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）50109-2006工业用水软化除盐设计规范；

（5）20519-2009化工工艺设计施工图内容和深度统一规定；

（6）20553-2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列；

（7）17279—1998水池贮源型γ辐照装置设计安全准则；

（8）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20μ。

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交换后留在树脂中，而则到了水中，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H24和等强酸，以及H23和H23等弱酸。

通常H23在酸

图1离子交换柱的结构

性水中成为2。

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。

然后，再进入阴床。

这时水中各种阴离子被型树脂交换吸附，树脂上的则被置换到水中，并与水中的结合成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20μ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《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1000μ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100μ甚至更低。

同时，《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，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20μ。

同时，由于现水池水质较好，盐分较少（～120μ），经处理后其值也会在5.5~8.5范围内。

出水电导率按20μ计，再由原水电导率120μ，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，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；

工作温度：

室温；

732型树脂工作交换容量：

1000（湿）；

732型树脂运行流速：

10～45；

717型树脂工作交换容量：

500（湿）；

717型树脂运行流速：

10～45；

原水水质：

电导率约为120μ（由分析室提供）；

出水水质：

电导率不大于100μ，总氯离子含量不大于1×10-6，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10～45。

本设计取进水流速为30，则结合式

（1）可得：

（1）

式中：

S—床体内部截面积，m2

q—处理能力，m3

v—进水流速，

=1m3÷30

=0.033m2

再由0.785D内12得：

D内1=206

为便于管道选取，设计中，D内1取200，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：

内

（2）

式中：

H—床体高度，

k—高径比

D内—柱内径，

H1内1

=8×200

=1600

设计中，H1取1600。

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,相应装填量为0.033m3。

按照式（3）进行该床再生周期的核算。

（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，

q—处理能力（进水流量），m3

λ—进水电导率，μ

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、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，即进入水中的摩尔数与进入水中的摩尔数相等。

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10～45。

本设计取进水流速为20。

由处理能力1.0m3，结合式

（1）可得：

=1.0m3÷20

=0.05m2

再由0.785D内2得：

D内2=252

为便于管道选取，设计中，D内2取250，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250，可求得阴离子交换柱树脂装填高度约为1300。

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。

本设计中，H2取2000。

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