毕业设计原水纯化工艺设计.docx
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毕业设计原水纯化工艺设计
中国矿业大学银川学院
本科毕业设计
（2015届）
题目原水纯化工艺设计
系别
专业班级
学生姓名
指导教师
教务处制
2015年5月18日
中文题目：
原水纯化工艺设计
毕业设计共35页
图纸共4张
完成日期：
2015年4月8日
答辩日期：
2015年5月16日
摘要
纯水又称去离子水，是指以符合生活饮用水卫生标准的水为原水，通过电渗析器法、离子交换器法、反渗透法、蒸馏法及其他适当的加工方法，制得的密封于容器内，且不含任何添加物，无色透明，可直接饮用的水.
本设计方案是以反渗透膜技术为核心，辅以合适的前处理手段和后处理措施，设计了制取高质量桶装饮用纯水以及去离子水的完整系统。
整个纯水系统各设备相互补充、相辅相成，系统设计先进、运行可靠、操作简单、监控自动化程度高。
关键词：
原水；纯化水;过滤器；反渗透
1绪论
1.1纯水的分类
在工业用水中，根据对水的不同要求可按其纯度进行分类。
（1）软化水一般是是指将水中的Ca2+、Mg2+等离子的含量降低或去除至一定程度的水。
水在软化过程中，硬度降低，软化水一般广泛用于低压工业锅炉用水。
软化方法通常为离子交换法和药剂软化法。
（2）纯水又称去离子水。
一般是指用物理、化学的方法将水中易于去除的强电解质去除之外，还将水中难以去除的硅酸即二氧化碳等弱电解质去除至一定程度的水。
25℃时纯水中的电导率一般为0.1~1μS/cm，剩余含盐量一般应在1mg/L以下。
纯水制备的常用方法有离子交换、灭菌、膜分离等方法。
（3）高纯水又称“超纯水”。
一般是指将水中的导电介质几乎完全去除，又将水中不离解的胶体物质、气体即有机物均去除至极低程度的水。
高纯水中剩余含盐量应在0.1mg/L以下，25℃时的电导率在0.1μS/cm以下。
（4）理论水又称理想水，即不含任何杂质的水，这样的水是不存在的。
（5）脱盐水（包括一级脱盐与二级脱盐）一般是指用物理、化学等方法将水中易于去除的强电解质去除至一定程度的水。
在除盐过程中亦除去了部分机械杂质和有机物质。
脱盐水中的剩余含盐量一般应在1~5mg/L，25℃时的电导率为1~10μS/cm。
常用的脱盐方法有蒸馏、膜分离、离子交换或几种方法的组合使用。
将水中易于去除的强电解质去除之外，还将水中难以去除的硅酸即二氧化碳等弱电解质去除至一定程度的水。
25℃时纯水中的电导率一般为0.1~1μS/cm，剩余含盐量一般应在1mg/L以下。
纯水制备的常用方法有离子交换、灭菌、膜分离等方法。
1.2纯水的应用
1.1.1纯水的应用范围
水一向被称为工业系统的“血液”。
随着高新技术的发展，工业部门对水、气、化学试剂及环境这些基础条件提出了越来越高的要求。
这也促进了相应产业和技术的进步，水作为一种应用量最大、面最广的基本材料，其发展的速度尤为迅速。
当今，纯水和超纯水已成为现代工业部门必不可少的基础材料之一，它们在电子、医药、能源、化工、汽车、机械、电镀、电池、冶金等几乎全部的工业及实验室领域中已得到了广泛的应用。
1.2.1纯水在电子工业中的应用
纯水在电子工业中主要用作超大规模（VLSI）和甚大规模集成电路芯片（ULSI）清洗水。
