钠床软化理论

1、3.1.2 3.1.2 离子交换软化法离子交换软化法(1)(1)强酸阳离子交换树脂软化工艺强酸阳离子交换树脂软化工艺 软化原理如下：软化原理如下： Ca Ca2+2+2RNaR+2RNaR2 2Ca+2NaCa+2Na+ + 式中式中R R为聚合母体。为聚合母体。 该工艺能有效地去除清水的硬度。微咸水的处理限制在含盐量该工艺能有效地去除清水的硬度。微咸水的处理限制在含盐量约为约为5000mg/L5000mg/L的范围内。若向水中投加鳌合剂，则可处理含盐量的范围内。若向水中投加鳌合剂，则可处理含盐量为为6000mg/L6000mg/L的微咸水。若水的总溶解固体的微咸水。若水的总溶解固体(TDS)

2、(TDS)量在量在3500mg/L3500mg/L以以上，则很难令人满意地去除硬度。上，则很难令人满意地去除硬度。 (2)(2)弱酸阳离子交换树指软化工艺弱酸阳离子交换树指软化工艺 软化原理如下：软化原理如下： 钠循环弱酸阳离子树脂去除硬度的反应式为：钠循环弱酸阳离子树脂去除硬度的反应式为： CaCI CaCI2 2+2RCOONa (RCOO)+2RCOONa (RCOO)2 2Ca+2NaCICa+2NaCI 氢循环弱酸阳离子树脂去除硬度和碱度的反应式为：氢循环弱酸阳离子树脂去除硬度和碱度的反应式为： Ca(HCO Ca(HCO3 3) )2 2+2RCOOH(RCOO)+2RCOOH(R

3、COO)2 2Ca+2COCa+2CO2 2+2H+2H2 2O O 式中式中R R为聚合母体。为聚合母体。 弱酸弱酸- -弱酸软化系统可软化弱酸软化系统可软化TDSTDS含量大于含量大于8000mg/L8000mg/L的采出水，并的采出水，并且可将采出水的硬度降至且可将采出水的硬度降至lmg/Llmg/L以下。但是，采用这种系统的不足之以下。但是，采用这种系统的不足之处是再生费用过高。若软处是再生费用过高。若软350mg/L350mg/L以上的特高硬度的大量采出水，以上的特高硬度的大量采出水，则系统不经济。则系统不经济。(3)(3)用鳌合剂树脂软化饱和盐水及用鳌合剂树脂软化饱和盐水及TDST

4、DS高的采出水工艺高的采出水工艺 鳌合树脂对多价阳离子的处理能力远远高于单价阳离子。它鳌合树脂对多价阳离子的处理能力远远高于单价阳离子。它的离子交换能力远远高于磺酸树脂或淡酸树脂。这种鳌合剂借助的离子交换能力远远高于磺酸树脂或淡酸树脂。这种鳌合剂借助于乙二胺四乙酸被附着在苯乙烯一二乙烯苯共聚物小球这样的近于乙二胺四乙酸被附着在苯乙烯一二乙烯苯共聚物小球这样的近似结构，与金属离子生成环状化合物似结构，与金属离子生成环状化合物( (鳌合物鳌合物) )。总硬度。总硬度300mg/L300mg/L的饱和水可用鳌合树脂一弱酸阳离子树脂系统进行软化。的饱和水可用鳌合树脂一弱酸阳离子树脂系统进行软化。3.1

5、.3 3.1.3 苛性碱软化工艺苛性碱软化工艺 软化原理如下：软化原理如下： NaOH+Ca(HCO NaOH+Ca(HCO3 3) )2 2CaCOCaCO3 3+H+H2 2O+NaO+Na2 2COCO3 3 NaOH+Mg(HCO NaOH+Mg(HCO3 3) )2 2Mg(OH)Mg(OH)2 2+NaHCO+NaHCO3 3 NaOH+NaHCO NaOH+NaHCO3 3NaNa2 2COCO3 3+H+H2 2O O 与石灰法相比，采用苛性碱法软化采出水的优点是，可采用液与石灰法相比，采用苛性碱法软化采出水的优点是，可采用液态投药方式，其操作与计量都较石灰简单；用苛性钠对弱酸

