離子交換樹脂的再生_周瀟

1、第 40卷第 8期 當(dāng) 代 化 工 Vol.40,No.8 2011年 8月 Contemporary Chemical Industry August,2011收稿日期 : 2011-06-17 作者簡(jiǎn)介 : 周 瀟(1963- ,男,廣西河池人,副總經(jīng)理,碩士,1986年畢業(yè)于廣西大學(xué)化工專業(yè),研究方向:從事化工技術(shù)工作。E-mail:jifan_yu,電話離 子 交 換 樹 脂 的 再 生周 瀟(廣西河池化工股份有限公司,廣西 河池 547007摘 要 :離子交換法除鹽在鍋爐給水除鹽工藝中有廣泛地應(yīng)用,離子交換樹脂的再生是一個(gè)復(fù)雜的過程, 再生濃度、流速和時(shí)間

2、等都會(huì)影響再生的效果。在總結(jié)廣西河池化工股份有限公司除鹽水系統(tǒng)再生經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ) 上,對(duì)再生工藝進(jìn)行了研究,為采用離子交換法除鹽的企業(yè)提供借鑒。 關(guān) 鍵 詞 :離子交換樹脂;再生;工藝中圖分類號(hào) :TQ 425 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 1671-0460(201108-0817-03Regeneration of Ion-Exchanging ResinZHOU Xiao(Guangxi Hechi Chemical Co. ,Ltd, Guangxi Hechi 547007, ChinaAbstract : Desalination by ion exchange is widely

3、 used in purifying water for boiler. Regeneration of ion-exchanging resin is a complication process ,and regeneration results are affected by regeneration concentration, velocity and time. In this paper, on the basis of summarizing regeneration experiences of the desalination system in Guangxi Hechi

4、 chemical company, regeneration process was studied, which can provide some references for other enterprises which adopt ion-exchanging process. Key words: Ion-exchanging resin; Regeneration; Process離子交換樹脂在除鹽處理工藝中用來交換水中的離子,陽離子交換樹脂釋放出氫離子(H+,失 效后用鹽酸或硫酸再生,置換出生產(chǎn)過程中吸附的 Ca 2+、Mg 2+、Na +等陽離子;陰離子交換樹脂釋放出氫氧根離

5、子(OH- ,失效后用燒堿再生,置換出生產(chǎn)過程中吸附的 Cl -、SO 42-、HCO 3-等陰離子。離子 交換樹脂的吸附和再生是一個(gè)可逆的過程,再生劑 的濃度、流速和再生時(shí)間都會(huì)影響再生效果;同樣 設(shè)備狀況也會(huì)影響再生效果,不同的設(shè)備狀況和樹 脂性能適用不同的再生工藝。 根據(jù)離子樹脂的特性, 交換設(shè)備和樹脂的狀況選擇適當(dāng)?shù)脑偕に?將有 助于提高再生效率,降低再生劑的消耗,對(duì)降低制 水成本及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。1 原再生工藝及存在問題1.1 再生液濃度根據(jù)離子交換設(shè)備廠家的推薦,一般陽離子交 換樹脂的再生濃度為 3%5%, 陰離子交換樹脂的再 生濃度為 2%3%, 整個(gè)再生過程中維

6、持不變。 河池 化工除鹽水系統(tǒng)的再生濃度分別為 3.4%和 2.4%。再生過程之所以選擇較高的濃度,基于離子交 換樹脂對(duì)不同離子的不同吸附能力。再生過程是樹脂吸附 H +(陽樹脂和 OH -(陰樹脂的過程,而樹脂對(duì)二者的吸附能力與 Ca 2+、SO 42-相比較弱,因 而必需以高濃度的再生液維持濃差才能獲得較好的 再生效果,濃度越高,再生越徹底,而根據(jù)工作層 理論,濃度越大,工作層越厚,再生液也越容易穿透樹脂層造成浪費(fèi) 1。再生過程中,樹脂相的失效離子(Ca2+、SO 42-的濃度不斷下降,隨再生進(jìn)程 改變?cè)偕鷿舛燃瓤杀３譂獠钣挚梢允构ぷ鲗幼儽? 從而減少再生液的穿透,提高利用率。因此再生液