自1958年世界上第一块集成电路问世以来，尤其是最近20年来，几乎每隔2～3年就有一代产品问世，其集成度达到0.15μm以下，不断地给人类生活和现代科学技术的发展产生深远的影响。
在集成电路的生产过程中有几百道工序，其中80%以上的工序要使用高纯水进行清洗。
水中的各种微量杂质（电解质、颗粒、有机物、细菌、硅、溶解气体）对产品质量都会有重要影响，因此高品质的纯水对集成电路的生产直至关重要。
VLSI和ULSI对水质的要求成为当代高纯水水质的极限。
可以说没有高纯水就没有现代电子工业。
1.2.2纯水在医药工业中的应用
纯水在医药工业中有着十广泛的应用。
在商品生产中，不论容器的洗涤，还是原料、制剂的生产均离不开水。
水师药物生产中用量最大、使用最广的一种原料。
其质量好坏直接关系到药品质量。
一般讲的制药用水，是指药用纯水。
各国的药典对药用的纯水的规定各不相同。
中国药典1995版收载有蒸馏水、注射用水和灭菌注射用水，美英等国的药典则收载有精致用水、注射用水、灭菌注射用水、抑菌剂注射用水、灭菌吸入用水和灭菌冲洗用水。
2000版的中国药典取消了“蒸馏水”的名称而代之“纯化水”。
纯化水可用作配制普通药物制剂用的溶剂或试验用水，注射用水用作配制注射剂。
根据制药工艺所提出的水质要求，医药用水可分为饮用水、纯水、注射用水和灭菌注射用水。
不同的水质级别可满足不同的工艺用途，表1-1给出了中国医药用水的水质要求和用途。
表1-1中国医药用水的水质要求和用途
水质类别
水质要求
纯水
去离子水
参照《中国药典》,蒸馏水质量标准,电阻率＞0.5MΩ·cm（导电率≤2μΩ）。
制药用水对纯水电阻率要求并不高，一般大于等于1MΩ·cm即可，但对纯水中的细菌、毒性物质要求很严，对水的浊度、铁、锰等金属离子以及氯离子、二氧化硅等也有严格控制。
水被选作包括洗涤剂、润肤霜等大多数药剂的溶剂，当然，水也是在严重疾
病和致伤事故中代替自然人体体液的静脉输液的主要成分。
在这些应用中，任何污染物的存在都会导致药物治疗的负面影响，干扰药物治疗的化学效应，甚至直至伤害病者。
需要高纯水的医药产品包括药典规定的和无需医师处方的两大类，后者如眼药水或隐形眼镜清洗液。
医药工业的各种实验室的研究也需要较少量的高纯水。
此外，血液透析也需要大量的纯水。
在血液透析中，患者的血液流过血液透析机，和仅被半透膜隔开的水贴近。
血液中的污物扩散通过膜浸入水中，因此净化了患者体内的血液。
血液透析机中使用的水通常是由经仔细地去除可能干扰透析过程的大多数离子无知制得的。
表1-2给出了AAMI血液透析用纯水标准.
表1-2AAMI血液透析用纯水标准
序号
项目
单位
最高容许值
1
2
3
4
5
钙
镁
钠
钾
氟化物
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
2.0
4.0
70.0
8.0
0.2
6
7
8
9
10
氯
氯胺
硝酸盐
硫酸盐
铜、钡、锌
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
0.5
0.1
2.0
100.0
各0.1
11
12
13
14
15
铝
砷、铅、银
镉
铬
硒
μg/L
μg/L
μg/L
μg/L
μg/L
10.0
各5.0
1.0
14.0
90.0
16
17
18
19
汞
悬浮颗粒
细菌
电阻率25℃
