离子交换系统处理污水计划书

- 1 - 离子交换系统处理污水计划书 一设计任务 （一） 设计目的 1、 通过课程设计使学生了解水污染控制技术课程设计的相关规范、内容及标准； 2、 了解污水的生物接触氧化反应系统的处理工艺，及其设备的工艺设计方法； 3、 掌握典型水污染控制单元系统工艺流程、结构、工作原理相关设计与设计计算； 4、 培养我们在水污染治理工程的工艺计算、初设图纸的绘制、工程量的计算、标准和规范的运用、设计手册与资料的查阅以及计算机的应用等能力，使我们树立正确的设计思想； 5、 培养我们正确、清晰地表达设计内容、书写设计说明书的能力； 6、 熟练 运用 工程制图规范与标准绘制规范性工艺设计图纸的能力以及计算工程量的能力； 7、 加强理论联系实际，培养我们科学严谨、实事求是的工作作风和勇于创新的敬业精神。 （二） 设计题目 设计题目： 离子交换系统 。 （三） 设计内容 该题目分 5个阶段完成设计内容。 1查阅资料 查阅资料的内容包括：（ 1）水污染控制技术课程设计的规范、内容和要求，环境工程设计规范与标准，工程制图标准；（ 2）设计任务所及水污染控制单元系统（及其设备与构筑物）的工艺流程、结构、工作原理、特点和用途，工艺设计参数，计算公式及设计方 法；（ 3）设计说明等资料的内容与格式，工程量的计算方法；（ 4）其他资料。 - 2 - 2工艺设计 工艺设计的内容包括：（ 1）设备及构筑物布置（平面和剖面）设计：（ 2）管 路布置设计；（ 3）标准设备及选材；（ 4）绘制工艺设计草图并进行计算；（ 5）编写设计说明。 3绘图 需绘制的图纸包括：（ 1）带控制点工艺流程图；（ 2）非标准设备及构筑物的工艺构造图；（ 3）设备布置图（平、立面）；（ 4）零件图；（ 5）高程图；（ 6）管道布置图；（ 7）设备材料一览表。 4工程量估算 按照图纸进行工程的估算，如土方数、混凝土体体积、钢板 重量、钢管重量、防腐面积等。 5资料汇总 将设计任务、设计说明、工艺设计图纸和工程量估算等内容依次汇编装订，构成水污染控制技术课程设计报告。 二、设计说明 （一） 设计介绍 离子交换水处理是通过离子交换剂，除去水中呈离子态杂质的水处理方法。普通应用于水处理的离子交换剂的物质是离子交换树脂，它直接影响着离子交换水处理的水质水平和经济性。为此，需要讨论离子交换树脂及其在水处理中的基本原理。 离子交换是靠交换剂本身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的。推动离子交换的动力是离子间的 浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和能力，这就是离子交换的基本原理。 离子交换是可逆反应，其反应式可表达为 M H 交换 交换 饱和 树脂 离子 树脂 在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式 - 3 - （ H+） /（ M+） =K ，表示反应能顺利地向右方进行。 有利于交换反应，而不利于逆反应。 在重金属废水的离子交换法处理过程中， 由于工业废水种类繁多，水质复杂，故应考虑工业废水水质对离子交换的影响。 （二） 基本设计参数与要求 1、 废水的水质和水量 处理水量 550m3/d=23m3/h 00mg/l) 处理前金属离子浓度 : mg/l 220 80 20 10 20 10 1500 1000 处理后金属离子浓度 （ mg/l） H=水中各种重金属的回收率 （ 220 （ 80 2、 工艺流程方案 - 4 - 工艺流程图泵盐池食盐再生废液出水离子交换柱泵缓冲池过滤出水（一）系统工艺流程 离子交换系统的带控制点工艺流程图。 - 5 - 工艺流程介绍如图所示 重金属废水通过管道进入集水调节池，投加一定的H 到中性并进行水量调节，出水经水泵进入连续过滤池以去除水中固 体悬浮物，过滤后，经提升泵导入离子交换柱内，在离子交换柱内，重金属离子与弱酸性 子树脂发生离子交换反应，重金属即被固定到离子交换树脂上，直到离子交换树脂达到饱和为止。此时排出的一部分水用于淋洗再生后的树脂，其他水外排。接着进行树脂的反洗，再生。树脂再生后的洗脱液浓集了大量有毒而又有用的重金属离子，将再生洗脱液导入废酸收集槽内，接着进行树脂的转型，将转型后的废碱液导入废碱收集槽内，再用水泵将废酸和废碱同时导入中和池内，最后重金属经回收处理。 （三） 设计方案与计算 1、 集水调节池设计计算 因为工艺流 程采用的是弱酸性阳离子树脂，其交换基团的离解与 关系很大。如羧酸型（ 树脂，只有在 于 4时才显示其交换性，且 换能力越强（当 时，交换容量为 量 / 9时，其交换容量可达 9量 /以首先要进行 能发挥其离子交换作用。 针对废水 含有多种重金属离子，故采用投药中和法进行 节。考虑到所处理的水量小，且不产生大量沉渣，故将中和剂（ 加在集水调节池中。即可不设混合反应池，但须满足混合反应时间。 中和 反应式： H+ + 17 1025 23 1000 4 X X= 用量 =(40)/17=11408g 故每个小时的 用量为 11408/4=2852g/h 在均化池内通常要进行混合，其目的是要保证调节作用，通过混合与曝气，防止可沉降的固体物质在池中沉降下来和出现厌氧情况。还有预曝气的作用。废水中的还原性物质可 以被氧化，吹脱去除可挥发性物质。 计算公式 - 6 - 在 m3/h 时段 h 取 4h 3 4=92节池尺寸有效水深取 2m 池面积为 46宽取 4m 池长为 12m 2、 过滤池设计计算 过滤是通过具有孔隙的粒状滤料层截留水中悬浮物和胶体而使水获得澄清的工艺过程。滤池的形式有多种多样， 因双层滤料池属于反粒度过滤，截留杂质能力强，杂质穿透深，产水能力大，适于在给水和废水过滤处理中使用，故采用双层滤料滤池。 滤速采用 8m/s，滤料采用了无烟煤和石英沙。 过滤池计算公式 滤池面积公式 F=Q/=滤池总面积 =设计日废水量 m3/d V=滤速 m/h T=滤池的实际工作时间 T=0=滤池工作周期时间 h 池运行后的停留时间 h 池反冲洗时间 h - 7 - 设计数据 Q=550m3/d=d 其中考虑了水厂自用水量（包括反冲洗用水） m/h 冲洗强度 q=12 16L/(s 冲洗时间 6池面积及尺寸 滤池的工作时间为 24h，每次冲洗 6留时间 40滤池实际工作时间为 T=4 40/60 6/60=Q/V=用滤 池 三 个 每个滤池面积为 f=F/N=计滤池长宽比 L/B=1 则滤池尺寸 L=B= 核强制滤速 v= N 1） =12m/h 滤池总高 承托层 料层高度无烟煤层为 400m，石英砂层为250高 50料上水深 高 板 滤池总高度为 H= 池反冲洗水头损失 管式大阻力配 水系水头损失 q/(10)2 (1/2g) 设计支管直径 d=70mm,b(壁厚 )=5眼 d=9口流量系数 =水系统开 a=q=14L/(s 得 经支承层水头损失计算 14=m) 滤料层水头损失及富余水头为 m 反冲洗水泵扬程滤池高度清水池深度管道、滤层水头损失 - 8 - H=3 (2)=据冲洗流量和扬程选择反冲洗水泵 各类过滤池的滤料必须定期进行反冲洗，这主要是因为在过滤过程中，原水中的悬浮物被滤料表面吸附并不断地在滤料层中积累，由于滤层孔隙逐渐被污物堵塞，过滤水头损失不断增加，当达到某一限度时，滤料需要进行清洗，使滤池恢复工作性能，继续工作。 