cm℃（25）以下（在正洗过程中，有时为了提高正洗效果，可以进行一次2～3min的短时间反洗，以消除死角，松动树脂层）。

体内再生的另一种方法是同时处理法。

此法实际上与碱、酸分别通过阴、阳树脂的两步法相似，即在再生和清洗时，由交换器上下同时送入的碱、酸液或清洗水，分别经阴、阳树脂层后，由中间排水装置同时排出。

此法再生时间的长短取决于阴树脂的再生时间。

实践证明，若使这种再生方法利到满意的结果，必须有精以设计的再生系统。

为了避免酸、碱液与出水的隔离，例如在连接混合床出水管的酸溶液输送管上设置两个阀门。

3.阴、阳树脂的混合。

树脂经再生和洗涤后，在投入运行前必须将分层的树脂重新混合均匀。

这里所用的压缩空气进入交换器之前的压力，一般采用0.1～

0.15Mpa。

压缩空气的流量为2.5～3.0m3/（m2·s）。

混合时间视树脂是否混合均匀为准，一般为0.5～1.0min，时间过长易磨损树脂。

为了获得较好的混合效果，混合前应把交换器中的水面层降到树脂层表面上100～150mm处。

树脂混合后，通常下层比较接近于给定的树脂混合（体积）比例，上层树脂相差较大。

这可能是由于混合后排水不及时或排水速度不够，在树脂往下沉降的过程中又重新分离的结果。

所以，要使树脂能混合均匀，除了必须通入适当的压缩空气、并保持一定时间外，尚需有足够大的排水速度，迫使树脂迅速降落，避免树脂重新分离。

树脂下降时，采用顶部进水对加速其沉降也有一定的效果。

4.正洗。

混合后的树脂层，还要用除盐水以10～20m/h的流速进行正洗，直至出水合格后，方可投入制水运行。

正洗初期，由于排出水浑浊，可将其排入地沟，待排水变清后，可回收利用。

5.交换。

混合床的离子交换与普通固定床的相同，只是它可以采用更高的流速，通常取40-60m/h。

上述的再生过程也可以下步骤来表述：

（1）反洗。

碱液箱放满清水，开启反进水阀、反排阀，开动碱泵，调整进碱阀，水从混柱下部进入，从反排阀排出，将柱内的脏物和碎树脂冲出，同时松动树脂。

（2）分层。

利用阳、阴树脂的比重不同，用NaCl溶液使阳、阴树脂分层。

在碱液箱内配制＞10%浓度NaCl溶液，按反洗的操作进行，柱内树脂很快就会分出阴树脂在上、阳树脂在下的两层树脂。

此时阳、阴树脂按接触面应处于中排位置，阳、阴树脂的比是1：

2，如树脂量不合适时，应调整阳阴树脂装填量。

树脂量调整合适以后，用中间水箱水正洗一次，操作同运行，从正排阀排水，正洗至正排阀排水与进水掉到率一致为止。

（3）再生阴树脂。

碱液的浓度，用量及配制方法参考阴柱再生，配制用水改为阳床的产水或纯水。

再生时开启进水阀、正排阀，开动碱泵，调整进碱阀，控制再生液流速在2~5米/时，再生液用完为止。

（4）正洗阴树脂。

用中间水箱水按运行操作，从正排阀排水，正洗至排水pH=7.5，电导率与进水一致为止。

（5）再生阳树脂。

酸液的浓度、用量及配制方法参考阳柱再生，配制用水改为中间水箱水。

再生时开启反进水阀、反排水阀。

开动酸泵，调整进酸，控制再生液流速在2~3米/时，酸液自柱底部进入，从反排水阀排除，以酸液不接触或少接触阴树脂为好，再生液用完为止。

（6）置换逆洗。

置换逆洗用纯水，操作同阳树脂再生，约30分钟。

（7）正洗阳树脂。

用中间水箱水按运行操作，从正排阀排水，正洗至正排阀排水pH=6.6~7.0、电导率与进水一致为止。

（8）混合树脂。

开启正排阀、排气阀排水，排至柱内水面高于树脂上平面200~250mm时关闭正排阀。

打开气洗阀进气，此时柱内气、水、树脂上下翻腾，阳阴树脂充分混合，混合时间约20分钟，混匀后关闭阀，正排阀开启，按运行正洗，正洗至出水电导率＜1μS/cm时，关闭各阀待用。

