CN203922801U - 一种实床和复床 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种离子交换树脂除盐装置及方法，属工业除盐水制备技术领域。实床包括用于填充离子交换树脂的树脂床本体以及设置在树脂床本体上的进水口和出水口，其树脂床本体包括上法兰、下法兰和本体壁面,树脂床本体上下设置有盖板和底板，树脂床本体内且位于盖板下方和/或底板上方分别设置有微孔板，本体壁面上设置有树脂充填卸料口，微孔板与盖板和/或底板之间形成的空间构成配水室，进水口和出水口与配水室相连通。复床包括串联形成的阳离子交换树脂实床和阴离子交换树脂实床。本实用新型复床可作为满足工业除盐水要求的离子交换终端除盐设备，在工业除盐水制取工艺中革去了混床的使用，各方面都有利于环保。

Description

一种实床和复床

技术领域

本实用新型涉及一种离子交换树脂除盐装置及方法，属工业除盐水制备技术领域。

背景技术

工业除盐水主要用于热力发电锅炉补给水和化工工艺用水，源水中的盐类呈金属阳离子和酸根阴离子处溶解态，可用离子交换树脂除去，在工业除盐水制备领域，习惯把充填阳离子交换树脂的交换器称为阳床（也称阳单床），把充填阴离子交换树脂的交换器称为阴床（也称阴单床），而把一个阳床和一个阴床这一对单床的串联组合称为复床，又把阳树脂和阴树脂两种树脂混合装填在一个交换器里除盐的称为混床。

除盐时，带可交换H离子的阳树脂和带可交换OH根离子的阴树脂把在水中溶解盐类 阳、阴离子分别交换（吸附）到阳树脂或阴树脂上，而从树脂上交换（解吸）下来的H离子和OH根离子可结合成水分子；交换反应是可逆的，被吸附在阳树脂上的金属阳离子可用一定浓度酸液中的H离子交换下来排出交换器，阳树脂则恢复满带H离子的初态预备下一周期除盐，同理，被吸附在阴树脂上的酸根阴离子则可用一定浓度碱液中的OH根离子交换下来排出交换器，阴树脂恢复满带OH根的初态预备下一周期除盐；这种恢复树脂初态的过程称之为再生，再生所用的化学品称为再生剂。

离子交换反应是可逆反应，树脂在除盐时，正向反应速率大于逆向反应速率，盐类离子表现为被吸附，H离子或OH根离子则表现为解吸；再生时，逆向反应速率大于正向反应速率，H离子或OH根离子表现为被吸附，盐类离子表现为解吸。任何时候，正反应和逆反应是同时存在的，只有当正反应速率充分大于逆反应速率时，交换器出水才符合除盐指标要求。单床组成的复床在除盐运行时，解吸下来的H离子或OH根离子会参与逆反应，当除盐进行到一定程度，水中盐类离子浓度足够低时，可逆的离子交换反应达到平衡，除盐不再进行，所以复床的除盐会有一定的限度；混床将H型的阳树脂和OH性的阴树脂两种树脂混合装填后，除盐时从阳树脂解吸下来的H离子和从阴树脂解吸下来的OH根离子在床内形成水分子，宏观上看，如果混床内所有的H离子和OH根离子都结合成水分子，则逆向反应速率趋向零，正反应能进行到底，所以除盐彻底，出水水质好，理论上，混床除盐可以使出水离子浓度为零。

复床再生容易，再生剂比耗低，混床再生时需先把混合的树脂分层，阳阴树脂分别用酸碱再生后再混合起来使用，操作过程复杂，再生剂比耗是复床的2.5倍以上，再生后冲洗用水更是复床的5倍以上；但混床出水水质好，根据复床与混床不同的特点，习惯的做法是将复床用作初级除盐设备，复床除不尽的极少部分盐才让混床去承担，所以混床往往作为最后保证水质的终端除盐设备，在反渗透技术较为成熟的当今，已有将反渗透代替复床作为初级除盐设备的趋势，终端除盐设备往往还是混床。