μg/L
μm
个/mL
MΩ·cm
0.2
5.0
小于等于100
大于等于1
20
盐透过率25℃
%
若采用RO法，盐透过率不应超过该设备开始实验时盐透过量的两倍
1.2.3纯水在能源工业中的应用
能源工业如火电厂和核电公司在电能生产的过程中需要用大量的高纯水作为锅炉的供水，因此电力公司也是高纯水的主要用户。
电厂锅炉的补给水有着较严格的质量标准，不合格的水进入水汽循环系统，将有可能导致热力设备结垢、腐蚀、过热器和汽轮机的积盐等各种危害。
随着高参数、大容量火电机组的迅速发展，对高压锅炉和超高压锅炉的补给水水质提出了更高的要求。
1.2.4纯水在化工工业中的应用
纯水、超纯水在化学工业中的应用也十分广泛。
化学工业中也常常需要涉及锅炉用水，纯水的应用可以保证锅炉及整个系统的正常运转。
除了锅炉补给水以外，化学工业生产中的工艺用水也需要纯水，通常水量较大。
在精细化工产品的生产中，反应用水、洗涤用水、结晶用水等对水质要求高，需要大量的纯水。
这些工艺用水对水质要求通常为1～5MΩ·cm，单机制水能力也较小，通常为1～20t/h。
在离子膜法制碱工艺中的许多工序都需用无离子水，如电解工段离子膜碱浓度的调节，过滤二精工段树脂的再生，高纯酸工段高纯盐酸的生产等。
在化工高纯材料，如电子工业用MOS级试剂高绝缘性能的微粉及纳米级化工材料的生产工艺中需要用18MΩ·cm的超纯水。
1.2.5纯水在其他工业中的应用
纯水在轻工业如造纸厂、食品加工厂中也有着广泛的应用。
在只讲和造纸厂、化学加工工厂、食品加工系统中需要用锅炉来生产仅供加热的蒸汽。
在这些应用中，所需蒸汽的质量不同于电厂所需的蒸汽质量。
二氧化硅的沉淀和涡轮机叶片的腐蚀不是问题，比较而言，返回管线中冷凝液的酸性腐蚀才是最重要的。
这涉及去除水中的碳酸氢盐和碳酸盐的碱度，避免这些化合物在锅炉中的解离，以及产生的二氧化碳进入冷凝管线。
在这些工业过程中，提高锅炉用水的纯度是十分必要的。
1.3本课题的目的
本系统设计思路:
生产饮用纯净水和制药厂用水两类使用标准不同的用水，创新点在于设置共用的前置反渗透处理设备，出水旁路再设置一台生产去离子混床，达到一套系统两个用途的生产目的。
2原水纯化工艺流程
本水处理系统设计由预处理、反渗透脱盐、终端处理三大部分组成。
2.1预处理
图2-1工艺流程框图
2.1.1原水箱
贮存中转，供后道预处理使用。
2.1.2原水泵
原水泵的主要作用是对原水增压到0.3Mpa左右供后道使用，本原水泵选用南方特种泵，叶轮为304不锈钢材料，该泵外型漂亮，体积小，效率较高，噪音低。
反冲泵可作为多介质过滤器、活性炭过滤器反洗时用。
2.1.3多介质过滤器
多介质过滤器的设计应充分考虑反洗周期、流量及强度，如反洗不彻底，会导致上层滤层结块，影响过滤效果。
反洗周期以过滤器进出水压差来确定，反洗应使滤层膨胀20%左右，强度为18-20L/s.m2，和压缩空气混合反洗效果最佳，并能节约反洗用水。
本系统配置一台Φ600的不锈钢过滤器，内装优质无烟煤和精致石英砂，运行流速为11m/h，产水量为3.5m3/h。
2.1.4活性炭过滤器
活性炭过滤器的工作是通过碳床来完成的，组成碳床的活性炭颗粒有非常多微孔和巨大的比表面积，具有很强的物理能力。
水通过碳床，水中的有机污染物、余氯被活性炭有效吸附，从而防止反渗透膜被污染及氧化损伤，延长膜的使用寿命。