3、 离子交换柱设计计算 离子交换是靠交换剂自身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的，推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂上的动能基对离子的亲合能力，这就是离子交换的基本原理。 针对 离子。采用弱酸氢离子交换树脂。这种树脂对氢离子选择能力特别强，对多价离子的选择能力也忧于低价离子。弱酸性阳离子交换树脂指含有羧酸基（ 磷酸基（ 的离子交换树脂，其中以含有羧酸基的弱酸性树脂用途最广，含羧酸基的阳离子交换树脂在水中的解离程度较弱，在 1010以显弱酸性，其解离如下： R R +H 它仅能在接近中性和碱性介质中才能解离而显示离子交换能力，含羧酸基的弱酸性离子树脂是用甲基丙烯酸或丙烯酸与二乙烯苯进行悬浮共 聚而后水解的方法制得，过去，聚丙烯酸系弱酸性树脂以对链霉素的特殊选择交换吸附性能而主要用于链霉素的分离提炼。近年来，根据它的高达 9量 /g 左右的交换容量，容易再生，以及对二价金属离子具有较好的选择性的特点，已广泛用于水处理及工业废水处理等方面。 再生阶段的液流方向和交换时水流方向相同称为顺流再生，反之称为逆流再生。顺流再生的优点是：设备简单，操作简单，工作可靠。故在本设计中采用顺流再生固定床工艺。 采用弱酸双阳柱全饱和流程 离子交换柱应去除的金属离子的物质的量，考虑到出水中金属离子的含 量比较少（ 0） 220）物质的量浓度为 C（ 1/2 = (80)物质的量浓度为 C（ 1/2 = (20)物质的量浓度为 C（ 1/2 = (10) 物质的量浓度为 C（ 1/3 = - 9 - 10）物质的量浓度为 C（ 1/2 =35 (20) 物质的量浓度为 C（ 1/2 =2 合计 计算交换柱处理负荷 G=Q（ C G 处理负荷 h Q 处理水量 m3/h C 进水浓度 p 出水浓度 日应去除金属离子负荷为 G=Q（ C =550m3/d (0)=d 计算 弱酸阳树脂工作交换容量 500定树脂再生周期 T=2d,所需树脂 的体积 计算所需树脂的总体积 树脂总体积 树脂再生周期 h 作交换容量 0=(d 2d)/1500（ 1）设计离子交换柱的直径 D ( D 离子交换柱直径 m V 处理液在柱内流速 m/h D ( = 10/234( =- 10 - （ 2）计算离子交换柱高度 h=4 /( h 树脂层高度 m 离子交换柱高度 m 树脂清洗时膨胀率 可按考虑 h(1+ ) 计算交换塔尺寸 设交换塔直径 D=1700则树脂层厚度为 h=4 /(=(4)/( a 考虑反冲洗时树脂的膨胀率 =50 所以交换塔高 h(1+ )=（ 1+50 ） =用 2柱串联，则每柱的树脂深度为 = 3）离子交换再生液的计算 再生剂的用量 M 再生剂的用量 g 再生剂耗量 g/ 饱和树脂的体积 生液的体积 I=M I 在一 定浓度下的再生液的体积 L 再生液中所含再生剂的浓度 g/l 整个处理过程发生的化学反应（ 去除 2R （ R 2M 2式中 再生 （ R 2M 2 2R - 11 - 转型 R R 计算交换塔阳树脂再生时的耗酸量，查表得 再生剂耗量为 0g/生一次所需的酸量（ M）为： 0g/150083625g 如配成 5浓度的盐酸，查表得每升含盐酸质量 浓度 的盐酸再生液体积： (l)=13352L 再生周期为 12h。 