固定床式离子交换器优化方案

所谓固定床是指离子交换剂在一个设备中先后完成制水、再生等过程的装置。

固定床离子交换器按水和再生液的流动方向分为：顺流再生式、逆流再生式（包括逆流再生离子交换器和浮床式离子交换器）和分流再生式。按交换器内树脂的状态又分为：单层（树脂）床、双层床、双室双层床、双室双层浮动床以及混合床。按设备的功能又分为：阳离子交换器（包括钠离子交换器和氢离子交换器）、阴离子交换器和混合离子交换器。本节主要对最常用的顺流和逆流再生离子交换器进行详细介绍，其他离子交换器作简要介绍。

1.顺流再生离子交换器

顺流再生离子交换器是离子交换装置中应用最早的床型，运行时，水流自上而下通过树脂层；再生时，再生液也是自上而下通过树脂层，即水和再生液的流向是相同的。

（1）顺流再生离子交换器的结构。顺流再生离子交换器的主体是一个密封的圆柱形压力容器，器体上设有树脂装卸口和用以观察树脂状态的观察孔。容器设有进水装置、排水装置和再生液分配装置。交换器中装有一定高度的树脂，树脂层上面留有一定的反洗空间，如图5-6所示。外部管路系统如图5-7所示。

（2）顺流再生离子交换器的运行。顺流再生离子交换器的运行通常分为五步，从交换器失效后算起为：反洗、进再生液、置换、正洗和制水。这五个步骤，组成交换器的一个运行循环，称运行周期。

①反洗。交换器中的树脂失效后，在进再生液之前，常先用水自下而上进行短时间的强烈反洗。反洗的目的是：l）松动树脂层；2）清除树脂上层中的悬浮物、碎粒；反洗要一直进行到排水不浑为止，一般需10～15min。

②进再生液。先将交换器内的水放至树脂层以上约100～200mm处，然后使一定浓度的再生液以一定流速自上而下流过树脂层。

图5-6　顺流再生离子交换器的内部结构图

1—进水装置；2—再生液分配装置；3—树脂层；4—排水装置

图5-7　顺流再生离子交换器的管路系统图

③置换。使水按再生液流过树脂的流程及流速通过交换器，这一过程称为置换，目的是使树脂层中仍有再生能力的再生液和其他部位残存的再生液得以充分利用。

④正洗。置换结束后，为了清除交换器内残留的再生产物，应用运行时的出水自上而下清洗树脂层，流速约10～15m/h。正洗一直进行到出水水质合格为止。

⑤制水。正洗合格后即可投入制水。

（3）顺流再生工艺特点。

顺流再生离子交换器运行失效后、再生前和再生后的树脂层态如图5-8所示。

分析图5-8（a）可知，当运行失效时，进水中离子依据树脂对它们的选择顺序依次沿水流方向分布，最下部树脂的交换容量未能得到充分利用，尚存在一部分H型树脂。顺流再生离子交换器再生前树脂需进行反洗，试验表明，经反洗后各离子型树脂在床层中基本呈均匀分布状态，如图5-8（b）所示。再生时，由于再生液由上而下通过树脂层，故上部树脂首先接触新鲜再生液得到较充分再生，由上而下树脂的再生度逐渐降低，下部未得到再生的主要是Ca、Mg型树脂，也有少量Na型树脂，如图5-8（c）所示。

图5-8　顺流再生离子交换器树脂层态分布示意图

（a）失效后；（b）反洗后再生前；（c）再生后

在再生的初期，一部分被再生下来的高价离子流经下部树脂层时，会将下部树脂中的低价离子置换出来，使这部分树脂转为较难再生的高价离子型，底部未失效的H型树脂也会因再生产物通过而转成失效态，这就会使树脂再生困难，并多消耗再生剂。所以顺流再生工艺的再生效果差。