6、树脂态投药方式，其操作与计量都较石灰简单；用苛性钠对弱酸树脂进行再生，在供应和储存上都没有特殊要求，苛性碱法生成沉淀进行再生，在供应和储存上都没有特殊要求，苛性碱法生成沉淀呈细绒状，其流动性相当于稠漆，因此不存在堵塞和结垢问题。呈细绒状，其流动性相当于稠漆，因此不存在堵塞和结垢问题。 3.1.4 3.1.4 膜法软化技术膜法软化技术( (1) 1)微滤微滤 一般来说，微滤膜是一种孔径为一般来说，微滤膜是一种孔径为0.10.11.0um1.0um、高度均匀、具有筛、高度均匀、具有筛分过滤作用的多孔固体连续介质，主要分为有机膜和无机膜两类。分过滤作用的多孔固体连续介质，主要分为有机膜和无机膜两类。

7、目前油田应用较多的是陶瓷膜和中空纤维微滤膜。目前油田应用较多的是陶瓷膜和中空纤维微滤膜。(2)(2)超滤超滤 超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，孔径范围为超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，孔径范围为0.050.051nm1nm，可截留固体颗粒、生物分子、胶体及相对分子质量为，可截留固体颗粒、生物分子、胶体及相对分子质量为1 0001 000100000100000的大分子。的大分子。(3)(3)反渗透反渗透 反渗透是用于从溶液中清除溶解离子等溶质的一种分离法，反渗透是用于从溶液中清除溶解离子等溶质的一种分离法，适用于高含盐采油污水的深度处理。适用于高含盐采油污水的深度处理。(4)(4)

8、电渗析电渗析 电渗析（电渗析（EDED）是利用直流电场驱动离子经过离子交换膜，由）是利用直流电场驱动离子经过离子交换膜，由于阴离子只能通过阴离子交换膜而阳离子只能通过阳离子交换于阴离子只能通过阴离子交换膜而阳离子只能通过阳离子交换膜，从而实现离子分离。膜，从而实现离子分离。3.1.53.1.5 被膜剂软化被膜剂软化 被膜剂的软化防垢机理是：药剂溶于水后，便形成一种液态被膜剂的软化防垢机理是：药剂溶于水后，便形成一种液态负离子，这种胶态负离子可以吸附水中的悬浮物及钙，镁离子，负离子，这种胶态负离子可以吸附水中的悬浮物及钙，镁离子，形成胶态离子而不以沉积于管壁，易被排除系统之外。由于胶态形成胶态离

9、子而不以沉积于管壁，易被排除系统之外。由于胶态负离子对碳酸盐，硫酸盐等水垢的生成和沉积起抑制和分散作用，负离子对碳酸盐，硫酸盐等水垢的生成和沉积起抑制和分散作用，从而可以防止结垢，提高设备的热效率，达到节约能源降低成本从而可以防止结垢，提高设备的热效率，达到节约能源降低成本的目的。的目的。3.2 3.2 离子交换技术软化采出水的研究离子交换技术软化采出水的研究3.2.1 3.2.1 离子交换技术与离子交换反应离子交换技术与离子交换反应 离子交换软化技术是将水通过阳离子树脂时，使水中的硬度成离子交换软化技术是将水通过阳离子树脂时，使水中的硬度成分钙，镁离子与树脂中的阳离子相交换。从而是水中的钙，

10、镁离分钙，镁离子与树脂中的阳离子相交换。从而是水中的钙，镁离子浓度降低，使水得到软化。离子交换反应是发生在固态树脂和子浓度降低，使水得到软化。离子交换反应是发生在固态树脂和溶液接触界面的可逆反应。溶液接触界面的可逆反应。 离子交换过程如下图所示：离子交换过程如下图所示： 图图 3-1 3-1 离子交换过程的机理离子交换过程的机理离子交换过程应包括下列五个步骤：离子交换过程应包括下列五个步骤：(1)A(1)A+ +离子自溶液中扩散到树脂表面；离子自溶液中扩散到树脂表面；(2)A(2)A+ +离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心；离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心；(3)A(3)A+ +