本系统配置一台Φ600的不锈钢过滤器，内装8-12目优质颗粒果壳活性炭，活性炭滤层高度为1.2米，活性炭过滤器具有大流量反洗功能。
2.1.5精密过滤器
精滤器的作用主要是拦截有可能从活性炭过滤器漏出的细小颗粒，以防止损伤高压泵机械密封和划伤反渗透膜表面。
2.2反渗透脱盐
2.2.1RO反渗透
RO（ReverseOsmosis）反渗透技术是利用压力差为动力的膜分离过滤技术,RO反渗透膜孔径小至纳米级（1纳米=10-9米），在一定的压力下，H2O分子可以通过RO膜，而原水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。
一般性的自来水经过RO膜过滤后的纯水电导率5μs/cm，符合国家实验室三级用水标准。
再经过原子级离子交换柱循环过滤，出水电阻率可以达到18.2M.cm，超过国家实验室一级用水标准（GB6682—92）。
2.2.2EDI（ElectronicDataInterchange）
EDI是电渗析与离子交换有机结合形成的新型膜分离技术，它既保留了电渗析可连续脱盐及离子交换树脂可深度脱盐的优点，又克服了电渗析浓差极化所造成的不良影响及离子交换树脂需用酸、碱再生的麻烦和造成的环境污染。
与传统的离子交换树脂相比，EDI具有树脂用量少，占地面积小，不用酸碱再生，无废酸、废碱排放，产水水质好，容易实现自动化等特点。
将EDI装在双级反渗透器（TFC膜）的后面，在高纯水装备中，脱盐率可达99%，能除细菌和热原，水的电阻率能达17MΩ·cm（25℃）。
将EDI和RO联用可省去一般制水系统中的复床和混床，若要达到电阻率18MΩ·cm（25℃）以上，可在末端增加一级不再生的精混。
2.2.3阻垢剂投加系统
反渗透装置在长时间运行后，会在膜表面逐渐形成结垢物，严重时对产水量影响较大，为降低反渗透膜结垢的倾向，减少化学清洗的次数，固本系统设置了阻垢剂投加系统，选用进口美国阻垢剂MDC系列。
本系统的计量泵选用德国普罗敏特公司（大连）产品，另配50L计量箱1只。
2.2.4NaOH投加系统
因反渗透膜对CO2截留率低，且一级反渗透脱盐装置产水pH值小于6.0，在此条件下，CO2溶解度较高，使一级反渗透装置产水中含有较高的CO2，经二级反渗透装置处理后，产水pH值和电导率达不到技术指标，因此二级反渗透装置进水需要进行pH值调节。
在二级反渗透进水处注入NaOH溶液，调节进水的pH值至7.0左右。
这样，一方面CO2和OH-反应生成HCO3-，反渗透对HCO3-有很高的去除率，使产水电导率指标得到了保证，另一方面，调整进水pH值在7.0左右，使反渗透处在最佳工作条件，同时使产水的pH值符合要求。
2.2.5化学清洗系统
无论预处理多么完善。
反渗透装置运行较长时间后，总会出现产水量下降，脱盐率下降和压差上升等现象，这是由于水中的污染物在膜面结垢引起的，需用化学药剂进行循环清洗。
在化学清洗箱中配制好一定浓度的化学药剂，然后切换相应的阀门，就可对某台需清洗的设备进行化学清洗。
清洗系统由清洗溶液箱、清洗泵、管阀件等组成。
本系统反渗透装置的给水采用较为合理的预处理，膜的化学清洗的频率将大大减少。
2.3后段处理部分
2.3.1纯水箱
纯水箱的主要作用是贮存反渗透的产水，其中一部分水供混床使用生产实验用水，另一部分通过气液混合泵冲入臭氧生产纯净水.