7、的濃度應(yīng)當(dāng)綜合考慮工作層及濃度差的影響,而非 固定不變。1.2 再生流速正固定床逆流再生的再生流速一般為 35 m/h。 河池化工原再生流速為 4.5 m/h。限制高再生流速的目的在于防止樹脂亂層,而 過低的流速降低樹脂表面再生液的雷諾數(shù),阻礙傳 質(zhì), 降低再生液的利用率。 在不發(fā)生亂層的前提下, 高流速是有利的,確保樹脂不亂層的流速與樹脂層 總高度、壓脂層高度是相關(guān)的。1.3 再生劑量根據(jù)離子交換設(shè)備廠家的調(diào)試結(jié)果,河池化工 原再生用酸 3 500 kg,用堿 3 000 kg。818 當(dāng) 代 化 工 2011年 8月再生劑用量一般以離子交換樹脂的交換容量計(jì) 算。 離子交換樹脂在使用過程中,

8、 或因重金屬離子、 有機(jī)物的污染,或因樹脂氧化導(dǎo)致交換基團(tuán)損壞, 其交換容量不可避免地降低。故再生劑量也當(dāng)視樹 脂性能而定。1.4 再生時(shí)間在既定的再生劑量、流速和再生濃度下,時(shí)間 實(shí)際上也是既定的。原再生的時(shí)間一般為 60 min。 由于人為操作的影響,事實(shí)上濃度不能保證恒定, 故很難保證再生時(shí)間。2 工藝的優(yōu)化2.1 再生液濃度的選擇工作層是進(jìn)行目的交換的樹脂層區(qū)域,也就是 正在工作的樹脂層。在離子交換器運(yùn)行時(shí),工作層 是指交換器內(nèi)沿水流方向上被交換離子濃度等同進(jìn) 水的斷面至被交換離子濃度達(dá)到水質(zhì)要求的斷面之 間的樹脂層。再生也是交換過程,只是濃度不同。 將這個(gè)概念應(yīng)用于再生過程,則其工作

9、層可以認(rèn)為 是沿再生液方向上已再生好的樹脂斷面至未再生樹 脂斷面之間的樹脂層。假定樹脂的交換容量為 Q , mol/m3(將再生過程 視為交換過程,交換容量即吸附再生液的能力; 再生液濃度為 a ,mol/m3;再生液流速為 v ,m/h;設(shè)備直 徑為 s ,m;樹脂高度為 h , m;則再生液穿透樹脂層的時(shí) 間為:t = h Q /(v a (1 當(dāng)再生液濃度比較低時(shí),工作層較薄,其移動(dòng) 速度小于再生液流速 v ,如果提高再生液濃度,工 作層厚度將增加,當(dāng)升高到某一值,就會(huì)出現(xiàn)工作 層的移動(dòng)速度等于再生液流速 v 的現(xiàn)象,濃度超過 該值時(shí),在整個(gè)再生過程中,再生液就會(huì)一直處于 穿透樹脂層的狀

10、態(tài),再生液的利用率就低。因此該 值是一個(gè)臨界值。如前所述,較高的濃差有利于提高再生效果。 因此,再生液濃度為臨界值時(shí),既能保持經(jīng)濟(jì)性又 可以獲得較好的再生效果。此時(shí)工作層的移動(dòng)速度 w 為:w = h /t代入(1式得:h /w =h Q /(v a 因此時(shí) w =v 得:a =Q即當(dāng)再生液濃度等于 Q 值時(shí)為最佳再生濃度。 這里需要說明的是, Q 是再生工況下的工作交換容 量, 這是一個(gè)與樹脂性能、 設(shè)備性能以及樹脂高度、 交換溶液濃度等有關(guān)系的值。由于再生過程能吸附 再生液的樹脂不斷減少, 工作交換容量也隨之降低, 因此最佳再生液濃度是一個(gè)逐漸降低的變動(dòng)值。 由于工作交換容量計(jì)算過于復(fù)雜,