11、离子与离子与RBRB在活性中心上发生交换反应；在活性中心上发生交换反应；(4)(4)解吸离子解吸离子B B+ +自树脂内部活动中心扩散到树脂表面；自树脂内部活动中心扩散到树脂表面；(5)B(5)B+ +离子再从树脂表面扩散到溶液中。离子再从树脂表面扩散到溶液中。 3.2.2 3.2.2 离子交换树脂的组成离子交换树脂的组成 离子交换树脂主要由以下三部分组成：离子交换树脂主要由以下三部分组成：(1)(1)单体是能聚合成高分子化合物的低分子有机物。单体是能聚合成高分子化合物的低分子有机物。(2)(2)交联剂是能在线性结构分子缩聚时起架桥作用，而使其交联剂是能在线性结构分子缩聚时起架桥作用，而使其分

12、子中的基区相互键合成不溶的网状体结构的物质。分子中的基区相互键合成不溶的网状体结构的物质。 (3)(3)交换基团是联接在单体上具有活性离子的基团。交换基团是联接在单体上具有活性离子的基团。 图图3-2 3-2 树脂单体示意图树脂单体示意图部部分分：( (1 1) )高高分分子子骨骨架架由由交交联联的的高高分分子子聚聚合合物物组组成成。( (2 2) )离离子子交交换换基基团团连连接接在在高高分分子子骨骨架架上上，带带有有可可交交换换的的离离子子。( (3 3) )孔孔是是在在干干态态和和湿湿态态的的离离子子交交换换树树脂脂中中都都存存在在的的高高分分子子结结构构中中的的孔孔和和高高分分子子结结

13、构构中中的的孔孔( (毛毛细细孔孔) )。图图3-3 3-3 离子交换树脂内部结构离子交换树脂内部结构图图3-4 3-4 离子交换基团的结构离子交换基团的结构 图图 3-7 D113型树脂的结构型树脂的结构 图图 3-5 D1133-5 D113型树脂的结构型树脂的结构表表3-1 3-1 交换床运行步骤交换床运行步骤3.2.4 3.2.4 离子交换工艺的运行管理离子交换工艺的运行管理1. 1. 交换床的运行交换床的运行 交换床的运行通常分为四个步骤：反洗交换床的运行通常分为四个步骤：反洗( (小反洗或大反洗小反洗或大反洗) )，再，再生，正洗和制水运行。交换床的这四个步骤组成一个运行周期，生，

14、正洗和制水运行。交换床的这四个步骤组成一个运行周期，见下表。见下表。2. 2.再生液浓度再生液浓度 再生液浓度与所用床型有关。参见下表再生液浓度与所用床型有关。参见下表 表表3-2 3-2 建议使用的再生液浓度建议使用的再生液浓度表表3-3 3-3 交换床运行流速参考交换床运行流速参考 3. 3. 交换床运行流速交换床运行流速3.3 3.3 软化试验分析软化试验分析3.3.1 3.3.1 用大孔弱酸性阳离子交换树脂用大孔弱酸性阳离子交换树脂- -密实移动床软化密实移动床软化 表表3-4 3-4 选择离子交换工艺的原则选择离子交换工艺的原则 9090年代，核工业北京化工冶金研究院通过试验发现年代

