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1、离子交换系统课程设计书水污染控制技术课程设计书报告时 间 2008/2009 学年第 1 学期第 1516 周班 级姓 名班内序号设计题目 离子互换系统指导老师2008年 12月 1日离子互换是以离子互换剂上的可互换离子与液相中离子间发生互换为基础的分别方法。宽泛采纳人工合成的离子互换树脂作为离子互换剂， 它是拥有网状结构和可电离的活性基团的难溶性高分子电解质。 依据树脂骨架上的活性基团的不一样， 可分为阳离子互换树脂、 阴离子互换树脂、 两性离子互换树脂、 螯合树脂和氧化复原树脂等。 用于离子互换分别的树脂要求拥有不溶性、 必定的交联度和溶胀作用， 并且互换容量和稳固性要高。 按互换基团性质

2、的不一样，离子互换树脂可分为阳离子互换树脂和阴离子互换树脂两类。 阳离子互换树脂多数含有磺酸基（ -SO3H）、羧基（ -COOH ）或苯酚基（ -C6H4OH ）等酸性基团，此中的氢离子能与溶液中的金属离子或其余阳离子进行互换。Ion exchange is based on ion-exchange agent on the ionexchangeandliquidionexchangetook placebetweentheseparation-basedused syntheticion-exchangeresins as ion-exchange agent,It is a netw

3、ork structure andionizationoftheactivegroupsofinsolublepolymerelectrolyte.According to the resin skeleton on theactivityof the different groups can be divided into cation exchangeresins,ion exchange resins,genderion-exchangeresins,chelatingresinandredoxresin,andsotheseparationof the ion-exchangeresi

4、nswitha requestinsoluble,a certaindegree ofcross-linkedandswelling,butalsotothestabilityof exchange capacity and high. According to the exchange ofthe different nature of the group, ion-exchange resins canbe dividedintocationexchangeresinandtwotypesofanion-exchangeofthecationexchangeresinacid-contai

5、ning(-SO3H),carboxyl(-COOH),orphenol-(-C6H4OH), such as group of acidic, the hydrogen ionin solution with metal ions or other cation exchange.4444556162781829311222223232424一设计任务（一）设计目的1、经过课程设计使学生认识水污染控制技术课程设计的有关规范、 内容及标准；2、认识污水的生物接触氧化反响系统的办理工艺，及其设施的工艺设计方法；3、掌握典型水污染控制单元系统工艺流程、结构、工作原理有关设计与设计计算；4、培育我们

6、在水污染治理工程的工艺计算、初设图纸的绘制、工程量的计算、标准和规范的运用、 设计手册与资料的查阅以及计算机的应用等能力， 使我们树立正确的设计思想；5、培育我们正确、清楚地表达设计内容、书写设计说明书的能力；6、娴熟运用 Auto-CAD 和工程制图规范与标准绘制规范性工艺设计图纸的能力以及计算工程量的能力；7、增强理论联系实质，培育我们科学谨慎、脚踏实地的工作作风和勇于创新的敬业精神。（二）设计题目设计题目： 离子互换系统 。（三） 设计内容该题目分 5 个阶段达成设计内容。1查阅资料查阅资料的内容包含：（1）水污染控制技术课程设计的规范、内容和要求，环境工程设计规范与标准，工程制图标准；

7、 （ 2）设计任务所及水污染控制单元系统（及其设施与修建物）的工艺流程、结构、工作原理、特色和用途，工艺设计参数，计算公式及设计方法； （ 3）设计说明等资料的内容与格式，工程量的计算方法；（ 4）其余资料。2工艺设计工艺设计的内容包含：（1）设施及修建物布臵（平面和剖面）设计： （2）管路布臵设计；（3）标准设施及选材；（4）绘制工艺设计草图并进行计算； （ 5）编写设计说明。3绘图需绘制的图纸包含：（1）带控制点工艺流程图； （2）非标准设施及修建物的工艺结构图；（3）设施布臵图（平、立面）；（4）部件图；（ 5）高程图；（6）管道布臵图；（7）设施资料一览表。4工程量估量依据图纸进行工程