离子交换设备一般为立式圆柱型容器，树脂以自然状态堆放在容器里，容器上部留有一定的空间，作树脂膨胀清洗之用，设备运行或再生时，树脂层静止不动，需除盐的水从圆柱型设备的一端流进，另一端流出，运行时，离子交换树脂是在水流方向上逐层失效的，如果仅仅为了出水达标，根据不同的工况，离子交换树脂填高在30厘米到60厘米就能做到，但因为离子交换树脂需要周期性地用再生剂再生，而传统的再生一般都是人工操作，需要一定的熟练程度和具有一定的劳动强度，所以，往往采用在交换器里多装填树脂的方法以获得较长的运行周期（目前设计规范要求达到24小时运行周期），再则，因为树脂层是自然堆放的，如果树脂层太薄，在压力水的作用下，树脂层内容易形成直接穿透树脂层的水流通道（俗称沟流），会大大影响交换效果和出水水质，一般，树脂层填高设计为2米或者更高，另外，树脂层还需要用清水进行反洗，体内再生单床会设置占树脂装填量50-70%的反洗膨胀空间，为有良好的分层效果，体内再生混床则设置占树脂装填量100%以上的反洗膨胀空间，所以，无论是单床或混床，交换器容器有效高度一般需3-4米或更高，设备总高度则达到6-8米或更高。

CN103496806A(2014-1-8)公开了一种除盐水生产系统及除盐水生产方法，然而其也是采用传统复床作为中间阶段处理，不能作为终端除盐设备使用，其终端除盐设备也是混床。

如果离子交换法制取除盐水工艺中能不设混床，而仅仅用复床就可以保准出水水质指标要求，那将使离子交换除盐工艺不仅变得更简捷，离子交换树脂再生所用酸碱耗量也将大大降低，离子交换技术在工业除盐水制取中的应用优势将更明显。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种作为离子交换除盐设备的实床。

本实用新型的目的之二是提供一种能作为工业除盐水终端除盐设备的复床。

本实用新型的第一技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种实床，包括用于填充离子交换树脂的树脂床本体以及设置在所述树脂床本体上的进水口和出水口，其所述树脂床本体为包括上法兰、下法兰和本体壁面的树脂床本体，所述树脂床本体上下设置有用于密封所述上法兰的盖板和密封所述下法兰的底板，所述树脂床本体内且位于盖板下方和/或底板上方分别设置有用于使进水或出水均匀分布且不致树脂逃逸的微孔板，所述本体壁面上设置有树脂充填（卸料）口和堵头，所述微孔板与盖板和/或底板之间形成的空间构成配水室，所述进水口和出水口与所述配水室相连通。

通过本实用新型的结构设置：

使树脂层在床内充分填实而不是呈自然堆放，使得树脂颗粒之间紧密接触、相互挤压，而水流是在更大的水压下，从树脂颗粒间挤出，水流中离子与树脂颗粒中可交换离子无限接近或迁移距离变小，使得离子交换反应速率提高，出水水质更好。因为树脂层填实，所以把这种树脂床称为实床；

被填实的树脂层给水流形成了一定的阻力，使配水室始终呈满水状态，从配水室下来的水通过微孔板均匀地流向树脂层，因树脂层是填实的，即使在流速高、树脂层薄的情况下，也不会形成沟流，即让每滴出水都有经过充分离子交换的机会，出水水质更有保证；

传统的离子交换器长周期运行，是基于手工再生操作情况下，从减少劳动强度，便于生产管理方面考虑设计的，半个多世纪以来，这种使用方法一直延用至今习以为常，已成为我国离子交换设备设计的思维定式，流行的设计规范要求设备运行周期不小于24小时。在自动化操作程度已很高的当代，这种设计理念完全没有必要再坚持。本实用新型实床采用不足1小时的短周期运行设计，使树脂装填量不到原来的十分之一。由于是实床，流体通过树脂层的阻力比较大，采用短周期的设计理念后，把树脂装填得尽量少，床身尽量短，从而使水流通过实床的阻力不至于太大，才能有更好的实际运行效果。床身短，不仅大大减少了树脂用量，而且使高流速成为可能，高流速进一步减薄了树脂颗粒表面滞流层厚度，使树脂层总的离子交换速率更高，交换效果更好。本实用新型空柱流速达30-80米/小时，不但减薄树脂颗粒表面滞流层厚度，相应的也使设备出水量更大（传统单床设计流速15-25米/小时）。

树脂在除盐过程中，树脂上的可交换离子并非全部参与交换反应，树脂上可交换离子的总数量以全交换容量来表征，实际参与除盐的可交换离子的数量即为工作交换容量，某颗树脂中各可交换离子的交换速率各不相同，接近树脂固相界面的可交换离子交换速率大，深入固相内部的可交换离子交换速率小，交换速率与树脂固相内迁移距离的二次方成反比，接近树脂固相界面交换速率大的可交换离子先参与交换反应，而逐后交换反应区向固相深处发展，传统树脂床的设计者追求的是较大的工作交换容量和更长的工作周期，让尽可能多的树脂固相深处的可交换离子也参与交换反应，这势必使树脂床总的交换速率降低，交换效果变差，出水水质劣化，实际运行中，根据不同的工况，传统单床树脂工作交换容量约达到全交换容量的50-55%，而本实用新型把树脂工作交换容量设定在传统的四分之一以下（约小于树脂全交换容量的12%），在前述树脂装填少、短周期运行的的情况下，运行周期设定得更短，根据不同的工况，运行周期在20-40分钟之间，使单床效果更好。

