一种新型的控制离子交换树脂再生进酸碱量法

1、一种新型的控制离子交换树脂再生进酸碱量法范圣平 1 曹顺安 1 张晋 1 禹贯省 2(1.武汉大学动力与机械学院水质工程系,武汉 430072;2.河南省平顶山电厂,平顶山 467031摘 要离子交换树脂失效后需经再生处理才能恢复其交换能力,树脂再生效果的好坏对运行的经济性有直接影响。 通过现场试验研究,建立了一种利用中排再生废液浓度确定离子交换树脂再生进酸碱量终点的新方法,该方法可降 低再生酸碱耗,提高再生后中和池废液 pH 值合格率,实现良好的经济效益和社会效益。通过数学分析,建立了确定 最佳中排再生废液浓度的数学模型,实践证明该模型具有较强的实用性。关键词 离子交换;中排浓度;经济效益;

2、社会效益;数学模型A new way to control regenerant volume of ion exchange resin regeneration FAN Sheng-ping1,CAO Shun-an1, ZHANG Jin1, YU Guan-sheng2(1 Department of Applied Chemistry of Wuhan University,Wuhan, 430072;2 Power Plant of Pingding-shan, Pingding-shan,467002Abstract:Invalid ion exchange resin can

3、recover their capacity only after regeneration. The regeneration efficiency will directly affect the operation economy. By means of experiments in site, a new scheme is established to determine the volume of the regenerant by controlling the concentration of intermediate distribute. This technology

4、not only declines the specific consumption of regenerant, but also improves pH eligibility in neutralization pool, thus good economic and social benefits were achieved. On the base of mathematic analysis, we establish mathematic model for confirming optimal concentration of intermediate distribute.

5、The model has been proved to be valid.Key words: ion exchange; concentration of intermediate distribute; economic benefit; social benefit; mathematic model.对于除去水中离子态杂质,目前用得最为普遍的方法是离子交换法。采用离子交换法可制得软 化水、脱碱软化水、除盐水及超纯水,因此它在水处理领域中得到了广泛的应用。现代工业水处理 实际上已形成以离子交换技术为中心的体系 1。 “离子交换法”制取纯水,因其具有出水水质好,成 本低,且不用燃料,节约

6、能源的优点,而得到广泛的应用。离子交换是用离子交换剂来进行的,目 前普遍应用于水处理工业的离子交换剂是离子交换树脂。离子交换树脂失效后必须经过再生处理才 能恢复其交换能力,重新使用。树脂的再生是离子交换水处理工艺过程中最重要的环节,再生效果 的好坏不仅对其工作交换容量和出水水质有直接的影响,而且在很大的程度上决定运行的经济性。 目前国内离子交换树脂再生大多采用传统的固定再生剂用量法,即不论系统制水量的高低和进 水水质的变化一律使用同一剂量的再生剂。这种再生工艺不仅再生酸碱耗普遍偏高,而且再生后排 入中和池的再生废液 pH 值合格率偏低,需加酸或碱进行中和,这样就增加了运行费用。薛明强等人 对树

7、脂再生工艺进行了一些优化试验的研究 234,但在本质上都属于固定再生剂用量法。本文通过 工业试验研究,提出了一种利用中排再生废液浓度确定再生进酸碱量终点的新方法,在保证树脂工 作交换容量的同时降低再生酸碱耗,提高运行的综合经济效益。1 试验部分1.1 试验方法化学水处理过程中离子交换反应是一个可逆和定量的化学反应 5。例如,当含有 Na +的水通过 H 型离子交换树脂层时,发生如下反应:RH + Na+ RNa + H+ (1由于上述反应不断消耗 RH 型树脂,最后树脂层失效。为了恢复该树脂的交换能力,可以用盐酸 或硫酸再生失效的树脂层。由于离子交换反应是可逆的,树脂又可以恢复到 H 型状态。

