可拆換離子交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

阮杰 林天宇 晉利群

上海阿波羅股份有限公司 上海 201499

引言

離子交換器作為凈化工行業(yè)化水處理的凈化處理設(shè)備，在熱電站、核工業(yè)、化工、輕工業(yè)、鍋爐、防治、醫(yī)藥、生物等水處理中應(yīng)用廣泛。離子交換器的關(guān)鍵凈化成分為陰、陽兩種離子交換樹脂，互相充分均勻地混合在一個(gè)凈化元件內(nèi)，對(duì)流體中的離子進(jìn)行交換、脫除。本文介紹的離子交換器由汲水裝置、設(shè)備筒體、滑軌、底座、凈化元件、緊固機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)組成。在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)涉及設(shè)備的密封、設(shè)備的安裝、凈化元件的更換、凈化的效率等問題，本文主要介紹了不同問題的解決方案和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及該設(shè)備的運(yùn)行基本原理。

1 工作原理

本文中介紹的離子交換器為混合離子交換器，關(guān)鍵的凈化部分為凈化元件，分為上凈化元件和下凈化元件兩個(gè)部件，均可以進(jìn)行拆卸替換。凈化元件中的內(nèi)外筒體中間的區(qū)域填充了混合陰、陽離子樹脂，起到對(duì)水體的去離子化作用，達(dá)到了保持水體純凈的功能。為提升凈化效率和凈化效果，采用的方式為使用汲水裝置吸入后，將需凈化的水壓入凈化元件進(jìn)行過濾，濾過后的潔凈水體通過底部的底座開孔重新回到水池中。池水過濾的路線如圖1工作原理示意圖（箭頭為池水流經(jīng)方向）展示，從汲水裝置上端開口處吸入水池中需凈化的水體，汲水裝置中的電機(jī)和泵保證了足夠的壓力使池水可以通過上凈化元件的入口處進(jìn)入凈化元件，元件中的內(nèi)外筒體上均是滿布了大小一致的孔洞，可以在不漏出樹脂污染水體的同時(shí)保證了池水可以在濾過后通過。池水從上凈化元件的內(nèi)筒體流經(jīng)混合陰、陽離子樹脂，首次過濾后從外筒體的孔洞流出，池水繼續(xù)向下流動(dòng)，由上凈化元件支撐部分的空隙流過進(jìn)入下凈化元件區(qū)域，從下凈化元件的外筒體進(jìn)入，流經(jīng)混合陰、陽離子樹脂，再次濾凈后從內(nèi)筒體的孔洞流出，潔凈水體匯流至一處向下流出元件底部的開孔及底座開孔，流至最下面的底座，經(jīng)由底座上的各處出水口重新回到水池中。

圖1 工作原理示意圖

2 關(guān)鍵問題及設(shè)計(jì)分析

2.1 密封性

由于考慮到整體設(shè)備的凈化效果，進(jìn)入離子交換器的池水應(yīng)按圖1工作原理示意圖的流向所示充分流經(jīng)凈化元件的陰、陽離子樹脂，需嚴(yán)格密封池水流經(jīng)的設(shè)備連接組合部分等可能產(chǎn)生間隙的地方。本文中介紹的離子交換器主要討論三處密封：汲水裝置與設(shè)備筒體的密封、設(shè)備筒體與底座的密封、上凈化元件的密封。

2.1.1 汲水裝置與設(shè)備筒體的密封。離子交換器的首端入口為汲水裝置，與之相接的即為設(shè)備筒體，為保證整體設(shè)備是一個(gè)密封環(huán)境，與外界池水的接觸交流只有進(jìn)口處的汲水裝置與作為出口的底座出水口，故汲水裝置與設(shè)備筒體的密封尤為關(guān)鍵。為此特設(shè)計(jì)密封法蘭作為連接汲水裝置和設(shè)備筒體的部件，工作原理如圖2密封法蘭結(jié)構(gòu)及組裝示意圖。密封法蘭上端加工出臺(tái)階用于放置汲水裝置，汲水裝置底部有開密封槽用于放置密封圈，與密封法蘭的平滑臺(tái)階面形成密封。密封法蘭下端為法蘭結(jié)構(gòu)，與設(shè)備筒體上的法蘭相適配。