树脂工作交换容量设定小，也即意味着树脂再生度低，与运行时交换反应速率高一样，再生时反应速率也一样高，从而只要用略大于工作交换容量的再生剂就能完成再生，带来的效果是再生剂比耗低，再生剂比耗在1.1以下（即1.1比1，工作交换容量为1，再生剂实际用量为1.1），通常单床的再生剂比耗在1.4-1.6之间，混床则大于4.0,大大节省了再生剂；因为是实床，逆流再生流速可以足够大，大到接近运行流速，所以，再生用时短，一般，一个单床的再生时间小于4分钟；

本实用新型方法制造的实床使床内离子交换反应充分、迅速、高效，用于制取工业除盐水，出水水质即好又有保证，还节约再生剂；

作为优选，所述树脂床上下两块微孔板之间的距离即树脂装填高度为10-20厘米。

作为优选，所述树脂床本体中的树脂颗粒直径为0.1-0.3毫米的凝胶型树脂。

本实用新型中树脂装填高度小，又在高流速下运行，所以水流通过树脂层的时间很短（如5秒钟），必须要求交换反应速率高，对凝胶型树脂来说，因为树脂内某离子的交换反应速率与该离子在树脂颗粒内离子迁移距离的平方成反比，球型树脂的比表面积又与树脂粒径呈反比，所以，当树脂粒径较小时，树脂上交换反应速率大的近表面可交换离子占比就较大，在前述工作交换容量设定较小时，仍有足够多的交换反应速率大的近表面可交换离子参与交换反应，整体提高了树脂床的交换反应速率，更好地保证了出水品质。

实床要求树脂颗粒被压至一定程度的形变，树脂必须有较好的机械强度，本实用新型宜采用均一系数较高的凝胶型圆球形树脂。

作为优选，所述微孔板和所述盖板或底板之间形成的配水室中设置有支撑件，用于把树脂层作用在微孔板上的压力传递到盖板或底板上，支撑件可以是固定在所述盖板或底板上的支撑顶杆或与盖板或底板不固定的独立支撑件。

支撑顶杆或独立支撑件的设置可以防止微孔板变形。

作为优选，所述树脂床本体为上下开口的不锈钢筒体，所述微孔板为厚度为1-8mm的带不锈钢微孔烧结板的多层复合平板。

选用不锈钢筒体和不锈钢多层微孔烧结板，可以耐腐蚀，增加强度，抵抗水力冲击，增加使用寿命。当然，如果不锈钢微孔烧结板的厚度能够达到强度要求，单层结构也是可以实现的。

作为优选，所述盖板和/或底板与所述树脂床本体通过固定件固定并通过密封件密封，所述固定件包括螺栓、螺母和垫片，所述密封件包括密封垫圈。

更为优选地，所述微孔板与所述树脂床筒体周围焊接有防止树脂泄露的防漏件。

本实用新型的第二技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种复床，其包括串联形成的阳离子交换树脂实床和阴离子交换树脂实床。

本实用新型由实床组成的复床显著提高离子交换树脂复床的出水水质，运行时，上进下出，再生时采用逆流再生，阴离子交换树脂的再生采用50-60℃的热碱液，再生剂下进上排。

作为优选，本实用新型复床是串联的阳实床加脱气塔加阴离子交换树脂实床，特别当复床进水重碳酸根离子浓度大于100mg/l时推荐选用。

由于本实用新型复床出水能直接达到工业除盐水对各相关离子含量的指标要求，除盐水制备工艺中可以不设混床，而仅仅用复床就保准了出水水质指标要求，这将使离子交换除盐工艺变得简捷，设备成本更低，树脂用量更少，同时，本实用新型使离子交换树脂再生酸碱耗量也大大降低，再生废液产生量更小，采用本实用新型使离子交换技术在工业除盐水制取中的应用优势更大。

