改善陽床二次稀釋水布水效果探討

馬 麗，向 偉，3，李偉剛，陳洪巖

（1 遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧阜新123000；2 遼寧省煤制天然氣工程技術(shù)研究中心，遼寧阜新123000；3 遼寧省煤制天然氣工程研究中心，遼寧阜新123000；4 遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司企業(yè)博士后科研基地，遼寧阜新123000）

大慶石化公司化肥廠化學(xué)除鹽系統(tǒng)單個(gè)系列的水處理量為180～220 t／h。自2000年底將單室浮床改為雙室雙層浮床，采用逆流再生方式進(jìn)行再生。再生過程中，陽離子交換器 （簡(jiǎn)稱 “陽床”）出現(xiàn)弱樹脂易結(jié)鈣的現(xiàn)象。經(jīng)查其二次稀釋水系統(tǒng)是利用原單室浮床弱樹脂自清洗系統(tǒng)的管線，再生時(shí)二次稀釋水流量為27 t／h左右，而其管線管徑較粗，布水效果不好。為此，本文對(duì)二次稀釋水改進(jìn)的措施進(jìn)行了探討，以求達(dá)到改善布水效果的目的。

1 裝置概況

大慶石化公司化肥廠化學(xué)除鹽系統(tǒng)共有3臺(tái)雙室雙層陽床，采用并列方式連接，陽床內(nèi)徑2524 mm，是一種逆流再生離子交換器。上部裝填的強(qiáng)樹脂為001×7強(qiáng)酸性苯乙烯陽離子交換樹脂，樹脂高度2700 mm，體積12.5 m3。下部裝填的弱樹脂為D113弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂，樹脂高度800 mm，體積4.8 m3。陽床的設(shè)計(jì)出力為180～220 t／（h·臺(tái)）。

2 陽床再生

2.1 再生原理

陽床在運(yùn)行（除鹽）過程中，水中的 K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等陽離子與陽床內(nèi)的陽離子交換樹脂上處于游離態(tài)H＋離子進(jìn)行交換，反應(yīng)方程式如式（1）。

當(dāng)陽離子交換樹脂上的H＋離子被交換 “完了”之后，樹脂失去了繼續(xù)交換水中陽離子的能力，即樹脂吸附達(dá)到了飽和狀態(tài)。此時(shí)，通常稱為陽床 （陽離子交換樹脂）失效［1］。

陽床再生過程是基于離子交換樹脂反應(yīng)可逆性原理，即將一定濃度的酸液以一定流量進(jìn)入失效的陽床內(nèi)，利用酸液中的較高濃度的H＋離子將失效樹脂上所吸附的K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等陽離子置換出來，取而代之，使離子交換樹脂重新獲得交換水中陽離子的能力。酸液中的H＋離子與樹脂上所吸附的K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等陽離子的置換反應(yīng)進(jìn)行得越徹底，樹脂獲得交換水中陽離子能力越強(qiáng)。此時(shí)，陽床再生效果越好。

樹脂的離子交換和再生過程，實(shí)際上是一種可逆的化學(xué)反應(yīng)過程，如式 （2）、式 （3）。

大慶石化公司化肥廠除鹽水裝置陽床再生采用濃度為93%～98%的硫酸，經(jīng)過稀釋后輸入浮床內(nèi)對(duì)陽離子交換樹脂進(jìn)行再生。再生過程采用四步酸濃度再生法。雖然每步再生酸濃度變化不大，但仍不時(shí)出現(xiàn)弱酸性陽離子交換樹脂結(jié)鈣現(xiàn)象，大大影響了再生效果。如圖1所示。

2.2 陽床再生過程結(jié)鈣原因分析

2.2.1 結(jié)鈣原理分析

離子交換樹脂的離子交換和再生過程是一個(gè)可逆的化學(xué)反應(yīng)過程。因此，陽床再生過程中再生溶液中硫酸必須達(dá)到一定范圍，才能促使酸液中的H＋離子濃度達(dá)到一定范圍，既而在濃度差作用下將失效樹脂所吸附的陽離子置換出來。