8、其反应如下:RNa + H+ RH + Na+(2 运行时以(1反应为主,再生时以(2反应为主。在树脂再生过程中,当关闭进酸碱门后,再生管路及先接触再生液的交换器下部树脂层中还有 相当一部分未进行交换的再生液会随置换水流进入树脂层,延续再生过程,使再生液的排出浓度继续上升,能够使上层树脂得到充分再生 6。由实验室分析得中排再生废液浓度随再生时间的关系如 图 1所示。从图 1中可看出,当关闭再生进酸碱门(t1时刻关再生进酸碱门,此时中排浓度为 C 1后,中排 1 t 2后达到最大值 C 2。刚开始进再生液时,树脂床内失效树脂较多,交换反应容易进行,树脂易于吸收再生液,中排 出口再生废液浓度低。随

9、着再生过程的进行,越来越多的失效树脂得以再生,树脂吸收再生液的能 力下降,中排出口再生废液浓度升高。因此,中排出口的酸碱浓度反映了失效树脂的再生情况:即 中排出口的酸碱浓度低时,说明还有较多的失效树脂未再生完全;中排出口的酸碱浓度较高时,说 明失效树脂再生较为完全。因此我们可以通过工业试验找到适宜的关闭酸碱计量箱出口门时的中排 出口酸碱浓度,使之不仅满足离子交换树脂再生的需要,保证树脂工作交换容量的同时,同时尽可 能降低再生酸碱耗, 提高再生后排入中和池再生废液的 pH 合格率, 达到良好的经济效益和社会效益。 1.2 试验主要设备与仪器(1 树脂型号:0017型强酸阳树脂,GRQ202型强碱

10、阴树脂,西安电力树脂厂。 (2 酸碱浓度计:CYN-9300智能型中文酸碱浓度计,大连华城电子有限公司。 (3 流量计:XMF-88智能流量计,中国华东电站自动化仪表厂。 (4 电导仪:32B工业电导仪,上海雷磁仪器厂。(5 测硅仪:721型分光光度计,上海第三分析仪器厂。 1.3 试验数据记录本次试验以河南省平顶山热电厂为研究对象。该厂是以供热为主的火力发电厂,化学水处理一 级除盐系统采用单元制,树脂再生采用固定再生剂量法,由于阴阳树脂的交换容量不相匹配,再生 结束后排入中和池的再生废液呈酸性,而再生后投入运行一般为阳床先失效,阴床再生进碱量主要 是由满足再生后中和池排液的要求(pH=69所

11、决定。因此,本次试验研究主要是以阳床优化再生 为研究对象。在固定其它再生工艺条件下(再生液流量 12t/h,再生进酸(盐酸浓度 2.5%,再生温度控制在 300350 ,对停止进酸时的中排浓度进行试验分析,试验结果见表 1所示。C 1 t 1 t 2 C 2图 1 中排再生废液浓度随时间变化趋势图 时 间 (h中 排 浓 度(% 2.2 2.0 1.6 1.20.80.40 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5C h i n a P o w e r P l a n t C h e m i s t r y 表 1 中排浓度、周期制水量和再生耗酸量关系表关酸门时中排废酸浓度(%

12、1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6再生后周期制水量(t 2551 2863 3137 3250 3376 3464用酸量(L 1450 1540 1620 1700 1760 18102 结果与分析2.1 最佳中排再生废液浓度的确定2.1.1 确定最佳中排再生废液浓度数学模型的建立为减少确定关闭进酸碱门时最佳中排再生废液浓度的试验次数, 我们可通过对已有数据的分析, 建立相应的数学模型,从理论上确定关酸碱门时的最佳中排再生废液浓度,然后在实践中验证其正 确性。这样,可大大节约人力和物力,提高再生经济效益。关酸碱门时的最佳中排再生废液浓度取决于再生的经济效益,经济效益最大时对应的中排

13、浓度 为最佳中排再生废液浓度。树脂再生的经济效益可用单位制水成本来表示,单位制水成本可由下式 计算:i iii XZ ba Y baU3 10(+= (1式中:iU 单位制水成本(元/吨iX 再生后周期制水量(吨iY 再生所用酸量(升iZ 再生所用碱量(升a 酸的价格(元/吨b 酸的密度(克/厘米 3 a 碱的价格(元/吨 b 碱的密度(克/厘米 3表 2 单位制水成本(iU 计算表中排浓度 V i (% 1.1 1.2 1.31.4 1.5 1.6 再生后周期制水量 X i 25512863313732503376 3464用酸量 Y i (L 14501540162017001760 18