一种复床作为终端除盐的工业除盐水生产方法，其是将原水经过超滤设备处理后得到超滤出水，然后将所述超滤出水送入阳离子交换树脂实床处理后得到第一出水，再将所述第一出水送入阴离子交换树脂实床处理后得到第二出水即为所需的工业除盐水；所述阴离子交换树脂实床或阳离子交换树脂实床的空床流速为30-80米/小时。

本实用新型用均一系数较高的小颗粒树脂将组成复床的阳床与阴床装填成实床，采用短周期设计与运行流速高、及时再生等运行手段，使得树脂床总的离子交换反应速度大大提高，水中离子去除得更彻底，出水品质更好，从而达到让实型复床成为工业除盐水终端除盐设备的目的，在工业除盐水制取工艺中可彻底革去混床。

本实用新型方法在常规进水含盐量条件下，根据采用反渗透或不采用反渗透预脱盐的不同工况，复床出水电阻率可达到大于5-10兆欧·厘米以上（即水的电导率小于0.2-0.1μs/cm），出水硬度为0，根据原水硅含量的不同，出水硅含量小于5-20μg/l, 能完全满足亚临界超高压锅炉补给水对原水除盐的要求。另外，本实用新型不仅用实型复床代替混床降低了再生剂比耗，而且，本实用新型的实型复床与同直径的传统复床相比树脂用量少、出水量更大、再生剂比耗更低。

作为优选，在阳离子交换树脂实床和阴离子交换树脂实床之间加设脱气塔，即将原水经过超滤设备处理后送入阳离子交换树脂实床，阳离子交换树脂实床出水送入脱气塔，脱气塔出水送入阴离子交换树脂实床，阴离子交换树脂实床出水即为工业除盐水。

作为优选，将原水经过超滤设备处理后得到超滤出水，然后将所述超滤出水送入反渗透设备进行处理得到反渗透出水，然后再将所述反渗透出水依次通过所述阳离子交换树脂实床和阴离子交换树脂实床进行处理后得到工业除盐水。

更优选地，所述原水为海水，所述反渗透设备包括串联的一级反渗透和二级反渗透装置。

本实用新型方法制造的离子交换除盐水设备，床身低矮，设备小巧，用料省、重量轻，可多层叠放，采用后将大大减少厂房占用面积和设备、厂房总投资费用；同时也减少了树脂的用量，如果推广应用，也将大大缩减污染严重的离子交换树脂厂生产规模，经济效益和社会环保效应显著。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型在工业除盐水制取工艺中革去了混床，将复床作为离子交换终端除盐设备，使离子交换除盐设备变得更简易，自动控制程序更简单，树脂再生的再生剂比耗更低，与混床相比，大大减少了再生酸碱的用量，也减少了酸碱废水的排量，有利于环保。

本实用新型制造的离子交换除盐水设备，床身低矮，设备小巧，大大节约了设备制造用料，采用后将大大减少厂房占地和建造投资。

本实用新型得到应用后，将大大减少离子交换树脂的用量，离子交换树脂生产是重污染行业，本实用新型在减少离子交换树脂用量的同时，也将缩减离子交换生产厂的生产规模，总体上有利于环境保护。

附图说明

图1是本实用新型实床的半剖主视图;

图2是本实用新型复床的原理图;

图3是本实用新型一种实施例的工业除盐水制取系统；

图4是本实用新型另一种实施例的工业除盐水制取系统；

图5是本实用新型第三种实施例的工业除盐水制取系统。

图6是本实用新型第四种实施例的工业除盐水制取系统。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，实床包括用于填充离子交换树脂的树脂床本体1以及设置在树脂床本体1上的进水口2和出水口3，树脂床本体1包括上法兰11、下法兰12和本体壁面13的阴离子树脂床本体或阳离子树脂床本体，树脂床本体1上下分别设置有用于密封上法兰11的盖板4和密封下法兰12的底板5，盖板4和/或底板5与树脂床本体1通过固定件9固定并通过密封件密封，固定件包括螺栓、螺母和垫片，密封件包括密封垫圈。实床采用短周期比如30分钟运行设计，所以，树脂装填量少，装填高度仅有10-20厘米。树脂床本体中的树脂颗粒直径为0.1-0.3毫米。

树脂床本体1内且位于盖板4下方和/或底板5上方分别设置有用于使进水或出水均匀分布的微孔板6，本体壁面13上设置有树脂充填口7。树脂充填口7可以是自带密封件的注入口，也可以在树脂充填口7上另外加装堵头，树脂夹水泵入填实后堵住充填口。