注：

混柱再生时也可以不用NaCl溶液分层，直接用碱液再生，从正排阀P3进再生液，再生阴树脂时同时分层。

此种方法操作简便，但树脂分层不如用NaCl溶液效果好，再生阳树脂时容易使近于接触面的阴树脂失效。

生产工艺中常用酸、碱分别通过阳、阴树脂的两步法，下面着重介绍“两步

法”。

（1）反洗分层。

反洗流速10-15m/h反,洗时间一般为15-20min。

待反洗水清晰后，关闭反洗入口门、排水门，待树脂落实后，从监视镜检查树脂分层情况，分层好的树脂在中间排水管附近有明显的颜色区别。

如分层不明显可重新反洗分层。

两种树脂是否能分层明显，除与阴、阳树脂的湿真密度差、反洗水流速有关外，还与树脂的失效程度有关。

树脂失效程度大的分层容易，反之就比较难，这是由于树脂在吸着不同离子后，密度不同，沉降速度不同而致。

对于阳树脂，不同型的密度排列为：

ρH<ρNH4<ρCa<ρNa<ρK<ρBa阴树脂不同型的密度排列为：

ρOH<ρCl<ρCO3<ρHCO3<ρNO3<ρSO4当交换器运行到终点时底层尚未失效的树脂较多，则由上述排列可知：

未失效的阳树脂（H型）与已失效的阴树脂（SO4型）密度差较小，所以分层就比较困难。

为了容易分层，可在分层前先通入NaOH溶液，将阴树脂再生成OH型，阳树脂转变为Ｎa型，使两者间的密度差加大，从而加快其分层。

（2）再生。

混床的再生有阳树脂再生、阴树脂再生、对流冲洗和小正洗四步：

①阳树脂再生。

开启酸抽子入口水门，调整进水流速5m/h。

开启碱抽子入口水门，维持“顶压水”流速5m/h，用中间排水门调整树脂层上部水层200-300mm。

开启进酸阀，调整再生酸浓度2%-3%，注酸再生。

在注酸过程中，要经常检查“顶压水”的流动情况。

以免“顶压水”中断，使再生酸液上流，污染阴树脂。

②阴树脂再生。

待酸打完后，关闭酸浓度调整门。

此时酸抽子不停，继续用除盐水冲洗阳树脂。

这样做有两个目的：

一是用除盐水清洗阳树脂层中的再生产物和废再生液;二是作为托碱水，用以防止再生碱液下流，污染阴树脂。

开启进碱阀，调整碱再生浓度1.0%-1.5%，注碱再生。

混床的再生剂量与混床的出水水质有关。

混床要求出水水质好，其再生剂用量则较高如出水水质稍差，其再生剂用量则低。

一般阳树脂采用理论剂量的2倍，阴树脂采用理论剂量的3

倍。

当采用体外再生时，其比耗可以低于上述数值。

混床再生剂用量及其出水水

质关系见下表所示

表：

混床再生剂用量与出水质量关系

再生剂用量/kg.m-3树脂

出水水质电导率μs?

cm-1

HCl

NaOH

I型阴树脂

II型阴树脂

198

162

0.07

0.10

132

81

0.167

0.25

106

49

0.25

0.40

92

32

0.34

0.40

66

16

0.40

0.50

③对流冲洗。

待注碱完，继续用除盐水从上、下两个部分进入混床，对混床

树脂进行冲洗。

冲洗终点：

中间排水取样化验，硬度约为0μmol/L、HSiO3-小于50μg/L时，停止对流冲洗，关闭有关阀门。

（3）混脂。

混脂时，压缩风压力为0.1～0.5Mpa混,脂时间为3～5min。

从监视看到树脂基本混匀后，应快开正洗排水门，快开压缩风门，使树脂层能快速落实，避免树脂重新分层。

（4）正洗。

混合后的树脂层以10～15m/h的流速通水进行正洗。

正洗终点以正洗排水中HSiO3-含量小于20μg/L，电导率小于0.2μs./cm为好。

由于运行方式的特殊性，混合床有下列特点：

1.优点：

1）出水水质高。

用强酸性Ｈ型树脂和强碱性OH型树脂组成的混合床，制得除盐水的残留含盐量在1.0mg/L以内，电导率在0.2μS/cm以下，残留硅酸含量（以SiO2表示）在0.02mg/L以下；