顺流再生离子交换器的设备结构简单，运行操作方便，工艺控制容易，对进水悬浮物含量要求不很严格（浊度≤5NTU）。

这种交换器通常适用于下述情况：①对经济性要求不高的小容量除盐装置；②原水水质较好以及Na+值较低的水质；③采用弱酸树脂或弱碱树脂时。

2.逆流再生离子交换器

为了克服顺流再生工艺出水端树脂再生度低的缺点，现在广泛采用逆流再生工艺，即运行时水流方向和再生时再生液流动方向相反的水处理工艺。

由于逆流再生工艺中再生液及置换水都是从下而上流动的，流速稍大时，就会发生和反洗那样使树脂层扰动的现象，使再生的层态被打乱，这通常称乱层。因此，在采用逆流再生工艺时，必须从设备结构和运行操作上采取措施，以防止溶液向上流动时发生树脂乱层。

（1）逆流再生离子交换器的结构。逆流再生离子交换器的结构和管路系统和顺流再生离子交换器的结构类似，如图5-9和图5-10所示。与顺流再生离子交换器结构不同的地方是：在树脂层上表面处设有中间排液装置以及在树脂层上面加设压脂层。

图5-9　逆流再生离子交换器结构

1—进水装置；2—中间排液装置；3—排水装置；4—压脂层；5—树脂层

图5-10　气顶压逆流再生离子交换器管路系统

①中间排液装置该装置的作用主要是使向上流动的再生液和清洗水能均匀地从此装置排走，不会因为有水流流向树脂层上面的空间而扰动树脂层。其次它还兼作小反洗的进水装置和小正洗的排水装置。

②压脂层。设置压脂层的目的是为了在溶液向上流时树脂不乱层，但实际上压脂层所产生的压力很小，并不能靠自身起到压脂作用。压脂层真正的作用，一是过滤掉水中的悬浮物，使它不进入下部树脂层中，这样便于将其洗去而又不影响下部的树脂层态；二是可以使顶压空气或水通过压脂层均匀地作用于整个树脂层表面，从而起到防止树脂向上窜动的作用。

（2）逆流再生离子交换器的运行。在逆流再生离子交换器的运行操作中，制水过程和顺流式没有区别。再生操作随防止乱层措施的不同而异，下面以采用压缩空气预压防止乱层的方法为例说明其再生操作，如图5-11所示。

图5-11　逆流再生操作过程示意图

（a）小反洗；（b）放水；（c）顶压；（d）进再生液；（e）逆流清洗；（f）小正洗；（g）正洗

①小反洗。为了保持有利于再生的失效树脂层不乱，只对中间排液管上面的压脂层进行反洗，以冲洗掉运行时积聚在压脂层中的污物。

②放水。小反洗后，待树脂沉降下来以后，放掉中间排液装置以上的水。

③顶压。从交换器顶部送人压缩空气，使气压维持在0.03～0.05MPa。

④进再生液。在顶压的情况下，将再生液送人交换器内，进行再生。

⑤逆流清洗。当再生液进完后，继续用稀释再生剂的水进行清洗。

⑥小正洗。此步用以除去再生后压脂层中部分残留的再生废液。

⑦正洗。最后按一般运行方式用进水自上而下进行正洗，流速10～15m/h，直到出水水质合格，即可投入运行。

交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到一定程度的污染，因此必须定期地对整个树脂层进行大反洗。大反洗的周期应视进水的浊度而定，一般为10～20个周期。

逆流再生操作除采用压缩空气预压的方法外，还有水顶压的方法，水顶压法的操作与气顶压法基本相同。

（3）无顶压逆流再生。如上所述，逆流再生离子交换器为了保持再生时树脂层稳定，必须采用空气顶压或水顶压，这不仅增加了一套顶压设备和系统，而且操作也比较麻烦。研究指出，如果将中间排液装置上的孔开得足够大，使这些孔的水流阻力较小，并且在中间排液装置以上仍装有一定厚度的压脂层，那么在无顶压情况下逆流再生操作时就不会出现水面超过压脂层的现象，因而树脂层就不会发生扰动，这就是无顶压逆流再生。