圖1 陽離子交換器基本構(gòu)造

然而，由于強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂的交換容量一般為4.5 mmol／g，弱酸性陽離子交換樹脂的交換容量為10.8 mmol／g，弱酸性陽離子交換樹脂的交換容量較強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂高出2.4倍，再加上弱酸性陽離子交換樹脂在離子交換除鹽的最前部，其運(yùn)行過程中吸附的Ca2＋、Mg2＋等離子數(shù)量最多。在再生過程中，若再生液中H＋濃度過高，弱酸性陽離子交換樹脂表面的Ca2＋、Mg2＋迅速被置換出來，與再生液中SO結(jié)合生成CaSO等微溶物質(zhì)，這些微溶物質(zhì)將弱酸性離子交換樹脂顆粒黏集成塊，既產(chǎn)生結(jié)鈣，且越集越多，阻礙了弱酸性離子交換樹脂與再生液中H＋的置換，使再生效果大大降低。這些樹脂塊大量堵塞于濾帽上部，影響再生液的流速和流量，繼而也對(duì)上部強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂的再生產(chǎn)生影響，導(dǎo)致整個(gè)陽床再生不合格。根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，若同一個(gè)陽床經(jīng)常出現(xiàn)再生結(jié)鈣現(xiàn)象，其濾帽壽命縮短，碎樹脂增多，局部流速過高，周期制水批量減少，出水水質(zhì)也不夠穩(wěn)定。

2.2.2 二次稀釋水

由于弱酸性樹脂具有在高濃度H＋再生液下易結(jié)鈣的弊端，于是單獨(dú)為其設(shè)置了另一路稀釋水管線，俗稱陽床二次稀釋水。從弱酸性陽離子交換樹脂的結(jié)鈣部位與二次稀釋水分配試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：二次稀釋水出現(xiàn)斷流的部位樹脂結(jié)鈣較嚴(yán)重，成大塊狀，而二次稀釋水未出現(xiàn)斷流的部位則結(jié)鈣較輕，由此判斷由于二次稀釋水分布不均引起部分弱酸性陽離子交換樹脂結(jié)鈣，繼而影響整個(gè)弱酸性陽離子交換樹脂層結(jié)鈣［2］，見圖1。

圖2 現(xiàn)有二次稀釋水分布管（單位：mm）

圖3 改造后的二次稀釋水分布管 （單位：mm）

進(jìn)一步對(duì)二次稀釋水布水管線進(jìn)行檢查，二次稀釋水主管為DN150 mm的不銹鋼管，二次分布管為DN 80 mm孔隙較密的網(wǎng)狀管。當(dāng)二次稀釋水進(jìn)入二次分布管后，由于分布管孔隙面積較來水面積大，雖來水具有一定壓力，但仍無法避免水走近路的特性，離入口較近的分布管沒有稀釋水流出，繼而造成二次稀釋水分布不均，覆蓋面不全，引起弱酸性陽離子交換樹脂的結(jié)鈣。如圖2所示。

3 二次稀釋水改造具體措施

為了讓稀釋水保持一定壓力，布水均勻，在流量、流速一定的條件下，只要分布管孔隙面積小于主管路來水面積，即能使來水充滿每根分布管。根據(jù)現(xiàn)有的二次稀釋水系統(tǒng)布管情況，只需在原有支管內(nèi)分別加上頂端盲死的帶小孔的細(xì)管，用法蘭連接做成夾套形式，即可起到限流的作用。共需0.90 m長(zhǎng)細(xì)管6根、0.50 m長(zhǎng)細(xì)管4根，細(xì)管上小孔的間距為0.1 m，總共需要小孔74個(gè)。如圖3所示。

工業(yè)供水（0.8 MPa以下）流速為1.0 m／s，二次稀釋水流量為27 t／h（0.0075 m3／s），根據(jù)A＝Q／u，A總管＝0.0075／1.0＝0.0075 m2。

上述措施雖可以降低弱酸性陽離子交換樹脂結(jié)鈣的可能性，但由于浮床的再生效果受再生液流量、流速、溫度、濃度等多方面因素的影響，為提高浮床的再生效果，在上述改造的基礎(chǔ)上，還必須摸索由于二次稀釋水的變化而帶來的再生液濃度、流速、溫度等的調(diào)整量，才能最終保證浮床的再生效果。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大慶石化公司化肥廠除鹽裝置二次稀釋水分布不均的弊端進(jìn)行了分析和改進(jìn)措施的探討，期望能解決該裝置的結(jié)鈣問題。

［1］ 周本省.工業(yè)水處理技術(shù) ［M］.第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］ 化學(xué)工業(yè)部化工工藝配管設(shè)計(jì)技術(shù)中心.化工管路手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1978.