引用

的

 

离子交换树脂采用无顶压逆流再生工艺的水力学问题探讨

          常熟市天旺水处理设备制造有限公司     陆达年

 

1、引言

  从上世纪70年xx始，离子交换树脂的顺流再生工艺逐步被逆流再生工艺所代替，对于提高离子交换器的出水品质，降低酸耗、碱耗，起到了十分巨大的作用。

为了保证离子交换树脂有一个良好的再生效果，首要的条件是在再生的过程中，离子交换树脂不能“乱层”，因此人们就想出了空气顶压的工艺，空气流过压脂层时会产生一个阻力损失，这个向下的力能够有效地平衡逆流再生向上的力。

   逆流再生过程中，向上的力实际上就是流体向上流动时的阻力，这个力包括树脂层的阻力和中间排水装置的阻力。

一般认为，向下的力就是树脂颗粒的重力（湿真密度）和水的浮力之差，（具体计算时，还要考虑树脂的湿视密度），以及压脂层产生的重力。

从原则上说，只有向下的力大于向上的力，逆流再生工艺才能实现。

2、树脂层的阻力

2.1树脂层阻力的计算公式：

    △P＝（5×ν×V×H）÷d2

△P：逆流再生时树脂层的水头损失m

ν：水的运动粘滞系数cm2/sec

V：再生液的空塔流速3.0m/h

H：树脂层高度，取2.0m

d2：树脂的平均颗粒直径，取0.6mm

2.2水的粘度

  从树脂层的阻力计算公式看出，如果树脂层允许的阻力是一个定值，而公式中的一些边界条件不变，那么水的粘度和再生流速的乘积  就是一个常数。当再生液的温度降低时，由于水的粘度上升，再生液的流速应该相应降低。

  再生液温度对再生流速的影响，其实质是再生液运动粘度的影响，为了研究的方便，我们把再生液粘度的影响，视为水的粘度的影响。因为再生液一般为酸、碱的稀溶液，用水的粘度数据，不会带来很大的误差。

 

水在正常压力下,不同温度的粘度可以用下面的经验公式计算.

  ν=0.01775/(1+0.0337t+0.000221t2)

ν：运动粘度 cm2/sec

t：水温 ℃

表一  不同温度下水的运动粘度和再生阻力（阻力计算的假定值如上所述）

 

 

   如果树脂层的高度、树脂的平均颗粒直径、逆流再生的流速不变，那么由于水温的改变，会引起再生液运动粘度的改变，对于地表水，随着季节的变化，温度的变化是很大的，甚至可能会达到30℃，从表中看出，当水温从5℃变化到35℃时，水的运动粘度几乎降低了一半，也就是说，在同一个体系中，再生液的流动阻力降低了一半。换句话说，再生液的温度比较高时，允许采用比较高的再生流速，而再生液的温度比较低时，则只能采用比较低的再生流速。

3、中间排水装置的阻力（简称中排）

   再生液除了要克服树脂层的阻力外，还要克服中排的阻力，我们这里研究的中排是指目前市场上用的最多的采用筛管（内衬多孔管）的鱼刺型中排装置。

  下面，我们对中排在再生过程中的阻力进行分析：

由于中排筛管巨大的流通面积，使得通过筛管缝隙的流速非常缓慢，在筛管的表面几乎没有什么阻力。

3.1中排的基本数据（以直径2.5m的交换器中排为例）：

交换器直径 m	2.5
筛管外径 mm	42
筛管总长 m	（0.51＋0.75＋0.90＋1.0＋1.05）×4＝16.84	表中为筛管有效流通长度,共20根支管
筛管总面积 m2	16.84×3.14×0.042＝2.21
筛管缝隙 mm	0.25	面丝为1.5
缝隙面积系数	0.25/（1.5＋0.25）＝0.143
再生流量 m3/h	3.0×3.14×(1.25)2=14.72	假定再生流速为3.0m/h
缝隙流速 m/sec	14.72/（2.21×0.143×3600）＝0.013
衬管小孔直径 mm	8
小孔个数	1200
小孔总面积 m2	0.06
小孔流速 m/sec	0.14m/sec(假设一半小孔流入再生液) 所以小孔流速增加一倍	假设再生流速3.0m/h
小孔阻力计算 m	0.0026	阻力系数2.6

 

3.2  筛管内多孔管的阻力

小孔的流量和小孔的阻力有如下的关系：

Q：小孔流量

μ：流量系数

A：小孔面积

g：重力加速度

h：小孔阻力损失（小孔流入、流出视为相等）

下面是小孔流量系数表：

在本案中，小孔直径与壁厚之比为 8/3＝2.7 ，取流量系数0.62

在本案中，由于小孔流速（流量）极小，因此在小孔中的流动阻力仅为2.6mm，即毫米级阻力。

3.3 筛管的缝隙阻力

当缝隙面积系数为0.15时，阻力系数为114。这时的局部阻力计算如下：

 

    ΔP＝114×（0.013）2/(2×9.8)=0.001m

3.4  小结

   即使考虑缝隙的堵塞系数，考虑筛管只用半周、甚至小于半周排放废液的事实， 由于流速极低，阻力也仅仅为毫米级。采用筛管以后，在中排上产生的流动阻力，与树脂层本身的阻力相比较，可以忽略不计。

   由于采用筛管作为中排的基本元件，无顶压逆流再生成为一个被大家普遍接受的工艺。筛管的大流通面积和高阻力系数是流体流过这个元件时产生小的流动阻力和均匀配水的有利条件。

4、离子交换树脂在静态条件下的水力学分析

 