圖2 密封法蘭結(jié)構(gòu)及組裝示意圖

密封法蘭的下底面及設(shè)備筒體法蘭的上表面均加工平滑，使兩個(gè)法蘭通過螺栓，螺母固定后可以產(chǎn)生一個(gè)緊密貼合的密封面以達(dá)到密封的作用。

汲水裝置壓在密封法蘭上施加一個(gè)向下的壓緊力，使汲水裝置密封槽內(nèi)的密封墊可以產(chǎn)生一個(gè)較好的密封性。關(guān)于密封墊類型、密封槽類型對(duì)應(yīng)不同的壓緊力下產(chǎn)生的密封性能，進(jìn)行了試驗(yàn)如圖3壓緊力與密封類型的關(guān)系圖。分別試驗(yàn)了4種情況：①汲水裝置底面和密封法蘭臺(tái)階均開密封槽，密封圈采用O形圈；②汲水裝置底面和密封法蘭臺(tái)階均不開密封槽，密封圈采用平墊圈；③汲水裝置底面開密封槽，密封法蘭臺(tái)階不開槽，密封圈采用O形圈；④水裝置底面開密封槽，密封法蘭臺(tái)階不開槽，密封圈采用平墊圈。

經(jīng)過多組試驗(yàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相較O形圈，平墊圈在本設(shè)備該結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)良好，結(jié)合開槽的形式從穩(wěn)定性方面考慮，采用了第四種密封方式，汲水裝置底面開密封槽，密封法蘭臺(tái)階不開槽，密封圈采用平墊圈（即圖3中方塊代表的折線）。

圖3 壓緊力與密封類型的關(guān)系

2.1.2 設(shè)備筒體與底座的密封。離子交換器的末端出口為底座，和與之相接的設(shè)備筒體形成一個(gè)密封的整體，故需在底座與設(shè)備筒體間進(jìn)行密封。同時(shí)經(jīng)過上凈化元件下來的池水需保證其能通過下凈化元件的樹脂區(qū)域，再從元件中間的腔體下來，而不是從下凈化元件與底座之間的間隙中流出，故需對(duì)下凈化元件與底座部分進(jìn)行一個(gè)密封，從而提升凈化效果。

設(shè)備筒體下端和底座的上端均為法蘭結(jié)構(gòu)，且兩者適配。兩法蘭的接觸表面均加工平滑，使兩個(gè)法蘭通過螺栓，螺母固定后可以產(chǎn)生一個(gè)緊密貼合的密封面以達(dá)到密封的作用，如圖4設(shè)備筒體與底座密封示意圖所示。

下凈化元件與底座的密封依靠的是底座法蘭上一處密封環(huán)結(jié)構(gòu)，可以與下凈化元件底部的密封槽進(jìn)行密封，同樣的此處的密封槽內(nèi)放置了平墊圈以保證此處的密封性，平墊圈的固定方式為使用工業(yè)膠水粘連在下凈化元件的密封槽內(nèi)，此方式也方便后續(xù)更換凈化元件的時(shí)候同時(shí)更新密封圈，如圖4設(shè)備筒體與底座密封示意圖所示。

圖4 設(shè)備筒體與底座密封示意圖

為使底座密封環(huán)的密封性更加充分的發(fā)揮，需對(duì)下凈化元件增加一個(gè)壓緊力，壓緊力通過上、下凈化元件之間的4個(gè)彈簧傳遞，彈簧是焊接固定在下凈化元件的上蓋板上的，保證其不脫落，如圖1工作原理示意圖中展示的彈簧結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)一方面在更換元件的時(shí)候可以更方便地取出上凈化元件，另一方面?zhèn)鬟f給上凈化元件的壓緊力可以通過彈簧傳遞至下凈化元件。