计算转型液用量 转型液用量为树脂体积的 转型液（ 度（ 4 ）转型 即为 1( 转型周期为 12h 新树脂的预处理 弱酸阳树脂再生淋洗宜用低纯水，水量约为树脂体积的 6倍，淋洗流速先用再（ h） ,后逐步增大到交换流速（ 10m/h） .、 预处理用水量 =6=型淋洗要用低纯水，大量约为树脂体积的 6倍，淋洗到出水 9，淋洗开始用再生流速，然后用交换滤速淋洗。 淋洗用水量 =6=离子交换柱尺寸设计 - 12 - 离子交换柱简图如右图所示再生液入口管离子交换柱管径的确定 根据公式 d=Q/v） 1/2 d 管内径（ Q 介质容积流量（ m3/h） v 介质平均流速（ m/s） 因废水中含有重金属离子和氯离子，硫酸根离子 查表得 盐水的滤速通常为 s 取 s 则进出水管直径 视镜滤速表见标注 2 根据经验 排气口管直径比进水管小 1 2 号即排气管的直径为 90因再生需要 12 个小时，且在 12 个小时的总流量为17总 =75m3 d=Q/v） 1/2 查表 得盐酸的常用流速 .5 m/s Q 总 =75/12=h ，且在 12个小时的总流量为 总 =70m3 d=Q/v） 1/2 查表得 s Q 总 =70/12=h )1/7 30 离子交换柱壳体壁厚设计计算 壳体的空间高度除交换树脂层，压脂层占有的高度，还应能满足树脂层所必需的反洗膨胀高度，此高度一般应为树脂层于压脂层高度的 50。 13 - 壳体材料应满足交换柱强度及耐柱内工作液腐蚀的要求。在本设计中，采用碳素钢及低合金钢。 壳体的附件有，上进水管，下出水管，排气管，视镜等，视镜的位置应能观察树脂下部动态及颜色变化，树脂层面是否波动和树脂层反洗膨胀后的层面等，故视镜该采用 2个。 视镜通常为耐腐蚀的材料作成，常用有机玻璃制成。 在本设计中，采用凸缘构成的视镜，它结构简单，不易粘料，有比较宽阔的视 察范围。标准视镜的公称直径有 50 100种，考虑到筒体直径为 1700视镜直径为 100为合适，分别设置在交换柱上布水系统下部和支承层上部。 因容器处于常温常压下，采用公式 000 2 1700)/1000=虑到钢板被腐蚀应加上 1 即壳体厚度为 离子交换柱封头设计 采用标准椭圆形封头 ,封头用碳素钢材料制成 标准椭圆形封头壁厚计算公式 =2 2 已知 P=1i=1700 t=180 =1(整体冲压 ) 板负偏差 ) 向腐蚀） =（ 1 1700） /（ 2 180 1 1） +1=5碳素钢封头厚度在 4 8头直边 5- 14 - 离子交换柱的支座设计 采用支承式支座 用钢板组焊接的支承式支座已经标准化，通过查表得 700座的主体负荷为 座的支承面积为 345承面上的单位压力为 10座尺寸 L=290=350mm a=170mm b=215mm c=250mm e=90mm s=16脚螺栓尺寸孔径 d=30径 个支座质量 用三个支座 离子交换柱的开孔及补强，凸缘设计。 当筒体 内径 1500孔最大直径 d 且 d 1000入再生液进口管时， 4mm 40表得开孔规格 外径 D=160径 d=80转型液进口管和淋洗水进口管管径均为 40 封 =6表得开孔规格 外径 D=160径 d=80入排气管时 S 封 =6mm 90表得开孔规格 外径 D=180径 d=93入进水管时 S 封 =6mm 100表得开孔规格 外径 D=200径 d=112上开孔后均采用凸缘代替接管，凸缘本身具有加强开孔的作用，不需要另行补强缺点是螺栓断在螺栓孔中后，取出较困难。凸缘与管道法兰配用，因此其连接尺寸应根据所选用的管法兰确定。 