14、10用碱量 Z i (L 750 790 820880 970 1030单位制水成本 U i (元/吨 0.4960.4680.4470.4570.467 0.475该热电厂进厂盐酸价格为 435元/吨, 烧碱为 485元/吨, 进厂盐酸密度约为 1.2g/cm3,烧碱密度约为 1.4g/cm3,即 4. 1, 2. 1, 485, 435 =b a b a 。将本次试验结果代入式(1,计算出单位 制水成本。U 和 V 的关系如图 1所示,从图中可以看出,中排浓度(V与单位制水成本(U具有 n 次多项式 的关系,我们将该关系表示为:n n V C V C V C C U +=L 2210 (2

15、利用 Matlab 软件,用最小二乘法对图 1中的数据进行多项式拟合分析,对不同的 n 取值,进行 拟合曲线与原数据的比较,以确定适宜的 n 值。图 2 中排浓度(V和单位制水成本(U关系 图 3 n=3时拟合曲线与原数据的比较 图 4 n=4时拟合曲线与原数据的比较 图 5 n=5时拟合曲线与原数据的比较 图 6 n=6时拟合曲线与原数据的比较 图 7 n=7时拟合曲线与原数据的比较拟合曲线实测数据点UV表 3 n不同时的拟合值与实测值的比较V i 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6实测 U i 0.496 0.468 0.447 0.457 0.467 0.475 n=5时拟合

16、值 0.537 0.522 0.517 0.547 0.581 0.619 n=6时拟合值 0.496 0.468 0.447 0.457 0.467 0.475 n=7时拟合值 0.496 0.468 0.447 0.457 0.467 0.475从以上的图表分析知:当 n6时, 拟合曲线与原数据具有良好的重合性。 为简化计算, 取 n=6。 n=6时,用最小二乘法求出多项式的常系数:C 0=-106.12 C1=241.52 C2=0 C3=-449.74 C 4=499.37 C5=-220.50 C6=35.86将常系数代人(2式中,得中排浓度(V与制水成本(U的关系的数学模型为:65

17、4386.3550.22037.49974.44952.24112.106VVVVVU += (3 2.1.2 关闭进酸碱门时最佳中排浓度的确定最佳中排浓度应是制水成本最低时的中排浓度,利用建立的模型,推导最佳中排浓度。 在 6. 1, 0. 1V ,由模式(3计算得:当 V=1.301.32时,U 最小值 =0.447。所以,最佳关酸门时的中排废酸浓度为 1.30%1.32%。阴床再生时的进碱量主要是由满足再生 后中和池排液的要求决定, 实际运行中发现当中排废碱浓度达到 1.0%时关进碱门 (阴床再生进碱(烧 碱浓度 1.5%,再生流量 13t/h ,此时的进碱量基本上能保证再生后阳床先失效

18、,又能使再生后中 和池达到排放标准。因此,停止进碱时最佳中排再生废碱浓度为 1.0%。2.2 新方法经济效益分析利用中排再生废液浓度确定再生进酸碱量终点的新方法与传统的固定再生剂量法对树脂再生经 济效益对比如表 4所示。表 4 新旧再生方法经济性对比技 术 指 标 阳床进水平均碱度(mmol/L阳床出水平均酸度(mmol/L平均周期制水量(T酸 耗(g/mol碱 耗(g/mol阳树脂工交(mmol/L阴树脂工交(mmol/L再生后中和 池合格率 (% 1.85 1.80 3225 58.2368.42 1332 591 18.8新方法 1.92 1.84 3165 47.3151.80 134

19、7 593 93.3使用新方法后再生一次平均可节约盐酸约 150L,烧碱约 100L,一年再生次数大约为 600次,进 厂盐酸密度约为 1.2g/cm3,烧碱密度约为 1.4g/cm3,一年可节约:盐酸: 1501.260010-3=108(吨 烧碱:1001.460010-3=84(吨一年共可节约运行费用(酸碱按平均市价 450元/吨:(108+8445010-4 = 8.6(万元 由此可见使用新方法再生树脂,能够保证阴阳树脂的工作交换容量,降低再生酸碱耗,大大提 高了再生后中和池 pH 值合格率,取得了良好的综合经济效益。3 结论(1建立了利用中排再生废液浓度控制离子交换树脂再生进酸碱量终点法, 经过几个月的运行实 践证明,该方法实际