11、我們通過實(shí) 驗(yàn)的方式測(cè)定初始的工作交換容量,將工作交換容 量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系簡(jiǎn)化為線性關(guān)系,其斜率 k 也 由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。故整個(gè)再生過程的再生液濃度為:a = Q 初始 -k t通過實(shí)驗(yàn),河池化工除鹽水系統(tǒng) Q 初始 約為 800 mol/m3, k 值約為 6.7 mol/(m3min ,即:a = 800 - 6.7t知初始再生濃度為 2.92%;陰床 Q 初始 約為 610 mol/m3, k 值為 7.5 mol/ (m3min即:a = 610 -7.5t知初始再生濃度為 2.44%。2.2 再生流速的選擇經(jīng)試驗(yàn)選擇再生流速為 4 m/h, 可保證樹脂無亂 層現(xiàn)象發(fā)生。需注意的是, 對(duì)

12、于有氣頂壓或者水頂壓的設(shè)備, 流速可適當(dāng)提高。2.3 再生劑量的選擇離子交換樹脂再生劑用量一般按下式計(jì)算: 陽床用鹽酸 (31% 量=樹脂工作交換容量有 效樹脂量1.236.5/0.31陰床用燒堿 (30% 量=樹脂工作交換容量有 效樹脂量1.340/0.30其中 1.2及 1.3為過余系數(shù)。經(jīng)測(cè)算,河池化工的陽樹脂工作交換容量(運(yùn) 行時(shí)的進(jìn)水水質(zhì) 為 1 200 mol/m3, 設(shè)備直徑 3.0 m, 有效樹脂量為 12.5 m3, 則再生用酸量應(yīng)為 2 119 kg。 陰樹脂工作交換容量(運(yùn)行時(shí)的進(jìn)水水質(zhì)為 700 mol/m3,設(shè)備直徑 3.0 m,有效樹脂量為 12.5 m3, 則 再

13、生用堿量應(yīng)為 1 517 kg。2.4 再生時(shí)間的選擇離子交換樹脂的再生過程可分為幾個(gè)過程:(1 再生液離子在水溶液中向樹脂顆粒表面的擴(kuò)散; (2 再生液離子通過邊界水膜的擴(kuò)散;(3再生液離子 在樹脂顆粒網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散;(4再生液離子和樹脂 交換基團(tuán)上被交換離子的相互交換;(5被交換下 來的離子在樹脂網(wǎng)孔內(nèi)向顆粒表面的擴(kuò)散;(6被 交換離子通過邊界水膜的擴(kuò)散;(7被交換離子從 樹脂表面向水溶液的擴(kuò)散。第 40卷第 8期 周 瀟:離子交換樹脂的再生此 819其中(2 、 (6為膜擴(kuò)散, (3 、 (5為顆粒擴(kuò) 散或內(nèi)擴(kuò)散。膜擴(kuò)散的半交換期計(jì)算式為 2:T 1 /2=0.23r 0q 0 /(d c

14、 0其中:r 0 樹脂直徑,cm;q 0 全交換容量,mol/L; 水膜厚度,cm;d 擴(kuò)散系數(shù),cm 2/s; c 0 溶液濃度,mol/L。上述參數(shù)約分別為 0.1,2,0.05,0.000 05,1.2時(shí), T 1 /238 min。顆粒擴(kuò)散半交換期計(jì)算式為:T 1 /2=0.03r 02/d擴(kuò)散系數(shù) d 0.000 05 cm2/s, r 0=0.1 cm,則顆 粒擴(kuò)散時(shí)間為 6 min。 所以, 再生時(shí)間不應(yīng)低于二者 之和,即 44 min。根據(jù) 2.1節(jié)推導(dǎo)的濃度函數(shù)和 2.3計(jì)算的酸堿用 量, 進(jìn)酸總時(shí)間應(yīng)為 67 min(計(jì)算過程省略, 下同 ; 進(jìn)堿總時(shí)間為 70 min。3

