离子交换树脂采用无顶压逆流再生工艺的水力学问题探讨18296.docx

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1、离子交换换树脂采采用无顶顶压逆流流再生工工艺的水水力学问问题探讨讨 常熟市市天旺水水处理设设备制造造有限公公司 陆达年年1、引言言 从上上世纪770年代代开始，离离子交换换树脂的的顺流再再生工艺艺逐步被被逆流再再生工艺艺所代替替，对于于提高离离子交换换器的出出水品质质，降低低酸耗、碱碱耗，起起到了十十分巨大大的作用用。为了保证证离子交交换树脂脂有一个个良好的的再生效效果，首首要的条条件是在在再生的的过程中中，离子子交换树树脂不能能“乱层”，因此此人们就就想出了了空气顶顶压的工工艺，空空气流过过压脂层层时会产产生一个个阻力损损失，这这个向下下的力能能够有效效地平衡衡逆流再再生向上上的力。 逆逆流

2、再生生过程中中，向上上的力实实际上就就是流体体向上流流动时的的阻力，这个力包括树脂层的阻力和中间排水装置的阻力。一般认为为，向下下的力就就是树脂脂颗粒的的重力（湿湿真密度度）和水水的浮力力之差，（具具体计算算时，还还要考虑虑树脂的的湿视密密度），以以及压脂脂层产生生的重力力。从原则上上说，只只有向下下的力大大于向上上的力，逆逆流再生生工艺才才能实现现。2、树脂脂层的阻阻力2.1树树脂层阻阻力的计计算公式式： 树脂层层的阻力力计算公公式： 2.2水水的粘度度从树脂层层的阻力力计算公公式看出出，如果果树脂层层允许的的阻力是是一个定定值，而而公式中中的一些些边界条条件不变变，那么么水的粘粘度和再再生

3、流速速的乘积积 就就是一个个常数。当当再生液液的温度度降低时时，由于于水的粘粘度上升升，再生生液的流流速应该该相应降降低。 再生生液温度度对再生生流速的的影响，其其实质是是再生液液运动粘粘度的影影响，为为了研究究的方便便，我们们把再生生液粘度度的影响响，视为为水的粘粘度的影影响。因因为再生生液一般般为酸、碱碱的稀溶溶液，用用水的粘粘度数据据，不会会带来很很大的误误差。水在正常常压力下下,不同同温度的的粘度可可以用下下面的经经验公式式计算.：运动动粘度 cm22/seect：水温温 表一 不同温温度下水水的运动动粘度和和再生阻阻力（阻阻力计算算的假定定值如上上所述）温 度510152025303

4、54050运动粘度度cm22/seec0.011520.011310.011150.011010.89920.000810.000740.000660.00055再生阻力力 m1.2771.0990.9550.8440.7440.6770.6220.5550.466如果树脂脂层的高高度、树树脂的平平均颗粒粒直径、逆逆流再生生的流速速不变，那那么由于于水温的的改变，会会引起再再生液运运动粘度度的改变变，对于于地表水水，随着着季节的的变化，温温度的变变化是很很大的，甚甚至可能能会达到到30，从表中中看出，当当水温从从5变化到到35时，水水的运动动粘度几几乎降低低了一半半，也就就是说，在在同一个个体

5、系中中，再生生液的流流动阻力力降低了了一半。换换句话说说，再生生液的温温度比较较高时，允允许采用用比较高高的再生生流速，而而再生液液的温度度比较低低时，则则只能采采用比较较低的再再生流速速。3、中间间排水装装置的阻阻力（简简称中排排）再生液除除了要克克服树脂脂层的阻阻力外，还还要克服服中排的的阻力，我我们这里里研究的的中排是是指目前前市场上上用的最最多的采采用筛管管（内衬衬多孔管管）的鱼鱼刺型中中排装置置。 下面面，我们们对中排排在再生生过程中中的阻力力进行分分析：由于中排排筛管巨巨大的流流通面积积，使得得通过筛筛管缝隙隙的流速速非常缓缓慢，在在筛管的的表面几几乎没有有什么阻阻力。3.1中中排

6、的基基本数据据（以直直径2.5m的的交换器器中排为为例）：交换器直直径 mm2.5筛管外径径 mmm42筛管总长长 m（0.55100.7550.901.001.05）416.84表中为筛筛管有效效流通长长度,共共20根根支管筛管总面面积 mm216.8843.1140.00422.221筛管缝隙隙 mmm0.255面丝为11.5缝隙面积积系数0.255/（11.50.225）0.1143再生流量量 m33/h3.03.114(1.25)2=144.722假定再生生流速为为3.00m/hh缝隙流速速 m/secc14.772/（22.2110.114336000）0.0013衬管小孔孔直径 m

