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交换器再生条件的控制和计算
交换器再生条件的控制和计算

一、交换器的再生条件控制的原理和计算
利用离子交换工艺进行水处理中，树脂的再生过程是除盐过程的逆反应，其离子反应方程式如下：根据化学反应方程式的平衡，要使树脂上的化学反应更好的向再生方向进行，主要的措施有：1）提高氢离子的浓度，2）降低钠离子的浓度。要提高氢离子的摩尔浓度就是应该提高再生液的浓度，要降低钠离子的浓度就是应该及时的除去再生下来的钠离子，也就是说要及时的除去再生废液。另外，根据等摩尔量交换的原则，要保证交换器内的有足够数量的树脂能得到再生，就必需耗用足够的再生剂量。所以要使交换器能获得满意的再生效果，在再生过程中必需控制的条件主要有：1）再生剂总用量；2）再生液的浓度；3）再生液的流速。它们对再生过程的作用分述如下：
1、再生剂总用量
A）作用和原理
在树脂再生时，根据离子交换按等摩尔量进行的原则，需要树脂恢复多少工交容量理论上讲则必须耗用等摩尔量的再生剂，但由于离子平衡及操作中的一些原因，实际再生中需要用的再生剂量应该高于理论用量。再生时再生剂的实际用量与理论用量之比值即称为比耗。在评价再生效果时，最佳的再生效果应该是交换器有较高的工交容量的发挥而同时有较低的再生剂比耗。在不同的再生工艺中，要达到一定的再生效果，实际所用的再生剂量需要超过理论用量的比例是不同的，例如在顺流再生中，实际用量需要为理论用量的2～3.5倍，而在逆流再生中，实际用量则需为理论用量的0.5～1倍。
再生时总用酸量的多少会直接影响到交换器的周期运行工交容量和酸耗。这是因为：
1）再生时用酸量的多少会直接影响到树脂的再生后的工交容量的恢复。再生剂用量与再生后树脂工交容量的恢复可见图一曲线。从图中曲线可以看到当再生剂用量由0.12吨/米3增加至0.17吨/米3时，再生后树脂的工交容量可以由950摩尔/米3提高到1230摩尔/米3，相当于增加了周期制水量30%。而酸耗则由37.9提高到41.5，仅提高了9%。
2）用酸量的多少会直接影响交换器的再生效果。这是因为对交换器来讲，较低的再生剂用量会使交换器的上层树脂中的一部分树脂得不到足够的再生，相当于上层树脂层的总工交容量有一部分没有得到恢复，使下一运行周期的实际工交容量降低，周期制水量减少。当适当增加再生剂用量时，会减少这部分未能得到充分再生的树脂量，因而交换器的总工交容量会增高。
当然，再生剂用量对交换器的再生效果的影响只能在一定的范围内获得满意的收益，这是因为在超过这个范围后，从图看到再生剂用量对树脂工交容量的提高的影响愈来愈小；而且同时，因为再生剂用量增加到使交换器的上层树脂的再生度可以得到满足时，再任意提高再生剂用量，过量的再生剂的大量排出不仅增加了酸耗，而且还会造成对环境的污染。
B）统计和计算
在计算交换器树脂的再生剂比耗时，并不是单纯的用每次再生中再生剂的用量来评价的。而是以“恢复一摩尔树脂的工交容量所消耗的再生剂量”来决定的。即应根据再生后的运行周期中树脂发挥的工交容量来计算当初用酸量的效果的。例如，在再生中共耗用了A克浓度为100%的再生剂，再生后的运行周期中交换器统计的实际运行总工交容量为E，则再生剂耗应等于A / E（单位：克/摩尔）。在运行中，当改变再生剂用量A时，交换器工交容量E的改变应该要在再生后的交换器运行周期中才能进行统计和考察。
运行现场对再生剂的实际用量的统计可以有多种方法：
  1）利用计量箱液位差进行计算
耗用30%浓度再生剂重量 = 计量箱截面积×计量箱液位差×30%浓度再生剂密度
  2）利用再生剂流量进行计算
    耗用30%浓度再生剂重量 = 再生剂流量×进再生剂时间×30%浓度再生剂密度
  3）利用再生液的浓度进行计算
    耗用30%浓度再生剂重量 = 喷射器工作水流量×再生液浓度÷30%×进再生剂时间
当采用再生液浓度进行计算时，影响计算结果的主要因素是再生液的实测浓度和进再生剂的时间。为了便于操作，再生液浓度允许有一定的控制范围，但与此同时，进再生剂的时间就必需作适当的调整。
2、再生液的浓度
A）作用和原理
树脂的再生过程是树脂除盐交换反应的逆反应过程，要使再生反应顺利进行的必要条件是提高再生剂的浓度。所以再生剂浓度是保证再生效果的重要因素。根据对离子交换的平衡常数的测定和计算，强酸阳树脂的酸再生液的最佳浓度应在3～5%范围内，强碱阴树脂的碱再生液的最佳浓度应在2～4%范围内。当再生液浓度过低时，由于离子交换反应的平衡，再生后树脂的再生度会得不到足够的提高，影响到交换器的运行制水量，甚至会造成交换器出水水质变差。再生液浓度过高时，虽然对离子交换反应的平衡有利，但对一定量的再生剂总用量，过高的再生液浓度势必造成进再生剂的时间会缩短，影响到再生中正常的离子交换的进行。在实际操作中对再生液浓度的控制很可能会有稍微的波动，但对再生效果的影响不会很大，所以，并不会影响到再生效果。
B）调整和控制
再生液浓度的测定可以用滴定方法进行，也可以直接用浓度计来显示。再生液浓度的控制主要靠调节喷射器工作水流量和吸入再生剂流量来进行，而吸入的再生剂流量则可以用计量箱每分钟液位下降速度来进行调节，也可直接用再生剂流量计来调节。但无论采用何种调节控制手段，都应以保证实测的再生剂浓度为准。流量计或计量箱液位下降速度等都只能作为调节过程的参考依据。
C）计算和统计
再生液浓度的计算方法主要有：
1）用计量箱液位下降速度进行计算
 再生液浓度（%）= 液位下降高度（m）×计量箱截面积（m2）×再生剂密度×30%÷喷射器工作水流量（m3/h）×10
2）用再生剂流量计进行计算
  再生液浓度（%）= 再生剂流量（m3/h）×30%×密度÷喷射器工作水流量（m3/h）×10
3、再生液的流速
A）作用和原理
再生中再生液通过树脂层的流速在一定程度上会影响到交换器的再生效果。在再生过程中为了要使离子交换反应向有利于再生的方向进行，从离子平衡角度来讲，必需随时将再生废液排出，否则，停留在交换器内的再生产物会影响反应的进行，使树脂得不到彻底的再生。通常要求再生液的流速应不低于2米/小时。但当再生液流速过高时，则会造成树脂层的扰动，尤其在逆流再生时，树脂层的扰动会使树脂层产生乱层而直接影响到再生的正常进行；另外，再生液流速过高必然会使再生剂的流速也相应的加高，而再生剂的总量是一定的，过快的再生剂流速会缩短再生剂与树脂的接触时间，当超过一定限度后，也会直接影响到再生效果。所以，通常情况下，再生液的流速应控制在2～5米/小时范围内。在此范围内选定流速较低时，对再生过程有利，但会延长再生时间。所以当再生剂用量较低时选择较低的再生液流速应该有利于再生效果的提高。
B）调整和控制
再生液流速的控制主要是控制喷射器工作水的流量，但是，再生液实际上是由喷射器工作水和吸入的浓度为30%的工业再生剂共同组成，所以一般按工作水流量来控制的再生液流速时，实际的再生流速还会高些，但造成的误差不会影响到再生的效果。
C）统计和计算
再生液流速的计算方法为： 再生液流速 = 再生液流量÷交换器截面积
为了简化计算方法，通常采用的方法为：再生液流速 = 喷射器工作水流量÷交换器截面积