 离子交换树脂层在静态条件下有一个向下的力，这个力就是压脂层的重力，以及交换树脂层的重力和浮力之差，

4.1        研究对象和假设

表二：  采用001x7和201x7树脂作为研究对象。（采用苏青树脂数据）

       

 

  假设压脂层高度为：200mm

  离子交换树脂层高为：2.0m

4.2   压脂层的重力

，

表三： 压脂层的重力：（计算时要考虑树脂层的孔隙率）

 

 

4.3  交换层树脂的重力和浮力之差。（计算时要考虑树脂层的孔隙率）

 

 表四  交换层树脂的重力和浮力差

 

树脂的孔隙率＝（树脂湿真密度－树脂湿视密度）/树脂湿真密度

 

取树脂湿真密度和湿视密度的平均值算出阳树脂、阴树脂的孔隙率分别是：

阳树脂孔隙率＝（1.27－0.815）/1.27＝0.36

阴树脂孔隙率＝（1.08－0.70）/1.08＝0.35

 

4.4 树脂层向下合力

表五：树脂层向下的合力

 

比较一下表一和表五的数据，向下的力大约只相当于0.51m和0.24m的水头，常温工况下，在3.0m/h的再生流速下，无论是阳离子交换树脂还是阴离子交换树脂，向下和向上的力基本上都是不匹配的，尤其是阴离子交换树脂。

可以说，按常理判断，无顶压再生工艺几乎是无法实现的。

那么是什么样的力，能够维持无顶压逆流再生的工况，即使在水温变得很低的时候，还能使无顶压逆流再生顺利进行？

  我们不得不重新认识中间排水装置的作用。

 

5、在再生工况下，中排母管具有一定的真空值，这是无顶压再生能够实现的根本原因

5.1真空值的形成机理

中排装置排放废液是通过中排母管和相应的体外排放管道，排到地沟，排放管道一般垂直布置，其排放高度包括树脂层的高度、石英砂填层（或孔板）的高度、交换器下封头离地面的高度、排放管插入地沟的深度，这一垂直高度大约有3.5m。

从中排排放管的流入口（1），到排放管进入地沟处的流出口（2），在流入口（1）和排放口（2）两个断面上，列出伯努利能量方程：

 

在上式中，假定排水管是等径的。

如果不考虑排放管的阻力损失,那么在排放管的流入口大约会有一个小于3.5m水柱的真空值。确定这个真空值是困难的，因为在排放管中，一定是气、水混合物， 值是不确定的。             这个真空值对于实现无顶压逆流再生起了关键的作用。

5.2 实现无顶压再生工艺的水力学分析

树脂层的阻力：ｈ1

中排装置网套的阻力：　ｈ2 

中排装置管内的压力：ｐ1

树脂层向下的合力：　ｆ

 

无顶压逆流再生可以实现的数学模式应该是：

 

     f－（ｈ1＋ｈ2 ＋ｐ1）＞0

     f－ｐ1＞ｈ1＋ｈ2

 

 

以前老式的中排塑料网套，由于ｈ2太大，导致：

 

 f－ｐ1＜＜ｈ1＋ｈ2，

 

 这时再生水的水位就会不断上升，超过压脂层，直到再生液的排放量与液位的高度产生一个平衡，但是，这种工况足以使树脂乱层而导致再生失败。因此以前在再生前采用施加压缩空气的办法，产生一个向下的附加力，这个附加力实际上是压缩空气通过压脂层产生的阻力，一般为0.02－0.03Mpa，即2－3米水柱。

 如果   f－ｐ1  为2m水头，而ｈ1＋ｈ2为3.0m水头，那么显然就需要有一个附加的1.0m的水头把废液“压进去”，在再生工艺上，就是顶压空气的应用。

相反，如果f－ｐ1  为2m水头，而ｈ1＋ｈ2为1.0m水头，那么这个时候的再生废水，实际上是被“吸进去”的。

无顶压再生的根据就在于此。

以前中排支管开孔加塑料网套的做法，显然中排装置的阻力太大。后来有人通过试验，把支管上的小孔面积扩大到原来的三倍，小孔计算流速从0.3m/s降到0.1m/s以后，实现了无顶压再生。

正如上面分析的那样，再生废液从 “压”进去，变成了“吸”进去。在工艺上实现了从有顶压再生到无顶压再生的转变。

过去，我们对中排的母管、支管、小孔的阻力进行了很多的计算，但是我们忽略了二层网套其实是一个主要的阻力原件，考虑到碎树脂对网套的堵塞作用，支管存在很大的流动阻力。因此，有顶压再生就不可避免。

既然无顶压再生的原动力来自中排管内的真空，那么，正如本文计算的那样，当排放管的垂直高度达到3.5m时，根据伯努利能量方程，可以算出在中排的排放管进口可以形成一个小于3.5m的真空值。因为，{dy}在排放管中，不xx是液体，废液与一部分空气同时进入排放管，会使 值变小；第二排放管本身的阻力损失。

以前，在研究中排装置的配水均匀性问题时，往往采用单相液体的方法，其实在中排装置工作的过程中，无论是气顶压、还是无顶压，都会有空气和水同时从中排装置中流出，因此它是一个二相流动的过程。用单相液体作为研究对象，显然是不合适的。

 

为了获得比较高的真空值，在中排的设计、排放管的设计、树脂层的高度、交换器的外形设计等方面需要深入研究。

从理论上讲，中排母管中产生的真空值是无顶压逆流再生的“原动力”，因此在进再生液之前，在中排母管中建立起一个稳定的真空值是十分重要的。

提高再生液的温度，对于无顶压再生工艺的实现也是一个重要的因素，因此我建议在设计再生系统时，不仅要加热阴离子交换器的再生用水 ，而且也应该加热阳离子交换器的再生用水。