8、的估量，如土方数、混凝土体体积、钢板重量、钢管重量、防腐面积等。5资料汇总将设计任务、 设计说明、工艺设计图纸和工程量估量等内容挨次汇编装订， 构成水污染控制技术课程设计报告 。二、设计说明（一）设计介绍离子互换水办理是经过离子互换剂，除掉水中呈离子态杂质的水办理方法。一般应用于水办理的离子互换剂的物质是离子互换树脂， 它直接影响着离子互换水办理的水质水平易经济性。 为此，需要议论离子互换树脂及其在水办理中的基来源理。离子互换是靠互换剂自己所带的能自由挪动的离子与被办理的溶液中的离子经过离子扩散来实现的。 推进离子互换的动力是离子间的浓度差和互换剂上的功能基对离子的亲和能力，这就是离子互换的基

9、来源理。离子互换是可逆反响，其反响式可表达为RHM RMH互换 互换 饱和树脂 离子 树脂在均衡状态下，树脂中及溶液中的反响物浓度切合以下关系式（RMH+ ）/ （RHM+ ）=KK 是均衡常数。 K 大于 1，表示反响能顺利地向右方进行。 K 值越大，越有益于互换反响，而不利于逆反响。 K 值的大小能定量地反应在离子互换剂对某两个固定离子互换选择性的大小。在重金属废水的离子互换法办理过程中， 因为工业废水种类众多， 水质复杂，故应试虑工业废水水质对离子互换的影响。（二）基本设计参数与要求1、废水的水质和水量3 3办理水量 550m /d=23m/h SS(200mg/l)办理前金属离子浓度

10、:mg/l Ni2+220 Cu2+80 Co2+20 Pb2+10 Zn2+20 Fe3+10 Cl办理后金属离子浓度（mg/l ） Ni 2+ 1.0 Cu 2+ 1.0 Co 2+ 1.0 Pb 2+ 1.0 Zn 2+ 1.0 PH=6.5 废水中各样重金属的回收率Ni 的回收率 =（ 220-1 ）/220=99.5 Cu的回收率 =（ 80-1 ） /80=98.8 2、工艺流程方案工艺流程图重生废液过滤出水 缓冲池 泵 离子互换柱 出水食盐 盐池 泵（一）系统工艺流程离子互换系统的带控制点工艺流程图。工艺流程介绍以下图 重金属废水经过管道进入集水调理池，投加必定的NaOH溶液以调

11、理 PH到中性并进行水量调理， 出水经水泵进入连续过滤池以去除水中固体悬浮物，过滤后，经提高泵导入离子互换柱内，在离子互换柱内，重金属离子与弱酸性 Na 离子树脂发生离子互换反响，重金属即被固定到离子互换树脂上，直到离子互换树脂达到饱和为止。 此时排出的一部分水用于淋洗重生后的树脂，其余水外排。接着进行树脂的反洗，重生。树脂重生后的洗脱液浓集了大量有毒而又实用的重金属离子， 将重生洗脱液导入废酸采集槽内， 接着进行树脂的转型，将转型后的废碱液导入废碱采集槽内， 再用水泵将废酸和废碱同时导入中和池内，最后重金属经回收办理。（三）设计方案与计算1、集水调理池设计计算因为工艺流程采纳的是弱酸性阳离子

12、树脂，其互换基团的离解与 PH值关系很大。如羧酸型（ COOH）阳树脂，只有在 PH大于 4 时才显示其互换性，且 PH 值越大，互换能力越强 （当 PH=5时，互换容量为 0.5mg 当量 /g 树脂，而 PH=8 9 时，其互换容量可达 9mg 当量 /g 树脂）所以第一要进行 PH调理，才能发挥其离子互换作用。针对废水，且含有多种重金属离子，故采纳投药中和法进行 PH 调理。考虑到所办理的水量小，且不产生大批沉渣，故将中和剂（ NaOH）投加在集水调理池中。即可不设混淆反响池，但须知足混淆反响时间。中和反响式：H+ + OH H2O1 1710252310004 XX=4848.4g 即