无顶压逆流再生白侧桑作步骤与顶压再生操作步骤基本相同，只是不进行顶压。

（4）工艺特点。逆流再生交换器运行失效后，各离子在树脂层中的分布规律与顺流再生交换器基本上是一致的，如5-12（a）所示，不同的是再生前的层态及再生后的层态。由于逆流再生离子交换器再生前仅对压脂层进行小反洗，所以树脂层仍保持着运行失效时的层态，即图5-12（a）。这种层态对再生液由下而上通过树脂层的再生极为有利，由于再生液中的H+不是直接接触最难再生的Ca型树脂，而是先接触容易再生的Na型树脂并依次进行排代，这样就大大提高了H型树脂的转换率，所以相同条件下，再生效果比顺流式好得多。由于出水端树脂的再生度最高（如图5-12（b）所示），所以运行时，可获得很好的出水水质。

图5-12　逆流再生离子交换器树脂层态分布示意图

（a）失效后（即再生前）；（b）再生后

与顺流再生相比，逆流再生工艺具有对水质适应性强、出水水质好、再生剂比耗低、自用水率低等优点。

3.其他形式的离子交换器

（1）分流再生离子交换器。分流再生离子交换器的结构和逆流再生离子交换器基本相似，只是将中间排液装置设置在树脂层表面下约400～600mm处，不设压脂层，分流再生时流过上部的再生液可以起到顶压作用，所以无需另外用水或空气预压；中排管以上的树脂起到压脂层的作用，并且也能获得再生，所以交换器中树脂的交换容量利用率较高。

另外，由于再生液由交换器的上、下端进入，所以两端树脂都能够得到较好的再生，最下端树脂的再生度最高，从而保证了运行出水的水质。

（2）浮床式离子交换器。浮动床的运行是在整个树脂层被托起的状态下（称成床）进行的，离子交换反应是在水向上流动的过程中完成的。树脂失效后，停止进水，使整个树脂层下落（称落床），于是可进行自上而下的再生。

浮动床的运行过程为：制水→落床→进再生液→置换→下向流清洗→成床→上向流清洗，再转入制水。上述过程构成一个运行周期。

①落床。当运行至出水水质达到失效标准时，停止制水，靠树脂本身重力从下部起逐层下落，在这一过程中同时还可起到疏松树脂层、排除气泡的作用。

②进再生液。一般采用水射器输送。调整再生流速，再开启再生计量箱出口阀门，调整再生液浓度，进行再生。

③置换。待再生液进完后，关闭计量箱出口阀门，继续按再生流速和流向进行置换，置换水量约为树脂体积的1.5～2倍。

④下向流清洗。置换结束后，开清洗水阀门，调整流速至10～15m/h进行下流清洗，一般需15～30min。

⑤成床、上流清洗。用加20～30m/h的较高流速进水将树脂层托起，并进行上向流清洗，直至出水水质达到标准时，即可转入制水。

由于浮动床内树脂是基本装满的，没有反洗空间，故无法进行体内反洗。当树脂需要反洗时，需将部分或全部树脂移至专用清洗装置内进行清洗。经清洗后的树脂送回交换器后再进行下一个周期的运行。清洗周期取决于进水中悬浮物含量的多少和设备在工艺流程中的位置，一般是10～20个周期清洗一次。清洗方法有水力清洗法和气一水清洗法两种。

浮床式离子交换器的工艺特点有：

①浮动床成床时，其流速应突然增大，不宜缓慢上升，以使成床状态良好。在制水过程中，应保持足够的水流速度，不得过低，以避免出现树脂层下落的现象。为了防止低流速时树脂层下落，可在交换器出口设回流管，当系统出水量较低时，可将部分出水回流到该级之前的水箱中。此外，浮动床制水周期中不宜停床，尤其是后半周期，否则会导致交换器提前失效。