7、m8小孔个数数12000小孔总面面积 mm20.066小孔流速速 m/secc0.144m/ssec(假设一一半小孔孔流入再再生液)所以小孔孔流速增增加一倍倍假设再生生流速3.0m/h小孔阻力力计算 m0.00026阻力系数数2.663.2 筛管管内多孔孔管的阻阻力小孔的流流量和小小孔的阻阻力有如如下的关关系：Q：小孔孔流量：流量量系数A：小孔孔面积g：重力力加速度度h：小孔孔阻力损损失（小小孔流入入、流出出视为相相等）下面是小小孔流量量系数表表：孔眼直径径与管壁壁厚之比比 d/1.2551.52.03.0流量系数数0.7660.7110.6770.622在本案中中，小孔孔直径与与壁厚之之比为

8、 8/332.7 ，取取流量系系数0.62在本案中中，由于于小孔流流速（流流量）极极小，因因此在小小孔中的的流动阻阻力仅为为2.66mm，即即毫米级级阻力。3.3 筛管的的缝隙阻阻力当缝隙面面积系数数为0.15时时，阻力力系数为为1144。这时时的局部部阻力计计算如下下：P1114（0.0133）2/(229.88)=00.0001m3.4 小结结即使考虑虑缝隙的的堵塞系系数，考考虑筛管管只用半周、甚甚至小于于半周排排放废液液的事实实， 由由于流速速极低，阻阻力也仅仅仅为毫毫米级。采采用筛管管以后，在中排上产生的流动阻力，与树脂层本身的阻力相比较，可以忽略不计。 由由于采用用筛管作作为中排排的

9、基本本元件，无顶压逆流再生成为一个被大家普遍接受的工艺。筛管的大流通面积和高阻力系数是流体流过这个元件时产生小的流动阻力和均匀配水的有利条件。4、离子子交换树树脂在静静态条件件下的水水力学分分析 离子交交换树脂脂层在静静态条件件下有一一个向下下的力，这个力就是压脂层的重力，以及交换树脂层的重力和浮力之差，4.1 研究对象象和假设设表二： 采用用0011x7和和2011x7树树脂作为为研究对对象。（采采用苏青青树脂数数据）树脂牌号号湿真密度度 g/ml湿视密度度g/mml001xx71.2551.290.7880.85201xx71.0661.100.6770.73 假设设压脂层层高度为为：20

10、00mmm 离子子交换树树脂层高高为：22.0mm4.2 压压脂层的的重力，表三： 压脂层层的重力力：（计计算时要要考虑树树脂层的的孔隙率率）阳树脂压脂层高高度 ccm20树脂湿真真密度 g/ccm31.277每平方厘厘米的力力 g/cm221.277x（110.36）xx2016.3阴树脂压脂层高高度 ccm20树脂湿真真密度 g/ccm31.088每平方厘厘米的力力 g/cm221.088x（110.35）xx2014.04.3 交换换层树脂脂的重力力和浮力力之差。（计计算时要要考虑树树脂层的的孔隙率率） 表四 交换换层树脂脂的重力力和浮力力差阳树脂交换树脂脂层高度度 cmm200树脂湿真

11、真密度 g/ccm31.277每平方厘厘米的力力 g/cm22（1.22711.0）xx（10.336）xx2000344.6阴树脂交换树脂脂层高度度 cmm200树脂湿真真密度 g/ccm31.088每平方厘厘米的力力 g/cm22（1.00811.0）xx（10.335）xx2000100.4树脂的孔孔隙率（树脂脂湿真密密度树树脂湿视视密度）/树脂湿湿真密度度取树脂湿湿真密度度和湿视视密度的的平均值值算出阳阳树脂、阴阴树脂的的孔隙率率分别是是：阳树脂孔孔隙率（1.270.8815）/1.22700.366阴树脂孔孔隙率（1.080.770）/1.00800.3554.4树树脂层向向下合力力

12、表五：树树脂层向向下的合合力压脂层向向下作用用力交换层向向下作用用力向下合力力阳树脂16.33g/ccm234.66 g/cm2250.99 g/cm22阴树脂14.00 g/cm2210.44 g/cm2224.44g/ccm2比较一下下表一和表五五的数据据，向下下的力大大约只相相当于00.511m和00.244m的水水头，常温工况况下，在在3.00m/hh的再生生流速下下，无论论是阳离离子交换换树脂还还是阴离离子交换换树脂，向下和向上的力基本上都是不匹配的，尤其是阴离子交换树脂。可以说，按常理判断，无顶压再生工艺几乎是无法实现的。那么是什什么样的的力，能能够维持持无顶压压逆流再再生的工工况

