水处理系统设计.docx

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 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）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 17279—1998 水池贮源型γ辐照装置设计安全准则；
（8）GB 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20μS/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20μS/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；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《GB 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1000μS/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100μS/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1×10-6，pH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20μS/m。同时，由于现水池水质较好，盐分较少(～120μS/m)，经处理后其pH值也会在5.5~8.5范围内。
出水电导率按20μS/m计，再由原水电导率120μS/m，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1.0 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
=28.3 m3
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：1.0 m3/h；
工作温度：室温；
732型树脂工作交换容量：1000 mmol/L(湿)；
732型树脂运行流速：10～45 m/h；
717型树脂工作交换容量：500 mmol/L(湿)；
717型树脂运行流速：10～45 m/h；
原水水质：电导率约为120μS/m(由分析室提供)；
出水水质：电导率不大于100μS/m，总氯离子含量不大于1×10-6，pH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10～45m/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，m2
q —处理能力，m3/h
v—进水流速， m/h
S=q/v
=1m3/h÷30m/h
=0.033 m2
再由S=0.785D内12得：
D内1206 mm
为便于管道选取，设计中， D内1取200 mm，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5 m3/h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：
H=kD内（2）
式中：
H —床体高度，mm
k —高径比
D内—柱内径， mm
H1=kD内1
=8×200
=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。按照式（3）进行该床再生周期的核算。
T=（ 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，mmol/L
q —处理能力(进水流量)，m3/h
λ—进水电导率，μS/cm
即T1=（0.033×1000×0.6）÷ ( 1×1.2 ÷ 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 m3×2
=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10～45m/h。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/h÷20m/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0.066 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=（0.066×500×0.6）÷ ( 1×1.2 ÷ 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，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
1600
200
1000
001×7
阴床
2000
250

1300
201×7
混床
2000
250
1300
201×7MB、001×7MB
2.2 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，是一种较常用的水处理设备，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)，活性炭过滤器的水流速度v一般为5～15m/h，活性炭床的层高H一般在1000～2500mm，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/h÷12m/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v一般为8～10m/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/h÷10m/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=q÷b （4）
式中：
A —工作面积，m2
q—除碳器的处理水量，m3/h
b—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φ159×4.5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/h
S—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由相关表中查得，m2/m3
A—除碳器的工作面积， m2
K—除碳器的解吸系数
Δc—脱除CO2的平均推动力，kg/m3
水中溶解的二氧化碳一般为15～40mg／L，设计中取30 mg／L。经除碳后，其残留量按5 mg/L计。同时，选用φ25×25×3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，Δc为0.02 kg/m3；对于φ25×25×3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。
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=0.785H×D2（6）
式中：
V —储槽容积，m3
H —储槽高度，m
D —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1.5～3.0 m/s，本设计选用1.5 m/s。根据处理能力1.0 m3/h，由式（1）得：
S = q÷v
=2.78×10-4 m3/s ÷1.5 m/s
=1.85×10-4 m2
再由S=0.785D内2
得D内=15.3 mm
设计中，选择φ18×2.5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φ38×2.5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φ38×2.5的不锈钢管；总管选用φ45×3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φ18×2.5。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φ32×2.5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φ32×2.5的不锈钢管；总管选用φ45×3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
1
S01
石英砂过滤器
D=330mm L=1200mm
304
个
1
2
S02
活性炭过滤器
D=330mm L=1200mm
304
个
1
3
V01
除碳水储槽
V=2.0m3；D=1100mm L=1100mm
0Cr18Ni9Ti
个
1
4
V02
产品水储槽
V=2.0m3；D=1100mm L=1100mm
0Cr18Ni9Ti
个
1
5
P01
离心泵
离心水泵 KQL15-80型
流量：2.0 m3/h 扬程：7m
转速：2900r/min

台
1
6
F01/1～3
漏斗
D上=275mm D下=48mm H=225mm
Q235
个
3
7
R01
阳离子交换柱
D内=200mm H=1600mm
0Cr18Ni9Ti
台
1
8
R02
除碳器
D=150mm L=1000mm
填料：φ25×25×3的瓷拉西环
0Cr18Ni9Ti
台
1
9
R03
阴离子交换柱
D内=250mm H=2000mm
0Cr18Ni9Ti
台
1
10
R04
混合离子交换柱
D内=250mm H=2000mm
0Cr18Ni9Ti
台
1
11

截止阀
DN15
0Cr18Ni9Ti
个
16
12

截止阀
DN25
0Cr18Ni9Ti
个
5
13

截止阀
DN32
0Cr18Ni9Ti
个
3
14

管道过滤器
Y型 DN15 50目
滤料类型：不锈钢
304
个
3
15

液位计
磁翻板式L=1000mm

个
2
16

压差变送器
WT1151型

个
8
17

在线电导率仪
量程：0－20.00μs/cm
温度范围：-20.0-200.0℃
精度：±0.5%

个
5
18

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
18×2.5
0Cr18Ni9Ti
60
树脂注入管
38×2.5
0Cr18Ni9Ti
2
树脂卸出支管
38×2.5
0Cr18Ni9Ti
3
树脂卸出总管
45×3
0Cr18Ni9Ti
10
压空进气支管
18×2.5
0Cr18Ni9Ti
12
压空进气总管
32×2.5
0Cr18Ni9Ti
10
呼排支管
32×2.5
0Cr18Ni9Ti
6
呼排总管
45×3
0Cr18Ni9Ti
12