15、，核工业北京化工冶金研究院通过试验发现, ,用大用大孔弱酸性树脂孔弱酸性树脂- -密实移动床吸附密实移动床吸附( (吸附段高吸附段高4 m),4 m), 也可将稠油污水也可将稠油污水的总硬度从平均的总硬度从平均66mg/L66mg/L降至降至5 mg/L5 mg/L以下以下, ,甚至达到铬黑甚至达到铬黑T T试剂试剂检不出的程度检不出的程度, ,即硬度在即硬度在1 mg/L1 mg/L以下。所用树脂对钙镁离子的以下。所用树脂对钙镁离子的吸附饱和容量很高吸附饱和容量很高, ,可达可达200 g/L200 g/L。该树脂耐温。该树脂耐温9090以上以上, ,采出水采出水中含少量油对其离子交换性能影

16、响不大。采用大孔弱酸性树脂中含少量油对其离子交换性能影响不大。采用大孔弱酸性树脂- -密实移动床技术对采出水进行软化处理密实移动床技术对采出水进行软化处理, ,甚至深度软化处理是甚至深度软化处理是可行的可行的, ,因此推荐它为油田软化处理采出水的首选技术。因此推荐它为油田软化处理采出水的首选技术。3.3.2 3.3.2 几种树脂的软化水试验研究及试验分析几种树脂的软化水试验研究及试验分析 大庆石油的王丽丽对三种锅炉水处理常用树脂：大庆石油的王丽丽对三种锅炉水处理常用树脂：0010017 7凝胶凝胶型强酸阳树脂、型强酸阳树脂、D001D001强酸大孔阳离子树脂、强酸大孔阳离子树脂、D113D11

17、3大孔型弱酸阳离大孔型弱酸阳离子树脂进行多个周期的制水试验研究，测定处理量、运行周期、子树脂进行多个周期的制水试验研究，测定处理量、运行周期、估算运行成本。选择出一种处理量大，运行周期长的离子交换树估算运行成本。选择出一种处理量大，运行周期长的离子交换树脂。为了比较三种树脂对采出水处理效果，进行了多个周期的制脂。为了比较三种树脂对采出水处理效果，进行了多个周期的制水运行试验，试验平均数据结果如下表。水运行试验，试验平均数据结果如下表。表表3-5 3-5 三种树脂多个周期制水运行数据比较三种树脂多个周期制水运行数据比较 结果表明结果表明:D113:D113树脂与树脂与0010017 7凝胶型，凝

18、胶型，D001D001型大孔树脂相比，型大孔树脂相比，在周期制水量、工作交换容量、在周期制水量、工作交换容量、制水周期各方制水周期各方D113D113型树脂的确具型树脂的确具优于其他两种树脂，具有运行稳定等特点，因此更适合适用于油优于其他两种树脂，具有运行稳定等特点，因此更适合适用于油田采出水处理。缺点是，田采出水处理。缺点是，D113D113型树脂成本是其他两种树脂成本的型树脂成本是其他两种树脂成本的1.831.83倍，制水成本相对高一些。无论从运行效果和运行水质稳定性倍，制水成本相对高一些。无论从运行效果和运行水质稳定性来看，使用来看，使用D113D113树脂是比较好的选择。树脂是比较好的

19、选择。 3.4 3.4 提高离子交换装置经济性的措施提高离子交换装置经济性的措施 提高离子交换装置的有以下措施提高离子交换装置的有以下措施 1. 1. 再生剂用量的控制再生剂用量的控制 2. 2. 再生剂浓度的控制再生剂浓度的控制 3. 3. 再生液流速的控制再生液流速的控制 4. 4. 控制再生液的纯度控制再生液的纯度 5. 5. 再生液的温度的合理控制再生液的温度的合理控制 6. 6. 选用逆流再生方式选用逆流再生方式 7. 7. 采用串联氢采用串联氢- -钠离子处理工艺钠离子处理工艺 8. 8. 回收利用废液回收利用废液 的的文文献献资资料料基基础础上上，通通过过对对国国内内外外各各油油田田采采出出水水软软化化工工艺艺的的具具体体描描述述，得得出出以以下下结结论论：（1 1）在在油油田田采采出出水水软软化化方方面面，国国内内外外有有多多种种软软化化工工艺艺可可供供选选择择，有有热热石石灰灰苏苏