13、，即即使在水水温变得得很低的的时候，还还能使无无顶压逆逆流再生生顺利进进行？ 我们们不得不不重新认认识中间间排水装装置的作作用。5、在再再生工况况下，中中排母管管具有一一定的真真空值，这这是无顶顶压再生生能够实实现的根根本原因因5.1真真空值的的形成机机理中排装置置排放废废液是通通过中排排母管和和相应的的体外排排放管道道，排到到地沟，排排放管道道一般垂垂直布置置，其排排放高度度包括树树脂层的的高度、石石英砂填填层（或或孔板）的的高度、交交换器下下封头离离地面的的高度、排排放管插插入地沟沟的深度度，这一一垂直高高度大约约有3.55m。从中排排排放管的的流入口口（1），到到排放管管进入地地沟处的的

14、流出口口（2），在流入入口（11）和排排放口（22）两个个断面上上，列出出伯努利利能量方方程：在上式中中，假定定排水管管是等径径的。如果不考考虑排放放管的阻阻力损失失,那么么在排放放管的流流入口大大约会有有一个小小于3.5m水水柱的真真空值。确定这个真空值是困难的，因为在排放管中，一定是气、水混合物，值是不确定的。 这个真空值对于实现无顶压逆流再生起了关键的作用。5.2 实现无无顶压再再生工艺艺的水力力学分析析树脂层的的阻力：1中排装置置网套的阻阻力：2中排装置置管内的的压力：1树脂层向向下的合合力：无顶压逆逆流再生生可以实实现的数数学模式式应该是是： f（1121）00 f112以前老式式的

15、中排排塑料网网套，由由于22太大，导导致： f112，这时再生生水的水水位就会会不断上上升，超超过压脂脂层，直直到再生生液的排排放量与与液位的的高度产产生一个个平衡，但但是，这这种工况况足以使使树脂乱乱层而导导致再生生失败。因因此以前前在再生生前采用用施加压压缩空气气的办法法，产生生一个向向下的附附加力，这个附附加力实实际上是是压缩空空气通过过压脂层层产生的的阻力，一般为0.020.03Mpa，即23米水柱。 如果 ff11为2mm水头，而而12为3.0m水水头，那那么显然然就需要要有一个个附加的的1.00m的水头把废废液“压进去去”，在再生生工艺上上，就是是顶压空空气的应应用。相反，如如果f

16、1为2mm水头，而12为1.0m水水头，那那么这个个时候的的再生废废水，实实际上是是被“吸进去去”的。无顶压再再生的根根据就在在于此。以前中排排支管开开孔加塑塑料网套套的做法法，显然然中排装装置的阻阻力太大大。后来来有人通通过试验验，把支支管上的的小孔面面积扩大大到原来来的三倍倍，小孔孔计算流流速从00.3mm/s降降到0.1m/s以后后，实现现了无顶顶压再生生。正如上面面分析的的那样，再再生废液液从“压”进去，变变成了“吸”进去。在在工艺上上实现了了从有顶顶压再生生到无顶顶压再生生的转变变。过去，我我们对中中排的母母管、支支管、小小孔的阻阻力进行行了很多多的计算算，但是是我们忽忽略了二二层网

17、套套其实是是一个主主要的阻阻力原件件，考虑虑到碎树树脂对网网套的堵堵塞作用用，支管管存在很很大的流流动阻力力。因此此，有顶顶压再生生就不可可避免。既然无顶顶压再生生的原动动力来自自中排管管内的真真空，那那么，正正如本文文计算的的那样，当当排放管管的垂直直高度达达到3.5m时时，根据据伯努利利能量方方程，可可以算出出在中排排的排放放管进口口可以形形成一个个小于33.5mm的真空空值。因为，第第一在排排放管中中，不完完全是液液体，废废液与一一部分空空气同时时进入排排放管，会会使值变小；第第二排放放管本身身的阻力力损失。以前，在在研究中中排装置置的配水水均匀性性问题时时，往往往采用单单相液体体的方法

18、法，其实实在中排排装置工工作的过过程中，无无论是气气顶压、还还是无顶顶压，都都会有空空气和水水同时从从中排装装置中流流出，因因此它是是一个二二相流动动的过程程。用单单相液体体作为研研究对象象，显然然是不合合适的。 为了获得得比较高高的真空空值，在在中排的的设计、排排放管的的设计、树树脂层的的高度、交交换器的的外形设设计等方方面需要要深入研研究。从理论上上讲，中中排母管管中产生生的真空空值是无无顶压逆逆流再生生的“原动力力”，因此在在进再生生液之前前，在中中排母管管中建立立起一个个稳定的的真空值值是十分分重要的的。提高再生生液的温温度，对对于无顶顶压再生生工艺的的实现也也是一个个重要的的因素，因因此我建建议在设设计再生生系统时时，不仅仅要加热热阴离子子交换器器的再生生用水，而而且也应应该加热热阳离子子交换器器的再生生用水。