2.1.3 上凈化元件的密封。上凈化元件位于設(shè)備筒體內(nèi)，其入水口位于汲水裝置出水口的正下方，為保證從汲水裝置吸入的池水可以直接進(jìn)入上凈化元件，需對(duì)上凈化元件與汲水裝置通路之間增加密封裝置。本文介紹的離子交換器采用的結(jié)構(gòu)為密封環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖5汲水裝置與上凈化元件的密封示意圖。

圖5 汲水裝置與上凈化元件的密封示意圖

密封環(huán)結(jié)構(gòu)與汲水裝置為焊接固定一體，整體為一個(gè)完整的環(huán)保證池水僅向下流動(dòng)。與密封環(huán)相接的地方為上凈化元件的上蓋板，蓋板上表面加工出了可以放置密封墊圈的密封槽，同時(shí)需保證槽的寬度比密封環(huán)稍大，且可增加導(dǎo)向倒角方便安裝。由于此處的密封與上方汲水裝置、密封法蘭之間的密封均為硬密封，故密封環(huán)處的密封墊圈應(yīng)選擇由彈性更好的材料制成的平墊圈，且厚度必須更加厚，以保證此處的密封墊可以產(chǎn)生更大的形變量，同時(shí)使兩處密封能夠達(dá)到不泄漏的要求。

2.2 關(guān)鍵部件的可更換性

離子交換器的主要功能部分為陰、陽離子樹脂。離子樹脂按照正常的使用操作，其使用壽命是比較長的，但是因?yàn)橛捎诔厮泻须s質(zhì)等，而這些雜質(zhì)會(huì)對(duì)樹脂造成污染，然后導(dǎo)致離子樹脂的使用性能下降，濾水質(zhì)量變差等現(xiàn)象。有些污染是不完全可逆的，比如使樹脂發(fā)生了氧化反應(yīng)，其使高分子鏈產(chǎn)生斷裂，結(jié)構(gòu)遭到破壞，即使進(jìn)行復(fù)蘇，樹脂也較難以回到原來的使用性能了[1]。故關(guān)鍵部件——凈化元件需具有可更換性、可拆換性，這能使得整體設(shè)備的使用壽命大大提升。

在本設(shè)備離子交換器中陰、陽離子樹脂是填充在凈化元件中的，上下兩個(gè)凈化元件均為單獨(dú)的部件，元件的上蓋板上均有加工出中心通孔，通孔的下方為中空的腔體，一方面是用作濾水時(shí)水流的通道，另一方面則是為了使用專用工具進(jìn)行起吊更換的用途，如圖6凈化元件起吊示意圖。

圖6 凈化元件起吊示意圖

進(jìn)行拆換操作時(shí)，使用專用工具——外徑三爪吊具沿著汲水裝置頂端的法蘭外沿凸起進(jìn)行起吊，將汲水裝置取下。而后使用專用工具——內(nèi)徑三爪吊具，通過勾住上凈化元件上蓋板上面開孔的內(nèi)沿起吊，沿著設(shè)備筒體垂直取出即可；下凈化元件也以同樣的方式取出[2]。

取出后的凈化元件可以取下上蓋板上進(jìn)料口的進(jìn)口塞，即可進(jìn)行進(jìn)換料的操作，平時(shí)運(yùn)行過程中進(jìn)口塞是旋緊的狀態(tài)，保證離子樹脂不會(huì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部污染水體。如圖7凈化元件所示。

圖7 凈化元件

2.3 整體設(shè)備安裝的可操作性

本文介紹的離子交換器除了起功能作用的主體部分，還有起固定作用的滑軌部分、起支撐及調(diào)節(jié)整體高度作用的支撐機(jī)構(gòu)以及提供整體壓緊力的緊固機(jī)構(gòu)。為提升在安裝時(shí)的可操作性，各部件均進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，保證現(xiàn)場安裝時(shí)的便利性以及安裝后的使用效果。