二、对实际再生效果考察中的几个问题
1，再生条件的评价    在交换器的运行操作规程制定时，对交换器的再生条件的设定大都是根据对交换器性能的理论认定进行设计的，在制定这些条件时主要应保证交换器再生后的出水水质，同时兼顾到交换器运行的经济性能。因为在实际运行中涉及到交换器运行的影响因素很多，所以对制定的再生条件可以在运行中进行优化，但在优化过程中每改变其中一个再生条件时，都要稳定其余条件不变进行三个以上周期的运行，待运行结果稳定后，然后根据条件改变后的运行周期的总结果来综合的进行统计和分析，以便得出相应的结论。
2，树脂的工交容量的残留   交换器运行的失效是因为树脂层内的交换层开始接触树脂层底，这时出水中就会携带有泄漏的离子，但是此时树脂层的交换区内的树脂尚未完全失效，当交换器再生时，这部分树脂并不会消耗再生剂量，再生后树脂层内的交换容量会有所提高，在下一个运行周期内树脂的平均工交容量也会由此得到提高。所以在判断交换器运行终点时如果有偏差，交换器的各个周期的运行结果就会出现不稳定。但这对在一段时期内交换器总的结果的统计并不会有较大的误差。
3，当有多套阳床并联运行时，如果按阴床出水的电导率来判断阳床的失效终点时，因为此时实际判断的是多台阳床的混合出水，因此，由此来判断某一台阳床的运行终点则必然会有一定的误差，造成阳床个别运行周期的运行结果出现偏差，所以在考察阳床的单个周期运行效果出现异常情况时，应该考虑由这个因素所造成的影响。