2）出水水质稳定。

工作条件的变化一般对混合床的出水水质影响不大；

3）间断运行对出水水质影响较小；

4）交换终点明显。

2.缺点：

1）树脂交换容量的利用率低；

2）树脂损耗率大；

3）再生操作复杂。

五、运行实例

面是由多个阀门组合来控制混床运行与再生的示意图

其运行与再生步骤如下（共有十一步，其中前十步为再生用，最后为混床的运行状态）。

步骤中的数字为示意图中所开阀门编号，否则为未开阀门。

1．反洗：

2，7；

2．分层

3．进酸碱再生：

3，6，11，13，14；

4．慢洗：

6，11；

5．快速冲洗：

5，8，11；

6．正排水：

1，11；

7．树脂混合（进气体）：

1，9；

8．最后正洗：

4，10；

9．运行：

4，12。

其中酸碱流量，运行、再生压力，气体流量与所用罐体与阀门控制有关，具体操作参考各具本情况进行调节、设置与控制。

本例只是讲述混床再生运行过程原理，各阀门编号与实际混床编号有区别，务必注意。

混床阀门状态表：

步骤

正洗

制水

反洗分

沉降

放水

再生

冲洗

排水

混合

灌水

正洗

阀门

5m

层15m

5m

2m

50m

10m

3m

10m

2m

10m

进水阀

√

√

√

√

√

出水阀

√

反排阀

√

√

√

√

√

反进阀

√

√

正排阀

√

√

√

√

进碱阀

√

进酸阀

√

进气阀

√

中排阀

√

√

备用中间泵

√

√

√

√

√

√

再生泵

√

混床再生后，在投入运行前，必须将阳、阴树脂混合均匀。

混床树脂混合的

好坏将直接影响混床的出水质量和运行周期。

在进行树脂混合时应注意如下几点：

○1混脂前，应将混床内水位排至树脂层上部200-300mm处。

○2混合前的压缩风应无油，其压力为.10-0.15Mpa，其流量应使被混合的树脂充分搅动。

○3混合时间应视树脂是否混合均匀为准，通常不应少于5min。

○4为了使树脂混合均匀，除通入压缩风并保持一定时间外，混合结束后，应快开正洗排水门，并可开启入口水门，通入一定量的水，使树脂快速落床，以避免其重新分层。

○5此外，H型和OH型树脂还有互相粘结的现象（即抱团），这使分层困难。

为了消除此粘结现象，可在分怪前先通入NaOH溶液。

反洗流速为10-15米/时，反洗时间一般为15-20分钟。

待树脂落实后从监视镜检查树脂分层情况好的树脂中间排水管附近的树脂层颜色应有明显的区别。

六、酸碱的操作与配备

当混床需要再生时，系统的操作将涉及到酸碱的操作。

酸与碱会对人造成严重的后果，瞬时的吸入酸雾就使人难受，当不小心接触到酸或碱时，须及时清洗，具体的操作可以参照更详细的酸碱操作规程。

1、酸槽与碱槽酸槽与碱槽内分别装入酸和碱。

当运浓酸槽车到达，接好对应输酸管道，将浓酸由御酸泵抽入酸槽，酸槽装有液位计，可以即时地看到酸槽液位。

在输入酸前，一定要检查输酸管道是否密封良好，一旦发生泄漏，立即关闭泵、酸车出口阀，酸槽进口阀，然后进行酸的常规处理。

装满的酸槽最初有大量的酸雾产生，酸雾是通过管道接入酸雾吸收器进行处理，这是须打开酸雾吸收器的进水阀与排酸液阀，酸雾吸收器通过水喷头将水从酸雾吸收器顶部快速将水喷出与酸雾接触从而吸收酸雾。

酸槽到酸箱的连接由酸槽出口阀、电动阀、酸箱进口阀组成，当系统投入运行时，酸槽出口阀、酸箱进口阀调节到适当的开度，电动阀门由再生程序控制开闭，当系统再生完毕，电动阀自动打开，浓酸液通过自流向酸箱填充。

酸槽的液位指示出酸槽需及时补给酸；酸箱的高液位指示酸槽与酸箱中间的电动阀门的关闭，低液位指示再生的完成同时关闭酸箱与射流器之间的电动阀门。

碱槽与酸槽的操作大体相同。

2、酸计量箱与碱计量箱

酸计量箱的体积是1.0M3，但每次每罐再生阳树脂时需要浓盐酸，这些浓盐酸是酸箱的低液位与高液位之间所包含的体积，当再生启动时，酸箱与射流器之间的电动阀门打开，当酸计量箱的浓盐酸被吸完后，即酸计量箱到达低液位，所打开的电动阀门自动关闭，同时打开酸槽与酸计量箱中间的电动阀门，酸槽内的浓酸液在重力的作用下自动流入酸计量箱，当酸计量箱内液位上升到高液位时，高液位发生的信号会自动关闭酸槽与酸计量箱中间的电动阀门，从而达到控制酸计量箱内酸的量。