2.3.2气液混合泵
气液混合泵的主要作用是把纯水箱的水和臭氧完全混合，供后道灌装使用，该泵选用南方泵业产品，泵叶轮为304不锈钢材料，该泵外型漂亮，体积小，效率较高，噪音低。
2.3.3微滤器
微滤器的主要作用是去除纯水中残留的微小颗粒以及细菌。
因微滤器的过滤孔径为0.22微米，比细菌要小的多。
该微滤器外壳采用304不锈钢制作，滤芯为耐臭氧滤芯。
2.3.4臭氧发生器
臭氧发生器的主要作用是杀菌、保鲜。
便于纯水的储存。
2.3.5混床
为了使产水符合实验用水，电阻长时间达到1MΩ.CM，（实际最高可达5MΩ.CM）满足用户的使用要求，必须在反渗透后加混床处理。
混床床身采用透明有机玻璃材料，耐酸碱，而且能方便观察交换树脂的颜色变化，极大方便再生工作。
树脂采用混床专用型阴阳树脂，由于之前反渗透已脱除98%的离子，此时的混床交换负荷非常小，因此再生周期将大大延长，降低了再生费用。
2.4控制部分
本水处理系统的控制分手动及PLC[7]（可编程序控制器）控制两部分：
（1）手动部分
①多介质过滤器、活性炭过滤器反洗时阀门切换采用手动操作；
②反渗透主机的化学清洗采用手动；
③混床的再生过程采用手动操作。
（2）自动部分
①原水箱进水采用浮球液位控制；
②投加药剂与RO主机联动，自动投加；
③反渗透主机系统采用PLC程序控制，与纯水箱液位实现连锁，当纯水箱达设定高液位时，反渗透主机自动执行关机程序，反之则开机，并设置如下功能：
a低压断水保护；
b开机自动膜面冲洗；
c混床出口采用自动高压防爆装置，以免误操作引起局部压力过高，损坏交换柱
3纯水制备系统设计计算
3.1前处理系统设计
3.1.1原水箱设计
以城市自来水为原水生产纯净水时，有时由于水压不足需设贮水箱（池）调节水量，以便加压泵吸取，在设计中考虑预处理水量的大小，可按1～1.5h的生产水量计算调节水箱
以地下水自备水源生产纯净水或矿泉水，调节池主要作用是调节水量，可按2～4h的生产水量计算调节水箱（池）。
设计条件：
（1）某纯净水厂以尝试自来水为原水，生产水量Q=6m3/h
（2）储备时间T=1h
水箱容积V=QT=3×2=6（m3）
表3-1PE塑料水箱（水塔）规格尺寸表
型号
容量/T
等级
底部直径/mm
垂直高度/mm
口径/mm
总高/mm
重量/kg
参考壁厚、重量
PL200
0.2
540
750
370
910
4.8
2.1/5.5
PL300
0.3
A
710
760
450
920
10
2.5/7
0.3
B
7
3.5/8.5
PL500
0.5
A
855
900
450
1100
15
3.5/10
0.5
B
10
5/13
PL800
0.8
特厚
960
1040
450
1280
20
5/15
0.8
A
18
4/14
0.8
B
14
5/17
PL1000
1
特厚
1080
1140
450
1400
25
5.9/29
1
A
20
3.4/17
1
B
17
4.2/20
PL1500
1.5
1200
1250
450
1530
30
5.3/30
PL2000
2
1330
1420
450
1680
40
4.7/40
PL3000
3
1490
1600
660
1900
65
7.8/80
PL5000
5
1840
1870
650
2200
120
8.5/125
PL8000
8
2260
2060
600
2500
200
10/200
PL10000
10
A
2240
2490
650
2800
265
13/255
B
250
11/260
PL15000
15
2730
2830
650
3300
420
14/390
PL20000
20
A
2730
3460
650
3850
600
15.2/560
B
560
20/700
PL30000
30
A
3130
3900
650
4360
1000
17/940
B
960
19/1100
PL40000
40
3200
5000
600
5700
1460
20.8/1330
PL50000
50
3200
6300
600
7000
1720
22.7/1720
锥形PL-1000L
1
1070
1320
1610
22
4.2/22
锥形PL-1500L
1500L
1100
1000
450
1500
40
产品型号
容量
上外径
下外径
高度
边宽
总高
重量
吨桶大口
1200*1000
1200*1000
1160
26
查表可知选用PT3000L型PE塑胶水箱2个，尺寸1490mm×1900mm，立式柱形平底，进水设浮球阀，底部设排污阀，内设低液位控制报警器，水位低时原水泵停止，系统保护。