15、 優(yōu)化方案的實(shí)施傳統(tǒng)的再生設(shè)備是利用水力抽射器的抽吸作用 吸取再生液,稀釋后打入交換器的。水力抽射器的 抽力在水流量一定時(shí)是固定的,若不改變?cè)偕撼?口閥開度,濃度將維持定值,若需改變濃度,則應(yīng) 調(diào)整再生液出口閥的開度。很顯然,以人工操作實(shí) 現(xiàn)濃度按上述函數(shù)變動(dòng)是不可能的。為此我們借助 專業(yè)的再生控制器,由電腦根據(jù)設(shè)定函數(shù)調(diào)節(jié)再生 過程的濃度和時(shí)間等參數(shù),讓再生過程得到自動(dòng)控 制。4 優(yōu)化效果按上述再生方案再生后, 獲得較好的再生效果, 運(yùn)行半年以來,陽床平均周期產(chǎn)水量為 4 350 t,酸 單耗 0.487 kg/t;陰床平均周期產(chǎn)水量 9 000 t,堿單 耗 0.169 kg/t。當(dāng)期陽

16、床進(jìn)水含鹽量為 3.5 mmol/L, 理論耗酸量為 0.412 kg/t,實(shí)際比耗為 1.18,酸利用 率為 84.7%;陰床進(jìn)水陰離子含量 0.97 mmol/L,理 論耗堿量為 0.129 kg/t,實(shí)際比耗為 1.31,堿利用率 為 76.3%。分別比優(yōu)化前降低 28.4%和 39.6%。5 結(jié) 論離子交換樹脂的再生是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,再生液 濃度既要保證再生所需要的濃差,又不能因濃度過 大而使再生液過早穿透樹脂層,維持再生液濃度與 再生過程中的交換容量等值是最佳的再生濃度;在 不造成亂層的前提下再生液流速高有利于促進(jìn)交 換;再生液用量應(yīng)根據(jù)運(yùn)行工況下的工作交換容量 計(jì)算;再生時(shí)間除了依流

17、速、再生劑量等定外,還 不能低于離子的擴(kuò)散所需的時(shí)間。參考文獻(xiàn) :1 孫允柱,徐福全. 電廠化學(xué)技術(shù)問答M.北京:冶金工業(yè)出版社,1993:87.2于瑞生,杜祖坤. 電廠化學(xué)M.北京:中國電力出版社,2006:114.(上接第 816頁表 5 產(chǎn)品主要物性對(duì)比Table 5 Comparison of main physical properties of the products測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試方法 EP7226國產(chǎn) 對(duì)比樣 熔融流動(dòng)速率/(g10 min-1GB/T 3682-2000 21.2 22.9拉伸屈服強(qiáng)度/MPa 27.725.4拉伸斷裂強(qiáng)度/MPa 16.415.3斷裂伸長(zhǎng)率,%

18、 GB/T 1040-2006 (拉伸速率 50 mm/min57.152.0彎曲模量/MPa GB/T 9341-2000 1 433.91 293.3懸臂梁沖擊強(qiáng)度/(kJm -2GB/T 1843-1996 7.4 7.1 乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù),% 紅外光譜儀 8.43 8.73熱變形溫度/GB/T 1634-2004 111 109 硬度GB 19466-200699.996.83 結(jié) 論(1 通過工藝控制優(yōu)化, 在中國石油撫順石化公司乙烯化工廠 PP 裝置上成功開發(fā)生產(chǎn)出高流動(dòng) 性抗沖聚丙烯專用料 EP7226, 各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。(2 今后將進(jìn)一步提高產(chǎn)品中的乙烯含量, 特 別是 EPR 成分, 改進(jìn)助劑體系, 在保證現(xiàn)有指標(biāo)的 情況下提高產(chǎn)品的沖擊性能。