13、 NaOH的用量 =(4848.4 40)/17=11408g故每个小时的 NzOH的用量为 11408/4=2852g/h在均化池内往常要进行混淆，其目的是要保证调理作用，经过混淆与曝气，防备可沉降的固体物质在池中沉降下来和出现厌氧状况。 还有预曝气的作用。 废水中的复原性物质能够被氧化，吹脱去除可挥发性物质。计算公式WT= tQiTiQi 在 T 时段内废水的均匀流量 m3/hTi 时段 h3取 Ti=4h Wt=23 4=92m2调理池尺寸有效水深取 2m 池面积为 46m池宽取 4m 池长为 12m2、过滤池设计计算过滤是经过拥有孔隙的粒状滤料层截留水中悬浮物和胶体而使水获取澄清的工艺

14、过程。 滤池的形式有多种多样， 因双层滤料池属于反粒度过滤， 截留杂质能力强，杂质穿透深，产水能力大，适于在给水和废水过滤办理中使用，故采纳双层滤料滤池。滤速采纳 8m/s，滤料采纳了无烟煤和石英沙。过滤池计算公式滤池面积公式 F=Q/VT2Q=设计日废水量 m3/dV=滤速 m/hT=滤池的实质工作时间 T=T0-t 1 -t 20T =滤池工作周期时间 hT1=滤池运转后的逗留时间 hT2=滤池反冲刷时间 h33/d 此中考虑了水厂自用水量 （包含反冲设计数据 Q=1.05 洗用水）2V 取流速 8m/h 冲刷强度 q=1216L/(s m) 冲刷时间 6min滤池面积及尺寸 滤池的工作时

15、间为24h，每次冲刷 6min，逗留时间 40min,滤池实质工作时间为T=T0-t 1-t 2=24 40/60 2采纳滤池三个 每个滤池面积为2设计滤池长宽比 L/B=1 则滤池尺寸较核强迫滤速 v=NV/ （N1）=12m/h滤池总高 承托层 H1 采纳，滤料层高度无烟煤层为 400m，石英砂层为250mm，总高 H2=650mm，滤料上水深 H3 为，超高 H4 为，滤板 H5 为。则滤池总高度为H= H1+ H2+ H3+ H4滤池反冲刷水头损失管式大阻力配水系水头损失h 2=(q/(10a )2 (1/2g)设计支管直径 d=70mm,b(壁厚 )=5mm,孔眼 d=9mm,孔口流

16、量系数 =0.68 ，配2水系统开 a=0.25%,q=14L/(s m), 得 h2经支承层水头损失计算h 310.45 14=0.14(m)滤料层水头损失及充裕水头为h 4=2m反冲刷水泵扬程滤池高度清水池深度管道、滤层水头损失3(3.5 0.14 依据冲刷流量和扬程选择反冲刷水泵各种过滤池的滤料一定按期进行反冲刷， 这主假如因为在过滤过程中， 原水中的悬浮物被滤料表面吸附其实不停地在滤料层中累积， 因为滤层孔隙渐渐被污物拥塞，过滤水头损失不停增添，当达到某一限度时，滤料需要进行冲洗，使滤池恢复工作性能，持续工作。3、离子互换柱设计计算离子互换是靠互换剂自己所带的能自由挪动的离子与被办理的

