水处理系统设计(共28页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上离子交换水处理系统工艺设计说明书目录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 172791998 水池贮源型辐照装置设计安全准则；（8）GB 7465-2009 高活度钴60密封放

2、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20S/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

3、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20S/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

4、；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（F01/13）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

5、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

6、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。之所以不进行树脂专心-专注-专业图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28.3 m3。相对一个处理周期

7、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

8、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 172791998 水池贮源型辐照装置设计安全准则中水池贮源水质电导率小于1000S/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100S/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110-6，pH值为5.58.5。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20S/m。同时，由于现水池水质较好，盐分较少(120S/m)，经处理后其p

9、H值也会在5.58.5范围内。出水电导率按20S/m计，再由原水电导率120S/m，则系统的净化效率为：=（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1.0 m3/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2m2m5.1m、2m1.45m5.1m，水深为4.1m。则水池内水量为：（2m2m2m1.45m）4.1m=28.3 m32 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)；7

10、32型树脂运行流速：1045 m/h；717型树脂工作交换容量：500 mmol/L(湿)；717型树脂运行流速：1045 m/h；原水水质：电导率约为120S/m(由分析室提供)；出水水质：电导率不大于100S/m，总氯离子含量不大于110-6，pH值为5.58.5。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0017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1045m/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，m2q 处理能力，m3/hv进水流速， m/hS=q/v=1m3

11、/h30m/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2196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510。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，mmk 高径比D内柱内径， mmH1=kD内1=8200 =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。

12、按照式（3）进行该床再生周期的核算。 T=（ V树脂K0.6 ） ( q 50) （3）式中：T 再生周期，hV树脂树脂体积，m3K 树脂工作交换容量，mmol/Lq 处理能力(进水流量)，m3/h进水电导率，S/cm即T1=（0.03310000.6） ( 11.2 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

13、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0.033 m3，故阴离子柱的树脂装填量应为：0.033 m32=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1045m/h。

14、本设计取进水流速为20 m/h。由处理能力1.0 m3/h，结合式（1）可得：S=Q/v=1.0 m3/h20m/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2737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0.066 m3及D内2为250 mm，可求得阴离子交换柱树脂装填高度约为1300 mm。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=（

15、0.0665000.6） ( 11.2 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1300 mm。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

16、，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设计参数柱高/mm内径/mm装填高度/mm树脂种类阳床160020010000017阴床200025013002017混床200025013002017MB、0017MB2.2 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，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

17、炭过滤器的水流速度v一般为515m/h，活性炭床的层高H一般在10002500mm，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/h12m/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

18、v一般为810m/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/h10m/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

19、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=qb （4）式中：A 工作面积，m2q除碳器的处理水量，m3/hb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1594.5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：（5）式中：G 需脱除的CO2量，kg/hS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

20、由相关表中查得，m2/m3A除碳器的工作面积， m2K除碳器的解吸系数c脱除CO2的平均推动力，kg/m3水中溶解的二氧化碳一般为1540mgL，设计中取30 mgL。经除碳后，其残留量按5 mg/L计。同时，选用25253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，c为0.02 kg/m3；对于25253瓷环，S为204 m2/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：=780 mm即填料层高度为780mm。设计中，除碳器高度取1000mm

21、。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=0.785HD2（6）式中： V 储槽容积，m3H 储槽高度，mD 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1.53.0 m/s，本设

22、计选用1.5 m/s。根据处理能力1.0 m3/h，由式（1）得：S = qv =2.7810-4 m3/s 1.5 m/s =1.8510-4 m2再由S=0.785D内2得D内=15.3 mm设计中，选择182.5的不锈钢管。2.5.2 树脂注入管为保证树脂顺利注入各柱，注入管选用DN32的不锈钢管。设计中，选用382.5的不锈钢管。2.5.3 树脂卸出管为保证树脂的顺利卸出，卸出支管及总管均选用较进出水管通径大些的管道。支管及总管分别选用DN32和DN40的不锈钢管。设计中，支管选用382.5的不锈钢管；总管选用453的不锈钢管。2.5.4 压空进气管压空进气管分压空进气总管与支管。支管

23、共四根，分别为阴阳床、混床和除碳器进气管。支管均选用与进出水同等规格的不锈钢管，即182.5。为保证进气畅通，相应地进气总管应选较大通径的不锈钢管，设计中选用322.5的不锈钢管，其DN=25。2.5.5 呼排管呼排管分呼排总管与支管。支管共四根，分别为阴阳床、混床和除碳器呼排管。为保证阴阳床、混床和除碳器内气体的顺利排出，支管规格应选用较进气管通径大些的管道。基于此，支管及总管分别选用DN25和DN40的不锈钢管。设计中，支管选用322.5的不锈钢管；总管选用453的不锈钢管。3 废物治理本系统产生的废物主要是废气、废水、废树脂、废过滤器滤芯及预处理和洗涤树脂产生的废酸碱液等，均为非放射性废

24、物，作为一般废物进行处理。废气为压缩空气，直接排放至大气。废树脂及废过滤器芯子送一般垃圾场。废水及废酸碱液按照污水综合排放标准(GB8978-1996)中的相关规定，进行中和或稀释后达标排放。4 附图附表附图：附图1 设备布置平面图附表：附表1 主要设备、材料一览表附表2 管道特性表附图1 设备布置平面图附表1 主要设备、材料一览表序号设备位号设备名称设备技术规格材料单位数量1S01石英砂过滤器D=330mm L=1200mm304个12S02活性炭过滤器D=330mm L=1200mm304个13V01除碳水储槽V=2.0m3；D=1100mm L=1100mm0Cr18Ni9Ti个14V0

25、2产品水储槽V=2.0m3；D=1100mm L=1100mm0Cr18Ni9Ti个15P01离心泵离心水泵 KQL15-80型流量：2.0 m3/h 扬程：7m转速：2900r/min台16F01/13漏斗D上=275mm D下=48mm H=225mmQ235个37R01阳离子交换柱D内=200mm H=1600mm0Cr18Ni9Ti台18R02除碳器D=150mm L=1000mm填料：25253的瓷拉西环0Cr18Ni9Ti台19R03阴离子交换柱D内=250mm H=2000mm0Cr18Ni9Ti台110R04混合离子交换柱D内=250mm H=2000mm0Cr18Ni9Ti台

26、111截止阀DN150Cr18Ni9Ti个1612截止阀DN250Cr18Ni9Ti个513截止阀DN320Cr18Ni9Ti个314管道过滤器Y型 DN15 50目滤料类型：不锈钢304个315液位计磁翻板式，L=1000mm个216压差变送器WT1151型个817在线电导率仪量程：020.00s/cm温度范围：-20.0-200.0精度：0.5%个518玻璃流量计（普通型）型号：LZB-40公称通径：40mm个2附表2 管道特性表管道名称外径壁厚/mm材料数量/m进出水管182.50Cr18Ni9Ti60树脂注入管382.50Cr18Ni9Ti2树脂卸出支管382.50Cr18Ni9Ti3树脂卸出总管4530Cr18Ni9Ti10压空进气支管182.50Cr18Ni9Ti12压空进气总管322.50Cr18Ni9Ti10呼排支管322.50Cr18Ni9Ti6呼排总管4530Cr18Ni9Ti12