微孔板6与盖板4和/或底板5之间形成的空间构成配水室8，进水口1和出水口2与配水室8相连通。

树脂床本体可以为长方体或圆筒体，优选是为上下开口的不锈钢筒体；由于床体内水流速度快，压力大，为了有效地布水，微孔板不能太厚，太薄则会减少实床使用寿命，综合考虑，微孔板选用为厚度为1.5-2mm的不锈钢微孔烧结板。为了更有效地支撑较薄的微孔烧结板，微孔板6和盖板4或底板5之间设置有用于支撑微孔板6的支撑件10。支撑件10可以是固定在盖板4或底板5上的多个支撑顶杆，也可以是不固定的单个独立支撑件。

如图2所示，复床由实床组成，包括串联形成的阳离子交换树脂实床16和阴离子交换树脂实床17。运行时，上进下出；再生时，采用逆流再生，再生剂下进上排。采用酸液对阳离子交换树脂实床16进行再生，采用50-60℃的热碱液对阴离子交换树脂实床17进行再生，再生处理后的液体流入中和池处理。无需混床，实床组成的一级复床出水就达到超高压锅炉补给水要求的除盐水指标。

实施例一

如图3所示，用含盐量小于200mg/l、重碳酸根小于50mg/l的源水制取工业除盐水。原水依次经超滤装置14、阳离子交换树脂实床16和阴离子交换树脂实床17后，出水达到工业除盐水指标要求，出水水质为：电导率=0.2μS/cm，硬度=0，铁=0，铜=0，钠=5μg/l,硅=15μg/l。

实施例二

如图4所示，用含盐量小于300mg/l、重碳酸根大于100mg/l的源水制取工业除盐水。源水依次经超滤装置14、阳离子交换树脂实床16、脱二氧化碳塔18、泵19、阴离子交换树脂实床17后，出水达到工业除盐水指标要求，出水水质为：电导率=0.2μS/cm，硬度=0，铁=0，铜=0，钠=5μg/l,硅=15μg/l。

实施例三

如图4所示，用含盐量在200-5000mg/l的源水制取工业除盐水。源水依次经超滤装置14、反渗透装置15、阳离子交换树脂实床16和阴离子交换树脂实床17后，出水即达到工业除盐水指标要求，出水水质为：电导率=0.1μS/cm，硬度=0，铁=0，铜=0，钠=3μg/l,硅=5μg/l。

实施例四

如图5所示，用海水制取工业除盐水，海水含盐量35000mg/l。海水依次经超滤装置14、一级反渗透装置151、二级反渗透装置152、阳离子交换树脂实床16和阴离子交换树脂实床17后，出水即达到工业除盐水指标要求。出水水质为：电导率=0.1μS/cm，硬度=0，铁=0，铜=0，钠=5μg/l,硅=3μg/l。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1. 一种实床，包括用于填充离子交换树脂的树脂床本体（1）以及设置在所述树脂床本体（1）上的进水口（2）和出水口（3），其特征在于：所述树脂床本体（1）为包括上法兰（11）、下法兰（12）和本体壁面（13），所述树脂床本体（1）上下分别设置有用于密封所述上法兰（11）的盖板（4）和密封所述下法兰（12）的底板（5），所述树脂床本体（1）内且位于盖板（4）下方和/或底板（5）上方分别设置有用于使进水或出水均匀分布且不致树脂逃逸的微孔板（6），所述本体壁面（13）上设置有树脂充填卸料口（7），所述微孔板（6）与所述盖板（4）和/或底板（5）之间形成的空间构成配水室（8），所述进水口（2）和出水口（3）与所述配水室（8）相连通。

2. 根据权利要求1所述的一种实床，其特征在于：所述树脂床上下两块微孔板之间的距离为10-20厘米。

3. 根据权利要求2所述的一种实床，其特征在于：所述树脂床本体中的树脂颗粒直径为0.1-0.3毫米。

4. 根据权利要求3所述的一种实床，其特征在于：所述微孔板（6）和所述盖板（4）或底板（5）之间设置有用于支撑所述微孔板（6）的支撑件（10）。

5. 根据权利要求4所述的一种实床，其特征在于：所述树脂床本体为上下开口的不锈钢筒体，所述微孔板为厚度为1-8mm的带不锈钢微孔烧结板的多层复合平板。

6. 一种根据权利要求1-5任一项实床组成的复床，其特征在于：它包括串联形成的阳离子交换树脂实床和阴离子交换树脂实床。

7. 一种根据权利要求6所述的复床，其特征在于：阳离子交换树脂实床和阴离子交换树脂实床之间设置有脱气塔。