离子交换柱法兰联接设计 法兰联接是由一对法兰，若干螺栓螺母和一个垫片组成法兰技术发展至今，已有一套法兰标准规格。 对于离子交换柱筒体其公称直径 700 - 15 - 采用甲型平焊法兰，平面型密封面，法兰的各部分尺寸查表得知： 法兰的标准号为 82 法兰尺寸 D=1930 ， 890， 855 ， 841， 838 ， =56， d=23 ， 螺栓规格： 量 52，垫片材料选用石棉橡胶板，螺栓材料选用 螺母材料选用 法兰尺寸示意图规格如右图： 对于离子交换柱的管 道法兰，如下表： 88） 再生液进水公称直径子外径 A 连 接 尺 寸 密封面 法兰厚度C 法兰内径 B 法兰理论质量 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔径 L 螺栓 数量N 螺纹d f 40 30 100 14 4 8 3 16 00 10 170 18 4 14 3 18 - 16 - 管，淋洗水进水管， 转型液进水管的管径均为 40，排气管管径为 90，进水管管径为 100，所以采取以上两种法兰。 管法兰尺寸示意图规格如下： 离子交换柱的人孔设计 因本离子交换柱直径为 1700 ，所以应开设人孔，人孔的形状有圆形和椭圆形两种，圆形人孔的直径一般为 450 600，本设计中取 D=500。 人孔主要由简节、法兰、盖板和手柄组成，本设计中采用回转盖人孔。 人孔的规格为：人孔 A 79， 人孔补强，本设计选用的人孔简节内径 d=500 ，厚 n=4， 补强圈尺寸确定如下：内径 34，外径 40， 补强圈厚度按下式估算： 补 =d e/（ 1） =500 （ （ 840 考虑离子交换柱体与人孔简节都有一定的壁厚裕量，故补强圈取 5 。 人孔简图如下 : - 17 - 离子交换柱支承装置及填料压板 填料支承结构不但要有足够的刚度和强度，而且必须要有足够的自由截面，使在支承处不致首先发生液泛。 在本设计中，采用的支承结构是栅板，因离子交换柱的直径是 1700 ，故采用分块式栅板。当塔径为 1700时，根据经验设计 尺寸得： 栅板分块数： 5 填料环直径 50 D=1710 h s=60 10 t=50 栅板 1： 94 ，栅条数 8，连接板长度 394， 栅板 2： I=394，栅条数 7，连接板长度 347， 支持圈数量 8 支持圈： b=60， （碳钢） =10 - 18 - 上下布水系统设计计算 上下布水系统的作用主要是保证布水均匀，并防止树脂逸出。 在本设计中，上下布水系统均采用多孔板排水帽式（如下图），其优点是易损坏，其尺寸规格如下：水帽隙缝长 50缝宽 料为聚苯乙烯或尼龙 1010（耐热，机械强度高）水帽尺寸如下图 离子交换高程图： - 19 - 离子交换器泵盐池清水池过滤池 调节池 过滤池 清水池 泵 离子交换柱 盐池 （四） 主要设备 序号 名称 型号与规格 数量 功率 / 玻璃钢耐酸泵 50 玻璃钢耐酸泵 40 小型三相鼠异 步电动机 小型三相鼠异步电动机 玻璃钢液体搅拌机 小型三相鼠异步电动机 1 9 化验设备一套 1 - 20 - （五）设计图纸 序号 名称 编号 备注 1 带控制点工艺流程图 02 调节池 1标设备 3 离子交换器 3标设备 4 封头简图 3件图 5 法 兰尺寸示意图 3件图 6 管法兰尺寸示意图 3件图 7 人孔简图 3件图 8 栅板 图 3件图 9 多孔板排水帽式 3件图 10 高程图 3程图 11 设备及构筑物设置图 3备布置图 三、工程估算 需要挖掘约 220要混凝土 8000资估算为 200