17、溶液中的离子经过离子扩散来实现的， 推进离子互换的动力是离子间的浓度差和互换剂上的动能基对离子的亲合能力，这就是离子互换的基来源理。针对 Ni 2+,Cu2+,Co2+,Fe 3+等离子。采纳弱酸氢离子互换树脂。这类树脂对氢离子选择能力特别强， 对多价离子的选择能力也忧于廉价离子。 弱酸性阳离子互换树脂指含有羧酸基（ COOH），磷酸基（ PO3H2）等的离子互换树脂，此中以含有羧酸基的弱酸性树脂用途最广， 含羧酸基的阳离子互换树脂在水中的解离程度较弱，在 10-5 10-7 之间，所以显弱酸性，其解离以下：RCOOH RCOO+H它仅能在靠近中性和碱性介质中才能解离而显示离子互换能力， 含羧

18、酸基的弱酸性离子树脂是用甲基丙烯酸或丙烯酸与二乙烯苯进行悬浮共聚尔后水解的方法制得，过去，聚丙烯酸系弱酸性树脂以对链霉素的特别选择互换吸附性能而主要用于链霉素的分别提炼。最近几年来，依据它的高达 9mg 当量 /g 左右的互换容量，简单重生，以及对二价金属离子拥有较好的选择性的特色， 已宽泛用于水办理及工业废水办理等方面。重生阶段的液流方向和互换时水流方向同样称为顺水重生， 反之称为逆流重生。顺水重生的长处是：设施简单，操作简单，工作靠谱。故在本设计中采纳顺水重生固定床工艺。3.1 、采纳弱酸双阳柱全饱和流程离子互换柱应去除的金属离子的物质的量， 考虑到出水中金属离子的含量比较少（ Cp0）N

19、i 2+（220mg/L）物质的量浓度为 C（ 1/2Ni 2+）Cu2+ (80mg/L) 物质的量浓度为 C（1/2Cu2+）Co2+ (20mg/L) 物质的量浓度为 C（1/2Co2+）Fe3+ (10mg/L) 物质的量浓度为 C（1/3Fe 3+）Pb2+（10mg/L）物质的量浓度为 C（1/2Pb2+）Zn2+ (20mg/L) 物质的量浓度为 C（1/2Zn 2+）共计计算互换柱办理负荷 G=Q（CCp）G 办理负荷 mol/hQ 办理水量 m3/hC 进水浓度 mol/m3Cp出水浓度 mol/m3每天应去除金属离子负荷为3G=Q（CCp）=550m/d (12.435 3

20、.2 、计算 Na 型阳离子互换树脂互换塔所需树脂的体积，该弱酸阳树脂工作3决定树脂重生周期 T=2d,所需树脂的体积互换容量 E0=1500mol/m,计算所需树脂的整体积 3树脂整体积 mT树脂重生周期 hEO工作互换容量 mol/m3 0 2d)/1500mol/m 3 3（1）设计离子互换柱的直径D (4Q/ VD离子互换柱直径 mV办理液在柱内流速 m/hD (4Q / V = ( 4 23/ （2）计算离子互换柱高度h=4 /(D 2 )h树脂层高度 m 离子互换柱高度 m 树脂冲洗时膨胀率可按考虑 h(1+ )计算互换塔尺寸设互换塔直径D=1700mm(1.7m)则树脂层厚度为h

21、=4/(D2 )=(9.115m 3 4)/(a考虑反冲刷时树脂的膨胀率=50 所以互换塔高 h(1+（1+50）采纳2 柱串连，则每柱的树脂深度为（3）离子互换重生液的计算重生剂的用量 q0E0 M重生剂的用量 gQ0重生剂耗量 g/mol3 饱和树脂的体积 m重生液的体积 I=MCiI 在必定浓度下的重生液的体积 LC i 重生液中所含重生剂的浓度 g/l整个办理过程发生的化学反响（ Na型阳离子互换柱）2+ +去除 2RCOONaM （ R COO）2M2Na式中 M2=Ni2+,Cu2+,Zn 2+,Pb 2+,Co2+等重生 （ R COO） 2M2HCl 2RCOOHMCl2转型