酸雾产生时，也需打开酸雾吸收器的进水阀，以吸收酸雾。

吸收酸雾的液体宜排放到废水处理站进行处理。

碱计量箱与酸计量箱的操作过程大体相当，只是液位安装的不同，需要用NaOH。

七、混床处理诊断技术介绍

1）混合离子交换器再生时易出现哪些异常？

应如何处理混床树脂的分层效果与下列因素有关树脂的湿真密度差。

要保证混床树脂有较好的分层效果，阳、阴离子树脂的湿真密度差就应在15～20％以上。

树脂的湿真密度小于上述数值，阳、阴离子树脂的分层效果不好。

树脂的粒度。

阳、阴离子树脂的粒度应均匀，一般树脂粒度为0.3～0.5mm，均一筛选分＞90％的树脂粒度变化范围在±100mm之内。

反洗操作不适当，流速过小或时间过短

2）怎样确定混床的失效点？

控制混床的失效主要有三种方法：

（1）控制混床出水电导率或HSiO3-.根据水质标准，当混床出水电导率大于

0.2μs/cm,或出水HSiO3-大于20μg/L时，即可停止混床的运行。

这种方法能够充分利用树脂的交换能力。

从混床的运行实践看，混床出水的电导率上升，也正是出水HsiO3-开始产生漏泄的时候。

所以用控制混床出水电导率的方法比较准确，方法也简便。

（2）控制批制水量法。

由于混床入口床质量较高，一般均为一级除盐水，电导率小于5μs/cm,HSiO3-小于100μg/L，而且水质变化不大。

所以混床的运行周期与树脂的再生状况有密切的关系。

根据运行经验，大体上可以确定混床在一个周期的制水量，混床到了预定的制水量即停止运行，进行再生。

采用这种方法的特点是比较安全。

只要确定得当，基本上不会发生在预定制水量内失效的情况。

但是这种控制方法比较保守，即是达到预定制水量时，实际上距离树脂的失效还有一段时间，因此树脂的交换容量不能充分利用。

（3）控制压差法。

在生产实践中有这样的情况：

由于混床运行时间很长，所以尽管还没有失效，但是混床的出、入口压差已很大了。

如果继续运行下去可能会出现两种情况：

一是由于树脂压得太实，会影响混床的运行流速：

同时如果出、入口压差过大，树脂的破碎也会相当高。

因此在实际生产中，有一些厂家就规定，混床的出、入口压差不得大于0.05Mpa,达到这个数值，就应将混床停下来进行再生。

3）如何进行混床的反洗分层？

混床再生操作的关键就是如何将失效的阳、阴树脂分开，以便分别通入再生液进行再生。

目前混床都是采用水反洗，使混床的阳、阴树脂进行分层的方法。

在进行混床的反洗分层时，开始的反洗流速宜小，待树脂层松动后逐渐加大流速至10m/h左右，使整个树脂层的膨胀率在50%左右后，让树脂沉降下来。

由于阳树脂的密度大，会沉于正面，阴树脂的密度小，会浮于上面，使两种树脂明显分开。

反洗时间一般控制在15-20min。

反洗时注意不要跑树脂。

4）混床树脂分层不好对出水水质有什么影响？

混床树脂分层不好会产生“交叉污染”，而这个污染对混床出水水质有如下两个方面的影响：

（1）分层不好是导致混床出水pH值偏低的主要原因。

由于树脂分层孬，阴树脂会受到再生酸的污染。

即：

ROH+HClRCl+H2O

当混床正洗或运行时，由于水中pH值不断升高（直到4-7）在这样的PH范围内，被酸污染的树脂会产生水解：

RCl+NaOHRNa+HCl

这样在混床正洗或运行时，阳树脂上的Na+会被逐渐置换出来，进入水中。

这样一方面会使床子的正洗时间延长，另外也会使混床在运行时出水含盐量高。

5）混床树脂的分层效果与什么因素有关？

混床树脂的分层效果与下列因素有关：

（1）树脂的湿真密度差。

生产实践表明：

要保证混床树脂有较好的分层效果，阳、阴树脂间的湿真密度差应在15%-20%经、以上。

树脂的湿真密度小于上述数值的，阳、阴树脂的分层效果不好。

（2）树脂的粒度。

树脂粒度不均也会影响分层。

为了保证分层效果，阳、阴树脂的粒度应均匀，一般要求其粒度为0.3～0.5mm,均一筛分大于90%（即90%的树脂粒度变化范围在±100μm之内）。

（3）树脂的失效程度。

树脂在吸着不同离子后，密度不同、沉降速度也不同。

对阳树脂而言，不同离子型的密度排列为ρH<ρCa<ρNa;对阴树脂而言，不同离子型的密度排列为：

ρOH<ρCl<ρSO4.

当混床运行至终点时，如底层尚未失效的树脂较多，则由上述排列可知：

未失效的阳树脂（H型）和已失效的阴树脂（SO4型）密度差较小，所以