②由于浮动床制水和再生时的液流方向相反，因此，与逆流再生离子交换器一样，可以获得较好的再生效果。

③浮动床除了具有逆流再生工艺的优点之外，还具有水流过树脂层时压头损失小的特点。这是因为树脂层的压实程度较小，因而水流阻力也小，这也是浮动床可以高流速运行和树脂层可以较厚的原因。

④浮动床体外清洗增加了设备和操作的复杂性，为了不使体外清洗次数过于频繁，因此对进水浊度要求严格。

（3）双层床和双室双层床。双层床和双室双层床都是属于强、弱型树脂联合应用的离子交换装置。在复床除盐系统中的弱型树脂总是与相应的强型树脂联合使用，为了简化设备可以将它们分层装填在同一个交换器中，组成双层床的形式。在双层床式的离子交换器中，通常是利用弱型树脂的密度比相应的强型树脂小的特点，使其处于上层，强型树脂处于下层。在交换器运行时，水的流向自上而下先通过弱型树脂层，后通过强型树脂层；而再生时，恰恰相反。所以，双层床离子交换器属逆流再生工艺，具备逆流再生工艺的特点。为了使双层床中强型树脂和弱型树脂都能发挥它们的长处，它们应能较好地分层。为此，对所用树脂的密度、颗粒大小都有一定要求。

双层床中的弱、强两种树脂虽然由于密度的差异，能基本做到分层，但要做到完全分层是很困难的。双室双层床是将交换器分隔成上、下两室，强、弱树脂各处一室，强型树脂在下室，弱型树脂在上室，这样就避免了因树脂混层带来的间题。

（4）混合床。混合床离子交换器结构与工作过程结构如图5-13所示。离子交换器内主要装置有：上部进水装置、下部配水装置、进碱装置、进酸装置及压缩空气装置，在体内再生混合床中部的阴、阳树脂分界处设有中间排液装置。

图5-13　混合床结构示意图

1—进水装置；2—进碱装置；3—树脂层；4—中间排液装置；5—下部配水装置；6—进酸装置

4.固定床离子交换设备的设计计算

一般离子交换器都有定型产品，其主要尺寸、附属设备和树脂的装填高度都有相应的规定。在选择时可按如下步骤进行：

（l）交换器直径的确定。交换器直径由处理水量和运行流速来确定，交换设备中的流速与进水中含盐量有关，应根据出水水质要求、运行经济性、生产班制等因素进行选用。

式中：d——单台设备的内径，m；

Q1——单台设备的产水量，m3/h；

υ——运行流速，m/h。

一般一级复床正常流速υ应在15～20m/h，为保障系统安全、正常运行，复床除盐系统的离子交换设备宜不少于2台，当一台设备再生或检修时，另一台的供水量应能满足正常的供水和自用水要求。

（2）一台设备一个周期离子交换容量Ec（mmol）

式中：Q1——单台设备的产水量，L/h；

C0——进水中需去除的（阴或阳）离子总含量，mmol/L，C0=Σ(1 +Cl-+ +……)或C0=Σ(1/2Ca2++1/2Mg2++Na++……)，即等于进水中总离子（阴或阳）含最减去出水泄漏量；

T——设备运行一个周期的工作时间，h；一般一级复床正常运行时间按每昼夜再生一次考虑，当进水水质最差时不多于两次。

（3）交换器装载树脂高度（hR）。

式中：E0——树脂的工作交换容量，mmol/L；

树脂的工作交换容量一般根据其再生方式、原水的含盐量及其组成、再生剂种类及用量等来计算，也可以通过模拟试验求得。通常001×7烯系强酸阳离子交换树脂逆流再生工作交换容量在700～1300mmol/L之间，201×7苯乙烯系强碱阴离子交换树脂逆流再生工作交换容量在200～400mmol/L之间。

由上式计算的树脂层高度一般不应小于1.2m，正常应在1.5～2.0m之间。