22、RCOOHNaOH RCOONaH2O3.3 、计算互换塔阳树脂重生时的耗酸量，查表得 HCL 的重生剂耗量为q0=50g/mol重生一次所需的酸量（ M）为： q0E0=50g/mol 1500mol/m33 =683625g如配成 5浓度的盐酸，查表得每升含盐酸质量 51.2g ，即浓度 Chcl故所需 5的盐酸重生液体积：HCL=M/CHCL=683625g/(51.2g/l)=13352L重生周期为 12h。3.4 、计算转型液用量转型液用量为树脂体积的 1.5 倍即 9.115 3取转型液（ NaOH）浓度（4）转型 即为 1mol/L(NaOH的密度约等于水的密度 )转型周期为 1

23、2h3.5 、新树脂的预办理弱酸阳树脂重生淋洗宜用低纯水， 水量约为树脂体积的 6 倍，淋洗流速先用再（）, 后逐渐增大到互换流速（ 10m/h）. 、预办理用水量 =9.115 3转型淋洗要用低纯水，大批约为树脂体积的 6 倍，淋洗到出水 PH=89，淋洗开始用重生流速， 而后用互换滤速淋洗。淋洗用水量33.6 、离子互换柱尺寸设计离子互换柱简图如右图所示重生液进口管离子互换柱管径确实定 依据公式d=18.8 （Q/v）1/2d管内径（ mm）3Q介质容积流量（ m/h ）v介质均匀流速（ m/s）因废水中含有重金属离子和氯离子，硫酸根离子查表得 盐水的滤速往常为 1.0 取则出入水管直径

24、视镜滤速表见标明 2依据经验 排气口管直径比进水管小 1 2 号即排气管的直径为 90mm.因重生需要 12 个小时，且在 12 个小时的总流量为333考3虑到多用的水量取 V 总=75md=18.8 （Q/v）1/2 查表得盐酸的常用流速 v2=1.5 m/s3Q总 =75/12=6.25m /h2取 40mmd =18.8(6.25/1.5)1/2=39mm转型所需时间为 12 小时，且在 12 个小时的总流量为3 3 3考虑到多用的水量取3V 总=70md=18.8 （Q/v）1/2查表得NaOH的常用流速v3Q总3/hd3=18.8(5.8/2)1/.2=27mm取30mm3.7 、

25、离子互换柱壳体壁厚设计计算壳体的空间高度除互换树脂层， 压脂层据有的高度， 还应能知足树脂层所必需的反洗膨胀高度，此高度一般应为树脂层于压脂层高度的 50-60 。壳体资料应知足互换柱强度及耐柱内工作液腐化的要求。 在本设计中，采纳碳素钢及低合金钢。壳体的附件有，长进水管，下出水管，排气管，视镜等，视镜的位臵应能察看树脂下部动向及颜色变化，树脂层面能否颠簸和树脂层反洗膨胀后的层面等，故视镜该采纳 2 个。视镜往常为耐腐化的资料作成，常用有机玻璃制成。在本设计中，采纳凸缘构成的视镜，它结构简单，不易粘料，有比较广阔的视察范围。标准视镜的公称直径有 50100mm五种，考虑到筒体直径为 1700m

26、m, 故视镜直径为 100mm较为适合，分别设臵在互换柱上布水系统下部和支承层上部。因容器处于常温常压下，采纳公式 min=2Di/1000mmmin=(2 考虑到钢板被腐化应加上1mm的厚度附带量，即壳体厚度为3.8 、离子互换柱封头设计采纳标准椭圆形封头 , 封头用碳素钢资料制成标准椭圆形封头壁厚计算公式=PDi/(2 t -0.5P)+C 1 +C2已知 P=1MPa Di=1700mm t=180MPa =1( 整体冲压 ) C i =0.6mm(钢板负偏差 )C2=1mm（单向腐化）=（11700）/ （218010.5 1） +1=5mm当碳素钢封头厚度在 48mm,封头直边 h 高度取 25mm3.9 、离子互换柱的支座设计 采纳支承式支座用钢板组焊接的支承式支座已经标准化，经过查表得Di =1700mm时，支座的主