三，现场交换器再生条件的决定
1，阳床再生条件
1）阳床再生用酸量的计算
① 阳床正常再生时耗用浓度为30%的盐酸重量的计算
用酸重量 = 树脂体积×树脂平均工交容量×36.5×再生剂比耗÷0.3÷1000000
= 3.2m3×1200 mol/m3×36.5g/mol×1.25÷0.3÷1000000 = 0.58（吨）
② 阳床大反洗后再生周期耗用浓度为30%的盐酸重量的计算
  用酸重量 = 2×正常再生用酸量 = 2×0.58 = 1.16吨   采用1.2吨
2）阳床的进酸时间的计算
① 阳床正常再生时再生液浓度 = 3.5%
再生时工作水流量 = 7.2m3/h
按再生液浓度 = 3. 5%计算，浓度为30%的盐酸的流量 = 7.2×3.5%÷0.3 = 0.84吨/小时
阳床再生总进酸重 = 0.58吨
总进酸时间 = 0.58÷0. 84×60 = 41分钟
在固定进酸量为0.58吨时，当采用不同再生液浓度时的进酸时间也应作必要的调整：
实测浓度 %        3.2        3.3        3.4        3.5        3.6
进酸时间 分钟      45        44        43        41        40
每分钟进酸量 顿 0.013      0.013      0.0135      0.014      0.0145

② 阳床大反洗后周期再生液浓度 = 5%
  再生工作水流量 = 7.2m3/h
  按再生液浓度 = 5%计算，浓度为30%的盐酸的流量 = 7.2×5%÷0.3 = 1.20吨/小时
阳床大反洗后周期再生总进酸重 = 1.2吨
总进酸时间 = 1.2÷1.2×60 = 60分钟
不同再生液浓度时的进酸时间调整为：

实测浓度 %   4.5        4.6        4.7        4.8        4.9      5.0
进酸时间 分钟 67        65        64        63        61        60
每分钟进酸量 顿 0.018    0.0185    0.019      0.019      0.02      0.02
2，阴床再生条件
1）阴床的用碱量计算
  阴床内弱碱树脂及强碱树脂的总体积 = 4.8m3
  阴床弱碱树脂及强碱树脂的平均工交容量设定为700mol/m3
  总用碱重量 = 树脂体积×树脂平均工交容量×40×再生剂比耗÷0.3÷1000000
= 4.8m3×700 mol/m3×40g/mol×1.20÷0.3÷1000000 = 0.54（吨）
2）阴床根据再生液浓度计算两步进碱的时间
① 阴床悬浮进碱时间计算
悬浮进碱的再生液浓度设定 = 1.2%
工作水流量 = 6m3/h
按再生液浓度 = 1.2%计算，浓度为30%的液碱的流量 = 6×1.2%÷0.3 = 0.24吨/小时
悬浮进碱时间按60分钟计算
悬浮进碱重量 = 0. 24 吨
进碱时间按再生液浓度的调整为：     

实测浓度 %        1.0        1.1        1.2        1.3
进碱时间 分钟      72       65        60        55
每分钟进碱量 吨   0.003      0.004      0.004      0.0045

② 阴床逆流进碱时间的计算
逆流进碱再生液浓度设定为2.6%
工作水流量 = 6m3/h
按再生液浓度 = 2.6%计算，浓度为30%的液碱的流量 = 6×2.6%÷0.3 = 0.52吨/小时
逆流进碱重量 = 总碱量－悬浮进碱时已进的碱液重量 = 0.54－0.24 = 0.30吨
逆流进碱时间 = 0.30÷0.52×60 = 35分钟
进碱时间按再生液浓度的调整为：
实测浓度 %        2.3        2.4        2.5        2.6
进碱时间 分钟      39        38        36        35
每分钟进碱量 吨    0.008      0.008      0.0085      0.0085