3.1.2砂滤器设计
在纯净水生产中，粗滤主要是去除水中少量悬浮物（浊度在10度以下）以及部分细菌，由于水量较小，常用压力过滤器，又常称为机械过滤器或称多介质过滤器。
[1]
设计条件：
自来水水浊度在3～5度（浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。
水中的悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。
），水量为4.5m3/h。
由于纯净水生产后续工艺反渗透原水利用率一般在75%左右，则Q=4.5/0.75=6m3/h
（1）选用1台钢制压力过滤器，内凃防腐材料，每台产水量为Q=6m3/h，滤速取v=8m/h，则过滤器直径为：
D=
=
=0.0.489（m），取D=490mm
实际滤速为v=
=
=37.8（m/h）
滤料选用粒径0.5~1.0mm的石英砂，厚度1000mm，需滤料1.9m3。
配水系统采用小阻力配水，上设φ25多缝滤帽，缝宽在0.25～0.4mm，滤帽布置数50个/m2，开孔比1.5%，本过滤器需滤帽数n=50S=50×（
）2π=50×（
）2×3.14=10（个）
原水进水管和清水出水管采用Dg80钢管，并设同规格的阀门2个。
反冲洗进水和排水采用Dg100钢管，设同规格的阀门2个。
底部设Dg50排污管和阀门。
反冲洗强度q=6L/（s·m2），则反冲洗水量Q洗=ξq=（
）2×3.14×6=1.13L/s=4.1m3/h，反洗阻力一般不大于20m，选用IS100-80-125离心清水泵一台两辆100m3/h，扬程20m。
（2）压力式玻璃钢过滤罐多路阀控制设计[10]。
预处理设备流量Q=6m3/h
采用压力式玻璃钢过滤罐，滤速按15m/h,则罐体直径为：
D=
=
=0.714（m），则D=800mm。
进水与反冲洗阀采用AUTOTROL180/440多路阀，全自动运行。
滤料选用精制石英砂粒径0.95mm，滤层高度1000mm，需滤料0.28m3。
3.1.3活性炭过滤器
活性炭吸附装置与粗滤基本相同，滤速范围较大，一般8～20m/h。
冲洗强度8～9L/（s·m2）。
设计条件：
同砂滤器，试设计活性炭吸附装置。
选用1台钢制压力式活性炭过滤器，每台产水量为Q=6m3/h，滤速取v=15m/h，则过滤器直径为：
D=
=
=0.36（m），取D=360mm
实际滤速为：
v=
=
=58.97（m/h）
粒径1~3mm果核壳活性炭，进出水管Dg80APS管，反冲洗进出水管Dg100APS管，采用小阻力配水系统，上设φ25多缝滤帽，滤帽数n=50S=500×（
）2π=50×（
）2×3.14=5（个）反冲洗强度按q=9L/（s·m2），则反洗水量：
Q洗=SQ=（
）2×3.14×9=10.2（L/s）=37（m3/h）
小于粗滤反洗水流量可与粗滤共用反洗泵，但要控制好流量，以免活性炭流失。
3.1.4软化器
在纯净水生产中为了防止钙、镁盐在反渗透膜表面结垢，一般采用离子交换预软化，可以起到保护RO膜，延长其使用寿命的作用。
离子交换剂用量计算[2]
设计条件：
水处理量Q=6m3/h，原水总硬度H0=10mmol/L，离子交换剂的全交换容量E全（重）=4.5mmol/g（干），离子交换剂的含水率P=50%，离子交换剂的表现密度γ=0.8g/ml，工作周期T=10h。
（1）以容量法单位表示全容量
E全（容）=E全（重）（1-P）γ湿视=4.5×（1-0.5）×0.8=1.8mmol/ml（湿）=1800mol/m3（湿）
（2）工作交换容量E工
工作交换容量E工取交换容量E全的60%即
E工=0.6E全=0.6×1800=1080（mol/m3）
（3）一个工作周期应除去的硬度值
E=QTH0=6×10×10=600（mol）
（4）所需树脂的容积
W=
=
=0.56（m3）
3.2中段
3.2.1精滤
水在进入反渗透或电渗析前必须经过微孔过滤器，即精滤，又称保安过滤器，一般采用孔径1-20μm的滤芯，目前最常用的事5μm过滤器。
PE烧结管过滤器计算。
（1）已知：
某反渗透器为6m3/h。
试计算和选用精密过滤器。
（2）设计计算：
选用内径φ10，外径φ20的PE烧结管，每根长1m，正常通量为0.2m3/（h·m）
则工需烧结管：
n=6/0.2=30（根）
选用φ100聚丙烯硬
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