2.3.1 滑軌。本文介紹的離子交換器為安裝在池壁上的形式，為了方便安裝，同時(shí)考慮到運(yùn)維便利，可以整體取出設(shè)備本體，故設(shè)計(jì)滑軌結(jié)構(gòu)。滑軌結(jié)構(gòu)由左右鏡像的兩件滑道以及汲水裝置、設(shè)備筒體外相焊的滑板組成。如圖8滑軌展示的側(cè)視圖與俯視圖視角。

圖8 滑軌

為保證在安裝時(shí)，滑板能夠順利進(jìn)入滑道并且可以無阻滯的滑到底部，滑道和滑板均設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的階梯結(jié)構(gòu)，整體為上寬下窄，有進(jìn)入方便容錯(cuò)高，到位后不易振動(dòng)產(chǎn)生異響的優(yōu)點(diǎn)[3]。具體設(shè)計(jì)為滑道內(nèi)的凹槽為三段階梯厚度漸變，這樣使兩件滑道之間的寬度會(huì)有變化，對(duì)應(yīng)了設(shè)備到位時(shí)相應(yīng)位置的滑板寬度也有三種寬度。如圖9滑軌結(jié)構(gòu)所示。

圖9 滑軌結(jié)構(gòu)

由于該結(jié)構(gòu)不是固定把死的結(jié)構(gòu)，故在到了設(shè)備檢修、發(fā)生故障或者設(shè)備遷移的時(shí)候可以隨時(shí)整體取出，便于設(shè)備的運(yùn)維和保養(yǎng)。

2.3.2 支撐機(jī)構(gòu)。支撐機(jī)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備重量承受的結(jié)構(gòu)，同時(shí)起了著安裝時(shí)調(diào)整設(shè)備在水池中整體高度的作用。本文介紹的支撐機(jī)構(gòu)為底部三角支撐的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、方便加工制造同時(shí)也方便運(yùn)輸。如圖10支撐機(jī)構(gòu)所示。

圖10 支撐機(jī)構(gòu)

2.3.3 緊固機(jī)構(gòu)。緊固機(jī)構(gòu)起的作用是提供壓緊力，保證整體設(shè)備的穩(wěn)固、為設(shè)備各處的密封系統(tǒng)增加壓力使其可以更好地發(fā)揮密封性。本文介紹的結(jié)構(gòu)可以拆分為兩個(gè)部分，結(jié)構(gòu)簡單、方便運(yùn)輸，同時(shí)也可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行合適的調(diào)整，以適應(yīng)各種高度的水池均可以提供足夠的壓緊力。如圖11緊固機(jī)構(gòu)所示。

圖11 緊固機(jī)構(gòu)

具體的工作原理為兩件有反向螺紋的絲桿螺母配合一根絲桿，其中一根絲桿螺母固定在水池邊上，而另一根絲桿螺母則壓緊在汲水裝置上的壓板（與汲水裝置筒體相焊）上，通過旋轉(zhuǎn)絲桿來使整體長度伸長或縮短，壓緊力來自絲桿和絲桿螺母之間提供的摩擦力。

包裝運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候該機(jī)構(gòu)方便通過旋開絲桿來使其分開為兩個(gè)機(jī)構(gòu)，減少體積便于包裝和運(yùn)輸。在現(xiàn)場安裝的時(shí)候，分離的結(jié)構(gòu)也可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)合適的壓緊力。

3 結(jié)束語

在離子交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需充分考慮到設(shè)備的密封性能，可拆換性能，以及在加工制造，現(xiàn)場安裝時(shí)候的可操作性、容錯(cuò)性。尤其是密封性能，池水的過濾效率除了進(jìn)水效率和樹脂的吸附效率等常規(guī)因素，控制流轉(zhuǎn)過程中池水的外溢也是提升過濾效率的一種因素。同時(shí)由于樹脂需不定期地進(jìn)行更換，元件能便利的拆換也是必不可少的功能。本文就以上幾點(diǎn)提供了一種設(shè)計(jì)思路。